Lazer Destekli İşleme Kılavuzu: Süreçler, Optimizasyon ve Uygulamalar

Bu kılavuz, lazer destekli işleme teknolojisini ve lazerlerin geleneksel işlemeye dahil edilmesinin yetenekleri nasıl geliştirdiğini tartışmaktadır. Lazerler ve malzemeler arasındaki etkileşim ilkelerini ve proses parametrelerinin nasıl optimize edildiğini kapsamaktadır. Endüstrilerdeki gerçek dünya uygulamaları ve hassas lazer üretiminin gelecekteki beklentileri de incelenmektedir.

Lazer Destekli Metal İmalatı: Hassas Kesme ve Yüzey İşlem

Lazer tabanlı hibrit işleme süreçleri, son birkaç on yılda hassas üretimde devrim yaratmıştır. Geleneksel eksiltici takımlara yüksek güçlü bir lazer kaynağı ekleyen bu teknolojiler, malzeme işleme için geleneksel yöntemlerin sınırlarının çok ötesinde yeni yeteneklerin kilidini açıyor.

Lazer özellikleri ve ayarları tarafından yönetilen lazer-madde etkileşimleri ile bu süreçler, verimli malzeme kaldırma, değiştirme ve yapılandırmaya yönelik termal, fiziksel ve kimyasal etkileri tasarlar. Lazer parametrelerinin iş malzemesi özelliklerine göre dikkatli bir şekilde kontrol edilmesi, proses sonuçlarını optimize eder.

Bu esneklik, lazer destekli işlemenin daha önce yalnızca mekanik yöntemlerle kesilmesi zor görülen sorunlu metaller, alaşımlar, seramikler ve kompozitlerin üstesinden gelmesini sağlar. Temel kesme ve delme işlemlerinin ötesinde, bu tür hibrit sistemler sertleştirilmiş yüzeylerden mikro desenli topografyalara kadar uzanan yenilikçi işlevleri mümkün kılmaktadır.

Tüm sektörlerde lazer hibridizasyonu, yüksek hassasiyetli ürünler için süreç verimliliğini, kalitesini ve hassasiyetini önemli ölçüde artırmaktadır. Her ne kadar teknolojinin geliştirilmesine yönelik pek çok çalışma yürütülüyor olsa da, üretim uygulamasının rahatlığı, otomobil üretimi tercih edilmekle birlikte çoğu sektörde geniş bir kabul görmüştür, havacılık ve uzay ve tibbi̇ endüstri̇ler. Bu makale, nispeten yeni bir alan olan lazer destekli işlemeye genel bir giriş sunmayı amaçlamaktadır. Temel ilkeler özetlenmekte, süreç optimizasyon çalışmaları gözden geçirilmekte ve bu gelişen teknolojiyi kullanan uygulamalar vurgulanmaktadır. Hassas lazer üretiminin gelecekteki beklentileri de incelenmektedir.

Lazer Proses Parametreleri

Lazer işleme sürecini etkileyen temel lazer parametreleri lazer gücü, dalga boyu, darbe frekansı vb.dir. Lazer gücü, iş parçasına verilen enerji miktarını belirler. Daha yüksek güç daha hızlı malzeme kaldırılmasını sağlar ancak termal olarak etkilenen bölgelere neden olabilir. Dalga boyu da işleme sürecini etkiler. talaşlı imalat - Daha kısa dalga boyları yüzeyde daha iyi emilirken, daha uzun dalga boyları daha derine nüfuz eder.

Darbeli lazerler için darbe frekansı önemlidir. Daha yüksek frekanslar daha hızlı kaldırma için daha yüksek tepe güçlerine izin verir, ancak daha düşük frekanslar ısıdan etkilenen bölgeyi en aza indirmeye yardımcı olur. Malzemeye ve istenen sonuca bağlı olarak bu parametrelerin uygun şekilde optimize edilmesi gerekir.

