Gids voor lasergesteunde bewerking: Processen, optimalisatie en toepassingen

Deze gids bespreekt de technologie van lasergeassisteerde bewerking en hoe de integratie van lasers in traditionele bewerkingen de mogelijkheden verbetert. Het behandelt de principes van de interactie tussen lasers en materialen en hoe procesparameters worden geoptimaliseerd. Er wordt ook ingegaan op toepassingen in de praktijk in verschillende industrieën en de toekomstperspectieven van precisielaserbewerking.

Metaalbewerking met behulp van laser: Precisiesnijden en oppervlaktebehandeling

Lasergebaseerde hybride bewerkingsprocessen hebben de afgelopen decennia een revolutie teweeggebracht in de precisiefabricage. Door een krachtige laserbron in conventionele subtractieve gereedschappen te integreren, ontsluiten deze technologieën nieuwe mogelijkheden voor materiaalbewerking die de grenzen van traditionele methoden alleen ver overschrijden.

De interactie tussen laser en materiaal wordt bepaald door de eigenschappen en instellingen van de laser en deze processen zorgen voor thermische, fysische en chemische effecten om materialen efficiënt te verwijderen, te wijzigen en te structureren. Zorgvuldige regeling van laserparameters in overeenstemming met de eigenschappen van het werkmateriaal optimaliseert de procesresultaten.

Deze flexibiliteit maakt het mogelijk om met lasergestuurde bewerking anderszins problematische metalen, legeringen, keramiek en composieten aan te pakken die voorheen moeilijk te snijden werden geacht met uitsluitend mechanische middelen. Naast basis snijden en boren, maken dergelijke hybride systemen innovatieve functies mogelijk die zich uitstrekken van geharde oppervlakken tot topografieën met micropatronen.

Overal in de industrie verbetert laserhybridisatie de procesefficiëntie, kwaliteit en precisie van zeer nauwkeurige producten aanzienlijk. Hoewel er nog veel werk wordt verricht om de technologie te verbeteren, is het gemak van de productietoepassing al breed geaccepteerd in de meeste industrieën, met een voorkeur voor de automobielindustrie, ruimtevaart en medische industrieën. Het doel van dit artikel is om een algemene inleiding te geven op het relatief nieuwe gebied van lasergeassisteerde bewerking. Het vat de belangrijkste principes samen, geeft een overzicht van procesoptimalisatiestudies en belicht toepassingen die gebruik maken van deze snelgroeiende technologie. De toekomstperspectieven van precisielaserbewerking worden ook onderzocht.

Parameters laserproces

De belangrijkste laserparameters die het laserbewerkingsproces beïnvloeden zijn laservermogen, golflengte, pulsfrequentie enz. Het laservermogen bepaalt de hoeveelheid energie die aan het werkstuk geleverd wordt. Een hoger vermogen zorgt voor snellere materiaalverwijdering, maar kan thermisch beïnvloede zones veroorzaken. De golflengte heeft ook invloed op de bewerking - Kortere golflengtes worden beter aan het oppervlak geabsorbeerd, terwijl langere golflengtes dieper doordringen.

De pulsfrequentie is belangrijk voor gepulseerde lasers. Hogere frequenties maken hogere piekvermogens mogelijk voor snellere verwijdering, maar lagere frequenties helpen de door warmte beïnvloede zone te minimaliseren. Deze parameters moeten goed geoptimaliseerd worden op basis van het materiaal en het gewenste resultaat.

Materiaal Overwegingen

De materiaaleigenschappen zoals warmtegeleidingsvermogen, hardheid, uithardingsgedrag enz. hebben ook een grote invloed op laserbewerking. Materialen met een hoger warmtegeleidingsvermogen voeren de warmte sneller af, waardoor de thermische spanningen afnemen. Maar ze zijn ook moeilijker te bewerken. Hardere materialen hebben een hogere energiedichtheid nodig voor verwijdering.

Sterk verhardende materialen zoals staal verharden het oppervlak tijdens het verhitten, waardoor nog hogere energiedichtheden vereist zijn. Inzicht in deze interacties tussen laserparameters en materiaaleigenschappen helpt bij het aanpassen van het proces voor optimale resultaten voor elke toepassing. De procesparameters moeten worden afgestemd op het materiaal van het werkstuk voor een efficiënte bewerking met een goede oppervlakteafwerking en maatnauwkeurigheid.

