مقالات

نگاهی بر تکنولوژی برش کاری با لیزرهای CO2 و لیزرهای فیبری

نگاهی بر تکنولوژی برش کاری با لیزرهای CO2  و لیزرهای فیبری

در سال های اخیر تکنولوژی های جدیدی در عرصه صنعت برش کاری با لیزر معرفی شده است . فناوری های جدید در عرصه تولید لیزر از قبیل لیزرهای فیبری و سایر نوآوری ها، چالش بزرگی را پیش روی صنعت گران و متخصصان قرارداده است . امروزه با توسعه صنایع ورق کاری ، بهره گیری از فناوری های جدید برای بهبود کیفیت محصولات و کاهش هزینه ها و زمان عملیات برش کاری از اهمیت فراوانی برخوردار شده است . از این رو شناخت این فناوری ها در کنار نیاز سنجی های تولید ، ما را در انتخاب ماشین آلات مناسب یاری خواهد کرد تا با کاهش هزینه های تولید و تسریع زمان تولید محصولات ، به بهره وری در سیستم های تولیدی رسید. تفاوت عمده ی ماشین آلات برش کاری لیزر در منبع تولید پرتو لیزر است. علارغم اینکه تجهیزات جانبی و فنی ماشین آلات از قبیل سرعت حرکت محورها ، دقت حرکتی یا سیستم های کنترلی از اهمیت فراوانی برخوردار است ، با این وجود منبع تولید لیزر اصلی ترین عامل تعیین تکنولوژی برش در مجموعه های برش کاری ورق های فلزی می باشد. هزینه های تعمیر و نگهداری ماشین آلات برش کاری لیزر معمولا صرف تجهیز یا سرویس منبع تولید لیزر می گردد. از این رو انتخاب صحیح ماشین آلات با توجه به نیاز ها و توانایی های دستگاه تاثیر مستقیم برروی کاهش هزینه های تولید خواهد داشت. در اینجا ما دو نمونه از تکنولوژی های تولید لیزر ( لیزرهای CO2  و لیزرهای فیبری ) که بیشترین سهم در صنایع برش کاری لیزر دارند به اختصار توضیح داده و به محدودیت ها و فواید هریک اشاره می کنیم.

لیزر CO2

لیزرهای CO2 شناخته شده ترین لیزرهای موجود در صنایع برشکاری با لیزر هستند . دستگاه های برشکاری با منبع لیزرهای CO2از برانگیختن اتم های گازی CO2-N2-He با جزء فعال CO2 ، پرتو لیزر را تولید و به کمک آینه هایی با ویژگی های خاص به هد دستگاه منتقل می کند تا با همگرا ساختن و متمرکز کردن پرتو لیزر بر روی ورق ، عملیات برش انجام پذیرد .

لیزرهای فیبری

دستگاه های برش کاری لیزر فیبری با بهره گیری از تکنولوژی های نوینی همچون لیزرهای دیودی و فیبرهای نوری آلاییده عرصه جدیدی را در بهره گیری از فناوری های لیزر برای برش کاری انواع ورق های فلزی گشوده است . در طی دهه های اخیر با توسعه فناوری تولید لیزرهای دیودی توان بالا ، لیزرهای پرقدرت وارد صنایع برش کاری شده اند در این نوع منابع تولید لیزر به دلیل عدم استفاده از هر گونه المان ایتیکی ( مانند آینه ، عدسی و منشور ) در تولید لیزر ، این تشدید کننده ها حساسیت بسیار کمی در برابر ضربه و لرزش دارند ، عوامل تاثیرگذار همچون استفاده از دیودهایی با عمر چند ده هزار ساعت ، هدایت پرتو لیزری به هد دستگاه بوسیله فیبر نوری و در نتیجه انعطاف پذیری بسیار بالا و جابجایی بار حرارتی بالا ( با توجه به ویژگی های هندسی فیبر نوری ، ضخامت کم و طول زیاد ) پایداری بالا و هزینه نگهداری پایینی را برای دستگاه برش کاری فیبری به ارمغان آورده است.

