Cắt CNC/ Laser
“LASER“ viết tắt của “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, laser là sự khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích. Bức xạ laser được tạo ra từ một bộ nguồn laser. Hiện nay hai loại laser nguồn thông dụng là laser tinh thể bán dẫn và laser khí. Nguồn laser có thể được kích hoạt bằng ánh sáng (đèn chớp hoặc diot) hoặc điện thế. Tinh thể laser hoặc khí được đặt giữa hai gương cho phép cộng hưởng và định hướng chùm tia laser. Một tỉ lệ xác định của chùm tia laser được truyền qua gương phản xạ bán toàn phần và nó có thể dùng để gia công vật liệu kim loại, tia laser ở cường độ cao có thể dùng để đốt cháy hay làm đứt vật liệu kim loại có độ cứng cáp cao.
Về cơ bản, cắt laser là một quá trình chế tạo sử dụng chùm tia laser hẹp, hội tụ, để cắt và khắc các vật liệu thành các mẫu được thiết kế, hoa văn và hình dạng tùy chỉnh. Quá trình chế tạo dựa trên nhiệt này phù hợp để sử dụng cắt các vật liệu như gỗ, thủy tinh, giấy, kim loại, inox, sắt, thép, nhôm, đồng, nhựa và đá quý và một số phi kim khác. Nó cũng có khả năng sản xuất các bộ phận phức tạp mà không cần một công cụ chuyên biệt nào cả.
Gia công laser là cụm từ bao hàm cả việc cắt laser và khắc laser nói riêng và các công nghệ liên quan đến gia công vật liệu sử dụng công nghệ laser nói chung. Và ứng dụng trong cuộc sống cũng bao hàm ứng dụng của việc cắt laser và khắc laser.
Để cắt được vật liệu kim loại người ta sử dụng máy chiếu laser có năng lượng và cường độ sáng cực cao chiếu trực tiếp vào vật liệu cần cắt. Một chùm tia laser mạnh làm tan chảy, đốt cháy hoặc làm bay hơi vật liệu. Các tia laser xung cung cấp cường độ sáng cao trong khoảng thời gian ngắn, nên rất hiệu quả trong quá trình gia công cắt laser.
Độ định hướng cao: tia laser phát ra hầu như là chùm song song do đó có khả năng chiếu xa hàng nghìn km mà không bị phân tán.
Tính đơn sắc rất cao: chùm sáng chỉ có một màu (hay một bước sóng) duy nhất. Do vậy chùm laser không bị tán xạ khi đi qua mặt phân cách của hai môi trường có chiết suất khác nhau. Đây là tính chất đặc biệt nhất mà không nguồn sáng nào có.
Tính đồng bộ của các photon trong chùm tia laser: Có khả năng phát xung cực ngắn: cỡ mili giây (ms), nano giây, pico giây, cho phép tập trung năng lượng tia laser cực lớn trong thời gian cực ngắn.
Tia laser có tính đồng nhất và đẳng hướng cao. Do đó bằng thấu kính hội tụ, chùm tia laser với năng lượng rất cao có thể làm nóng chảy hoặc bay hơi vật liệu. Thêm vào đó việc sử dụng các hệ quang học (gương, thấu kính) phù hợp, tia laser có thể được định chiếu hoặc phản xạ mà không bị tổn thất năng lượng ngay cả với khoảng cách lớn. Tùy theo hệ gương bố trí chuyển động kiểu chạy bàn xy plotter, quét chùm tia galvo hay điều khiển bằng robot mà hình thành hệ thống laser.
Laser có thể là sóng xung (Pulsed) hoặc sóng liên tục (CW – continuous wave), vậy sự khác biệt giữa laser CW và laser xung là gì?
Laser sóng liên tục (CW – continuous wave) là tia laser phát ra chùm tia laser liên tục với công suất nhiệt được kiểm soát, dưới dạng cường độ và thời lượng chùm tia. Laser sóng liên tục CW rất phù hợp trong việc thực hiện khoan laser, cắt laser và hàn laser.
Sóng liên tục (CW – continuous wave), như được mô tả ở trên, đối lập trực tiếp với laser xung, cũng cho phép người dùng kiểm soát thời lượng và cường độ chùm tia, nhưng được phát ra theo xung chứ không phải là một chùm liên tục. Nếu bạn đang làm việc với những vật liệu rất mắc tiền và cần những vết cắt rất cụ thể được tạo ra với những hình dạng phức tạp, thì có lẽ tốt nhất là dùng laser xung (Pulsed).
