Lääketieteen, ilmailun, ilmailu-, puolijohde- ja energia-alan nopean kehityksen myötä keskeisten komponenttien suorituskykyvaatimukset kasvavat jatkuvasti, mikä on edistänyt prosessointitekniikan ja -laitteiden kehitystä. Näillä aloilla komponenttien leikkaustekniikan valinta on ratkaisevan tärkeää tuotteen laadun ja suorituskyvyn kannalta. Vaikka perinteisiä mekaanisia leikkaus- ja korkeapainevesileikkaustekniikoita käytetään laajalti, laserleikkauksesta on vähitellen tulossa ykkösvalinta, koska sen etuja ovat käsittelytehokkuus, tarkkuus ja ympäristöystävällisyys. Laserleikkaustekniikka säteilyttää materiaalia suoraan korkeaenergisen lasersäteen kautta, mikä saavuttaa erittäin tarkan ja tehokkaan leikkauksen. Samaan aikaan se ei tuota ilmeistä fyysistä kosketusta leikkausprosessin aikana, mikä vähentää ympäristön saastumista ja noudattaa vihreän valmistuksen käsitettä.
Laserleikkaustekniikka on osoittanut ylivoimansa monissa käyttöskenaarioissa. Esimerkiksi lääketieteen alalla, kun kotimaani astuu ikääntyvään yhteiskuntaan, suonensisäisten stenttien kysyntä on kasvanut voimakkaasti, ja markkinoiden kasvu on viime vuosina ylittänyt 20 prosenttia. Laserleikkaustekniikkaa voidaan käyttää laajalti intravaskulaarisessa stentin käsittelyssä sen suuren tarkkuuden ja mukautumiskyvyn ansiosta. Perinteinen laserleikkaus voi kuitenkin joissakin tapauksissa aiheuttaa materiaalille lämpövaurioita, jotka muodostavat materiaalin pinnalle pientä vaahtoa ja lämpövaikutteista kerrosta, mikä vaikuttaa materiaalin suorituskykyyn ja käyttöikään. Näiden rajoitusten voittamiseksi vesiohjattu laserleikkaustekniikka on noussut innovatiiviseksi leikkausmenetelmäksi. Ottamalla käyttöön vesivirtauksen laserleikkausprosessin aikana, se voi tehokkaasti vähentää lämpövaurioita ja parantaa leikatun materiaalin pinnan laatua.
Mikä on vesiohjattu laser
Vesiohjattu laserleikkaustekniikka on innovatiivinen komposiittikäsittelymenetelmä, joka käyttää vesisuihkua lasersäteen ohjaamiseen työkappaleen tarkan leikkaamiseksi. Tämän tekniikan ydin on käyttää veden ja ilman erilaisia taitekerroinominaisuuksia. Kun lasersäde suunnataan vesi-ilma-rajapintaan tietyssä kulmassa ja jos tulokulma on pienempi kuin kokonaisheijastuksen kriittinen kulma, lasersäde heijastuu kokonaan eikä läpäise rajapintaa, mikä varmistaa, että laser energiaa rajoitetaan tehokkaasti ja se siirtyy vesisäteessä.
Lasersäde kohdistetaan ensin kuperalla linssillä ja kulkee sitten kvartsilasi-ikkunan läpi kytkettyyn vesionteloon. Hienosäätämällä tarkennuslinssin ja neulanreikäsuuttimen välistä etäisyyttä voidaan varmistaa, että lasertarkennus on tarkasti suuttimen yläpinnan keskellä. Tämän jälkeen lasersäde siirtyy vakaaseen vesisuihkuun, jossa tapahtuu kokonaisheijastus johtuen taitekertoimen erosta, mikä on samanlainen prosessi kuin valon eteneminen optisessa kuidussa. Käsittelyn aikana fokusoitua lasersädettä ohjaa korkeapaineinen vesisäde ja se välittyy suoraan työkappaleen pintaan, jolloin saavutetaan tehokas ja tarkka leikkaustulos.