کاربرد لیزرها

کاربردهای انواع لیزرها اساساً با توجه به طول موج های لیزرهای تولیدی تعیین می شود. لیزرها طیف گسترده ای از طول موج ها را در بر می گیرند. تفاوت اساسی بین  لیزرهای فیبری و لیزرهای CO2 طول موج تولید شده توسط نور لیزر آنهاست . به طور تقریبی طول موج لیزرهای فیبری 1μm و طول موج لیزرهای CO2  μm10 می باشد . (شکل 2)

شکل2- مقایسه طول موج لیزرهای فیبری و CO2

این تفاوت در ذات لیزرهای یاد شده دو نتیجه اساسی را در بر خواهد داشت:

1- بیشتر فلزات ، لیزر فیبری با طول موج کوچک تر را بهتر جذب می کنند.

2- توانایی متمرکز کردن پرتو لیزر بر یک نقطه ، با طول موج کوچک تر ( لیزر فیبری ) بیشتر است.

عموماً بیشــترین ضخامت از ورق های فلزی که توسط تکنولوژی برش کاری لیزر قابل برش است، با توجه به طبیعت پروفیل پرتو لیزر، در مقایسه با تکنولوژی هایی همچون برش پلاسما یا هوا برش  دارای محدودیت هایی است.

هم اکنون، توان لیزرهایی که به عنوان منبع تولید پرتو لیزر در صنعت برش کاری ورق ها به کار می روند، با توجه به محدودیت های ایمنی و فنی حداکثر تا توان 6کیلو وات می باشند. از مقایسه حداکثر ضخامتی برشــی که دو لیزرCO2  4 کیلووات ( بیشترین توان قابل ارایه توسط سازندگان دستگاه برش کاری با لیزر) و لیزر فیبری 2 کیلووات ( رایج ترین لیزر فیبری مورد استفاده در صنایع برش کاری ) برروی ورق هایی با جنس فولاد نرم mild steel (MS)  ( که از گازهای O2 و N2 به عنوان گاز کمکی برش کاری در فرآیند برش استفاده شده است ) ، فولاد ضد زنگ – Stainless steel (SS)  – آلومینیوم ، برنج و مس – copper/Brass- می توانند انجام دهند ،

نمودار 1. مقايسه ضخامت ورق هايی با جنس متفاوت که توسط لیزرهای فیبری برش می خورند

این نتیجه بدســت می آید که انتخاب تکنولوژی دستگاه برش کاری لیزر، بستگی به جنس و ضخامت ورقی دارد که باید برش بخورد.

صرفه اقتصادی تكنولوژی های برش کاری لیزر

اگر هر دو لیزر فیبری و لیزر CO2  محدوده مورد نظر ما را از نظر ضخامت و جنس ورق هایی که قابلیت برش کاری دارند، در برگیرند، آنچه که ما را در انتخاب یکی از آنها کمک می کند، صرفه اقتصادی تکنولوژی مورد نظر می باشد. از آنجائیکه عوامل زیادی بر روی قیمت نهائی قطعه برش کاری شده موثر می باشند پاسخ به این سوال بسیار پیچیده اســت. با این حال، می توان به چند مورد از پارامترهای تاثیر گذار اشاره کرد:

مصرف برق

بدون هیچ گونه تردیدی ، با توجه به اساس کارکرد لیزرها ، مصرف برق برای لیزرهای فیبری به مراتب کمتر از مصرف برق لیزرهای CO2 می باشد، بازدهی لیزر فیبری ( نرخ توان خروجی لیزر به مصرف برق ورودی ) تقریباً 10 درصد می باشد. در مقایسه کل مجموعه رزوناتورهای فیبری و CO2 مجموعه خنک کاری لیزرهای فیبری باید 75 درصد انرژی ای که تلف شده است را خنک کنند در حالی که برای لیزرهای CO2 این مقدار 90 درصد است که خود مصرف برق بالایی را به سیستم لیزرهای CO2 تحمیل می کند.

مصرف گاز( جزء فعال تولید اشعه لیزر)

از آنجائیکه لیزرهای فیبری در زیر مجموعه لیزرهای حالت جامد قرار دارند هیچ گونه مصرف گازی به عنوان گاز برانگیخته شــده در فرآیند تولید اشعه لیزر ندارند در حالی که لیزرهای CO2 برای تولید لیزر، نیاز به مصرف گاز موثر که شامل ترکیبی از گازهای CO2-N2-He است ، دارند.  

