برش لیزر یک فناوری پیشرفته تولید است که از انرژی یک پرتو لیزر متمرکز برای برش دقیق انواع مواد استفاده می‌کند. این فناوری به دلیل دقت بالا، چندگانه و کارآمدی خود در بسیاری از صنایع از جمله اتومبیل‌سازی، هوافضا، الکترونیک و ساخت جواهرات، اهمیت ویژه‌ای پیدا کرده است. در این مرور جامع، به بررسی جزییات بیشتری از لیزر برش می‌پردازیم، که شامل اصول، کاربردها، مزایا، محدودیت‌ها و چشم‌انداز آینده آن است.
اصول برش لیزر
تولید اشعه لیزر
هسته برش لیزر در تولید پرتوی متمرکز و با انرژی بالای لیزر است. این پرتو معمولاً با استفاده از یک دستگاه به نام رزوناتور لیزر تولید می‌شود، که شامل یک محیط لیزری (مانند گاز، مایع یا جامد) است که به وسیله انبساط تحریکی نور افزایش می‌دهد.
در یک رزوناتور لیزر، اتم‌ها یا مولکول‌های درون محیط لیزری با یک منبع انرژی خارجی مانند تخلیه الکتریکی یا یک پرتو لیزری دیگر به یک حالت انرژی بالاتر تحریک می‌شوند. زمانی که این ذرات تحریک شده به حالت انرژی پایین‌تر خود باز می‌گردند، فتون‌های نور را تولید می‌کنند. این نور تولید شده باعث تحریک فتون‌های نزدیک به حالت‌های تحریکی می‌شود، که به تشکیل یک جریان فتون متمایل به افزایش و تشکیل پرتوی متمرکز و همگن لیزر می‌انجامد.
تمرکز پرتو
پس از تولید، پرتو لیزری از طریق یک سری آینه و عدسی‌ها عبور می‌کند که مسیر آن را تغییر می‌دهند و آن را به یک نقطه متمرکز هدایت می‌کنند. عدسی‌های تمرکز از اهمیت بسزایی برای کنترل شدت و قطر پرتو استفاده می‌کنند تا اطمینان حاصل شود که دارایی‌های کافی برای تعامل موثر با موادی که قرار است برش داده شوند، دارند.
تعامل با ماده
زمانی که پرتو لیزری متمرکز سطح ماده را می‌زند، به سرعت انرژی خود را به اتم‌ها یا مولکول‌های ماده انتقال می‌دهد. این جذب انرژی باعث فرآیندهای حرارتی و شیمیایی مختلفی می‌شود که به نوع و ویژگی‌های ماده بستگی دارد:
- ذوب شدن: برخی از مواد مانند پلاستیک‌ها و برخی از فلزات، انرژی لیزر را جذب می‌کنند، که منجر به ذوب شدن آنها و تشکیل یک استخوان ذوب می‌شود.
- بخارشدن: در موادی با نقطه ذوب پایین یا حداکثر بخاری بالا، مانند چوب یا پلیمرها، انرژی لیزر می‌تواند مستقیماً ماده را بخاری کند و آن را به گاز تبدیل کند.
- واکنش شیمیایی: برای فلزات، به ویژه فلزاتی مانند فولاد یا آلومینیوم که واکنش پذیر هستند، لیزر می‌تواند واکنش‌های شیمیایی مانند اکسایش را ایجاد کند که در فرآیند برش به برداشتن ماده کمک می‌کند.
کنترل کامپیوتری
سیستم‌های برش لیزر معمولاً با نرم‌افزارهای کنترل عددی رایانه‌ای (CNC) تجهیز شده‌اند که حرکت پرتو لیزر را بر روی ماده به دقت هدایت می‌کنند. این کنترل CNC امکان اجرای الگوها و طرح‌های برش پیچیده با دقت و تکرارپذیری استثنایی را فراهم می‌کند.
انواع فرآیندهای برش لیزر
برش لیزر CO2
لیزرهای دی‌اکسید کربن (CO2) پرکاربردترین نوع لیزرهای استفاده شده در برش صنعتی هستند. این لیزرها نور فروسرخی با طول موج حدود 10.6 میکرومتر را انتشار می‌دهند که توسط انواع مواد جذب می‌شود و از این رو برای برنامه‌های مختلف مناسب هستند.
در برش لیزر CO2، پرتو لیزری در داخل یک رزوناتور حاوی مخلوطی از گازها تولید می‌شود، معمولاً ترکیبی از دی‌اکسید کربن، نیتروژن و هلیوم. رزوناتور نور تولید شده را از طریق تحریک الکتریکی افزایش می‌دهد که به تولید یک پرتو لیزری قوی منجر می‌شود که می‌تواند به ماده مورد نظر هدایت شود.
لیزرهای CO2 به ویژه برای برش مواد غیر فلزی مانند پلاستیک‌ها، چوب، سرامیک و پارچه‌ها مناسب هستند. همچنین می‌توانند فلزات نازک را برش دهند، اگرچه کارایی آنها با افزایش ضخامت مواد کاهش می‌یابد.
برش لیزر فیبر
لیزرهای فیبر در سال‌های اخیر به دلیل عملکرد برتر خود در برش فلزات شناخته شده‌اند. این لیزرها از فیبرهای نوری دوپ شده با عناصر کمیاب مانند اربیم، ایتربیوم یا نئودیمیوم به عنوان محیط لیزری استفاده می‌کنند.
