Các hoạt động sản xuất laser hiện nay bao gồm cắt, hàn, xử lý nhiệt, phủ, lắng đọng hơi, khắc, khắc, cắt gọt, ủ và tôi cứng bằng sốc. Các quy trình sản xuất laser cạnh tranh cả về mặt kỹ thuật lẫn kinh tế với các quy trình sản xuất thông thường và phi truyền thống như gia công cơ khí và nhiệt, hàn hồ quang, gia công điện hóa và phóng điện (EDM), cắt tia nước mài mòn, cắt plasma và cắt bằng ngọn lửa.
Cắt tia nước là một quy trình cắt vật liệu bằng tia nước áp suất cao lên đến 60.000 pound trên inch vuông (psi). Thông thường, nước được trộn với chất mài mòn như garnet, cho phép cắt nhiều vật liệu hơn, chính xác đến từng chi tiết, vuông vắn và có độ hoàn thiện cạnh tốt. Tia nước có khả năng cắt nhiều loại vật liệu công nghiệp, bao gồm thép không gỉ, Inconel, titan, nhôm, thép dụng cụ, gốm sứ, đá granit và tấm giáp. Tuy nhiên, quy trình này tạo ra tiếng ồn đáng kể.
Bảng sau đây so sánh quá trình cắt kim loại bằng phương pháp cắt laser CO2 và phương pháp cắt tia nước trong quá trình chế biến vật liệu công nghiệp.
§ Sự khác biệt cơ bản của quy trình
§ Các ứng dụng và cách sử dụng quy trình điển hình
§ Đầu tư ban đầu và chi phí vận hành trung bình
§ Độ chính xác của quá trình
§ Các cân nhắc về an toàn và môi trường hoạt động
Sự khác biệt cơ bản của quy trình
| Chủ thể | Laser CO2 | Cắt tia nước |
| Phương pháp truyền năng lượng | Ánh sáng 10,6 m (phạm vi hồng ngoại xa) | Nước |
| Nguồn năng lượng | Laser khí | Bơm cao áp |
| Năng lượng được truyền đi như thế nào | Chùm tia được dẫn hướng bằng gương (quang học bay); truyền dẫn bằng sợi quang không khả thi cho laser CO2 | Ống dẫn áp suất cao cứng truyền năng lượng |
| Vật liệu cắt được đẩy ra như thế nào | Tia khí, cộng thêm khí bổ sung đẩy vật liệu ra ngoài | Một 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″, cần có cảm biến khoảng cách, điều chỉnh và trục Z | Khoảng 0,12″ 0,04″, cần có cảm biến khoảng cách, 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 |
| Phạm vi kích thước bàn | 8′ x 4′ đến 20′ x 6,5′ | 8′ x 4′ đến 13′ x 6,5′ |
| Đầu ra chùm tia điển hình tại phôi | 1500 đến 2600 Watt | 4 đến 17 kilowatt (4000 bar) |
Các ứng dụng và cách sử dụng quy trình điển hình
| Chủ thể | Laser CO2 | Cắt tia nước |
| Quy trình sử dụng điển hình | Cắt, khoan, khắc, cắt bỏ, tạo cấu trúc, hàn | Cắt, cắt bỏ, cấu trúc |
| Cắt vật liệu 3D | Khó khăn do hướng dẫn chùm tia cứng nhắc và điều chỉnh khoảng cách | Có thể một phần vì năng lượng còn lại phía sau phôi bị phá hủy |
| Vật liệu có thể được cắt bằng quy trình | 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 cắt được | Tất cả các vật liệu có thể được cắt bằng quy trình này |
| Kết hợp vật liệu | Vật liệu có điểm nóng chảy khác nhau khó có thể cắt được | Có thể, nhưng có nguy cơ bị tách lớp |
| Cấu trúc bánh sandwich có khoang rỗng | Điều này không thể thực hiện được với tia laser CO2 | Khả năng hạn chế |
