Лазер зүсэлт ба түүний боловсруулалтын системийн үндэс суурь —Лазер зүсэх төхөөрөмж

II. Лазер зүсэх тоног төхөөрөмжийн найрлага

2.1 Лазер хэрчих машины бүрэлдэхүүн хэсэг ба ажиллах зарчим

Лазер зүсэх машин нь лазер ялгаруулагч, зүсэх толгой, цацраг дамжуулах угсралт, машины ажлын ширээ, тоон удирдлагын (NC) систем, компьютер (техник хангамж болон програм хангамж), хөргөгч, хамгаалалтын хийн цилиндр, тоос цуглуулагч, агаар хатаагчаас бүрдэнэ.

Лазер үүсгүүр

Лазер үүсгүүр нь лазер гэрлийн эх үүсвэр үүсгэдэг төхөөрөмж юм. Лазер зүсэх хэрэглээнд ихэнх машинууд нь өндөр электрооптик хувиргалтын үр ашиг, өндөр чадлын гаралттай CO₂ хийн лазерыг ашигладаг бөгөөд цөөн хэдэн тохиолдолд YAG хатуу төлөвт лазер ашигладаг. Лазер зүсэлт нь цацрагийн чанарт хатуу шаардлага тавьдаг тул бүх лазерууд зүсэхэд тохиромжтой биш юм.
Толгойг огтлох

Энэ нь голчлон цорго, фокусын линз, фокус хянах систем зэрэг бүрэлдэхүүн хэсгүүдээс бүрдэнэ.

Зүсэгч толгойн хөтлөгч төхөөрөмжийг урьдчилан тохируулсан програмын дагуу зүсэгч толгойг Z тэнхлэгийн дагуу хөдөлгөхөд ашигладаг. Энэ нь серво мотор болон хар тугалган эрэг эсвэл араа зэрэг дамжуулах хэсгүүдээс бүрдэнэ.

(1) Цорго: Цорго нь гурван үндсэн төрөлтэй: зэрэгцээ төрөл, нийлбэр төрөл, конус төрөл.

(2) Фокуслах линз: Лазерын цацрагийн энерги ашиглан зүсэлт хийхийн тулд лазерын ялгаруулж буй анхны цацрагийг линзээр фокуслах ёстой бөгөөд ингэснээр өндөр энергийн нягтралтай гэрлийн цэг үүснэ. Дунд болон урт фокусын урттай линз нь зузаан хавтангийн зүсэлтэд тохиромжтой бөгөөд мөрдөх системийн зайны тогтвортой байдалд бага шаардлага тавьдаг. Богино фокусын урттай линз нь зөвхөн 3 мм-ээс доош нимгэн хавтангийн зүсэлтэд тохиромжтой; тэдгээр нь мөрдөх системийн зайны тогтвортой байдалд хатуу шаардлага тавьдаг боловч шаардлагатай лазерын гаралтын чадлыг мэдэгдэхүйц бууруулж чаддаг.

(3) Хяналтын систем: Лазер зүсэх машины фокусын хяналтын систем нь ерөнхийдөө фокусын зүсэлтийн толгой болон хяналтын мэдрэгч системээс бүрдэнэ. Зүсэлтийн толгой нь цацраг чиглүүлэх, фокуслах, ус хөргөх, хийн үлээх, механик тохируулгын функцуудыг нэгтгэдэг.

Мэдрэгч нь мэдрэгч элементүүд болон олшруулалтын хяналтын нэгжээс бүрдэнэ. Хяналтын системүүд нь мэдрэгч элементүүдийн төрлөөс хамааран бүрэн өөр өөр байдаг. Хоёр үндсэн төрөл байдаг: нэг нь багтаамжтай мэдрэгчийн хяналтын систем бөгөөд үүнийг холбоо барихгүй хяналтын систем гэж нэрлэдэг; нөгөө нь индуктив мэдрэгчийн хяналтын систем бөгөөд үүнийг холбоо барих хяналтын систем гэж нэрлэдэг.
Цацраг дамжуулах угсралт

