Panduan untuk Pemesinan Berbantuan Laser: Proses, Optimalisasi, dan Aplikasi

Panduan ini membahas teknologi pemesinan berbantuan laser dan bagaimana menggabungkan laser ke dalam pemesinan tradisional dapat meningkatkan kemampuan. Panduan ini mencakup prinsip-prinsip interaksi antara laser dan material serta bagaimana parameter proses dioptimalkan. Aplikasi dunia nyata di seluruh industri dan prospek masa depan manufaktur laser presisi juga diperiksa.

Fabrikasi Logam Berbantuan Laser: Pemotongan Presisi dan Perawatan Permukaan

Proses pemesinan hibrida berbasis laser telah merevolusi manufaktur presisi selama beberapa dekade terakhir. Dengan menggabungkan sumber laser berdaya tinggi ke dalam alat subtraktif konvensional, teknologi ini membuka kemampuan baru untuk pemrosesan material yang jauh melampaui batas metode tradisional saja.

Dengan interaksi laser-materi yang diatur oleh sifat dan pengaturan laser, proses ini merekayasa efek termal, fisika, dan kimia untuk menghilangkan, memodifikasi, dan menata material secara efisien. Kontrol parameter laser yang cermat menurut sifat material kerja mengoptimalkan hasil proses.

Fleksibilitas ini memungkinkan pemesinan berbantuan laser untuk menangani logam, paduan, keramik, dan komposit yang sebelumnya dianggap sulit dipotong hanya dengan menggunakan cara mekanis. Di luar pemotongan dan pengeboran dasar, sistem hibrida semacam itu memungkinkan fungsi inovatif yang mencakup permukaan yang mengeras hingga topografi berpola mikro.

Di seluruh industri, hibridisasi laser secara signifikan meningkatkan efisiensi proses, kualitas dan presisi untuk produk presisi tinggi. Meskipun masih banyak pekerjaan yang dilakukan terkait penyempurnaan teknologi ini, namun kenyamanan aplikasi manufaktur telah diterima secara luas di sebagian besar industri dengan preferensi untuk manufaktur mobil, dirgantara dan industri medis. Artikel ini bertujuan untuk menyajikan pengenalan umum mengenai bidang pemesinan berbantuan laser yang relatif baru. Artikel ini merangkum prinsip-prinsip utama, mengulas studi pengoptimalan proses, dan menyoroti aplikasi yang menggunakan teknologi yang sedang berkembang ini. Prospek masa depan manufaktur laser presisi juga diperiksa.

Parameter Proses Laser

Parameter laser utama yang memengaruhi proses pemesinan laser adalah daya laser, panjang gelombang, frekuensi pulsa, dll. Daya laser menentukan jumlah energi yang dikirimkan ke benda kerja. Daya yang lebih tinggi memungkinkan penghilangan material yang lebih cepat tetapi dapat menyebabkan zona yang terpengaruh secara termal. Panjang gelombang juga berdampak pada permesinan - panjang gelombang yang lebih pendek diserap lebih baik di permukaan sementara panjang gelombang yang lebih panjang menembus lebih dalam.

Frekuensi pulsa penting untuk laser berdenyut. Frekuensi yang lebih tinggi memungkinkan daya puncak yang lebih tinggi untuk penghilangan yang lebih cepat, tetapi frekuensi yang lebih rendah membantu meminimalkan zona yang terpengaruh panas. Optimalisasi yang tepat dari parameter ini diperlukan berdasarkan bahan dan hasil yang diinginkan.

Pertimbangan Material

Sifat material seperti konduktivitas termal, kekerasan, perilaku pengerasan kerja, dll. juga secara signifikan memengaruhi pemesinan laser. Bahan dengan konduktivitas termal yang lebih tinggi memungkinkan panas menghilang lebih cepat, mengurangi tekanan termal. Tetapi mereka juga lebih sulit untuk dikerjakan dengan mesin. Bahan yang lebih keras membutuhkan kepadatan energi yang lebih tinggi untuk dihilangkan.

Material yang bekerja dengan sangat keras seperti baja menyebabkan permukaannya mengeras saat memanas, sehingga menuntut kepadatan energi yang lebih tinggi. Memahami interaksi antara parameter laser dan sifat material ini membantu dalam menyesuaikan proses untuk hasil yang optimal untuk setiap aplikasi. Parameter proses perlu disesuaikan berdasarkan bahan benda kerja untuk pemesinan yang efisien dengan hasil akhir permukaan yang baik dan akurasi dimensi.