Voordelen van lasergesteunde bewerking

Lasergeassisteerde bewerking biedt verschillende voordelen ten opzichte van conventionele, niet-lasergeassisteerde bewerkingsprocessen. Enkele van de belangrijkste voordelen zijn verminderde snijkrachten, lagere oppervlakteruwheid, minder slijtage van het gereedschap en verandering van de materiaalmicrostructuur en -eigenschappen.

De plaatselijke warmtebehandeling door de laser vermindert de snijkrachten op het gereedschap aanzienlijk door het werkmateriaal voor het gereedschap zachter en zwakker te maken. Dit vermindert de mechanische en thermische belasting op het gereedschap. Het zachtere materiaal zorgt ook voor een betere oppervlakteafwerking met een lagere oppervlakteruwheid in vergelijking met conventionele bewerkingen.

Lagere gereedschapbelastingen en -temperaturen leiden tot minder gereedschapsslijtage en een langere levensduur van het gereedschap. Experimenten tonen een aanzienlijke verlenging van de standtijd tot 10 keer in vergelijking met niet-laserprocessen. De thermische cycli van de laser wijzigen ook de microstructuur en hardheid van materialen op een zeer lokaal niveau. Dit maakt toepassingen zoals het harden van oppervlakken mogelijk.

In het algemeen verbetert de integratie van laser de productiviteit door hogere materiaalverwijderingspercentages en een betere oppervlaktekwaliteit mogelijk te maken. In combinatie met lagere gereedschapskosten door minder slijtage, biedt lasergeassisteerde bewerking een betere rendabiliteit ten opzichte van traditionele methodes, vooral voor moeilijk te snijden materialen.

Onderzoek naar laserbewerking van specifieke materialen

Nikkel legeringen

Nikkellegeringen worden veel gebruikt in de ruimtevaart en de medische industrie vanwege hun hoge sterkte en corrosiebestendigheid. Door hun dichte microstructuur zijn ze echter moeilijk te bewerken. Studies tonen aan dat Nd:YAG lasers met vermogens tussen 150-300W en voedingssnelheden van 2-4 mm/min de snijkwaliteit in Inconel 718 optimaliseren. Draaien met behulp van een laser vermindert de aandrukkracht met 40%, de snijtemperatuur met 30°C en bereikt een oppervlakteruwheid van 0,4 µm in vergelijking met conventioneel draaien.

Titaanlegeringen

Titaanlegeringen zoals Ti6Al4V worden vaak gebruikt in vliegtuigturbines vanwege hun hoge sterkte en corrosiebestendigheid. Maar hun chemische reactiviteit brengt bewerkingsproblemen met zich mee. Studies optimaliseren het frezen van Ti6Al4V met 1070nm fiberlaser bij 3kW vermogen en 500mm/min voeding. Dit halveert de snijkrachten en specifieke vonkenergie en levert een oppervlakteruwheid op van 0,8 µm vergeleken met 2,5 µm zonder laserondersteuning.

Keramiek

Siliciumnitride- en aluminiumoxidekeramiek vinden toepassingen die een hoge hardheid en sterkte vereisen. Door hun broosheid zijn ze echter gevoelig voor scheuren in processen zonder laser. Lasers maken micro-EDM-achtige processen met lagere energieën mogelijk om keramiek scheurvrij te bewerken. Optimalisatie van het Nd:YAG lasersnijden van siliciumnitride met een vermogen van 200W en een voeding van 50mm/min produceerde oppervlakken met een ruwheid van 0,2 μm zonder scheuren.

Composietmaterialen

EPRI zegt dat koolstofvezel- en glasvezelversterkte polymeercomposieten nog steeds veel gebruikt worden omdat ze een hoge stijfheid en sterkte/gewichtsverhouding hebben. De laser verwijdert alleen de polymeermatrix en dankzij de hoge sterkte bieden complete vezels een schone randafwerking. Onderzoeken tonen aan dat CO2 lasersnijden van koolstofvezelcomposieten bij 3kW vermogen en 300mm/min voedingssnelheid produceert snijvlakken met <1μm ruwheid zonder delaminatie.

Kortom, optimalisatie van laserparameters op basis van materiaaleigenschappen maakt efficiënte en schadevrije bewerking mogelijk van anders moeilijk te snijden legeringen, keramiek en composieten. Dit verbetert de productiviteit en voldoet aan de strenge eisen van luchtvaart en medische toepassingen. Verder onderzoek kan helpen om de mogelijkheden voor laserbewerking uit te breiden naar andere materialen.