Malzeme Hususları

Termal iletkenlik, sertlik, iş sertleştirme davranışı gibi malzeme özellikleri de lazer işlemeyi önemli ölçüde etkiler. Daha yüksek termal iletkenliğe sahip malzemeler ısının daha hızlı dağılmasını sağlayarak termal gerilimleri azaltır. Ancak işlenmeleri de daha zordur. Daha sert malzemelerin çıkarılması için daha yüksek enerji yoğunluğu gerekir.

Çelik gibi güçlü bir şekilde sertleşen malzemeler, yüzeyin ısındıkça sertleşmesine neden olarak daha da yüksek enerji yoğunlukları gerektirir. Lazer parametreleri ve malzeme özellikleri arasındaki bu etkileşimlerin anlaşılması, her uygulama için optimum sonuçlar elde etmek üzere sürecin özelleştirilmesine yardımcı olur. İyi yüzey kalitesi ve boyutsal doğruluk ile verimli işleme için proses parametrelerinin iş parçası malzemesine göre uyarlanması gerekir.

Lazer Destekli İşlemenin Faydaları

Lazer destekli işleme, geleneksel lazer destekli olmayan işleme süreçlerine göre çeşitli avantajlar sunar. Başlıca avantajlardan bazıları azaltılmış kesme kuvvetleri, daha düşük yüzey pürüzlülüğü, azaltılmış takım aşınması ve malzeme mikroyapısı ve özelliklerinin değiştirilmesidir.

Lazerin neden olduğu lokalize ısıl işlem, takımın önündeki iş malzemesini yumuşatarak ve zayıflatarak takım üzerindeki kesme kuvvetlerini önemli ölçüde azaltır. Bu da takım üzerindeki mekanik ve termal yükü azaltır. Yumuşatılmış malzeme ayrıca geleneksel işlemeye kıyasla daha düşük yüzey pürüzlülüğü ile daha iyi bir yüzey kalitesi sağlar.

Düşük takım yükleri ve sıcaklıkları daha az takım aşınmasına ve daha uzun takım ömrüne yol açar. Deneyler, lazer kullanılmayan proseslere kıyasla takım ömründe 10 kata kadar önemli bir artış olduğunu göstermektedir. Lazer termal döngüsü ayrıca malzemelerin mikroyapısını ve sertliğini çok lokalize bir seviyede değiştirir. Bu, yüzeylerin sertleştirilmesi gibi uygulamaları mümkün kılar.

Genel olarak, lazerin dahil edilmesi daha yüksek malzeme kaldırma oranları ve daha iyi yüzey kalitesi sağlayarak üretkenliği artırır. Daha az aşınma nedeniyle azalan takım maliyetleri ile birlikte lazer destekli işleme, özellikle kesilmesi zor malzemeler için geleneksel yöntemlere göre gelişmiş parça ekonomisi sunar.

Belirli Malzemelerin Lazerle İşlenmesi Üzerine Araştırma

Nikel Alaşımları

Nikel alaşımları, yüksek mukavemetleri ve korozyon dirençleri nedeniyle havacılık ve tıp endüstrilerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, yoğun mikro yapıları işlenmelerini zorlaştırır. Çalışmalar, 150-300W arasındaki güçlerde Nd:YAG lazerlerin ve 2-4 mm/dak ilerleme hızlarının Inconel 718'de kesim kalitesini optimize ettiğini göstermektedir. Lazer destekli tornalama, geleneksel tornalamaya kıyasla itme kuvvetlerini 40%, kesme sıcaklığını 30°C azaltmakta ve 0,4μm yüzey pürüzlülüğü elde etmektedir.

Titanyum Alaşımları

Ti6Al4V gibi titanyum alaşımları, yüksek mukavemetleri ve korozyon dirençleri nedeniyle uçak türbinlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak kimyasal reaktiviteleri işleme zorluklarına yol açmaktadır. Çalışmalar Ti6Al4V frezelemeyi 3kW güç ve 500mm/dak ilerlemede 1070nm fiber lazerle optimize etmektedir. Bu, kesme kuvvetlerini ve spesifik kesme enerjisini yarıya indirirken, lazer yardımı olmadan 2,5μm'ye kıyasla 0,8μm yüzey pürüzlülüğü sağlar.