Гадаад оптик зам: Лазер туяаг хүссэн чиглэлд чиглүүлэхэд тусгал толь ашигладаг. Цацрагийн замд эвдрэл гарахаас урьдчилан сэргийлэхийн тулд бүх тусгал тольнуудыг бамбайгаар хамгаалж, толинуудыг бохирдлоос хамгаалахын тулд цэвэр эерэг даралттай хамгаалалтын хий нэвтрүүлдэг. Өндөр хүчин чадалтай линз нь ялгардаггүй цацрагийг хязгааргүй жижиг цэг рүү төвлөрүүлж чаддаг. 5.0 инчийн фокусын урттай линзийг ихэвчлэн ашигладаг бол 7.5 инчийн линзийг зөвхөн 12 мм-ээс зузаан материалыг огтлоход ашигладаг.
Машины багажны ажлын ширээ

Үндсэн машины их бие: Машины багажны хэсэглазер хэрчих машиннь зүсэх ажлын тавцанг оролцуулан X, Y, Z тэнхлэгүүдийн хөдөлгөөнийг гүйцэтгэдэг механик хэсэг юм.
Тоон хяналтын систем

NC систем нь машины багажийг X, Y, Z тэнхлэгийн хөдөлгөөнд хүргэхийн тулд хянадаг бөгөөд лазерын гаралтын чадлыг нэгэн зэрэг зохицуулдаг.
Хөргөлтийн систем

Хөргөгч төхөөрөмж: Лазер үүсгүүрийг хөргөхөд ашигладаг. Лазер гэдэг нь цахилгаан энергийг гэрлийн энерги болгон хувиргадаг төхөөрөмж юм. Жишээлбэл, CO₂ хийн лазерын хувиргалтын үр ашиг нь ерөнхийдөө 20% байдаг бөгөөд үлдсэн энерги нь дулаан болж хувирдаг. Хөргөгч ус нь лазер үүсгүүрийн хэвийн ажиллагааг хангахын тулд илүүдэл дулааныг арилгадаг. Хөргөгч төхөөрөмж нь мөн машины гаднах оптик замын толь болон фокусын линзийг хөргөж, цацрагийн дамжуулалтын тогтвортой чанарыг хангаж, хэт халалтаас үүдэлтэй линзний хэв гажилт эсвэл хагарлаас үр дүнтэй урьдчилан сэргийлдэг.
Хийн цилиндр

Хийн цилиндрт ажлын орчны цилиндр болон лазер зүсэх машинд зориулсан туслах хийн цилиндрүүд багтдаг бөгөөд эдгээр нь лазерын хэлбэлзлийн үйлдвэрлэлийн хийг нөхөх, зүсэх толгойд туслах хийг нийлүүлэхэд ашиглагддаг.
Тоос зайлуулах систем

Энэ нь боловсруулалтын явцад үүссэн утаа, тоосыг ялгаруулж, утааны хийн ялгаруулалт нь байгаль орчныг хамгаалах стандартад нийцэж байгаа эсэхийг баталгаажуулахын тулд шүүлтүүрийн боловсруулалт хийдэг.
Агаар хөргөх хатаагч ба шүүлтүүр

Энэ нь лазер үүсгүүр болон цацрагийн замд цэвэр, хуурай агаар нийлүүлж, цацрагийн зам болон ойлгогч тольны хэвийн ажиллагааг хангадаг.

2.2 Лазер зүсэх зориулалттай зүсэх бамбар

Лазераар зүсэх зориулалттай зүсэх бамбарын бүтцийн диаграммыг доор харуулав. Энэ нь голчлон бамбарын их бие, фокуслах линз, тусгал толь, туслах хийн цорго зэргээс бүрдэнэ. Лазераар зүсэх үед зүсэх бамбар нь дараах шаардлагыг хангасан байх ёстой.

① Бамбар нь хангалттай хэмжээний хийн урсгалыг гаргаж чадна.

2 Бамбар доторх хийн ялгаралтын чиглэл нь тусгал толины оптик тэнхлэгтэй коаксиаль байх ёстой.

③ Гэрлийн чийдэнгийн фокусын уртыг хялбархан тохируулж болно.

4 Зүсэх үед металлын уур болон цацрал нь тусгал толинд гэмтэл учруулж болохгүй.