Geavanceerde snijtechnieken bij lasergesteund verspanen

Draaien en frezen met behulp van lasers

Hieronder volgen enkele van de veelgebruikte metaalverwijderingsprocessen; draaien en frezen. Bij draaien roteert een snijgereedschap terwijl het werkstuk roteert en door de snijbewerking worden beide cilindrische oppervlakken geproduceerd. Bij frezen draait een frees met een veelvoud aan tanden om materiaal weg te snijden terwijl het over het oppervlak van het werkstuk wordt gevoerd.

Het integreren van lasers in deze bewerkingen helpt bij het bewerken van moeilijke materialen. Bij draaien verwarmt een gefocuste laser het materiaal voor het gereedschap voor, waardoor de snijkrachten en temperatuur dalen. Dit vermindert de spanning op het gereedschap en verlengt de levensduur bij het bewerken van legeringen. Bij frezen maakt een gescande laser het werkmateriaal selectief zacht om vervolgens te verwijderen, waardoor de oppervlaktekwaliteit verbetert en er meer materiaal kan worden verwijderd.

Studies hebben aangetoond dat de standtijd 40-60% toeneemt en de kracht afneemt wanneer lasers worden gebruikt bij het draaien van titanium en nikkelsuperlegeringen. Het frezen van Inconel 718 met behulp van Ytterbium fiber lasers liet 3 keer hogere materiaalverwijderingspercentages zien in vergelijking met conventionele methoden.

Effect van gepulseerde lasers op snijden

In tegenstelling tot continue lasers bieden gepulseerde lasers een betere controle over de thermische verwerking tijdens het snijden. De hoge piekvermogens van gepulseerde lasers maken een snelle plaatselijke verwarming mogelijk, terwijl de interpulsvertraging helpt om de warmte tussen de belichtingen af te voeren.

Onderzoek toont aan dat het optimaliseren van de laserpulsduur en -herhalingssnelheid de temperatuur van de snijzone onder kritieke niveaus houdt om schade aan het gereedschap te voorkomen. Kortere pulsen met grotere interpulsvertragingen genereren minimale door warmte beïnvloede zones. Gepulste CO2 lasers verminderen oppervlakteoxidatie bij het frezen van titanium in vergelijking met continue lasers.

Gepulste fiberlasers maximaliseren de materiaalverwijderingssnelheid bij het draaien van hard staal omdat ze individuele spots op micron-schaal kunnen voorverwarmen en snijden. Door deze plaatselijke verwarming hebben gepulste lasers een minimale thermische impact op gereedschappen en oppervlakken in vergelijking met continue lasers.

Oppervlaktestructurering met behulp van laserbewerking

Laser oppervlakteverharding

Laserharden van oppervlakken maakt gebruik van de hoge energiedichtheid van laserstralen om dunne oppervlaktelagen snel te verhitten zonder de interne eigenschappen van het basismateriaal aan te tasten. Dit creëert een harde laag over de externe oppervlakken voor slijtage en corrosiebestendigheid.

Onderzoek toont aan dat laserharden met geschikte laserparameters de hardheid, slijtage en corrosieprestaties van behandelde oppervlakken aanzienlijk verhoogt. Bijvoorbeeld, Nd:YAG laserbehandeling van AISI 4340 staal bij 1,5kW vermogen creëert een 0,5 mm geharde laag met 50-60% toename in hardheid in vergelijking met het basismateriaal.

Op dezelfde manier verhoogt laserharden van titaanlegeringen de oppervlaktehardheid met 30-40% en verdrievoudigt het de slijtvastheid. De snelle verhittings- en afkoelsnelheden van laserbehandeling, hoger dan 105 K/s, bevorderen niet-evenwichtsfasen die verantwoordelijk zijn voor het harden. Snellere cycli minimaliseren ook de door warmte aangetaste zones.

Laserharden is zeer effectief op tandwielen, matrijzen en andere onderdelen die onderhevig zijn aan wrijving en slijtage. Het proces verbetert de functionele levensduur en vermindert de onderhoudsbehoefte van industriële onderdelen. Het is een milieuvriendelijk en veelzijdig alternatief voor andere oppervlaktehardingstechnieken.

Laser oppervlakteveredeling

Nauwkeurige oppervlaktestructurering met behulp van lasers maakt een reeks toepassingen mogelijk die verbeterde of aangepaste oppervlakte-eigenschappen vereisen. Door lasers gegenereerde micro-/nanostructuren veranderen de bevochtigings-, adhesie-, tribologische en optische eigenschappen.

