Các hoạt động sản xuất bằng laser hiện nay bao gồm cắt, hàn, xử lý nhiệt, phủ, lắng đọng hơi, khắc, vạch dấu, cắt tỉa, ủ và tôi cứng bằng xung điện. Các quy trình sản xuất bằng laser cạnh tranh cả về mặt kỹ thuật và kinh tế với các quy trình sản xuất truyền thống và phi truyền thống như gia công cơ khí và nhiệt, hàn hồ quang, điện hóa và gia công phóng điện (EDM), cắt bằng tia nước mài mòn, cắt plasma và cắt bằng ngọn lửa.
Cắt bằng tia nước là một quy trình sử dụng tia nước áp suất cao để cắt vật liệu, với áp suất lên tới 60.000 pound trên mỗi inch vuông (psi). Thông thường, nước được trộn với chất mài mòn như garnet, giúp cắt được nhiều loại vật liệu hơn một cách sạch sẽ, chính xác, vuông góc và có độ hoàn thiện cạnh tốt. Tia nước có khả năng cắt nhiều vật liệu công nghiệp, bao gồm thép không gỉ, Inconel, titan, nhôm, thép dụng cụ, gốm sứ, đá granit và thép tấm chống đạn. Quá trình này tạo ra tiếng ồn đáng kể.
Bảng dưới đây so sánh quá trình cắt kim loại bằng laser CO2 và quá trình cắt bằng tia nước trong gia công vật liệu công nghiệp.
§ Sự khác biệt cơ bản về quy trình
§ Các ứng dụng và công dụng điển hình của quy trình
§ Vốn đầu tư ban đầu và chi phí vận hành trung bình
§ Độ chính xác của quy trình
§ Các yếu tố an toàn và môi trường vận hành
Sự khác biệt cơ bản về quy trình
| Chủ thể | Laser CO2 | Cắt bằng tia nước |
| Phương pháp truyền năng lượng | Ánh sáng 10,6 m (trong phạm vi hồng ngoại xa) | Nước |
| Nguồn năng lượng | Laser khí | Bơm cao áp |
| Năng lượng được truyền tải như thế nào? | Chùm tia được dẫn hướng bằng gương (quang học bay); truyền dẫn qua sợi quang thì không. có khả thi đối với laser CO2 | Ống mềm chịu áp lực cao truyền năng lượng |
| Cách vật liệu cắt được thải ra ngoài | Tia khí cộng với khí bổ sung đẩy vật liệu ra ngoài | Tia nước áp suất cao đẩy chất thải ra ngoài. |
| Khoảng cách giữa vòi phun và vật liệu và dung sai tối đa cho phép | Khoảng 0,2″ 0,004″, cảm biến khoảng cách, điều chỉnh và trục Z là cần thiết. | Khoảng 0,12″ x 0,04″, cần có cảm biến khoảng cách, bộ điều chỉnh và trục Z. |
| Thiết lập máy vật lý | Nguồn laser luôn nằm bên trong máy. | Khu vực làm việc và máy bơm có thể được bố trí riêng biệt. |
| Nhiều kích thước bàn khác nhau | Từ 8′ x 4′ đến 20′ x 6.5′ | Từ 8′ x 4′ đến 13′ x 6,5′ |
| Cường độ chùm tia điển hình tại phôi gia công | Từ 1500 đến 2600 watt | Từ 4 đến 17 kilowatt (4000 bar) |
Các ứng dụng và công dụng điển hình của quy trình
| Chủ thể | Laser CO2 | Cắt bằng tia nước |
| Quy trình điển hình sử dụng | Cắt, khoan, khắc, bào mòn, tạo cấu trúc, hàn | Cắt, loại bỏ, tạo cấu trúc |
| Cắt vật liệu 3D | Khó khăn do việc dẫn hướng chùm tia cứng nhắc và việc điều chỉnh khoảng cách. | Điều này có thể xảy ra một phần vì năng lượng dư thừa phía sau phôi đã bị phá hủy. |
| Các vật liệu có thể được cắt bằng quy trình này | Tất cả các kim loại (trừ kim loại có độ phản chiếu cao), tất cả các loại nhựa, thủy tinh và gỗ đều có thể được cắt. | Mọi loại vật liệu đều có thể được cắt bằng quy trình này. |
| Sự kết hợp vật liệu | Các vật liệu có điểm nóng chảy khác nhau hầu như không thể cắt được. | Có thể, nhưng có nguy cơ bị tách lớp. |
| Cấu trúc dạng bánh sandwich có khoang rỗng | Điều này không thể thực hiện được với laser CO2. | Khả năng hạn chế |
