เครื่องตัดเลเซอร์ เป็นกระบวนการกำจัดวัสดุด้วยความร้อนที่เน้นลำแสงเลเซอร์พลังงานสูงไปบนพื้นผิวชิ้นงาน การหลอม การกลายเป็นไอ หรือการเผาไหม้ภายในวัสดุภายในเวลามิลลิวินาที ก๊าซช่วยแรงดันสูง เช่น ออกซิเจน ไนโตรเจน หรืออากาศอัด จะไล่วัสดุที่หลอมละลายหรือระเหยออกจากรอยตัด เหลือไว้แต่คมตัดที่สะอาดและโค้งมนอย่างแม่นยำ เนื่องจากการทำงานทั้งหมดควบคุมด้วย CNC หัวตัดจึงติดตามเส้นทาง 2D หรือรูปร่าง 3D ที่ตั้งโปรแกรมไว้ โดยไม่มีการสัมผัสเครื่องมือ ไม่มีแรงทางกลกับชิ้นส่วน และมีความกว้างของรอยตัดแคบเท่ากับ 0.1 มม .
การติดตั้งเครื่องตัดเลเซอร์ในปัจจุบันมีตั้งแต่ระบบไฟเบอร์เลเซอร์ขนาดกะทัดรัด 1.5 kW สำหรับโรงงานแผ่นบางไปจนถึงเครื่องจักรแบบโครงสำหรับตั้งสิ่งของขนาด 30 kW ที่สามารถตัดเหล็กคาร์บอนที่มีความหนาสูงสุด 40 มม. ในสภาพแวดล้อมการผลิต การผสมผสานระหว่างความแม่นยำ ความเร็ว และความหลากหลายของวัสดุทำให้เทคโนโลยีกลายเป็นกระบวนการตัดที่โดดเด่นสำหรับการขึ้นรูปโลหะแผ่นเรียบทั่วโลก โดยตลาดเครื่องตัดเลเซอร์ทั่วโลกมีมูลค่ากว่า 5 พันล้านดอลลาร์สหรัฐ และเติบโตอย่างต่อเนื่องเนื่องจากต้นทุนเลเซอร์ไฟเบอร์ลดลงอย่างต่อเนื่อง
ฟิสิกส์เบื้องหลังเครื่องตัดเลเซอร์
การทำความเข้าใจว่าพลังงานเลเซอร์มีปฏิกิริยากับวัสดุอย่างไรช่วยอธิบายว่าทำไมวัสดุและความหนาที่แตกต่างกันจึงตอบสนองต่อเครื่องตัดเลเซอร์ต่างกัน และเหตุใดการเลือกพารามิเตอร์กระบวนการจึงมีความสำคัญมาก:
การดูดซับพลังงานและบทบาทของความยาวคลื่น
พลังงานเลเซอร์ที่มุ่งตรงไปที่พื้นผิวไม่ได้รับการดูดซับไปทั้งหมด การสะท้อนแสงจะกำหนดว่าจะถูกสะท้อนออกไปมากน้อยเพียงใด และจะเปลี่ยนเป็นความร้อนได้มากน้อยเพียงใด ที่ความยาวคลื่นเลเซอร์ CO₂ 10.6 µm โลหะส่วนใหญ่จะสะท้อนแสงได้สูง (ทองแดงสะท้อนมากกว่า 98%) ในขณะที่อโลหะดูดซับได้อย่างมีประสิทธิภาพ ที่ความยาวคลื่นไฟเบอร์เลเซอร์ 1.06 µm การดูดซับของโลหะจะสูงขึ้นอย่างมาก: เหล็กดูดซับ 35–40% ,สแตนเลส 40–50% และแม้แต่ทองแดงก็ดูดซับได้ประมาณนั้น 5–10% —เพียงพอสำหรับการตัดที่เชื่อถือได้ด้วยกำลังเลเซอร์ที่เพียงพอ ข้อดีของความยาวคลื่นนี้คือสาเหตุที่ไฟเบอร์เลเซอร์เข้ามาแทนที่เลเซอร์ CO₂ ในการตัดโลหะ
ตำแหน่งโฟกัสและผลกระทบต่อคุณภาพการตัด