Studies tonen aan dat het structureren van metalen met submicron geometrieën door middel van femtoseconde laseroppervlakken de weerstand tegen corrosie verbetert door de diffusie van oxiderende stoffen te verstoren. Zelfreinigend superhydrofoob oppervlakken worden gecreëerd op metalen zoals titanium door laservorming van hiërarchische structuren die lotusbladeren nabootsen. Dergelijke oppervlakken vertonen watercontacthoeken >160° en glijhoeken <10°.

Antireflecterende en vuilwerende nanogratings op glas maken gebruik van laserinterferentielithografie voor arrays van subgolflengte ribbels. Biomedische implantaten vertonen een verbeterde osteo-integratie door laser microgegroefde topografieën die lijken op de architectuur van trabeculair bot.

Lasers kunnen snel gladde uniforme patronen maken over grote oppervlakken met gecontroleerde afmetingen. 3D nanopatronen maken gradiënt in oppervlakte-eigenschappen en multifunctionaliteit mogelijk. Het contactloze laserproces voorkomt verontreinigingsproblemen.

In het algemeen opent laser oppervlaktetechniek nieuwe wegen voor intelligent oppervlakteontwerp in industrieën zoals de auto-industrie, consumentenproducten en biomedische implantaten door microstructuur-eigenschappen af te stemmen.

Conclusie

Laserondersteunde bewerking heeft zich ontpopt als een zeer effectieve productietechnologie die aanzienlijke voordelen biedt ten opzichte van conventionele methoden. De precieze verwarmingseffecten van lasers maken verbeterde bewerkingsmogelijkheden mogelijk voor een groot aantal materialen die voorheen als moeilijk te snijden werden beschouwd.

Door laserparameters samen met snijparameters te optimaliseren op basis van de eigenschappen van het werkstukmateriaal, kunnen maximale verbeteringen in procesproductiviteit, werkstukkwaliteit en standtijd worden bereikt. Vooral gepulseerde lasers bieden uitstekende controle over thermische effecten om schade aan het werkstuk en slijtage van het gereedschap te minimaliseren.

Naast elementaire snijbewerkingen opent de integratie van lasers nieuwe mogelijkheden zoals hardheidsbehandelingen en aangepaste oppervlaktetexturen. Dit breidt de toepassingen uit naar gefunctionaliseerde onderdelen in vele industrieën. Terwijl uitgebreid onderzoek wordt voortgezet, hebben industriële implementaties van lasertechnologieën al hun technische en economische voordelen aangetoond, vooral voor veeleisende hoogwaardige toepassingen.

Met verdere vooruitgang is laserbewerking klaar om traditionele subtractieve processen steeds meer aan te vullen en zelfs te vervangen. De flexibiliteit en contactloze aard van laserbewerking zullen geavanceerde productiewijzen blijven ontwikkelen. Over het geheel genomen bieden lasergebaseerde hybride processen een enorm potentieel voor de toekomst bij het efficiënt vervaardigen van zeer nauwkeurige functionele onderdelen en oppervlakken.

FAQs

Q. Hoe werkt een lasermachine?

A. Een hoogvermogenlaser wordt op het metalen werkstuk gericht, waarbij laserenergie wordt gebruikt om materiaal te smelten, te verdampen of te verwijderen. Hieronder is het mogelijk om verschillende vormen te modelleren, dankzij de exacte positioneersystemen:

Q. Welke lasertechnologieën worden gebruikt voor machinale bewerking?

A. Gangbare typen zijn CO2, vastestoflasers (Nd:De beschikbare lasergeneratoren zijn onder andere kleurstoflasers, excimerlasers en YAG-lasers en fiberlaserlasers; deze werken in de infrarood- tot ultravioletgebieden. Multikilowatt vezellasers zijn draagbaar en leveren hoge prestaties.

Q. Welke soorten materialen kunnen met de laser bewerkt worden?

A. Alles van metalen en niet-metalen van staal tot plastic, hout en keramiek en composieten van grafiet kan bewerkt worden.

Q. Wat zijn de voordelen van laserbewerking?

A. Het biedt contactloze niet-thermische bewerking, hoge precisie en nauwkeurigheid. Andere voordelen zijn minder machinetrillingen, geen gereedschapsslijtage en de mogelijkheid om ingewikkelde 3D-onderdelen zonder opspannen te bewerken.