Seramikler

Silisyum nitrür ve alümina seramikler yüksek sertlik ve mukavemet gerektiren uygulamalarda kullanılır. Bununla birlikte, kırılganlıkları onları lazer dışı işlemlerde çatlamaya eğilimli hale getirir. Lazerler, seramikleri çatlaksız işlemek için daha düşük enerjilerde mikro-EDM benzeri süreçler sağlar. Silikon nitrürün Nd:YAG lazerle frezelenmesinin optimizasyonunda 200W güç ve 50mm/dk ilerleme ile çatlaksız 0,2μm pürüzlülükte yüzeyler elde edilmiştir.

Kompozit Malzemeler

EPRI, karbon fiber ve cam fiber takviyeli polimer kompozitlerin yüksek sertlik ve mukavemet/ağırlık oranlarına sahip oldukları için yaygın olarak kullanılmaya devam ettiğini belirtiyor. Lazer sadece polimer matrisi kaldırır ve yüksek mukavemetli komple fiberler sayesinde temiz bir kenar finişi sunar. Çalışmalar CO2 lazer kesim 3kW güç ve 300mm/dak ilerleme hızında karbon fiber kompozitlerin kesilmesi, delaminasyon olmadan <1μm pürüzlülükte kesme yüzeyleri üretir.

Özetle, lazer parametrelerinin malzeme özelliklerine göre optimize edilmesi, kesilmesi zor alaşımların, seramiklerin ve kompozitlerin verimli ve hasarsız bir şekilde işlenmesini sağlar. Bu, üretkenliği artırır ve havacılık ve tıbbi uygulamaların katı taleplerini karşılar. Daha fazla araştırma, lazer işleme yeteneklerinin diğer malzemelere genişletilmesine yardımcı olabilir.

Lazer Destekli İşlemede İleri Kesme Teknikleri

Lazer Destekli Tornalama ve Frezeleme

Aşağıda sık kullanılan metal kaldırma işlemlerinden bazıları verilmiştir; dönüyor ve frezeleme. Tornalamada, iş parçası dönerken bir kesici takım döner ve kesme işlemi ile her iki silindirik yüzey üretilir. Frezelemede, çok sayıda dişe sahip bir kesici, iş parçasının yüzeyi boyunca beslenirken malzemeyi kesmek için döner.

Lazerlerin bu işlemlere entegre edilmesi, zor malzemelerin işlenmesine yardımcı olur. Tornalamada, odaklanmış bir lazer takımın önündeki malzemeyi önceden ısıtarak kesme kuvvetlerini ve sıcaklığı düşürür. Bu, alaşımların işlenmesinde takım gerilimini azaltır ve ömrünü uzatır. Frezelemede, taranmış bir lazer iş malzemesini daha sonra kaldırılmak üzere seçici olarak yumuşatır, yüzey kalitesini iyileştirir ve daha yüksek malzeme kaldırma oranlarına izin verir.

Çalışmalar, titanyum ve nikel süper alaşımlarının tornalanmasında lazerler kullanıldığında takım ömründe 40-60% artış ve kuvvetlerde azalma olduğunu göstermiştir. Inconel 718'in Ytterbium fiber lazerler kullanılarak frezelenmesi, geleneksel yöntemlere kıyasla 3 kat daha yüksek malzeme kaldırma oranları göstermiştir.

Darbeli Lazerlerin Kesim Üzerindeki Etkisi

Sürekli dalga lazerlerin aksine darbeli lazerler, kesim sırasında ısıl işlem üzerinde gelişmiş kontrol sağlar. Darbeli lazerlerin yüksek tepe güçleri, hızlı lokalize ısıtmaya izin verirken, darbeler arası gecikme, pozlamalar arasındaki ısının dağılmasına yardımcı olur.