ตำแหน่งจุดโฟกัสที่สัมพันธ์กับพื้นผิวของวัสดุจะควบคุมความกว้างของรอยตัดและคุณภาพของหน้าตัดโดยตรง สำหรับแผ่นบาง ( ต่ำกว่า 3 มม ) โดยทั่วไปโฟกัสจะอยู่ที่หรือเหนือพื้นผิวด้านบนเล็กน้อยเพื่อเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานสูงสุดที่จุดที่เข้าสู่วัสดุเริ่มต้น สำหรับแผ่นหนา โฟกัสจะถูกตั้งค่าไว้ 1/3 ถึง 1/2 ของความหนาของวัสดุใต้พื้นผิวด้านบน เพื่อให้แน่ใจว่าลำแสงเลเซอร์จะรักษาความเข้มเพียงพอตลอดความลึกของวัสดุทั้งหมด ตำแหน่งโฟกัสที่ไม่ถูกต้องเป็นสาเหตุหนึ่งที่พบบ่อยที่สุดของพื้นผิวการตัดหยาบและการเกิดขี้โลหะมากเกินไป
การแลกเปลี่ยนความเร็วตัดและความหนาแน่นของกำลัง
สำหรับกำลังเลเซอร์และความหนาของวัสดุที่กำหนด จะมีหน้าต่างความเร็วตัดที่เหมาะสมที่สุด ช้าเกินไป: การป้อนความร้อนส่วนเกินทำให้เกิดรอยตัดที่กว้างขึ้น เพิ่ม HAZ และขยะที่แข็งตัวอีกครั้ง เร็วเกินไป: พลังงานไม่เพียงพอทำให้ความหนาทั้งหมดละลาย ทำให้เกิดรอยตัดที่ไม่สมบูรณ์หรือมีรอยหยาบบนหน้าตัด เครื่องตัดเลเซอร์ไฟเบอร์ขนาด 6 kW เหล็กคาร์บอนขนาด 6 มม. พร้อมออกซิเจนมักจะทำงานได้อย่างเต็มประสิทธิภาพที่ 3.5–5.5 ม./นาที ; การก้าวออกไปนอกหน้าต่างนี้ 20% จะทำให้คุณภาพของขอบลดลงอย่างมาก
คำแนะนำเกี่ยวกับเครื่องตัดเลเซอร์เฉพาะวัสดุ
| วัสดุ | แนะนำแก๊สช่วย | ความหนาสูงสุด (ไฟเบอร์ 6 kW) | การพิจารณาที่สำคัญ |
|---|---|---|---|
| เหล็กกล้าคาร์บอน | O₂ (ความเร็ว) หรือ N₂ (คุณภาพ) | 25–30 มม | O₂ ตัดเร็วขึ้น N₂ ให้ขอบที่ปราศจากออกไซด์ |
| สแตนเลส | N₂ (ความบริสุทธิ์ 99.999%) | 20–25 มม | N₂ ที่มีความบริสุทธิ์สูงป้องกันการเปลี่ยนสีของขอบ |
| อลูมิเนียมอัลลอยด์ | N₂ หรืออากาศอัด | 15–20 มม | การสะท้อนแสงสูงต้องใช้กำลังสูงสุดสูง |
| ทองแดง/ทองเหลือง | O₂ หรือ N₂ | 6–10 มม | ไฟเบอร์เลเซอร์เท่านั้น จำเป็นต้องมีการป้องกันแสงสะท้อนกลับ |
| อะคริลิค/พลาสติก | อากาศอัดหรือ N₂ | 25–50 มม. (CO₂) | ต้องการCO₂; ความเสี่ยงจากไฟไหม้ด้วยO₂ |
เศรษฐศาสตร์เครื่องตัดเลเซอร์: การวิเคราะห์ต้นทุนต่อชิ้นส่วน
ทำความเข้าใจโครงสร้างต้นทุนที่แท้จริงของ เครื่องตัดเลเซอร์ ช่วยให้ผู้ผลิตประเมิน ROI เทียบกับกระบวนการทางเลือกและเพิ่มประสิทธิภาพการตัดสินใจในการปฏิบัติงาน:
ส่วนประกอบต้นทุนหลัก
- ค่าเสื่อมราคาเครื่องจักร: เครื่องตัดไฟเบอร์เลเซอร์ระดับกลางขนาด 6 kW (โต๊ะ 3,000 × 1,500 มม.) โดยทั่วไปมีราคา 200,000–350,000 เหรียญสหรัฐ ตัดจำหน่ายเกิน 10 ปี ที่ 4,000 ชั่วโมงการทำงาน/ปี ค่าเสื่อมราคาอยู่ที่ประมาณ 5-9 ดอลลาร์สหรัฐต่อชั่วโมงทำการ .