Manfaat Pemesinan Berbantuan Laser

Pemesinan berbantuan laser menawarkan beberapa keunggulan dibandingkan proses pemesinan konvensional tanpa bantuan laser. Beberapa manfaat utamanya adalah berkurangnya gaya pemotongan, kekasaran permukaan yang lebih rendah, berkurangnya keausan pahat, serta perubahan struktur dan sifat mikro material.

Perlakuan panas lokal yang disebabkan oleh laser secara signifikan mengurangi gaya pemotongan pada pahat dengan melembutkan dan melemahkan material kerja di depan pahat. Hal ini mengurangi pembebanan mekanis dan termal pada alat. Material yang dilembutkan juga menghasilkan permukaan akhir yang lebih baik dengan kekasaran permukaan yang berkurang dibandingkan dengan pemesinan konvensional.

Beban dan temperatur pahat yang lebih rendah menyebabkan keausan pahat yang lebih sedikit dan umur pahat yang lebih panjang. Eksperimen menunjukkan peningkatan yang signifikan dalam usia pakai pahat hingga 10 kali lipat dibandingkan dengan proses non-laser. Siklus termal laser juga memodifikasi struktur mikro dan kekerasan material pada tingkat yang sangat lokal. Hal ini memungkinkan aplikasi seperti pengerasan permukaan.

Secara keseluruhan, penggabungan laser meningkatkan produktivitas dengan memungkinkan tingkat penghilangan material yang lebih tinggi serta kualitas permukaan yang lebih baik. Dikombinasikan dengan pengurangan biaya perkakas karena keausan yang lebih sedikit, pemesinan berbantuan laser menawarkan peningkatan keekonomisan suku cadang dibandingkan metode tradisional, terutama untuk material yang sulit dipotong.

Penelitian tentang Pemesinan Laser untuk Material Tertentu

Paduan Nikel

Paduan nikel banyak digunakan dalam industri kedirgantaraan dan medis karena kekuatannya yang tinggi dan ketahanan terhadap korosi. Namun, struktur mikro yang padat membuatnya sulit untuk dikerjakan dengan mesin. Studi menunjukkan bahwa laser Nd: YAG dengan daya antara 150-300W dan laju pemakanan 2-4 mm/menit mengoptimalkan kualitas pemotongan di Inconel 718. Pembubutan berbantuan laser mengurangi gaya dorong hingga 40%, suhu pemotongan hingga 30°C dan mencapai kekasaran permukaan 0,4μm dibandingkan dengan pembubutan konvensional.

Paduan Titanium

Paduan titanium seperti Ti6Al4V umumnya digunakan dalam turbin pesawat karena kekuatan dan ketahanan korosinya yang tinggi. Tetapi reaktivitas kimianya menimbulkan tantangan pemesinan. Penelitian mengoptimalkan penggilingan Ti6Al4V dengan laser serat 1070nm dengan daya 3kW dan pemakanan 500mm/menit. Hal ini mengurangi separuh gaya pemotongan dan energi pemotongan spesifik sambil menghasilkan kekasaran permukaan 0,8μm dibandingkan dengan 2,5μm tanpa bantuan laser.

Keramik

Silikon nitrida dan keramik alumina menemukan aplikasi yang membutuhkan kekerasan dan kekuatan tinggi. Namun, kerapuhannya membuat keramik ini rentan terhadap keretakan pada proses non-laser. Laser memungkinkan proses seperti mikro-EDM dengan energi yang lebih rendah untuk membuat keramik bebas retak. Optimalisasi penggilingan laser Nd: YAG silikon nitrida menemukan daya 200W dan umpan 50mm / menit menghasilkan permukaan dengan kekasaran 0,2μm tanpa retakan.

Material Komposit

EPRI mengatakan bahwa komposit polimer yang diperkuat serat karbon dan serat kaca terus digunakan secara luas karena memiliki kekakuan dan rasio kekuatan terhadap berat yang tinggi. Laser hanya menghilangkan matriks polimer dan karena kekuatannya yang tinggi, serat yang lengkap menawarkan hasil akhir yang bersih. Studi menunjukkan CO2 pemotongan laser komposit serat karbon dengan daya 3kW dan laju umpan 300mm/menit menghasilkan permukaan potongan dengan kekasaran <1μm tanpa delaminasi.

Singkatnya, optimalisasi parameter laser berdasarkan sifat material memungkinkan pemesinan yang efisien dan bebas kerusakan pada paduan, keramik, dan komposit yang sulit dipotong. Hal ini meningkatkan produktivitas dan memenuhi tuntutan yang ketat dari aplikasi kedirgantaraan dan medis. Penelitian lebih lanjut dapat membantu memperluas kemampuan pemesinan laser ke material lain.