Araştırmalar, lazer atım süresinin ve tekrarlama hızının optimize edilmesinin, takım hasarını önlemek için kesme bölgesi sıcaklığını kritik seviyelerin altında tuttuğunu göstermektedir. Daha büyük darbeler arası gecikmelere sahip daha kısa darbeler, minimum ısıdan etkilenen bölgeler oluşturur. Darbeli CO2 lazerler, sürekli lazerlere kıyasla titanyum frezelemede yüzey oksidasyonunu azaltır.

Darbeli fiber lazerler, tek tek mikron ölçekli noktalarla ön ısıtma ve kesme yetenekleri sayesinde sert çelik tornalamada malzeme kaldırma oranını en üst düzeye çıkarır. Bu lokalize ısıtma, darbeli lazerlerin sürekli lazerlere kıyasla takımlar ve yüzeyler üzerindeki termal etkileri en aza indirmesini sağlar.

Lazer İşleme ile Yüzey Dokulandırma

Lazer Yüzey Sertleştirme

Lazer yüzey sertleştirme, ana malzemenin iç özelliklerini etkilemeden ince yüzey katmanlarını hızla ısıl işleme tabi tutmak için lazer ışınlarının yüksek enerji yoğunluğunu kullanır. Bu, aşınma ve korozyon direnci için dış yüzeyler üzerinde sert bir kılıf oluşturur.

Araştırmalar, uygun lazer parametreleri kullanılarak yapılan lazer sertleştirmenin, işlenmiş yüzeylerin sertliğini, aşınma ve korozyon performansını önemli ölçüde artırdığını göstermektedir. Örneğin, AISI 4340 çeliğinin 1,5kW güçte Nd:YAG lazer işlemi, ana malzemeye kıyasla sertlikte 50-60% artışla 0,5 mm sertleştirilmiş bir katman oluşturur.

Benzer şekilde, titanyum alaşımlarının lazerle sertleştirilmesi yüzey sertliğini 30-40% artırır ve aşınma direncini üç katına çıkarır. Lazer işleminin 105 K/s'yi aşan hızlı ısıtma ve soğutma oranları, sertleşmeden sorumlu denge dışı fazları teşvik eder. Daha hızlı döngüler ısıdan etkilenen bölgeleri de en aza indirir.

Lazerle sertleştirme, sürtünme ve aşınmaya maruz kalan dişliler, kalıplar ve diğer bileşenler üzerinde oldukça etkilidir. Proses, işlevsel ömrü artırır ve endüstriyel parçaların bakım ihtiyaçlarını azaltır. Diğer yüzey sertleştirme tekniklerine çevre dostu ve çok yönlü bir alternatif sunar.

Lazer Yüzey Desenleme

Lazerler kullanılarak hassas yüzey dokulandırması, gelişmiş veya özelleştirilmiş yüzey özellikleri gerektiren bir dizi uygulamaya olanak sağlar. Lazerle oluşturulan mikro/nanoyapılar ıslatma, yapışma, tribolojik ve optik özellikleri değiştirir.

Çalışmalar, metallerin mikron altı geometrilerle femtosaniye lazer yüzey yapılandırmasının, oksitleyici ajan difüzyonunu bozarak korozyon direncini artırdığını göstermektedir. Kendi kendini temizleme süperhidrofobik Titanyum gibi metaller üzerinde lotus yapraklarını taklit eden hiyerarşik yapıların lazerle oluşturulması yoluyla yüzeyler oluşturulur. Bu tür yüzeyler su temas açıları >160° ve kayma açıları <10° sergiler.

Cam üzerinde yansıma ve bulaşma önleyici nanogratingler, alt dalga boyu çıkıntı dizileri için lazer girişim litografisi kullanır. Biyomedikal implantlar, trabeküler kemik mimarisine benzer lazer mikro yivli topografilerden gelişmiş osteointegrasyon göstermektedir.

