Tallat làser

De Viquipèdia
Dreceres ràpides: navegació, cerca
Procés de tallat d'una planxa d'acer amb làser.
CAD (a dalt) Peça d'acer inoxidable tallada amb làser (a sota)

El tallat làser és una tecnologia que fa ús d'un raig làser per tallar diferents materials. Normalment s'utilitza en instal·lacions de caràcter industrial i de gran format però últimament estan apareixent alguns tallers i factories de mida reduïda o mitjana que en comencen a fer ús. El tallat làser consisteix a fer incidir -mitjançant control per computador- un raig làser d'elevada potència al material que es desitja tallar. A continuació aquest material bé pot fondre's, cremar-se, evaporar-se o fins i tot sublimar-se,[1] deixant un reduït espai amb un molt bon acabat superficial. L'aplicació més habitual d'aquest tipus de tecnologia es troba en el tallat de làmines planes d'una gran varietat de materials.

Tipus[modifica | modifica el codi]

Fitxer:Diffusion-Cooled Resonator.jpg
A diffusion cooled resonator

Hi ha molts tipus de làsers utilitzats per al tallat. El làser de [[làser CO2]] està pensat per tallar, perforar i gravar. Els làsers de neodimi (Nd) i de neodimi itri-alumini-grana (Nd-YAG) són idèntics a la vista i només es diferencien segons les aplicacions. Els de neodimi s'utilitzen per perforar a base de raigs altament energètics i requereixen de poques repeticions. D'altra banda, els làsers Nd-YAG s'utilitzen per perforar i també per a gravar mitjançant raigs encara més potents. Tots tres tipus de làsers CO2, Nd i Nd-YAG poden ser utilitzats per soldar.[2]

Les variants típiques dels làsers de tipus CO2 inclouen: flux ràpid en direcció axial, flux lent també en direcció axial, flux transversal i flux en bloc. Els materials que poden tallar aquest tipus de làsers a nivell industrial són: l'acer, l'alumini, l'acer inoxidable, el titani, paper, cera, diversos plàstics i altres derivats del petroli, teixits i fusta. Els làsers de Nd i Nd-YAG són millors per a tallar materials com ceràmiques i diferets tipus de metalls.

Els làsers de CO2 acostumen a ser "bombejats" fent passar un corrent a través de la barreja de gasos (DC-excitat) o mitjançant energia de ràdio freqüència (RF-excitat). El mètode de RF és més recent i s'ha tornat més popular. Des que els dissenys de DC requereixen d'elèctrodes a l'interior de la cavitat, s'hi pot trobar erosió i aixafament en aquests. Des que els ressonadors RF tenen elèctrodes externs, aquests ja no són propensos a aquests problemes.

A més de la font d'alimentació, el tipus de flux de gas també pot afectar el rendiment. En un ressonador de flux axial ràpid, la barreja de diòxid de carboni, heli i nitrogen es distribueix a gran velocitat per una turbina o un ventilador, en canvi en un ressonador de flux transversal la barreja de gasos es distribueix a una velocitat menor, fet que obliga a requerir d'un ventilador simple.


El generador de làser i les lents externes (incloent la lent d'enfocament) requereixen de refrigeració. Depenent de la grandària i configuració del sistema, la calor residual pot ser transferida amb un refrigerant o directament a l'aire. L'aigua és el refrigerant d'ús més comú, generalment circula a través d'un refrigerador o un sistema de transferència de calor.


Tipus de làser Aplicacions
CO2 Perforació

Tallar/traçar Gravar

Nd Polsacions energètiques

Baixa velocitat de repetició (1 kHz)

Perforació

Nd-YAG Polsacions molt energètiques

Perforació Gravar Retallar

Microraigs làser[modifica | modifica el codi]

Els Microraigs làser són raigs d'aigua guiada làser en el què s'ajunta un feix làser. Aquesta tecnologia s'utilitza per realitzar funcions de tall per làser, mentre que s'utilitza el raig d'aigua per guiar el raig làser a través de la reflexió interna total. Els avantatges d'això són que l'aigua també expulsa les sobres de material i que aquest es refreda més ràpidament. Altres avantatges respecte al tall làser tradicional són donats per l'alta velocitat, pel tall paral·lel i pelde tall omnidireccional.[3]


Procés[modifica | modifica el codi]

Làser amb intruccions de control numèric tallant planxes d'acer (CNC Interface)

La generació dels feixos làser implica estimular un material mitjançant descàrregues elèctriques o llums incidents en espais tancats. Mentre el material és estimulat, el feix es reflecteix internament per mitjà d'un mirall parcial fins que s'aconsegueix l'energia suficient per emetre un raig de llum monocromàtica compacte. Miralls o fibres òptiques s'utilitzen normalment per dirigir el feix de llum per la lent, aquesta enfoca la llum a la zona de treball. La part més estreta del feix enfocat és generalment menor que 0,3175 mm de diàmetre. Depenent de gruix del material, es poden aconseguir amplituds de tall de fins a 0,1016 mm únicament.[4] Per tal de ser capaç d'iniciar el tall en algun altre lloc que no sigui la vora de la planxa, es realitza un forat abans de cada tall. Aquesta primera perforació, en general implica l'emissió d'alta potència per part del feix làser i així, a poc a poc es fa un forat en el material, tardant al voltant d'uns 5-15 segons per tallar un gruix de 13mm d'acer inoxidable.