Vesiohjatun laserin edut
Vesisuihkulaserleikkaustekniikka on innovatiivinen prosessointimenetelmä, jossa yhdistyvät vesisuihkut ja lasersäteet. Sitä on käytetty laajalti tarkkuusvalmistuksen ja mikrokoneistuksen aloilla. Perinteiseen laserleikkaukseen verrattuna vesiohjatulla laserleikkauksella on useita ainutlaatuisia etuja, jotka tekevät siitä erityisen hyvän tietyissä käyttöskenaarioissa.
Ensinnäkin vesijohteisen laserleikkauksen erottuva piirre on, että se välttää lämpövaurioita. Korkeasta lämpötilasta johtuen perinteinen laserleikkaus voi helposti aiheuttaa materiaalien lämpömuodonmuutoksia ja vaurioita mikrorakenteessa. Vesiohjatussa laserleikkauksessa ulos tuleva vesivirta jäähdyttää materiaalia tehokkaasti laserpulssivälin aikana, mikä vähentää huomattavasti materiaalin lämpörasitusta ja mahdollistaa sen, että se säilyttää alkuperäiset fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet.
Toiseksi, vesikuidulla on suuri työskentelyetäisyys käytön aikana, eikä se vaadi lasersäteen tarkkaa fokusointia, kuten perinteinen laserleikkaus, mikä tarjoaa enemmän joustavuutta monimutkaisen geometrian materiaalien käsittelyyn. Lisäksi vesivirtaus ei toimi vain jäähdytysaineena leikkausprosessin aikana, vaan myös poistaa leikkausprosessin aikana syntyneen sulan materiaalin, mikä vähentää merkittävästi epäpuhtauksien kertymistä käsittelyalueelle, mikä on erityisen tärkeää käsittelyympäristöissä, joissa on korkea puhtausvaatimukset.
Lisäksi, koska vesiohjatulla laserleikkauksella voidaan saavuttaa erittäin tarkka materiaalin poisto, tämä tekniikka soveltuu erityisen hyvin ohutseinäisten osien käsittelyyn ja on tarkkuuden ja pinnan laadun suhteen parempi kuin perinteiset laserkäsittelymenetelmät. Teknologian jatkuvan kehittymisen myötä vesiohjatun laserleikkauksen odotetaan korvaavan perinteisen laserleikkauksen useammilla aloilla ja siitä tulee tehokkaampi ja ympäristöystävällisempi käsittelymenetelmä.
Vesiohjatun laserleikkauksen tekniset vaikeudet ja kehityssuuntaukset
1. Laserin vaimennus vesisäteessä: Vesisuihkun ja laserin yhdistävänä edistyneenä prosessointimenetelmänä vesiohjattu laserleikkaustekniikka on osoittanut ainutlaatuisen potentiaalin tarkkuusvalmistuksessa. Laserin suuren energian vaimennuksen vuoksi vedessä tämä kuitenkin rajoittaa sen tehokkuutta suuritehoisissa sovelluksissa. Erityisesti vesisäteen suuritehoisella tiheyslaserilla on suuri energian vaimennus johtuen moninkertaisesta sironnasta ja absorptiosta, mikä johtaa käsittelynopeuden laskuun. Esimerkiksi 18 mm paksuja hiilikuitukomposiittimateriaaleja leikattaessa nopeus on vain 5 mm minuutissa, mikä rajoittaa suuresti tämän tekniikan käyttöä paksujen materiaalien käsittelyssä. Vaikka nykyinen tutkimus on paljastanut laserlähetyksen perusperiaatteet vedessä, tämän vaimennuksen tehokas vähentäminen on edelleen tekninen ongelma, joka on ratkaistava. Tulevaisuudessa voidaan kehittää paremmin valoa johtavia eristemateriaaleja korvaamaan vesisäteitä, mikä parantaa leikkaustehokkuutta ja prosessin soveltuvuutta.
