تشمل أنشطة التصنيع بالليزر حاليًا القطع، واللحام، والمعالجة الحرارية، والتكسية، والترسيب البخاري، والنقش، والتحديد، والتشذيب، والتلدين، والتصليد بالصدمات. وتتنافس عمليات التصنيع بالليزر تقنيًا واقتصاديًا مع عمليات التصنيع التقليدية وغير التقليدية، مثل التشغيل الميكانيكي والحراري، واللحام القوسي، والتشغيل الكهروكيميائي، والتشغيل بالتفريغ الكهربائي (EDM)، والقطع بنفث الماء الكاشط، والقطع بالبلازما، والقطع باللهب.
القطع بنفث الماء عملية تُستخدم لقطع المواد باستخدام تيار من الماء المضغوط يصل ضغطه إلى 60,000 رطل لكل بوصة مربعة (psi). غالبًا ما يُخلط الماء بمادة كاشطة مثل العقيق، مما يُتيح قطع المزيد من المواد بدقة عالية، وبزوايا قائمة، وحواف ناعمة. تستطيع نفثات الماء قطع العديد من المواد الصناعية، بما في ذلك الفولاذ المقاوم للصدأ، والإنكونيل، والتيتانيوم، والألومنيوم، وفولاذ الأدوات، والسيراميك، والجرانيت، وصفائح الدروع. تُصدر هذه العملية ضوضاءً عالية.
يحتوي الجدول التالي على مقارنة بين قطع المعادن باستخدام عملية القطع بالليزر CO2 وعملية القطع بنفث الماء في معالجة المواد الصناعية.
§ اختلافات جوهرية في العملية
§ تطبيقات واستخدامات نموذجية للعمليات
§ الاستثمار الأولي ومتوسط تكاليف التشغيل
§ دقة العملية
§ اعتبارات السلامة وبيئة التشغيل
اختلافات جوهرية في العملية
| موضوع | ليزر ثاني أكسيد الكربون | القطع بنفث الماء |
| طريقة نقل الطاقة | ضوء 10.6 متر (مدى الأشعة تحت الحمراء البعيدة) | ماء |
| مصدر للطاقة | ليزر الغاز | مضخة الضغط العالي |
| كيفية نقل الطاقة | يتم توجيه الشعاع بواسطة المرايا (البصريات الطائرة)؛ ولا يتم نقله عبر الألياف الضوئية. ممكن باستخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون | تنقل الخراطيم الصلبة ذات الضغط العالي الطاقة |
| كيفية طرد المادة المقطوعة | ينفث الغاز، بالإضافة إلى غاز إضافي يطرد المواد | يقوم تيار مائي عالي الضغط بطرد المواد النفايات |
| المسافة بين الفوهة والمادة والحد الأقصى المسموح به من التفاوت | يلزم وجود مستشعر مسافة، وضبط، ومحور Z، بدقة تقريبية 0.2 بوصة × 0.004 بوصة. | يلزم وجود مستشعر مسافة، وضبط، ومحور Z، بقياس 0.12 بوصة × 0.04 بوصة تقريبًا. |
| إعداد الآلة المادي | يوجد مصدر الليزر دائمًا داخل الجهاز | يمكن وضع منطقة العمل والمضخة بشكل منفصل |
| مجموعة من أحجام الطاولات | من 8 أقدام × 4 أقدام إلى 20 قدمًا × 6.5 أقدام | من 8 أقدام × 4 أقدام إلى 13 قدمًا × 6.5 أقدام |
| خرج الشعاع النموذجي عند قطعة العمل | من 1500 إلى 2600 واط | من 4 إلى 17 كيلوواط (4000 بار) |
تطبيقات واستخدامات نموذجية في العمليات
| موضوع | ليزر ثاني أكسيد الكربون | القطع بنفث الماء |
| تستخدم العملية النموذجية | القطع، الحفر، النقش، الاستئصال، التشكيل، اللحام | القطع، والاستئصال، والتشكيل |
| قطع المواد ثلاثية الأبعاد | يُعدّ الأمر صعباً بسبب التوجيه الشعاعي الصلب وتنظيم المسافة | ممكن جزئياً لأن الطاقة المتبقية خلف قطعة العمل تُدمر |
| المواد التي يمكن قطعها بهذه العملية | يمكن قطع جميع المعادن (باستثناء المعادن شديدة الانعكاس)، وجميع أنواع البلاستيك، والزجاج، والخشب. | يمكن قطع جميع المواد بهذه العملية |
| تركيبات المواد | يصعب قطع المواد ذات درجات الانصهار المختلفة | ممكن، ولكن هناك خطر انفصال الطبقات |
| هياكل ساندويتش ذات تجاويف | هذا غير ممكن باستخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون | قدرة محدودة |