Teknik Pemotongan Tingkat Lanjut dalam Pemesinan Berbantuan Laser

Pembubutan dan Penggilingan Dibantu oleh Laser

Berikut ini adalah sebagian proses penghilangan logam yang sering digunakan; berputar dan penggilingan. Pada pembubutan, alat potong berputar sementara benda kerja berputar dan dengan operasi pemotongan, kedua permukaan silinder dihasilkan. Pada milling, cutter yang memiliki beberapa jumlah gigi berputar untuk memotong material saat diumpankan melintasi permukaan benda kerja.

Mengintegrasikan laser ke dalam operasi ini membantu dalam pemesinan material yang sulit. Dalam pembubutan, laser yang terfokus memanaskan material di depan pahat, sehingga menurunkan gaya dan temperatur pemotongan. Hal ini mengurangi tekanan pahat dan memperpanjang umurnya saat pemesinan paduan. Dalam penggilingan, laser yang dipindai melembutkan material kerja secara selektif untuk selanjutnya dihilangkan, meningkatkan kualitas permukaan dan memungkinkan tingkat penghilangan material yang lebih tinggi.

Penelitian telah menunjukkan peningkatan 40-60% dalam usia pakai pahat dan mengurangi gaya ketika laser digunakan dalam pembubutan superalloy titanium dan nikel. Penggilingan Inconel 718 menggunakan laser serat Ytterbium menunjukkan tingkat penghilangan material 3 kali lebih tinggi dibandingkan dengan metode konvensional.

Pengaruh Laser Berdenyut pada Pemotongan

Laser berdenyut, yang berlawanan dengan laser gelombang kontinu, memberikan kontrol yang lebih baik atas pemrosesan termal selama pemotongan. Daya puncak yang tinggi dari laser berdenyut memungkinkan pemanasan lokal yang cepat, sementara penundaan antar-pulsa membantu menghilangkan panas di antara paparan.

Penelitian menunjukkan bahwa mengoptimalkan durasi pulsa laser dan tingkat pengulangan mempertahankan suhu zona pemotongan di bawah tingkat kritis untuk mencegah kerusakan alat. Pulsa yang lebih pendek dengan jeda antar-pulsa yang lebih besar menghasilkan zona yang terpengaruh panas yang minimal. Laser CO2 berdenyut mengurangi oksidasi permukaan dalam penggilingan titanium dibandingkan dengan laser kontinu.

Laser serat berdenyut memaksimalkan laju penghilangan material pada pembubutan baja keras karena kemampuannya untuk melakukan pemanasan awal dan memotong dengan titik-titik berskala mikron. Pemanasan yang terlokalisasi ini memungkinkan laser berdenyut meminimalkan dampak termal pada alat dan permukaan dibandingkan dengan laser kontinu.

Tekstur Permukaan menggunakan Pemrosesan Laser

Pengerasan Permukaan Laser

Pengerasan permukaan laser memanfaatkan kepadatan energi yang tinggi dari sinar laser untuk memanaskan lapisan permukaan tipis dengan cepat tanpa mempengaruhi sifat internal bahan dasar. Hal ini menciptakan casing yang keras di atas permukaan eksternal untuk ketahanan terhadap keausan dan korosi.

Penelitian menunjukkan bahwa pengerasan laser dengan menggunakan parameter laser yang sesuai secara signifikan meningkatkan kekerasan, keausan, dan kinerja korosi pada permukaan yang dirawat. Sebagai contoh, perlakuan laser Nd: YAG pada baja AISI 4340 dengan daya 1,5kW menghasilkan lapisan pengerasan 0,5 mm dengan peningkatan kekerasan 50-60% dibandingkan dengan bahan dasar.

Demikian pula, pengerasan laser pada paduan titanium meningkatkan kekerasan permukaan sebesar 30-40% dan melipatgandakan ketahanan aus. Laju pemanasan dan pendinginan yang cepat dari perawatan laser, melebihi 105 K/s, mendorong fase non-kesetimbangan yang bertanggung jawab untuk pengerasan. Siklus yang lebih cepat juga meminimalkan zona yang terpengaruh panas.

Pengerasan laser sangat efektif pada roda gigi, cetakan, dan komponen lain yang mengalami gesekan dan keausan. Proses ini meningkatkan masa pakai fungsional dan mengurangi kebutuhan perawatan komponen industri. Proses ini memberikan alternatif yang ramah lingkungan dan serbaguna untuk teknik pengerasan permukaan lainnya.

