Industriële lasersnijmachine

Een lasersnijder werkt door een hoogenergetische lichtbundel met een zeer kleine diameter verticaal naar beneden te richten op een vel of plaat materiaal om deze in een 2-dimensionaal profiel te snijden door de laser in de X- en Y-richting langs de machinebed. Deze straal smelt of brandt door het materiaal in een patroon dat wordt bepaald door een reeks computergegenereerde instructies die G-code worden genoemd. Soms wordt een gasstroom onder hoge druk gebruikt om het gesmolten materiaal uit de bodem van het te snijden materiaal te blazen. Dit proces wordt zo uitgevoerd dat het afvalmateriaal niet in het snijgebied achterblijft en stolt nadat de balk verder is gegaan. In andere gevallen verdampt de laserstraal het materiaal eenvoudigweg. De methode voor het genereren van de laserstraal verschilt per technologie, maar in principe volgen ze allemaal de onderstaande stappen:

Stap 1: Genereren van een G-codebestand
Voordat er wordt gesneden, moet de G-code voor de snijopdracht worden gegenereerd. G-code is een reeks machinaal leesbare instructies die de machine vertellen waar de lasersnijkop moet worden verplaatst. Voor eenvoudige vormen kan de operator de instructies handmatig genereren. Voor complexere vormen is CAM-software (computerondersteunde productie) nodig om deze G-code automatisch te genereren uit een aangeleverd CAD-bestand (computerondersteund ontwerp). Deze G-code moet vervolgens via een Wi-Fi-verbinding of een USB-station naar de machine worden verzonden.

Stap 2: Generatie van laserstralen
De laserstraal wordt gegenereerd in de resonator. Verschillende lasertechnologieën gebruiken verschillende media om de laser te genereren. De fysica van het genereren van de straal is echter hetzelfde voor de verschillende lasertechnologieën.
Wanneer een elektron wordt gestimuleerd door een foton, absorbeert het zijn energie om naar een hogere energietoestand te gaan. Er is een exacte hoeveelheid energie van een foton nodig om een ​​elektron in een specifieke energietoestand te brengen. Dit proces staat bekend als gestimuleerde absorptie.

Het elektron zal na zeer korte tijd vervallen naar een lagere orbitaal. Dit verval wordt veroorzaakt door kleine fluctuaties in het kwantumvacuüm, waardoor het terugvalt naar een lagere energietoestand. Bij verval zal het een foton uitzenden. Dit proces staat bekend als spontane emissie.

De spontane emissie van een foton kan niet worden gebruikt om een ​​laserstraal te creëren, omdat de uitgezonden fotonen onsamenhangend zullen zijn als ze in willekeurige richtingen bewegen. Ze zullen ook te snel naar de grondtoestand dalen. Lasers omzeilen dit probleem door gebruik te maken van materialen met een metastabiele toestand. Dit proces zorgt ervoor dat het elektron langer in een semi-aangeslagen toestand kan blijven vergeleken met de tijdschaal die betrokken is bij spontane emissie (dwz milliseconden versus nanoseconden).

Wanneer een foton interageert met een reeds opgewonden elektron in zijn metastabiele toestand, kan dit ervoor zorgen dat het elektron terugvalt in een orbitaal met lagere energie. Wanneer het elektron dit doet, komt er een foton vrij met dezelfde eigenschappen als het foton dat het elektron aanvankelijk verstoorde (dwz dezelfde frequentie, fase en polarisatie). Dit proces wordt gestimuleerde emissie genoemd en is het mechanisme dat wordt gebruikt om een ​​laserstraal te creëren. Zodra het proces begint, komt er een cascade van fotonen vrij die vervolgens door de buis reizen.

Stap 3: Laserversterking
Wanneer de eerste fase van spontane emissie plaatsvindt, schieten de fotonen in willekeurige richtingen weg. Sommige zullen echter loodrecht op de twee spiegels aan beide uiteinden van het lasermedium staan. Deze situatie creëert twee lichtgolven (één die naar links beweegt en één die naar rechts beweegt in het medium), waardoor een staande golf ontstaat die bestaat uit constructieve en destructieve interferentie. Wanneer deze staande golven worden geproduceerd, wordt dit resonantie genoemd. De intensiteit van het licht neemt toe tot het punt waarop de semi-reflecterende spiegel wat licht doorlaat, waardoor een coherente straal laserenergie wordt gegenereerd. Het resterende licht blijft reflecteren in het lasermedium om de gestimuleerde emissie van fotonen voort te zetten. Verschillende lasertechnologieën produceren lasers met verschillende golflengten.

Stap 4: Straalrichting en scherpstelling
Wanneer de straal na versterking het lasermedium verlaat, wordt deze gericht via een glasvezelkabel (in het geval van een fiberlaser) of via een reeks spiegels (voor CO2- en Nd:YAG-lasers). De straal wordt naar beneden gericht in het plaatmateriaal via een lens die de laserenergie focust op een zeer kleine diameter om een ​​plaatselijk hoogenergetisch punt te creëren. Merk op dat de laser slechts één focuspunt met hoge intensiteit heeft; de gehele straal heeft niet dezelfde snijintensiteit. Het verschil in intensiteit is de reden waarom lasersnijders beperkt zijn in de dikte van het materiaal dat ze kunnen snijden, omdat de laserintensiteit boven en onder het focuspunt afneemt.

Stap 5: Materiaal snijden
Zodra de straal is gefocusseerd, begint deze het materiaal te smelten of te verdampen. Bij niet-smeltende materialen, zoals hout, zal de laser door het materiaal heen branden. Bij metalen zal de laserstraal het materiaal smelten, en een hogedrukgasstraal zal het gesmolten materiaal wegblazen van de snede. Het gas kan inerte stikstof of argon zijn, maar het kan ook zuurstof zijn dat wordt gebruikt om het snijproces van staal te versnellen.