Зүсэх бамбарын хөдөлгөөнийг NC хөдөлгөөний системээр тохируулдаг. Зүсэх бамбар болон ажлын хэсгийн хоорондох харьцангуй хөдөлгөөний гурван хувилбар байдаг:

1 Ажлын хэсэг ажлын ширээн дээгүүр хөдлөх үед бамбар хөдөлгөөнгүй хэвээр байх бөгөөд энэ нь ихэвчлэн жижиг хэмжээтэй ажлын хэсгүүдэд тохиромжтой.

2 Бамбар хөдөлж байх үед ажлын хэсэг хөдөлгөөнгүй хэвээр байна.

③ Бамбар болон ажлын ширээ хоёулаа нэгэн зэрэг хөдөлдөг.

2.2.1 Зүсэх толгой

Лазер зүсэх толгой нь цацраг дамжуулах системийн төгсгөлд байрладаг бөгөөд фокуслах линз болон зүсэх цоргоноос бүрдэнэ.

Фокуслах линзийг голчлон фокусын уртаар нь ангилдаг. Ихэнх лазер зүсэх тоног төхөөрөмж нь өөр өөр фокусын урттай хэд хэдэн зүсэх толгойтой байдаг. Жишээлбэл, CO₂ лазер зүсэлтийг авч үзвэл нийтлэг фокусын урт нь 127 мм (5 инч) ба 190 мм (7.5 инч) байдаг. Богино фокусын урттай линз нь жижиг фокусын цэг болон богино фокусын гүн үүсгэдэг бөгөөд энэ нь ирмэгийн өргөнийг багасгаж, илүү нарийн зүсэлт хийхэд тусалдаг. Урт фокусын урттай линз нь илүү том фокусын цэг болон урт фокусын гүнийг өгдөг. Богино фокусын урттай линзтэй харьцуулахад урт фокусын урттай линз нь фокусын цэгийн ойролцоо материалыг боловсруулахад хангалттай лазерын энергийн нягтралтай фокусын цацрагийг өгч чаддаг. Тиймээс богино фокусын урттай линзийг ихэвчлэн нимгэн хавтанг нарийн зүсэхэд ашигладаг бол урт фокусын урттай линзийг зузаан материалын хувьд хангалттай фокусын гүнийг олж авахад шаардлагатай бөгөөд энэ нь цэгийн диаметрийн хамгийн бага хэлбэлзэл, зүсэлтийн зузааны хүрээнд хангалттай чадлын нягтралыг хангадаг.

Фокуслах линзийг зүсэх бамбарт тусах зэрэгцээ лазер туяаг төвлөрүүлэхэд ашигладаг бөгөөд ингэснээр цэгийн хэмжээ багасч, чадлын нягтрал өндөр болдог. Линзийг лазерын долгионы уртыг дамжуулах чадвартай материалаар хийдэг. Оптик шилийг хатуу төлөвт лазерт түгээмэл ашигладаг бол ZnSe, GaAs, Ge зэрэг материалыг CO₂ хийн лазерт ашигладаг (ердийн шил нь CO₂ лазерын цацрагт тунгалаг биш тул), тэдгээрийн дунд ZnSe нь хамгийн өргөн хэрэглэгддэг.

Лазер зүсэлтийн хувьд фокусын цэгийн диаметрийг багасгах нь эрчим хүчний нягтралыг нэмэгдүүлж, өндөр хурдтай зүсэлт хийх боломжийг олгох нь зүйтэй. Гэсэн хэдий ч линзний фокусын урт богино байх нь фокусын гүнийг багасгадаг бөгөөд энэ нь зузаан хавтанг зүсэх үед перпендикуляр зүсэлтийн гадаргуу авахад хэцүү болгодог. Үүнээс гадна, фокусын урт богино байх нь линз болон ажлын хэсгийн хоорондох зайг багасгаж, зүсэх явцад хайлсан цацралаар линз бохирдох эрсдэлийг нэмэгдүүлж, хэвийн ажиллагаанд нөлөөлөх эрсдэлийг нэмэгдүүлдэг. Тиймээс зүсэлтийн зузаан болон зүсэлтийн чанарын шаардлага зэрэг хүчин зүйлс дээр үндэслэн тохирох фокусын уртыг цогцоор нь тодорхойлох хэрэгтэй.

