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什么是激光切割机?激光切割的工作原理是什么?

更新时间  2021-12-27 10:39 阅读

顾名思义,激光切割机通过切割材料来创建图案和设计。强大的激光束是熔化、燃烧或蒸发材料的源头。

从本质上讲,激光切割是一种制造过程,它使用细的、聚焦的激光束将材料切割和蚀刻成设计师指定的定制设计、图案和形状。这种非接触式、基于热的制造工艺非常适合多种材料,包括木材、玻璃、纸张、金属、塑料和宝石。它还能够生产复杂的零件,而无需定制设计的工具。


背景

激光切割机的发明归功于库马尔·帕特尔 (Kumar Patel),他于 1961 年加入贝尔实验室时开始了他对激光作用的研究。 1963 年,他开发了第一台 C0 2激光器,这是比任何其他类型都具有更多现代应用的变体的激光。CO 2激光器用于雕刻从丙烯酸和胶合板到纸板和 MDF 的材料。

应用

 

如今,激光切割已在电子、医药、航空航天、汽车和半导体等行业中找到了立足之地。最常见的应用之一是切割金属——无论是钨、钢、铝、黄铜还是镍——因为激光可提供干净的切割和光滑的表面。激光还用于切割陶瓷、硅和其他非金属。

也许激光切割技术最有趣的用途之一是在外科领域,激光束现在正在取代手术刀并被用于蒸发人体组织。这在眼科手术等高精度外科手术中尤其有用。

我们将在后面的部分讨论更多应用,但现在,让我们看看激光切割过程是如何工作的。


什么是激光切割机?

激光切割的工作原理

无毛刺激光切割的微妙科学

 

激光切割机的光束直径通常在 0.1 到 0.3 毫米之间,功率在 1 到 3 千瓦之间。该功率需要根据被切割的材料和厚度进行调整。例如,要切割铝等反射材料,您可能需要高达 6 kW 的激光功率。

激光切割不适用于铝和铜合金等金属,因为它们具有出色的导热和反光特性,这意味着它们需要强大的激光器。

 

以下是激光切割机的一些核心组件:

激光谐振腔: 激光束从激光谐振腔发出,激光谐振腔是一个密封的玻璃管,带有两个面对面的镜子。该管充满CO 2和其他气体,如氢气、氮气和氦气。这些气体的混合物由二极管或以光的形式发射能量的放电激活。

 

切割头: 光线在多个镜子的帮助下向各个方向反射,这些镜子经过精心布置,以确保它到达激光切割头。一旦光束到达切割头,它就会通过一个弯曲的透镜并被放大并聚焦到一个点上。正是在这个切割头内,激光变成了细而集中的光束,可以进行切割或光栅化。聚焦的激光束在击中板之前通过一个喷嘴,压缩气体如氮气或氧气也流过这个喷嘴。例如,如果您正在切割铝或不锈钢,激光束将在高压氮气将熔融金属吹出切口之前熔化材料。通常,切割头连接到由链条或皮带驱动的机械系统,这使它能够在有限的区域内进行精确的运动。透镜的焦点需要在被切割材料的表面上,激光才能进行实际切割。

 

喷嘴距离: 在任何时候,板和喷嘴之间都保持准确的距离。这个空间至关重要,因为它决定了焦点。通常,改变焦点会影响剪辑的质量。其他几个变量会影响切割质量,包括光束强度和速度。


激光切割的三大品种

火焰/反应车辙:辅助气体是氧气,在高压(高达 6 巴)下吹入切口。加热的材料(在这种情况下为金属)与氧气反应并开始燃烧和氧化。这种反应会排出更多能量并辅助激光束。

熔融切割/熔化和吹塑: 惰性气体(通常是氮气)将熔化的材料吹出切口,显着降低了所需的功率。材料首先被加热直到达到其熔点,然后气体将其吹出

远程切割:高强度激光束部分蒸发(烧蚀)材料,无需辅助气体即可切割薄片。


切割 vs 雕刻 vs 打标

激光雕刻

 一般来说,激光切割机也应该能够雕刻和标记。事实上,切割、雕刻和打标之间的唯一区别在于激光的深度以及它如何改变材料的整体外观。在激光切割中,来自激光的热量会一直切割材料。但激光打标和激光雕刻并非如此。

激光打标会使被激光加工的材料表面变色,而激光雕刻和蚀刻会去除材料的一部分。雕刻和蚀刻的主要区别在于激光穿透的深度。


打标和雕刻的区别如下:

激光打标:在激光打标中,激光不会完全穿透材料,而只会改变材料的特性或外观。激光会产生高对比度标记,因为激光的热量会重新分布相关材料中的碳。

激光雕刻:在激光雕刻中,光束物理去除材料表面,留下一个空腔,揭示您的设计。激光将材料加热到非常高的温度,使其蒸发并形成空腔。

激光切割机的差异来自机器中激光器的类型,而激光器的种类决定了激光器可能能够切割的材料厚度类型。通常,高功率激光器非常适合需要切割大块塑料或金属的专业应用。另一方面,低功率激光器对塑料、卡片纸、纸张和木材等较薄的材料有效。