- ค่าพลังงาน: เครื่องจักรขนาด 6 kW ใช้พลังงานทั้งหมดประมาณ 15–20 kW (รวมเครื่องทำความเย็น คอมเพรสเซอร์ เครื่องสกัด) ที่ USD 0.12/kWh ค่าพลังงานคือ 1.80–2.40 เหรียญสหรัฐต่อชั่วโมง —ต่ำกว่าการตัดพลาสมาที่กำลังไฟฟ้าเท่ากันอย่างเห็นได้ชัด
- ค่าน้ำมันช่วยเหลือ: ไนโตรเจนที่แรงดันสูง (12–20 บาร์) เป็นต้นทุนสิ้นเปลืองที่ใหญ่ที่สุดสำหรับการตัดสเตนเลสและอะลูมิเนียม เครื่องตัดสเตนเลสขนาด 3 มม. พร้อมไนโตรเจนขนาด 6 kW ใช้พลังงานประมาณ 30–50 ลบ.ม./ชม ; ที่ 0.15–0.25 เหรียญสหรัฐ/ลบ.ม. (ไนโตรเจนปริมาณมาก) ซึ่งอยู่ที่ 4.50–12.50 เหรียญสหรัฐต่อชั่วโมง การตัดด้วยออกซิเจนของเหล็กกล้าคาร์บอนมีค่าใช้จ่ายน้อยลงประมาณ 10 เท่าต่อชั่วโมงในการใช้ก๊าซ
- การบำรุงรักษาหัวฉีดและเลนส์: โดยทั่วไปแล้ว หัวตัด (ราคา 5-15 เหรียญสหรัฐฯ ต่อหัว) ใช้เวลาตัด 8-40 ชั่วโมง ขึ้นอยู่กับวัสดุ เลนส์ป้องกัน (50–200 ดอลลาร์สหรัฐ) ใช้งานได้ 200–500 ชั่วโมง โดยทั่วไปต้นทุนสิ้นเปลืองเหล่านี้ USD 1–3 ต่อชั่วโมงทำการ .
การรังสรรค์ประสิทธิภาพเป็นตัวขับเคลื่อนต้นทุน
สำหรับเครื่องตัดเลเซอร์โลหะแผ่น โดยทั่วไปจะหมายถึงต้นทุนวัสดุ 60–80% ของต้นทุนชิ้นส่วนทั้งหมด . ซอฟต์แวร์การซ้อนที่ปรับเค้าโครงชิ้นส่วนบนแผ่นงานให้เหมาะสมสามารถเพิ่มการใช้วัสดุจาก 70% (การซ้อนด้วยตนเองอย่างง่าย) เป็น 85–92% (การซ้อนอัตโนมัติพร้อมการจัดการส่วนที่เหลือ) ลดต้นทุนต่อชิ้นส่วนได้โดยตรง 15–25% โดยไม่ต้องเปลี่ยนแปลงกระบวนการเลเซอร์เลย
เครื่องตัดเลเซอร์ท่อและโปรไฟล์
ในขณะที่เครื่องตัดเลเซอร์แผ่นเรียบเป็นการใช้งานทั่วไป เครื่องตัดเลเซอร์ท่อและโปรไฟล์—ซึ่งหมุนและเลื่อนชิ้นงานผ่านหัวตัดบนระบบ 4 ถึง 6 แกน—ขยายความแม่นยำของเลเซอร์ไปยังท่อกลม ส่วนสี่เหลี่ยม ส่วนสี่เหลี่ยม และโปรไฟล์โครงสร้าง:
- รอยบาดของอานม้าและข้อต่อรับมือ: CNC หมุนและเลื่อนท่อในขณะที่เลเซอร์ติดตามรูปทรงโค้งที่ซับซ้อนของการตัดอาน ทำให้เกิดการเชื่อมต่อระหว่างท่อต่อท่อที่พอดีอย่างแม่นยำ ซึ่งช่วยลดการเจียรด้วยมือ ความแม่นยำในการติดตั้งของ ±0.3 มม การตัดอานจะช่วยลดความผันแปรของช่องว่างการเชื่อมและปรับปรุงคุณภาพการเชื่อมบนชุดท่อโครงสร้าง