2.2.2 Тусгал толь

Тусгал толины үүрэг нь лазераас ялгарах цацрагийн чиглэлийг өөрчлөх явдал юм. Хатуу төлөвт лазерын цацрагийн хувьд оптик шилээр хийсэн тусгал толийг ашиглаж болно. Үүний эсрэгээр CO₂ хийн лазер зүсэх төхөөрөмжийн тусгал толийг ихэвчлэн зэс эсвэл өндөр тусгалтай металлаар хийдэг. Ашиглалтын явцад лазерын цацрагаас хэт халалтаас үүсэх гэмтлээс урьдчилан сэргийлэхийн тулд тусгал толийг ихэвчлэн усаар хөргөдөг.

2.2.3 Цорго

Цоргыг зүсэх бүсэд туслах хий цацахад ашигладаг бөгөөд түүний бүтэц нь зүсэлтийн үр ашиг, чанарт тодорхой нөлөө үзүүлдэг. Зураг 4.11-д лазер зүсэлтийн нийтлэг цоргоны хэлбэрийг харуулав; цоргоны нүхний хэлбэрүүд нь цилиндр хэлбэртэй, конус хэлбэртэй, нийлдэг-самардаг төрлүүд орно.

Цоргыг сонгохдоо ерөнхийдөө ажлын материалын материал, зузаан, туслах хийн даралт дээр үндэслэн туршилтаар тодорхойлно. Лазер зүсэлт нь ихэвчлэн коаксиаль цоргыг ашигладаг (хийн урсгал нь оптик тэнхлэгтэй коаксиаль байдаг). Хэрэв хийн урсгал болон лазер туяа коаксиаль биш бол зүсэлтийн үед хэт их цацрах магадлалтай. Цоргоны нүхний дотор хана нь хийн урсгалыг саадгүй байлгах, ирмэгийн чанарт нөлөөлж болзошгүй турбулент байдлаас зайлсхийхийн тулд гөлгөр байх ёстой. Зүсэлтийн тогтвортой байдлыг хангахын тулд цоргоны төгсгөлийн гадаргуу болон ажлын хэсгийн гадаргуугийн хоорондох зайг хамгийн бага байлгах хэрэгтэй бөгөөд ихэвчлэн 0.5 мм-ээс 2.0 мм хооронд хэлбэлздэг. Цоргоны нүхний диаметр нь лазер туяаг жигд нэвтрүүлж, цацраг нь нүхний дотор хананд хүрэхээс сэргийлнэ. Нүхний диаметр бага байх тусам цацрагийг нэгтгэхэд хэцүү байдаг. Тодорхой туслах хийн даралтын хувьд цоргоны нүхний диаметрийн оновчтой хүрээ байдаг. Хэт жижиг эсвэл том нүх нь ирмэгээс хайлсан бүтээгдэхүүнийг зайлуулахад саад учруулж, зүсэлтийн хурданд нөлөөлнө.

Лазерын тогтмол хүч болон туслах хийн даралтын дор зүсэх хурдад цоргоны нүхний диаметрийн нөлөөллийг Зураг 4.12 ба 4.13-т үзүүлэв. Хамгийн их зүсэх хурдыг хангадаг оновчтой цоргоны нүхний диаметр байгааг харж болно. Энэхүү оновчтой утга нь хүчилтөрөгч эсвэл аргоныг туслах хий болгон ашиглаж байгаа эсэхээс үл хамааран ойролцоогоор 1.5 мм байна.

Хатуу хайлшийг (зүсэхэд хэцүү) лазераар зүсэх туршилтууд нь оновчтой цоргоны нүхний диаметр нь дээрх үр дүнтэй маш ойрхон байгааг харуулж байна, үүнийг Зураг 4.14-т үзүүлэв. Цоргоны нүхний диаметр нь мөн ирмэгийн өргөн болон халуунд өртсөн бүсийн (HAZ) өргөнд нөлөөлдөг. Зураг 4.15-д үзүүлсэнчлэн, цоргоны нүхний диаметр нэмэгдэхийн хэрээр ирмэгийн өргөн нэмэгдэж, HAZ-ийн өргөн нарийсдаг. HAZ нарийсах гол шалтгаан нь зүсэх бүс дэх суурь материалд туслах хийн урсгалын хөргөлтийн нөлөө нэмэгдсэнтэй холбоотой юм.