مصرف گاز کمكی برش

گاز کمکی برش دو نقش اساسی را در فرآینـد برش کاری ایفا می کند:

1- محافظت از حوضچه مذاب در برابر اکسید شدن برای فلزات اکسیدپذیر

2- تخلیه حوضچه جوش از مذاب و نیز کمک به فرایند ذوب و بخار شدن فلز در حوضچه مذاب

بــرای برش ورق هایی با جنس های مختلف باید از گازهای کمکی متناســب با جنس آنها ( که عموماً گازهای O2 و N2 و هوا هستند) بهره برد. از نظر هزینه در اغلب موارد هزینه گاز کمکی برش در حد هزینه مصرف برق یا حتی بیشتر از آن نیز می باشد.مصرف گاز کمکی به قطر نازل هد دستگاه و فشار مورد نیاز برای انجام فرایند برش بستگی دارد.

مصرف هوای فشرده

عموماً دســتگاه های برش کاری لیزر از هوای فشرده برای عملکرد کلی دستگاه استفاده می کنند(شیرهای پنوماتیکی، سیلندرها و ..).   لیزرهای CO2 علاوه بر این، برای هدایت اشــعه لیزر از منبع تولید لیزر به هد دســتگاه از طریق آینه ها نیاز به هوای فشرده با کیفیت بالا (عاری از هرگونه رطوبت و غبار) دارند. در حالی که در لیزرهای فیبری انتفال لیزر از منبع تولید به هد دستگاه از طریق فیبر نوری انعطاف پذیر انجام  می یابد ولی برای خنک کاری هد نیاز به هوای فشرده می باشد.

هزینه نگهداری

برای استفاده از ماشین آلات صنعتی در طی سال های متمادی نیاز به تعمیر و نگهداری متناوب آنها می باشد. با توجه به پیشرفت ها و توسعه ساخت لیزرها، امروزه، هزینه های تعمیر و نگهداری به شدت کاهش یافته است. دستگاه های برش کاری لیزر CO2 جدید دیگر از منابع تولید اشــعه لیزر پر هزینه که شــامل توربین ها و تیوب های شیشه ای بودند، استفاده نمی کنند. همچنین لیزرهای حالت جامد نسل جدید مانند لیزرهای فیبری، دیگر از پمپ های خلاء پرهزینه یا سیستم اپتیکی داخلی که نیاز به تعویض یا تعمیردارند ، بهره نمی برند. در نتیجه می توان گفت منابع تولید لیزر نسل جدید کم هزینه تر و اقتصادی تر هستند.

هزینه های stand-by

بعضی از عوامل تاثیر گذار بر روی هزینه نهایی عملیات برش کاری متاثر از عواملی اســت که عموما مورد توجــه قرار نمی گیرند. برای مثال زمانی که برای تعویض لنز متمرکز کننده هد دســتگاه یا نازل و نیز تعویض میزکاری و حتــی زمانی که هد برای جابجائی از یک خط برش به خط برش دیگر صرف می کند از عوامل بسیار مهم در محاسبه هزینه های برش کاری می باشند. بنابر این هرچه زمان آماده به کار شدن دستگاه کمتر و سرعت حرکت بالاتر باشد ، هزینه ها نیز کاهش خواهد یافت.

برای انتخاب بهترین تکنولوژی برای فرآیند برش کاری لیزر باید به این سوال پاسخ داد که ملاک واقعی برای تولید بهینه یک ماشین برش کاری لیزر چیست؟ تولید بیشترین محصول ممکن ، تولید با کمترین هزینه ، تولید با بهترین کیفیت ( کیفیت سطح برش ) یا آنچه که امروزه مورد نظر اکثر تولیدکنندگان است : ” تولید بهتر ، ارزانتر و سریع تر”

بهترین ابزار برای ارزیابی دستگاه های متفاوت یا تکنولوژی های مختلف ، سنجش نیازها براساس محاسبات زمان و هزینه می باشد. زیرا هیچ کدام از عواملی همچون سرعت برش کاری یا هزینه کاربری در هر ساعت به تنهایی ، نمی توانند معیار مناسبی برای گزینش بهترین راهکار باشد.