- การตัดช่องและรู: ช่องสี่เหลี่ยม รูกลม ช่องเปิดเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า และรูปแบบที่ซับซ้อนสามารถตัดผ่านผนังท่อได้ทุกตำแหน่งตามความยาวท่อและรอบเส้นรอบวง ช่วยให้ชิ้นส่วนโครงสร้างมีคุณสมบัติการเชื่อมต่อในตัวซึ่งต้องมีการเจาะหรือกัดแยกจากกันบนอุปกรณ์ทั่วไป
- ผลผลิต: เครื่องตัดเลเซอร์แบบท่อสามารถประมวลผลส่วนโครงสร้างมาตรฐานขนาด 6 เมตรพร้อมการตัด 8 ครั้ง (การตัดความยาว 7 คุณสมบัติ) ภายใต้ 3 นาที เทียบกับการเลื่อย การเจาะ และการเจียรด้วยมือที่เทียบเท่ากับ 15–40 นาที
บูรณาการซอฟต์แวร์และระบบอัตโนมัติ
ศักยภาพการผลิตเต็มรูปแบบของ เครื่องตัดเลเซอร์ จะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อเครื่องจักรถูกรวมเข้ากับขั้นตอนการทำงานดิจิทัลโดยรอบ:
- CAD/CAM และซอฟต์แวร์การซ้อน: เรขาคณิตของชิ้นส่วน DXF หรือ DWG จะถูกนำเข้าโดยตรงไปยังซอฟต์แวร์ซ้อน ซึ่งจะจัดเรียงชิ้นส่วนบนแผ่นงานโดยอัตโนมัติ สร้างโปรแกรมการตัด และคำนวณการใช้วัสดุ น้ำหนักของเศษ และเวลาในการตัดโดยประมาณ ซึ่งช่วยลดการตั้งโปรแกรมด้วยตนเอง และลดเวลาการตั้งค่างานจากชั่วโมงเหลือเป็นนาที
- การโหลด/ขนถ่ายแผ่นงานอัตโนมัติ: เครื่องเปลี่ยนพาเลท (จัดเก็บพาเลทได้ 2-10 แผ่น) ช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานโหลดแผ่นล่วงหน้าในขณะที่เครื่องจักรตัด ทำให้การทำงานแทบจะต่อเนื่องกัน ระบบจัดเก็บแบบทาวเวอร์พร้อมหุ่นยนต์ขนถ่ายวัสดุอัตโนมัติสามารถรองรับได้ การผลิตข้ามคืนแบบไม่ต้องดูแล โดยจัดเก็บพาเลทได้ 20–50 แผ่น และป้อนแผ่นเข้าเครื่องโดยอัตโนมัติตลอดกะกลางคืน
- การเรียงลำดับและการกำจัดชิ้นส่วน: ระบบคัดแยกอัตโนมัติใช้ถ้วยดูดหรือมือจับแม่เหล็กเพื่อยกชิ้นส่วนที่ถูกตัดออกจากโครงกระดูกและฝากลงในถังขยะหรือช่องสายพานลำเลียงที่มีป้ายกำกับ ช่วยให้สามารถไหลชิ้นส่วนอัตโนมัติเต็มรูปแบบจากแผ่นดิบไปยังชิ้นส่วนที่คัดแยกเสร็จแล้ว โดยไม่ต้องให้ผู้ปฏิบัติงานเข้ามาแทรกแซงระหว่างงาน
คำถามทั่วไปเกี่ยวกับเครื่องตัดเลเซอร์
อะไรทำให้เกิดริ้ว (เส้น) บนขอบตัดด้วยเลเซอร์?