| Cắt vật liệu trong điều kiện tiếp cận hạn chế hoặc khó khăn. | Hiếm khi thực hiện được do khoảng cách ngắn và đầu cắt laser lớn. | Bị hạn chế do khoảng cách nhỏ giữa vòi phun và vật liệu. |
| Các đặc tính của vật liệu được cắt ảnh hưởng đến quá trình gia công | Đặc tính hấp thụ của vật liệu ở khoảng cách 10,6 m. | Độ cứng của vật liệu là một yếu tố quan trọng. |
| Độ dày vật liệu mà việc cắt hoặc gia công mang lại hiệu quả kinh tế | ~0,12″ đến 0,4″ tùy thuộc vào chất liệu | ~0,4″ đến 2,0″ |
| Các ứng dụng phổ biến của quy trình này | Cắt thép tấm phẳng có độ dày trung bình dùng trong gia công kim loại tấm. | Cắt đá, gốm sứ và kim loại có độ dày lớn. |
Chi phí đầu tư ban đầu và chi phí vận hành trung bình
| Chủ thể | Laser CO2 | Cắt bằng tia nước |
| Vốn đầu tư ban đầu cần thiết | 300.000 đô la với máy bơm 20 kW và bàn kích thước 6,5′ x 4′. | Hơn 300.000 đô la |
| Các bộ phận sẽ bị hao mòn | Kính bảo vệ, khí vòi phun, cộng với cả bộ lọc bụi và bộ lọc hạt. | Vòi phun tia nước, vòi phun hội tụ và tất cả các bộ phận chịu áp suất cao như van, ống dẫn và gioăng. |
| Mức tiêu thụ năng lượng trung bình của toàn bộ hệ thống cắt | Giả sử sử dụng laser CO2 công suất 1500 Watt: Mức tiêu thụ điện năng: 24-40 kW Khí laser (CO2, N2, He): 2-16 l/h Khí cắt (O2, N2): 500-2000 lít/giờ | Giả sử máy bơm có công suất 20 kW: Mức tiêu thụ điện năng: 22-35 kW Nước: 10 l/h Chất mài mòn: 36 kg/giờ Xử lý phế thải cắt gọt |
Độ chính xác của quy trình
| Chủ thể | Laser CO2 | Cắt bằng tia nước |
| Kích thước tối thiểu của khe cắt | 0,006″, tùy thuộc vào tốc độ cắt. | 0,02″ |
| Hình dạng bề mặt cắt | Mặt cắt sẽ cho thấy cấu trúc vân sọc. | Bề mặt cắt sẽ trông như được phun cát, tùy thuộc vào tốc độ cắt. |
| Độ song song hoàn toàn của các cạnh cắt | Tốt; thỉnh thoảng sẽ có các cạnh hình nón. | Tốt; có hiệu ứng "đuôi" trong các đường cong đối với vật liệu dày hơn. |
| Dung sai xử lý | Xấp xỉ 0,002″ | Xấp xỉ 0,008″ |
| Mức độ gờ trên vết cắt | Chỉ xảy ra hiện tượng mài mòn một phần. | Không xảy ra hiện tượng mài mòn. |
| Ứng suất nhiệt của vật liệu | Vật liệu có thể bị biến dạng, tôi luyện và thay đổi cấu trúc. | Không xảy ra ứng suất nhiệt. |
| Các lực tác động lên vật liệu theo hướng tia khí hoặc tia nước trong quá trình gia công | Áp suất khí gây ra vấn đề với mỏng phôi gia công, khoảng cách không thể duy trì | Cao: Các chi tiết mỏng, nhỏ do đó chỉ có thể được gia công ở mức độ hạn chế. |
Các yếu tố an toàn và môi trường hoạt động
| Chủ thể | Laser CO2 | Cắt bằng tia nước |
| An toàn cá nhânyêu cầu thiết bị | Kính bảo hộ chống tia laser không hoàn toàn cần thiết. | Cần có kính bảo hộ, thiết bị bảo vệ tai và đồ bảo hộ chống tiếp xúc với tia nước áp lực cao. |
| Phát sinh khói và bụi trong quá trình chế biến | Hiện tượng này có thể xảy ra; nhựa và một số hợp kim kim loại có thể tạo ra khí độc. | Không áp dụng cho cắt bằng tia nước. |
| Ô nhiễm tiếng ồn và nguy hiểm | Rất thấp | Cao bất thường |
| Yêu cầu vệ sinh máy móc do sự bẩn thỉu trong quá trình sản xuất | Dọn dẹp dễ dàng | Dọn dẹp kỹ lưỡng |
| Giảm thiểu lượng chất thải phát sinh trong quá trình này. | Phế thải trong quá trình cắt chủ yếu ở dạng bụi, cần được hút chân không và lọc. | Lượng phế phẩm cắt gọt lớn phát sinh do việc trộn nước với chất mài mòn. |