| قطع المواد مع إمكانية الوصول المحدودة أو المعاقة | نادرًا ما يكون ذلك ممكنًا بسبب المسافة القصيرة ورأس القطع بالليزر الكبير | محدود بسبب المسافة الصغيرة بين الفوهة والمادة |
| خصائص المادة المقطوعة التي تؤثر على عملية المعالجة | خصائص امتصاص المادة عند 10.6 متر | تُعد صلابة المادة عاملاً رئيسياً |
| سُمك المادة الذي يكون عنده القطع أو المعالجة اقتصاديًا | يتراوح سمكها بين 0.12 بوصة و 0.4 بوصة تقريبًا حسب نوع المادة. | من 0.4 بوصة إلى 2.0 بوصة تقريبًا |
| التطبيقات الشائعة لهذه العملية | قطع صفائح فولاذية مسطحة متوسطة السماكة لمعالجة الصفائح المعدنية | قطع الأحجار والسيراميك والمعادن ذات السماكة الأكبر |
الاستثمار الأولي ومتوسط تكاليف التشغيل
| موضوع | ليزر ثاني أكسيد الكربون | القطع بنفث الماء |
| الاستثمار الرأسمالي الأولي المطلوب | 300 ألف دولار مع مضخة بقدرة 20 كيلوواط، وطاولة بمقاس 6.5 × 4 أقدام | 300,000 دولار أمريكي أو أكثر |
| أجزاء ستتآكل | زجاج واقٍ، غاز الفوهات، بالإضافة إلى مرشحات الغبار والجسيمات | فوهة نفث الماء، وفوهة التركيز، وجميع مكونات الضغط العالي مثل الصمامات والخراطيم والأختام. |
| متوسط استهلاك الطاقة لنظام القطع الكامل | لنفترض وجود ليزر ثاني أكسيد الكربون بقوة 1500 واط: استهلاك الطاقة الكهربائية: 24-40 كيلوواط غاز الليزر (ثاني أكسيد الكربون، النيتروجين، الهيليوم): 2-16 لتر/ساعة غاز القطع (O2، N2): 500-2000 لتر/ساعة | بافتراض وجود مضخة بقدرة 20 كيلوواط: استهلاك الطاقة الكهربائية: 22-35 كيلوواط الماء: 10 لتر/ساعة معدل إنتاج المواد الكاشطة: 36 كجم/ساعة التخلص من مخلفات القطع |
دقة العملية
| موضوع | ليزر ثاني أكسيد الكربون | القطع بنفث الماء |
| الحد الأدنى لحجم فتحة القطع | 0.006 بوصة، حسب سرعة القطع | 0.02 بوصة |
| مظهر السطح المقطوع | سيظهر السطح المقطوع بنية مخططة | سيبدو السطح المقطوع وكأنه قد تم صنفرته، وذلك حسب سرعة القطع. |
| درجة توازي حواف القطع تمامًا | جيد؛ قد تظهر أحيانًا حواف مخروطية | جيد؛ هناك تأثير "ذيل" في المنحنيات في حالة المواد السميكة |
| تفاوتات المعالجة | حوالي 0.002 بوصة | حوالي 0.008 بوصة |
| درجة النتوء على القطع | يحدث احتراق جزئي فقط | لا يحدث أي حفر |
| الإجهاد الحراري للمادة | قد تحدث تشوهات وتصلب وتغيرات هيكلية في المادة | لا يحدث إجهاد حراري |
| القوى المؤثرة على المادة في اتجاه تيار الغاز أو الماء أثناء المعالجة | يشكل ضغط الغاز مشاكل مع الرقة قطع العمل، المسافة لا يمكن الحفاظ عليها | عالية: وبالتالي، لا يمكن معالجة الأجزاء الرقيقة والصغيرة إلا بدرجة محدودة. |
اعتبارات السلامة وبيئة التشغيل
| موضوع | ليزر ثاني أكسيد الكربون | القطع بنفث الماء |
| السلامة الشخصيةمتطلبات المعدات | نظارات السلامة الواقية من الليزر ليست ضرورية تماماً | يلزم ارتداء نظارات واقية للعينين، وواقيات للأذنين، ووسائل حماية من ملامسة تيارات المياه عالية الضغط. |
| إنتاج الدخان والغبار أثناء المعالجة | يحدث ذلك بالفعل؛ فقد تنتج المواد البلاستيكية وبعض السبائك المعدنية غازات سامة. | غير مناسب للقطع بنفث الماء |
| التلوث الضوضائي والخطر | منخفض جداً | مرتفع بشكل غير عادي |
| متطلبات تنظيف الآلات بسبب فوضى العمليات | تنظيف سهل | تنظيف عالي |
| تقليل النفايات الناتجة عن العملية | تتكون مخلفات القطع بشكل رئيسي من الغبار الذي يتطلب شفطه بالمكنسة الكهربائية وترشيحه. | تنتج كميات كبيرة من نفايات القطع نتيجة خلط الماء بالمواد الكاشطة |