การตัดเป็นรอยเป็นรอยบนพื้นผิวเป็นระยะๆ บนหน้าตัดที่เกิดจากการแกว่งของการไหลของของเหลวขณะที่มันถูกไล่ออกจากรอยตัดด้วยก๊าซช่วย บนเหล็กกล้าคาร์บอนที่มีออกซิเจน เส้นบางๆ เป็นเรื่องปกติบนวัสดุที่หนากว่า (มากกว่า 8 มม.) บนสเตนเลสและอะลูมิเนียมที่มีไนโตรเจน การเกิดแถบเป็นสัญญาณของการเบี่ยงเบนพารามิเตอร์กระบวนการ โดยทั่วไปแล้ว ความเร็วในการตัดสูงเกินไปเล็กน้อย แรงดันแก๊สต่ำเกินไป หรือตำแหน่งโฟกัสไม่ถูกต้อง การปรับพารามิเตอร์เหล่านี้ภายในหน้าต่างที่เหมาะสมที่สุดมักจะช่วยลดเส้นริ้วที่มองเห็นได้ ส่งผลให้ความต้องการการตกแต่งขั้นสุดท้ายหลังการตัดเหลือศูนย์สำหรับการใช้งานส่วนใหญ่
เครื่องตัดเลเซอร์จัดการกับโลหะแผ่นสังกะสีหรือเคลือบอย่างไร
เหล็กชุบสังกะสีแบบจุ่มร้อน (เคลือบ Z275 ชั้นสังกะสี ~20 µm) สามารถตัดด้วยเลเซอร์โดยใช้ก๊าซช่วยอัดอากาศ ซึ่งจะช่วยออกซิไดซ์และขับของเหลวที่อุดมด้วยสังกะสีออกมาโดยไม่เกิดควันมากเกินไป เหล็กเคลือบสีสำเร็จรูป (เคลือบไพรเมอร์) และวัสดุเคลือบผงสามารถตัดได้ แม้ว่าการเคลือบอินทรีย์หนัก (มากกว่า 80 µm) อาจทำให้เกิดการไหม้ที่ขอบและความต้องการในการสกัดควันเพิ่มขึ้น กระบวนการของเครื่องตัดด้วยเลเซอร์ในทุกกรณี ไม่จำเป็นต้องถอดการเคลือบ ก่อนการตัด—ข้อได้เปรียบที่สำคัญเหนือการตัดด้วยพลาสมาและด้วยไฟ ซึ่งมักจำเป็นต้องเตรียมการเคลือบ
เครื่องตัดเลเซอร์เหมาะสำหรับการผลิตชุดเล็กและต้นแบบหรือไม่
ใช่ เครื่องตัดด้วยเลเซอร์เป็นหนึ่งในกระบวนการที่ประหยัดที่สุดสำหรับงานชุดเล็กและงานต้นแบบอย่างแม่นยำ เนื่องจากไม่จำเป็นต้องใช้เครื่องมือที่แข็งกระด้าง มีการแนะนำเรขาคณิตของชิ้นส่วนใหม่โดยการอัปโหลดไฟล์ DXF และซ้อนมันไว้บนแผ่นงาน ส่วนแรกสามารถตัดเข้าไปข้างในได้ 10–30 นาทีหลังจากได้รับไฟล์ CAD . ไม่มีค่าใช้จ่ายแม่พิมพ์ ไม่มีเวลารอในการตั้งค่า และไม่มีปริมาณการสั่งซื้อขั้นต่ำ ทำให้เครื่องตัดด้วยเลเซอร์เป็นวิธีการสร้างต้นแบบมาตรฐานสำหรับชิ้นส่วนโลหะแผ่นในทุกอุตสาหกรรม
ควรจัดการชิ้นส่วนที่ตัดด้วยเลเซอร์อย่างไรเพื่อป้องกันการปนเปื้อนบนพื้นผิว
ชิ้นส่วนสแตนเลสที่ตัดด้วยเลเซอร์ควรใช้ถุงมือที่สะอาดหรือตัวยกถ้วยดูดเพื่อป้องกันการปนเปื้อนของลายนิ้วมือ (การถ่ายเทเหล็กจากลายนิ้วมือทำให้เกิดคราบสนิม) ชิ้นส่วนเหล็กกล้าคาร์บอนที่ตัดด้วยออกซิเจนจะทำให้เกิดชั้นเหล็กออกไซด์บางๆ บนขอบตัด ซึ่งควรกำจัดออกด้วยการแปรงเชิงกลหรือการดองก่อนทาสีหรือชุบสังกะสี ชิ้นส่วนอะลูมิเนียมที่ตัดด้วยไนโตรเจนมีพื้นผิวที่สะอาด ปราศจากออกไซด์ ซึ่งสามารถชุบอโนไดซ์ได้ทันทีโดยไม่ต้องเตรียมพื้นผิวเพิ่มเติม