2. Vesisuihkun miniatyrisoinnin haaste: Vesiohjatussa laserleikkaustekniikassa vesisuihkun halkaisija vaikuttaa suoraan leikkauksen tarkkuuteen ja leveyteen. Mikrotyöstötekniikan kehityksen myötä suuttimen halkaisija voidaan pienentää 30 mikroniin, jolloin saavutetaan erittäin tarkka leikkaus. Vesisuihkujen miniatyrisointi lisää kuitenkin useita teknisiä haasteita, mukaan lukien vesisäteen vakaus, tehollinen pituus ja laserpisteen halkaisijan säätö. Nämä ongelmat eivät vaikuta ainoastaan leikkaustehoon, vaan asettavat myös korkeampia vaatimuksia laitteiden suunnittelulle ja valmistukselle. Tulevassa tutkimuksessa voidaan keskittyä suuttimen suunnittelun ja nesteen dynamiikan optimointiin, jotta leikkaustarkkuutta voidaan parantaa entisestään samalla, kun vesisuihkun vakaus säilyy.
3. Tekniset vaatimukset suutinreikien käsittelylle: Vesiohjatun laserleikkauksen korkean laadun varmistamiseksi suuttimen reiän suunnittelu ja valmistustarkkuus ovat ratkaisevia. Suuttimen reiän seinämän paksuuden on oltava erittäin ohut, mutta sen pyöreyden tulee olla erittäin tarkka, eikä se ole kapenevaa, jotta se vastustaisi vesivirtauksen vaikutusta. Lisäksi reiän sisäpinnan karheutta on säädettävä erittäin alhaisella tasolla vesisäteen vakauden ja tasaisuuden varmistamiseksi. Nämä vaativat suunnittelustandardit tekevät suutinreikien käsittelystä erittäin vaikeaa, erityisesti massatuotannossa. Johdonmukaisuuden ja tarkkuuden ylläpitäminen on valmistavan teollisuuden keskeinen haaste.
4. Kytkimen kohdistuksen ohjausjärjestelmän monimutkaisuus: Vesiohjatussa laserleikkausjärjestelmässä lasersäteen ja vesisäteen kytkentä- ja kohdistustarkkuus vaikuttaa suoraan leikkauslaatuun. Tällä hetkellä, vaikka erittäin tarkkoja servokäytön ohjausmekanismeja on otettu käyttöön, laserin ja vesisäteen nopean ja tarkan kytkennän ongelmaa ei ole täysin ratkaistu. Kytkennän tarkkuuden parantamiseksi on tarpeen ottaa käyttöön kehittyneempiä ilmaisu- ja kalibrointijärjestelmiä, kuten vesisäteen kuitu- ja laserfokusointikytkennän tunnistusjärjestelmä, työkappaleen paikannusjärjestelmä jne. Näiden järjestelmien integrointi ja optimointi ovat avainasemassa erittäin tarkka vesiohjattu laserleikkaus.
5. Riittämätön systemaattinen prosessitutkimus: Vaikka vesiohjattu lasertekniikka on osoittanut teoriassa monia etuja, prosessin ohjauksessa on edelleen monia haasteita käytännön sovelluksissa. Tällä hetkellä alalta puuttuu täydellinen prosessointitekniikka ja arviointijärjestelmä, mikä vaikeuttaa keskeisten indikaattoreiden, kuten prosessoinnin tehokkuuden, tarkkuuden ja materiaalin pinnan eheyden, ylläpitämistä. Tämän prosessitutkimuksen puute tekee vesiohjatun laserleikkaustekniikan soveltuvuuden huonoksi eri materiaali- ja paksuusolosuhteissa. Siksi tulevaisuudessa tarvitaan systemaattisempaa prosessitutkimusta kattavan prosessiparametrikirjaston ja arviointistandardien luomiseksi, jotta vesiohjatun laserteknologian teollista sovelluspotentiaalia voidaan parantaa.