| Cắt vật liệu có khả năng tiếp cận hạn chế hoặc bị cản trở | Hiếm khi có thể thực hiện được do khoảng cách ngắn và đầu cắt laser lớn | Bị giới hạn do khoảng cách giữa vòi phun và vật liệu quá nhỏ |
| Tính chất của vật liệu cắt ảnh hưởng đến quá trình gia công | Đặc tính hấp thụ của vật liệu ở 10,6m | Độ cứng của vật liệu là một yếu tố quan trọng |
| Độ dày vật liệu mà việc cắt hoặc xử lý là kinh tế | ~0,12″ đến 0,4″ tùy thuộc vào vật liệu | ~0,4″ đến 2,0″ |
| Các ứng dụng phổ biến cho quá trình này | Cắt thép tấm phẳng có độ dày trung bình để gia công kim loại tấm | Cắt đá, gốm sứ và kim loại có độ dày lớn hơn |
Đầu tư ban đầu và chi phí vận hành trung bình
| Chủ thể | Laser CO2 | Cắt tia nước |
| Vốn đầu tư ban đầu cần thiết | 300.000 đô la với một máy bơm 20 kW và một chiếc bàn 6,5′ x 4′ | hơn 300.000 đô la |
| Các bộ phận sẽ bị mòn | Kính bảo vệ, khí vòi phun, cùng với cả bộ lọc bụi và bộ lọc hạt | Vòi phun tia nước, vòi phun tập trung và tất cả các bộ phận áp suất cao như van, ống và phớt |
| Tiêu thụ năng lượng trung bình của toàn bộ hệ thống cắt | Giả sử có một máy laser CO2 công suất 1500 Watt: Sử dụng điện năng: 24-40 kW Khí laser (CO2, N2, He): 2-16 l/giờ Khí cắt (O2, N2): 500-2000 l/giờ | Giả sử một máy bơm có công suất 20 kW: Sử dụng điện năng: 22-35 kW Nước: 10 l/h Mài mòn: 36 kg/h Xử lý chất thải cắt |
Độ chính xác của quá trình
| Chủ thể | Laser CO2 | Cắt tia nước |
| Kích thước tối thiểu của khe cắt | 0,006″, tùy thuộc vào tốc độ cắt | 0,02″ |
| Hình dạng bề mặt cắt | Bề mặt cắt sẽ hiển thị cấu trúc có sọc | Bề mặt cắt sẽ trông giống như được phun cát, tùy thuộc vào tốc độ cắt |
| Mức độ các cạnh cắt song song hoàn toàn | Tốt; đôi khi sẽ thể hiện các cạnh hình nón | Tốt; có hiệu ứng "có đuôi" ở các đường cong trong trường hợp vật liệu dày hơn |
| Dung sai xử lý | Khoảng 0,002″ | Khoảng 0,008″ |
| Mức độ gờ trên vết cắt | Chỉ xảy ra hiện tượng gờ một phần | Không xảy ra hiện tượng gờ |
| Ứng suất nhiệt của vật liệu | Biến dạng, tôi luyện và thay đổi cấu trúc có thể xảy ra trong vật liệu | Không xảy ra ứng suất nhiệt |
| Lực tác động lên vật liệu theo hướng tia khí hoặc tia nước trong quá trình xử lý | Áp suất khí đặt ra vấn đề với mỏng phôi, khoảng cách không thể duy trì được | Cao: các bộ phận mỏng, nhỏ do đó chỉ có thể được xử lý ở mức độ hạn chế |
Các cân nhắc về an toàn và môi trường hoạt động
| Chủ thể | Laser CO2 | Cắt tia nước |
| An toàn cá nhânyêu cầu về thiết bị | Kính bảo hộ chống tia laser không thực sự cần thiết | Cần có kính bảo hộ an toàn, bảo vệ tai và bảo vệ chống tiếp xúc với tia nước áp lực cao |
| Phát sinh khói và bụi trong quá trình chế biến | Có xảy ra; nhựa và một số hợp kim kim loại có thể tạo ra khí độc | Không áp dụng cho cắt tia nước |
| Ô nhiễm tiếng ồn và nguy hiểm | Rất thấp | Cao bất thường |
| Yêu cầu vệ sinh máy do quá trình lộn xộn | Làm sạch thấp | Làm sạch cao |
| Cắt giảm chất thải được tạo ra bởi quá trình | Chất thải cắt chủ yếu ở dạng bụi cần phải hút chân không và lọc | Lượng lớn chất thải cắt xảy ra do trộn nước với chất mài mòn |