2.3 Лазер зүсэх төхөөрөмжийн параметрүүд

2.3.1 Бамбараар ажилладаг зүсэх төхөөрөмж

Бамбараар ажилладаг зүсэх төхөөрөмжид зүсэх бамбарыг хөдлөх шатны суурь дээр суурилуулж, шатны дам нурууны дагуу (Y тэнхлэг) хэвтээ чиглэлд хөдөлгөдөг. Шахуургын суурь нь бамбарыг X тэнхлэгийн дагуу хөдөлгөхөд хүргэдэг бол ажлын хэсэг нь ажлын ширээн дээр бэхлэгддэг. Лазер болон зүсэх бамбарыг тусад нь байрлуулсан тул лазерын дамжуулалтын шинж чанар, цацрагийн сканнердах чиглэлийн дагуух параллелизм, тусгал тольны тогтвортой байдал зэрэг нь зүсэх явцад нөлөөлдөг.

Бамбараар ажилладаг зүсэх төхөөрөмж нь том хэмжээтэй ажлын хэсгүүдийг боловсруулах боломжтой. Энэ нь зүсэх үйлдвэрлэлийн бүсэд харьцангуй бага талбайг эзэлдэг бөгөөд бусад тоног төхөөрөмжтэй хялбархан нэгтгэж үйлдвэрлэлийн шугам үүсгэж болно. Гэсэн хэдий ч түүний байршлын нарийвчлал нь ердөө ±0.04 мм байна.

Бамбараар ажилладаг зүсэх төхөөрөмжийн ердийн бүтцийг Зураг 4.19-д үзүүлэв. Лазераас зүсэх бамбар хүртэлх зай нь 18 м байх тасралтгүй долгионтой CO₂ лазер зүсэх машиныг ашигласан. Энэхүү дамжуулах зайд цацрагийн диаметрийн өөрчлөлт нь зүсэх үйл ажиллагаанд саад учруулахгүй байхын тулд осцилляторын тольнуудын хослолыг сайтар зохион бүтээх шаардлагатай.

Бамбараар ажилладаг зүсэх төхөөрөмжийн үндсэн техникийн үзүүлэлтүүд нь дараах байдалтай байна.

Лазерын гаралтын чадал: 1.5 кВт (ганц горим), 3 кВт (олон горим)
Бамбарын хөдөлгөөн: X тэнхлэг 6.2 м, Y тэнхлэг 2.6 м
Жолооны хурд: 0–10 м/мин (тохируулж болно)
Бамбарын Z тэнхлэгийн хөвөгч хөдөлгөөн: 150 мм
Бамбарын Z тэнхлэгийн тохируулгын хурд: 300 мм/мин
Боловсруулсан ган хавтангийн хамгийн дээд хэмжээ: 12 мм × 2400 мм × 6000 мм
Хяналтын систем: Нэгдсэн NC хяналтын горим

2.3.2 XY ширээгээр зүсэх төхөөрөмж

XY ширээгээр хөтлөгдсөн зүсэх төхөөрөмжид зүсэх бамбарыг хүрээ дээр бэхэлсэн бөгөөд ажлын хэсгийг зүсэх ширээн дээр байрлуулна. Зүсэх ширээ нь NC командын дагуу X ба Y тэнхлэгийн дагуу хөдөлдөг бөгөөд тохируулж болох жолоодлогын хурд нь ихэвчлэн 0-1 м/мин эсвэл 0-5 м/мин хооронд хэлбэлздэг. Зүсэх бамбар нь ажлын хэсэгтэй харьцуулахад хөдөлгөөнгүй хэвээр байгаа тул зүсэх явцад лазер туяаны уялдаа холбоо, төвлөрөлд үзүүлэх нөлөөллийг багасгаж, жигд, тогтвортой зүсэх гүйцэтгэлийг хангадаг. Өндөр механик нарийвчлалтай жижиг хэмжээтэй зүсэх ширээгээр тоноглогдсон үед машин нь ±0.01 мм-ийн байрлалын нарийвчлалд хүрдэг бамаш сайн зүсэлтийн нарийвчлал, энэ нь жижиг эд ангиудыг нарийн зүсэхэд онцгой тохиромжтой болгодог. Нэмж дурдахад, том хэмжээтэй ажлын хэсгүүдийг боловсруулахад зориулж 2300–2400 мм-ийн X тэнхлэгийн болон 1200–1300 мм-ийн Y тэнхлэгийн зүсэлттэй том зүсэх ширээнүүд байдаг.