Ngoài hai cách khác nhau để sử dụng chùm tia lazer, lazer sóng liên tục CW chia ra làm ba loại tia lazer khác nhau:
– Laser tinh thể (thường được gọi là laser Nd: YAG),
– Laser khí (thường từ carbon dioxide, carbon monoxide hoặc heli-neon) và
– Laser sợi quang (fiber lasers).
Mỗi loại laser có ưu điểm riêng và khả năng làm việc trên các loại vật liệu khác nhau. Các loại laser thông dụng là laser khí CO2 và laser diot, laser sợi. Các loại laser này đều kinh tế và tuổi thọ cao.
Máy laser trên thị trường khác nhau chủ yếu là loại nguồn laser sử dụng. Chúng ta sẽ nói chủ yếu về laser CO2, lasers diot và laser sợi. Mỗi loại laser có riêng các ưu nhược điểm và phù hợp với các loại vật liệu khác nhau.
Laser CO2 là laser khí và được kích hoạt bằng điện thế. Với bước sóng 10.6 micrometers, nó chủ yếu được dùng để gia công vật liệu phi kim và hầu hết các loại nhựa. Laser CO2 có hiệu quả cao và chất lượng chùm tia rất tốt. Do đó nó là loại laser được sử dụng rộng dãi nhất.
Nó phù hợp gia công các vật liệu: Gỗ, mika, thủy tinh, giấy, vải, các loại nhựa, màng mỏng & phim, da, đá.
Laser tinh thể thuộc nhóm laser bán dẫn.
Ngày nay, laser dùng để đánh dấu và khắc hầu hết được bơm kích hoạt bằng diot (trong quá khứ là đèn chớp hiện chỉ dùng cho hệ công suất lớn, cho máy hàn laser).
Hai loại thông dụng là Nd:YAG (neodymium-doped yttrium aluminum garnet) và Nd:YVO (neodymium-doped yttrium ortho-vanadate). Bước sóng 1.064 micrometers, laser tinh thể có cùng bước sóng với laser sợi và chúng rất phù hợp để đánh dấu và khắc trên kim loại và nhựa. Tuổi thọ tiêu chuẩn khoảng 25.000 giờ.
Nó phù hợp với các loại vật liệu: kim loại, kim loại phủ, nhựa, ceramic.
Giống laser tinh thể, Laser sợi thuộc vào nhóm laser bán dẫn. Nó được tạo ra và kích hoạt trong các sợi thủy tinh được thiết kế đặc biệt bơm kích hoạt bằng diot. Với bước sóng 1.064 micrometers, laser sợi tạo ra chùm tia rất nhỏ và cường độ gấp 100 lần so với laser CO2 có cùng công suất phát.
Laser sợi phù hợp để đánh dấu và khắc sâu trên kim loại và các loại nhựa. Laser sợi nói chung không cần bảo dưỡng và có tuổi thọ tối thiểu 25.000 giờ làm việc.
Nó phù hợp với các vật liệu: kim loại, kim loại phủ, nhựa.
Kim loại là vật liệu có độ cứng cao nên rất khó để gia công bằng các phương pháp truyền thống hoặc sẽ tạo ra những sản phẩm không đáp ứng yêu cầu về chất lượng và thẩm mỹ. Cắt laser hiện nay đang là một phương pháp hữu hiệu nhất để gia công kim loại, hoàn thiện sản phẩm.
Do đó, sự phát triển của phương pháp sử dụng laser để cắt kim loại là bước tiến rất lớn trong ngành công nghiệp sản xuất này. Vậy nguyên lý hoạt động của tia laser như nào, chúng ta bắt đầu đi tìm hiểu sâu hơn nào.
Máy cắt Laser kim loại được cấu tạo từ nhiều bộ phận khác nhau: Bộ cộng hưởng laser, đầu cắt, thân máy, hệ thống làm mát… Trong đó, đầu cắt Laser là một trong những bộ phận đóng vai trò quan trọng nhất, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của hệ thống máy cắt và sản phẩm gia công.
1. Bộ cộng hưởng Laser:
Chùm tia laser phát ra từ bộ cộng hưởng laser, một ống thủy tinh kín khí với hai gương đối diện nhau. Ống chứa đầy C02 và các loại khí khác như hydro, nitơ và heli. Sự pha trộn của các khí này được kích hoạt bởi điốt hoặc phóng điện phát ra năng lượng dưới dạng ánh sáng.