همان گونه که در نمودار 2 مشاهده می کنید هزینه ماده خام اولیه که همان ورق می باشد ، تاثیرگذارترین عامل بر روی هزینه های نهایی تولید است. بنابراین انتخاب تکنولوژی باید براساس نیازها و محدودیت ها شکل گیرد.

نمودار 2 . هزینه های تولید

دستگاه برش کاری لیزر

حال، با توجه به نگرشی که به فرآیند برش کاری لیزر بهینه داریم می توان دستگاهی را انتخاب کرد که به طور کامل نیازهای ما را در برگیرد و بازدهی حداکثری را تضمین نماید. هنگامی که با توجه به فرآیند تولید سرعت های برش کاری بالا امکان پذیر باشد، ویژگی های حرکتی و پایداری دستگاه بیشتر تاثیرگذار خواهند بود در مقایسه دو ماشین که هر دو توانایی برش محصولی با نقشه، ضخامت و ســرعت برش کاری یکسانی را دارند، ماشینی که قابلیت حرکتی بالاتری دارد با ســرعت بیشتری به سرعت برش کاری مورد نظر می رسد و سریع تر فرآیند برش را به اتمام می رساند. (شکل 3)

علیرغم اهمیت سیستم حرکتی سریع تر، پایداری و صلبیت دستگاه در طی سرعت و شتاب های بالا ، بدون تغییر در دقت ابعادی و کارایی آن ، دسترسی آسان ، زمان آماده سازی کم و عملیات نگهداری راحت تر از عوامل تاثیرگذار می باشد.

شكل3. مقايسه ای بین دستگاهی با سرعت حرکتی بالا و دستگاه های متداول

نرم افزار های طراحی و ســاخت به کمک کامپیوتر بر روی دستگاه لیزر

نرم افزار های هوشمند و کارا از عوامل موثر در تولید بهینه قطعات برش کاری هستند. نرم افزاری که قابلیت چینش نقشــه قطعات بر روی ورق به طور بهینه (کمترین دور ریز ) را داشته باشد و همچنین مســیر حرکت هد از روی یک خط بــرش بر روی دیگری را به طور بهینه (کوتاه ترین مســیر) مهیا سازد، در مجموع زمان برش کاری را کاهش می دهد. الگوهای برش کاری هوشمند همچون fly-cutting یا common-line nesting از قابلیت هــای نرم افزارهای کارا و یــا هوشمند برش کاری با لیزر می باشند.

از آنجائیکه پارامترهای برش کاری لیزر بر روی کیفیت سطح برش بسیار تاثیرگذار هستند، نقش نرم افزارهای طراحی و ساخت هوشمند در افزایش کیفیت محصول بســیار پر رنگ می باشد. از این رو انتخاب دستگاه سازگار با یک نرم افزار هوشمند نیز بسیار حائز اهمیت است.

نتیجه گیری

در این مقاله هیچ گاه یک پاسخ نهائی برای انتخاب بهترین تکنولوژی لیزر داده نشده است زیرا همان طور که توضیح داده شد، نیازسنجی تولید کنندگان در کنار شـناخت کافی از ویژگی های تکنولوژی های دستگاه های لیزر بهترین راهکار برای انتخاب دستگاه مناسب خواهد بود.

منبع : مجله فنی مهندسی ساخت و تولید – شماره 54

سینا شكورزاده (مدير فنی)

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

Privacy Settings
We use cookies to enhance your experience while using our website. If you are using our Services via a browser you can restrict, block or remove cookies through your web browser settings. We also use content and scripts from third parties that may use tracking technologies. You can selectively provide your consent below to allow such third party embeds. For complete information about the cookies we use, data we collect and how we process them, please check our Privacy Policy
Youtube
Consent to display content from Youtube
Vimeo
Consent to display content from Vimeo
Google Maps
Consent to display content from Google
Spotify
Consent to display content from Spotify
Sound Cloud
Consent to display content from Sound