XY ширээгээр хөтлөгдсөн зүсэх төхөөрөмжийн үндсэн техникийн үзүүлэлтүүд нь дараах байдалтай байна.

Лазерын эх үүсвэр: CO₂ хийн лазер (хагас хаалттай шулуун хоолой хэлбэртэй)
Лазерын тэжээлийн хангамж: Оролтын хүчдэл 200 VAC; Гаралтын хүчдэл 0–30 кВ; Хамгийн их гаралтын гүйдэл 100 мА
Лазерын гаралтын чадал: 550 Вт
Таслах ширээний хөдөлгөөн: X тэнхлэг 2300 мм, Y тэнхлэг 1300 мм
Зүсэх ширээний жолоодлогын хурд (Алхамаар тохируулж болно): 0.4–5.0 м/мин, 0.2–2.5 м/мин, 0.1–1.3 м/мин, 0.05–0.6 м/мин
Бамбарын Z тэнхлэгийн хөвөгч хөдөлгөөн: 180 мм
Боловсруулсан хавтангийн хамгийн дээд хэмжээ: 6 мм × 1300 мм × 2300 мм
Хяналтын систем: Тоон удирдлага (NC) горим

2.3.3 Хос хөдөлгүүртэй зүсэх төхөөрөмж (Бамбар ба ширээ)

Хос хөдөлгүүртэй зүсэх төхөөрөмж (бамбар ба ширээ) нь бамбараар ажилладаг болон XY ширээгээр ажилладаг зүсэх машинуудын загварын хувьд хоёрын хооронд байрладаг. Зүсэх бамбарыг гантри дээр суурилуулсан бөгөөд гантри дам нурууны дагуу (Y тэнхлэг) хэвтээ чиглэлд хөдөлдөг бол зүсэх ширээг уртааш нь хөдөлгөдөг. Энэхүү эрлийз загвар нь өндөр зүсэх нарийвчлал болон зай хэмнэх үр ашгийн давуу талыг хослуулсан. ±0.01 мм-ийн байршлын нарийвчлал, 0-20 м/мин тохируулж болох зүсэх хурдны хязгаартай тул зах зээл дээр хамгийн өргөн хэрэглэгддэг зүсэх машинуудын нэг юм. Энэхүү машины том загварууд нь 2000 мм-ийн Y тэнхлэгийн цохилт, 6000 мм-ийн X тэнхлэгийн цохилттой тул том хэмжээтэй ажлын хэсгүүдийг зүсэх боломжийг олгодог.

Лазер осцилляторыг зүсэх бамбартай хамт ганти дээр суурилуулсан. Энэхүү тохиргоо нь дугуй нүхийг зүсэх үед онцгой нарийвчлалыг хангадаг. Мөн уг машин нь өндөр үйлдвэрлэлийн үр ашигтай: 1 мм зузаантай ган хавтан дээр минутанд 46 дугуй нүх (10 мм диаметртэй) зүсэх боломжтой.

2.3.4 Нэгдсэн зүсэх төхөөрөмж

Нэгэнтнэгдсэн хэрчих машин, лазерын эх үүсвэрийг хүрээ дээр суурилуулж, түүнтэй хамт уртааш хөдөлдөг бол зүсэх бамбарыг хөтлөх механизмтайгаа нэгтгэж, хүрээний дам нурууны дагуу хэвтээ чиглэлд хөдөлдөг. Машин нь янз бүрийн хэлбэртэй эд ангиудыг зүсэхийн тулд тоон хяналтыг ашигладаг. Зүсэх бамбарын хэвтээ хөдөлгөөнөөс үүдэлтэй оптик замын уртын хэлбэлзлийг нөхөхийн тулд оптик замын уртын тохируулгын модулийг ихэвчлэн тоноглодог. Энэхүү модуль нь зүсэх хэсэгт нэгэн төрлийн лазерын цацрагийг хангаж, зүсэх гадаргуугийн чанарыг тогтвортой байлгадаг.

Нийтэлсэн цаг: 2025 оны 12-р сарын 17