三种主要类型的激光器是:

1. 气体激光器/CO 2激光切割机

切割是使用电刺激的 CO 2 完成的。CO 2激光器是在由其他气体(如氮气和氦气)组成的混合物中产生的。

CO 2激光器发射的波长为 10.6 毫米,与具有相同功率的光纤激光器相比,CO 2激光器具有足够的能量来穿透更厚的材料。当用于切割较厚的材料时,这些激光器还可以提供更光滑的表面。CO 2激光器是最常见的激光切割机类型,因为它们高效、便宜,并且可以切割和光栅化多种材料。

材料:玻璃、一些塑料、一些泡沫、皮革、纸制品、木材、亚克力


2. 水晶激光切割机

晶体激光切割机产生来自 nd:YVO(掺钕原钒酸钇)和 nd:YAG(掺钕钇铝石榴石)的光束。它们可以切割更厚更坚固的材料,因为与 CO 2激光器相比,它们具有更小的波长,这意味着它们具有更高的强度。但是由于它们的功率很大,因此它们的零件很快就会磨损。

材料:塑料、金属和某些类型的陶瓷


3. 光纤激光切割机

在这里,切割是使用玻璃纤维完成的。激光源自“种子激光”,然后通过特殊光纤放大。光纤激光器与盘式激光器和nd:YAG属于同一类别,属于“固态激光器”家族。与气体激光器相比,光纤激光器没有移动部件,能效提高两到三倍,并且能够切割反射材料而无需担心背反射。这些激光器可以与金属和非金属材料一起工作。

虽然有点类似于钕激光器,但光纤激光器需要较少的维护。因此,它们为晶体激光器提供了一种更便宜、更持久的替代方案

材料:塑料和金属

在这三种激光器中,制造商和专业人士最常使用CO 2激光器。它们主要用于切割非金属材料,尽管它们已经演变为切割金属,但它们仍然更适合非金属和有机材料(木材、皮革、橡胶)以及雕刻硬质材料。


利弊 

优点

  1. 以下是与其他切割技术(例如 CNC 铣削)相比,首选激光切割的原因:

  2. 高精度和准确度

  3. 生产速度高

  4. 比相同口径的数控机床更实惠

  5. 广泛的材料兼容性

  6. 无污染风险(因为它是非接触式过程)

  7. 更窄的切口宽度


缺点

  1. 高能耗

  2. 有毒排放物释放的风险(来自塑料)

  3. 较厚的材料可能难以切割

  4. 切割边缘烧焦的风险

  5. 激光切割设计

 

激光切割机的工作原理与您的普通喷墨打印机一样。这些机器具有某些驱动程序,使它们能够从计算机中挑选设计并将这些设计转换为可读格式。

几个软件包可以支持激光切割机的驱动程序:


 什么是激光切割机?激光切割的工作原理是什么?(图3)

 

二维设计

AutoCAD

墨景

Adobe Illustrator

CorelDRAW


虽然理论上设计师的想象力是可以创造的唯一限制,但在设计激光切割时,这里有一些一般准则:

设计必须符合您的刀具规格。完成的文件必须符合您机器的技术要求。否则,尝试转换文件可能会导致细节丢失或缺陷。

了解最大和最小激光切割尺寸并正确设置。您的设计尺寸受切割台尺寸的限制。如果桌子是 1100 x 1100 毫米,你就不能设计任何超出这个范围的东西。同样,您还应该遵守最小尺寸。

细节不能小于材料厚度。避免使用小于材料厚度的细节。例如,如果要打孔,则其直径应大于材料的厚度。

保持线条之间的最小距离。对于给定的材料厚度,线之间必须保持最小距离。通常,让零件之间的距离为材料厚度的 2 倍

物理定律始终适用。当你切下一块金属时,除非设计中有连接件,否则它会脱落。

表现出克制。 当多条线在同一点相交时,您的设计将分崩离析或变得脆弱。

仔细检查细节。放大细节并确保交叉点在需要的地方相交。

注意弯曲释放。不正确的弯曲消除不会给你一个很好的直接切断激光。

一旦设计准备好并加载到机器上,激光切割头将按照设计方向在金属板上移动,以根据需要切割零件。激光束沿着保存设计的矢量文件切割材料,直到完成形状/图案。


激光切割机应用

激光切割机已成为原型设计和制造的便捷工具。它们正在被使用:

在快速原型制作中,因为它们允许设计师在大规模生产之前快速且廉价地迭代他们的设计。

在机械车间以及工业制造中切割大块材料。

在硬件公司中创建原型。

在原型设计/小型项目的教育中。

由想要将他们的数字设计变为现实的艺术家和制造商。