Els raigs paral·lels de llum compacte de la font del làser sovint es tenen entre 1,5875 mm i 12,7 mm de diàmetre. Aquesta feix s'enfoca i s'intensifica per mitjà d'una lent o un mirall centralitzant-lo en un punt molt petit de prop de 0,0254 mm de diàmetre. D'aquesta manera s'aconsegueix crear un raig làser molt intens. Per tal d'aconseguir un millor acabat superficial durant el tall de contorn, la direcció del feix de polarització ha de rotar, ja que es mou al voltant de la perifèria d'una peça modelada. Per al tall de xapa, la distància focal acostuma a estar entre 38,1 mm i 76,2 mm.[5]

Hi ha molts mètodes diferents de tall que inclouen làser, són diferents tipus utilitzats per tallar diferents materials. Alguns dels mètodes són la vaporització, la fusió-sublimació, la fusió-sublimació i cremat, el tall per increment tèrmic, el traçat, el tall en fred i la crema estabilitzada per tall làser.


Tallat per vaporització[modifica | modifica el codi]

En el tallat per vaporització, el feix làser escalfa la superfície del material fins al punt d'ebullició, així es genera una cavitat per l'evaporació de material. La cavitat porta a un augment sobtat de l' absortivitat provocant de manera molt ràpida un aprofundiment del forat. A mesura que el forat s'aprofundeix i es redueix el material, el vapor generat erosiona les parets modelades i elimina les restes de material, ampliant encara més el forat. Els materials que no fonen com ara la fusta, el carbó i els plàstics termoestables són generalment tallats per aquest mètode.

Fusió i sublimació[modifica | modifica el codi]

El tall per Fusió i sublimació utilitza gas d'alta pressió per eliminar les restes del material fos de la zona de tall. D'aquesta manera es fa disminuir en gran mesura la demanda de potència. Primer, el material s'escalfa fins al punt de fusió, a continuació un raig de gas elimina per sublimació el material fos del cànto, evitant la necessitat d'elevar la temperatura del material. Generalment els metalls són els materials més utilitzats per ser tallats amb aquest procés.

Tall per increment tèrmic[modifica | modifica el codi]

Els materials fràgils són particularment sensibles a la fractura tèrmica, una característica explotada en el tall per increment tèrmic. Un raig s'enfoca a la superfície provocant un escalfament local i dilatació tèrmica. Això es tradueix en petites esquerdes que pot guiarse movent el raig làser. L'esquerda es pot moure amb magnituds de velocitat (m / s). L'aplicació més comuna d'aquest mètode és el tall de vidre.

Tall en quadrets de làmines de silici[modifica | modifica el codi]

La separació dels xips amb funcionament provinent de la microelectrònica com a element de fabricació de dispositius semiconductors provinents de làmines de silici poden ser realitzats per l'anomenat procés de tall en quadrets. Aquest opera amb pols làser Nd-YAG, la longitud d'ona dels quals (1.064 nm) és adoptada per la banda electrònica de silici (1,11 eV o 1117nm).

Tall reactiu[modifica | modifica el codi]

També anomenat per "tall per làser de gas estabilitzat" o simplement "flama de tall".

El """tallat reactiu""" és com tallar amb un bufador d'oxigen, però amb un raig làser com a font d'ignició. Generalment s'utilitza per al tall d'acer al carboni en gruixos de més d'un mm. Aquest procés pot ser utilitzat per tallar plaques d'acer de gran gruix amb làsers de relativament poc consum energètic.

Toleràncies i acabat superficial[modifica | modifica el codi]

Els nous làsers tenen una precisió de posicionament de 10 micròmetres i capacitat de repetició de fins a 5 micròmetres. La rugositat (Rz) augmenta amb el gruix de la xapa, però disminueix amb la potència del làser i la velocitat de tall. Al tallar acer amb baix contingut de carboni amb la potència del làser de 800 W, la rugositat Rz estàndard és de 10 micres de gruix per a una xapa d'1 mm de gruix, 20 micres per a xapes de 3 mm, i 25 micres per a xapes de 6 mm. Rz = 12,528 * (S ^ 0,542) / ((p ^ 0,528) * (V ^ 0322)), on: S = gruix de la xapa d'acer en mm, p = potència del làser en kW, V = velocitat de tall en metres per minut[6] Aquest procés és capaç d'aconseguir intervals de toleràncies reduïdes, sovint de 0025 mm. La geometria de la peça i la solidesa mecànica de la màquina tenen molt a veure amb la capacitat de tolerància. La superfície típica final del tallat amb làser pot variar des de 0,003 mm a 0,006 mm.[2]

Notes i referències[modifica | modifica el codi]

  1. Oberg, p. 1447.
  2. 2,0 2,1 Todd, p. 186.
  3. Perrottet, D et al.,"Heat damage-free Laser-Microjet cutting achieves highest die fracture strength", Photon Processing in Microelectronics and Photonics IV, edited by J. Fieret, et al., Proc. of SPIE Vol. 5713 (SPIE, Bellingham, WA, 2005)
  4. Todd, p. 185.
  5. Todd, p. 188.
  6. Research on surface roughness by laser cut by Miroslav Radovanovic and Predrag Dašić

Enllaços externs[modifica | modifica el codi]

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Tallat làser