طول موج لیزرهای فیبر معمولاً در محدوده حدود 1،000 تا 1،100 نانومتر است که توسط فلزات مانند فولاد، آلومینیوم و مس به خوبی جذب می‌شود. این باعث می‌شود لیزرهای فیبر بسیار کارآمد برای برش مواد فلزی باشند، به ویژه آنهایی که بازتاب‌پذیری یا هادیت بالایی دارند.
برش لیزر فیبر چندین مزیت نسبت به لیزرهای CO2 برای برش فلزات دارد، شامل افزایش سرعت برش، بهبود کارایی انرژی و کیفیت بهتر پرتو که به اتمام لبه‌ها و عرض کانال برش نازکتر منجر می‌شود.
برش لیزر Nd:YAG
لیزرهای نئودیمیوم-ایتربیوم: آلومینیوم گارنت (Nd:YAG) نوع دیگری از لیزرهای جامد است که معمولاً برای برش و جوشکاری استفاده می‌شوند. این لیزرها نور با طول موج حدود 1،064 نانومتر انتشار می‌دهند و توان بالایی را در پالس‌های کوتاه ارائه می‌دهند.
لیزرهای Nd:YAG به ویژه برای برش مواد ضخیم و برای برنامه‌هایی که نیاز به کنترل دقیق بر روی ورودی گرما دارند، مانند جوشکاری مواد مختلف یا اجرای جراحی‌های حساس، مناسب هستند. با این حال، در مقایسه با لیزرهای CO2 و فیبر برای برخی مواد، به دلیل هزینه بالا و کارایی کمتر، کاربرد کمتری در برش لیزر صنعتی دارند.
کاربردهای برش لیزر
تولید صنعتی
برش لیزری به تولیدات صنعتی مدرن اساسی شده است، جایی که برای تولید انواع اجزا و محصولات با دقت و کارایی بالا بسیاری از صنایع از جمله اتومبیل‌سازی، هوافضا و الکترونیک از آن استفاده می‌کنند. برخی از کاربردهای معمول شامل موارد زیر هستند:
- فرم دهی صفحه فلزی: برش لیزری در فرم دهی اجزا صفحه‌ای برای صنایعی مانند اتومبیل‌سازی، هوافضا و الکترونیک گسترده استفاده می‌شود. این امکان را فراهم می‌کند تا قالب‌ها و طرح‌های پیچیده به سرعت ایجاد شوند، اغلب بدون نیاز به قالب‌ها یا دیزهای گرانقیمت.
- برش لوله و لوله: سیستم‌های برش لیزری با محورهای چرخان می‌توانند لوله‌ها، لوله‌ها و سایر اجزا استوانه‌ای را با دقت بالا برش و پروفایل دهی کنند. این قابلیت برای صنایعی مانند ساختمان، تولید مبلمان و کارهای فلزی معماری اساسی است.
- تولید اتومبیل: برش لیزری در تولید اجزا اتومبیل، از جمله پانل‌های بدنه، اجزا شاسی، سیستم‌های خروجی و داخلی استفاده می‌شود. قابلیت برش مواد مختلف از جمله فولاد، آلومینیوم و کامپوزیت‌ها، این فناوری را برای نیازهای متنوع صنعت اتومبیل مناسب می‌کند.
تولید الکترونیک
در صنعت الکترونیک، برش لیزری برای ماشین‌کاری دقیق اجزا مانند برد‌های مدار چاپی (PCB)، وافرهای نیمه‌هادی و سیستم‌های میکروالکترومکانیکی (MEMS) استفاده می‌شود. برش لیزری مزایایی از قبیل کاهش مواد زائد، دقت بالا و توانایی برش الگوهای پیچیده بدون آسیب دیدن اجزا الکترونیکی حساس دارد.
تولید دستگاه‌های پزشکی
برش لیزری به طور گسترده در تولید دستگاه‌ها و ایمپلنت‌های پزشکی استفاده می‌شود، جایی که دقت و سازگاری با محیط زیست امری اساسی است. از آن برای برش و شکل‌دهی موادی مانند فولاد ضد زنگ، تیتانیوم و پلیمرهای قابل تجزیه استفاده می‌شود تا اجزا برای دستگاه‌هایی از جمله ابزارهای جراحی، استنت‌ها، ایمپلنت‌های ارتودنسی و پروتزهای دندانی ساخته شوند.
کاربردهای معماری و تزئینی
برش لیزری نیز در کاربردهای معماری و تزئینی محبوب است، جایی که برای ایجاد الگوها، طرح‌ها و نشان‌های پیچیده در موادی مانند فلز، شیشه، اکریلیک و چوب استفاده می‌شود. از صفحات فلزی زینتی و نمای ساختمانی تا محصولات دکوری خانه و نشانه‌های شخصی، برش لیزری امکان به واقعیت پیوستن افکار هنری را با دقت و جزئیات فراهم می‌کند.
صنعت نساجی و پوشاک
در صنعت نساجی و پوشاک، فناوری برش لیزری برای برش پارچه، حکاکی الگو و تزئینات لباس مورد استفاده قرار می‌گیرد. برش لیزری مزایایی از قبیل لبه‌های مهر و مومی، برش دقیق الگوهای پیچیده و توانایی کار با انواع گوناگونی از پارچه‌ها، از جمله مواد حساس مانند ابریشم و دانتل، را ارائه می‌دهد.