Pola Permukaan Laser

Tekstur permukaan yang tepat dengan menggunakan laser memungkinkan berbagai aplikasi yang membutuhkan sifat permukaan yang disempurnakan atau disesuaikan. Mikro/nanostruktur yang dihasilkan laser mengubah atribut pembasahan, adhesi, tribologi, dan optik.

Studi menunjukkan penataan permukaan laser femtosecond pada logam dengan geometri submikron meningkatkan ketahanan terhadap korosi dengan mengganggu difusi zat pengoksidasi. Membersihkan sendiri superhidrofobik Permukaan dibuat pada logam seperti titanium melalui pembentukan struktur hierarkis dengan laser yang meniru daun teratai. Permukaan semacam itu menunjukkan sudut kontak air >160° dan sudut geser <10°.

Nanograting anti-reflektif dan anti-noda pada kaca menggunakan litografi interferensi laser untuk susunan tonjolan sub-panjang gelombang. Implan biomedis menunjukkan peningkatan osteointegrasi dari topografi beralur mikro laser yang mirip dengan arsitektur tulang trabekular.

Laser dapat dengan cepat memproses pola seragam yang halus pada area yang luas dengan ukuran fitur yang terkontrol. Pola nano 3D memungkinkan sifat permukaan gradien dan multifungsi. Proses laser tanpa kontak menghindari masalah kontaminasi.

Secara keseluruhan, rekayasa permukaan laser membuka jalan baru untuk desain permukaan cerdas di seluruh industri seperti otomotif, produk konsumen, dan implan biomedis melalui penyetelan struktur mikro.

Kesimpulan

Pemesinan berbantuan laser telah muncul sebagai teknologi manufaktur yang sangat efektif dan menawarkan keuntungan yang signifikan dibandingkan metode konvensional. Efek pemanasan presisi dari laser memungkinkan peningkatan kemampuan pemesinan untuk berbagai macam bahan yang sebelumnya dianggap sulit dipotong.

Dengan mengoptimalkan parameter laser bersama dengan parameter pemotongan berdasarkan sifat material kerja, peningkatan maksimal dalam produktivitas proses, kualitas komponen, dan masa pakai pahat dapat dicapai. Laser berdenyut khususnya memberikan kontrol yang sangat baik terhadap efek termal untuk meminimalkan kerusakan benda kerja dan keausan pahat.

Di luar operasi pemotongan dasar, mengintegrasikan laser membuka kemungkinan baru seperti perawatan kekerasan dan tekstur permukaan yang disesuaikan. Hal ini memperluas aplikasi ke komponen yang difungsikan di banyak industri. Sementara penelitian ekstensif terus berlanjut, implementasi industri teknologi laser telah menunjukkan manfaat teknis dan ekonominya, terutama untuk aplikasi bernilai tinggi.

Dengan kemajuan lebih lanjut, pemesinan laser siap untuk semakin meningkatkan dan bahkan menggantikan proses subtraktif tradisional. Fleksibilitas dan sifat non-kontak akan terus mengembangkan jalan manufaktur tingkat lanjut. Secara keseluruhan, proses hibrida berbasis laser menunjukkan potensi yang sangat besar untuk masa depan dalam fabrikasi komponen fungsional presisi tinggi dan permukaan yang direkayasa secara efisien.

Pertanyaan Umum

Q. Bagaimana cara kerja mesin laser?

A. Laser daya tinggi diarahkan ke benda kerja logam, sehingga menggunakan energi laser untuk melelehkan, menguapkan atau menghilangkan material. Di bawah ini dimungkinkan untuk memahat berbagai bentuk, berkat sistem pemosisian yang tepat:

Q. Teknologi laser apa yang digunakan untuk pemesinan?

A. Jenis yang umum termasuk CO2, solid-state (Nd: Generator laser yang tersedia termasuk laser pewarna, laser excimer dan laser YAG dan laser laser serat; beroperasi di daerah infra merah hingga Ultra violet. Laser serat multikilowatt bersifat portabel dan memiliki kinerja tinggi.

Q. Jenis bahan apa yang dapat dikerjakan dengan mesin laser?

A. Apa pun mulai dari logam dan non-logam hingga baja, plastik, kayu, dan keramik serta komposit grafit dapat dikerjakan dengan mesin.

Q. Apa saja keuntungan pemesinan laser?

A. Mesin ini menyediakan pemesinan non-termal tanpa kontak, presisi dan akurasi yang tinggi. Manfaat lainnya adalah getaran mesin yang lebih kecil, tidak ada keausan alat dan kemampuan untuk mengerjakan komponen 3D yang rumit tanpa fiksasi komponen.