Lazerler, kontrollü özellik boyutlarıyla geniş alanlarda pürüzsüz ve tek tip desenleri hızla işleyebilir. 3D nanopatterning, gradyan yüzey özellikleri ve çok işlevlilik sağlar. Temassız lazer prosesi kirlenme sorunlarını önler.

Genel olarak, lazer yüzey mühendisliği, otomotiv, tüketici ürünleri ve biyomedikal implantlar gibi sektörlerde mikro yapı-özellik ayarlaması yoluyla akıllı yüzey tasarımı için yeni yollar açmaktadır.

Sonuç

Lazer destekli işleme, geleneksel yöntemlere göre önemli avantajlar sunan son derece etkili bir üretim teknolojisi olarak ortaya çıkmıştır. Lazerlerin hassas ısıtma etkileri, daha önce kesilmesi zor olarak kabul edilen çok çeşitli malzemeler için gelişmiş işleme yetenekleri sağlar.

Lazer parametrelerini iş malzemesi özelliklerine göre kesme parametreleriyle birlikte optimize ederek proses verimliliğinde, parça kalitesinde ve takım ömründe maksimum iyileştirmeler elde edilebilir. Özellikle darbeli lazerler, iş parçası hasarını ve takım aşınmasını en aza indirmek için termal etkiler üzerinde mükemmel kontrol sağlar.

Temel kesme işlemlerinin ötesinde, lazerlerin entegre edilmesi sertlik işlemleri ve özelleştirilmiş yüzey dokuları gibi yeni olasılıkların önünü açmaktadır. Bu da uygulamaları birçok sektörde işlevselleştirilmiş bileşenlere kadar genişletmektedir. Kapsamlı araştırmalar devam ederken, lazer teknolojilerinin endüstriyel uygulamaları, özellikle zorlu yüksek değerli uygulamalar için teknik ve ekonomik faydalarını şimdiden göstermiştir.

Daha fazla ilerlemeyle birlikte lazer işleme, geleneksel eksiltici süreçleri giderek artırmaya ve hatta bunların yerini almaya hazırlanıyor. Esnekliği ve temassız yapısı, gelişmiş üretim yollarını geliştirmeye devam edecektir. Genel olarak, lazer tabanlı hibrit süreçler, yüksek hassasiyetli işlevsel parçaların ve mühendislik ürünü yüzeylerin verimli bir şekilde üretilmesinde gelecek için muazzam bir potansiyel sergilemektedir.

SSS

Q. Lazer makinesi metalleri nasıl üretir?

A. Yüksek güçlü bir lazer metal iş parçasına yönlendirilir, böylece malzemeyi eritmek, buharlaştırmak veya çıkarmak için lazer enerjisi kullanılır. Aşağıda, tam konumlandırma sistemleri sayesinde çeşitli formları şekillendirmek mümkündür:

Q. İşleme için hangi lazer teknolojileri kullanılıyor?

A. Yaygın tipler arasında CO2, katı hal (Nd: Mevcut lazer jeneratörleri arasında boya lazerleri, excimer lazerler ve YAG lazerler ve fiber lazer lazerler bulunur; kızıl ötesi ila Ultra viyole bölgelerinde çalışır. Multikilowatt fiber lazerler taşınabilir ve yüksek performanslıdır.

Q. Ne tür malzemeler lazerle işlenebilir?

A. Metallerden ve metal olmayanlardan çelikten plastiğe, ahşaptan seramiğe ve grafit kompozitlere kadar her şey işlenebilir.

Q. Lazer işlemenin avantajları nelerdir?

A. Temassız termal olmayan işleme, yüksek hassasiyet ve doğruluk sağlar. Diğer avantajları ise daha az makine titreşimi, takım aşınması olmaması ve karmaşık 3D parçaların parça sabitleme olmadan işlenebilmesidir.