Ánh sáng chiếu theo nhiều hướng khác nhau với sự hỗ trợ của một số gương được đặt ở vị trí cần thiết để đảm bảo nó chạm tới đầu cắt laser. Khi chùm tia tới đầu cắt, nó đi qua một thấu kính cong và được phóng to và tập trung vào một điểm duy nhất. Chính trong đầu cắt này, tia laser được biến thành một chùm mỏng, hội tụ, có thể cắt hoặc khắc. Các chùm tia laser hội tụ đi qua một vòi trước khi chạm vào tấm, với khí nén như nitơ hoặc oxy cũng chảy qua vòi này.
Ví dụ, nếu bạn đang cắt nhôm hoặc thép không gỉ, chùm tia laser sẽ làm nóng chảy vật liệu trước khi nitơ có áp suất cao thổi kim loại nóng chảy ra khỏi rãnh. Thông thường, đầu cắt được gắn vào một hệ thống cơ học được điều khiển bởi dây xích hoặc dây đai, cho phép nó thực hiện các chuyển động chính xác trong một khu vực hạn chế. Tiêu điểm của ống kính cần phải nằm trên bề mặt vật liệu được cắt để tia laser để thực hiện cắt.
Tại mọi thời điểm, khoảng cách chính xác được duy trì giữa tấm và vòi phun. Không gian này là rất quan trọng vì nó xác định tiêu điểm. Thông thường, chất lượng của vết cắt sẽ bị ảnh hưởng bằng cách thay đổi tiêu điểm. Một số biến khác có thể ảnh hưởng đến chất lượng cắt bao gồm cường độ và tốc độ chùm tia.
Ngọn lửa / phản ứng bốc cháy: Khí hỗ trợ là oxy, được thổi vào rãnh ở áp suất cao (lên đến sáu bar). Các vật liệu nóng (kim loại, trong trường hợp này) phản ứng với oxy và bắt đầu đốt cháy và oxy hóa. Phản ứng này sản xuất nhiều năng lượng hơn và hỗ trợ chùm tia laser.
Hợp nhất cắt / nóng chảy và thổi: Một loại khí trơ (thường là nitơ) thổi vật liệu nóng chảy ra khỏi rãnh, làm giảm đáng kể năng lượng cần thiết. Vật liệu đầu tiên được làm nóng lên cho đến khi nó đạt đến điểm nóng chảy sau đó khí thổi ra.
Cắt từ xa: Một chùm tia laser cường độ cao làm bay hơi một phần (loại bỏ) vật liệu, cho phép cắt các tấm mỏng mà không cần khí hỗ trợ.
Tốc độ cắt:
Hệ thống máy cắt với đầu cắt chất lượng cao có thể đạt đến tốc độ cắt từ 4 (m/phút) đến 85 (m/phút) tùy vào độ cứng và độ dày của bề mặt vật liệu cắt.
Vật liệu cắt:
Máy cắt Laser công nghệ cao có thể cắt được đa dạng vật liệu. Trong đó, máy cắt Laser CO2 thường được sử dụng để cắt các vật liệu phi kim (mica, gỗ). Ngược lại, khi cắt những vật liệu kim loại với độ cứng cao (sắt, nhôm, thép, inox, đồng, ceramic…), máy Laser Fiber sẽ được ưa chuộng hơn.
Độ dày cắt:
Độ dày bề mặt vật liệu cắt phụ thuộc vào công suất của nguồn phát Laser. Cụ thể, máy cắt Laser Fiber với công suất 1000W sẽ cắt được tấm sắt với độ dày tối đa 12mm hoặc tấm inox 4mm.
Những vật liệu kim loại như inox, sắt, thép, nhôm, đồng là vật liệu có độ cứng cao, do đó không thể cắt hay gia công bằng những phương pháp thông thường, thay vào đó, người ta sử dụng máy cắt laser kim loại mang lại nhiều hiệu quả cao, tốc độ gia công nhanh, chính xác, chất lượng cao, dẫn đến năng suất lao động tăng nhanh, giá thành rẻ hơn các phương pháp khác. Vì vậy phương pháp cắt laser kim loại có lợi thế hơn và được nhiều khách hàng lựa chọn thay thế những phương pháp khác.
