01 Tekniset periaatteet ja ominaisuudet
Vesiohjatun laserin perusperiaate on kytkeä lasersäde korkeapaineiseen-mikrovesisuihkuun ja ohjata laser materiaalin pinnalle vesisuihkun läpi. Tässä järjestelmässä laserlähteen tuottama laser kulkee ensin useiden optisten komponenttien (kuten linssien ja peilien) läpi kollimaatiota ja tarkennusta varten, minkä jälkeen se yhdistetään korkeapaineiseen -vesisuihkuun erikoissuuttimen kautta. Vesisuihku muodostaa pienen kanavan suuttimeen ja lasersäde ohjataan tämän kanavan kautta työkappaleen pintaan, kuten kuvassa 1. Koska veden taitekerroin eroaa ilman taitekerroin, laserin etenemisreitti vedessä muuttuu, joten lasersäteen vakauden ja energian fokusoinnin varmistamiseksi tarvitaan tarkka optinen suunnittelu.
Kuva 1. Vesiohjattujen lasereiden tekninen periaate-.
Suuri tarkkuus: Vesi{0}}ohjattu lasertekniikka voi saavuttaa submillimetrin tai jopa mikrometrin{1}}tason käsittelytarkkuuden. Koska vesisuihkun halkaisija on hyvin pieni, yleensä vain kymmenistä satoihin mikrometreihin, lasersäde voidaan ohjata tarkasti tiettyihin kohtiin työkappaleessa hienoleikkausta, porausta tai kaiverrustoimintoja varten. Korkea hyötysuhde: Vesiohjatun laserkäsittelyn aikana lasersäde välittyy suoraan työkappaleen pintaan vesisuihkun kautta, mikä vähentää energiahävikkiä ja sirontaa ilmassa. Lisäksi vesisuihkulla on myös jäähdytys- ja huuhteluvaikutuksia, jotka alentavat tehokkaasti työkappaleen pintalämpötilaa ja vähentävät lämmön{6}}vaikutusaluetta, mikä parantaa käsittelyn tehokkuutta ja laatua. Vähentynyt lämpövaurio: Vesisuihkun jäähdytysvaikutuksesta johtuen lämpö{8}}vaikutusalue (HAZ) vesi-ohjatussa laserkäsittelyssä on hyvin pieni. Lämmön{11}}vaikutusalue tarkoittaa työkappaleen pinnalla ja sisällä olevaa aluetta, jossa laserkäsittelyn aikana tapahtuu lämpömuodonmuutoksia, vaurioita tai faasimuutoksia lämmönjohtamisesta ja säteilystä johtuen. Vesisuihkun nopea jäähtyminen vesi{13}}ohjatussa laserkäsittelyssä poistaa nopeasti lämmön työkappaleen pinnalta, mikä pienentää lämmön{14}}vaikutusalueen kokoa ja syvyyttä ja estää lämpömuodonmuutoksia ja materiaalin vaurioita.
Kuva 2. (a) SEM-kuvat titaaniseoksesta leikatuista osista "tavanomaisella kuivalaserleikkauksella" ja vesi-ohjatulla laserleikkauksella, (b) vesiohjatulla laserleikkauksella ja "tavanomaisella kuivalaserleikkauksella" saadun CFRP:n leikkauspintojen vertailu.
02 Sovelluskentät
Aerospace Field: Ilmailualalla on erittäin korkeat vaatimukset materiaalinkäsittelyn tarkkuudelle ja laadulle, ja vesiohjattua lasertekniikkaa käytetään laajasti tällä alueella. Sitä voidaan käyttää ilmailu- ja avaruusmoottorien avainkomponenttien, kuten siipien, turbiinilevyjen ja polttokammioiden, käsittelyyn. Ne on yleensä valmistettu vaikeasti--prosessoitavista materiaaleista, kuten superseoksista ja titaaniseoksista. Vesiohjatut laserit voivat leikata ja kaivertaa näitä materiaaleja tehokkaasti ja samalla varmistaa käsittelyn tarkkuuden ja pinnan laadun, mikä parantaa komponenttien suorituskykyä ja luotettavuutta. Lisäksi vesiohjattuja lasereita voidaan käyttää myös ilmailuajoneuvojen rakenneosien, kuten siipien ja runkojen, käsittelyyn, mikä mahdollistaa monimutkaisten muotojen ja kevyiden mallien työstämisen.
Puolijohdekenttä: Puolijohteiden valmistuksessa vesi{0}}ohjattuja lasereita voidaan käyttää puolijohdemateriaalien, kuten piikiekkojen, leikkaamiseen sekä sirujen pakkaamiseen ja testaamiseen. Koska puolijohdemateriaalit vaativat erittäin suurta käsittelytarkkuutta ja pinnan laatua, vesiohjattujen laserien korkea tarkkuus ja alhaiset lämpövaurioominaisuudet tekevät niistä ihanteellisen työstötyökalun. Niillä voidaan saavuttaa piikiekkojen hienoleikkaus välttäen halkeamia ja vaurioita, mikä parantaa lastujen tuottoa ja suorituskykyä. Lisäksi vesi{5}}ohjattuja lasereita voidaan käyttää puolijohdelaitteiden mikro-prosessointiin, kuten mikroelektronisten komponenttien valmistukseen ja mikropiirien syövytykseen, mikä tarjoaa työstötarkkuuden mikrometrin tai jopa nanometrin tasolla.
Uusi energiakenttä: Uudella energia-alalla vesiohjattuja lasereita voidaan käyttää uusien energialaitteiden, kuten aurinkopaneelien ja polttokennojen, avainkomponenttien käsittelyyn. Esimerkiksi aurinkopaneelien valmistuksessa vesiohjattuja lasereita voidaan käyttää piikiekkojen leikkaamiseen ja elektrodikuvioiden syövytykseen aurinkokennojen pinnalle, mikä parantaa paneelien aurinkosähkömuunnostehokkuutta ja suorituskykyä. Polttokennojen valmistuksessa vesi{4}}ohjatut laserit voivat käsitellä komponentteja, kuten kalvoelektrodikokoonpanoja ja bipolaarisia levyjä, mikä mahdollistaa suuren-tarkkuuden leikkaamisen ja kaivertamisen, mikä parantaa polttokennojen suorituskykyä ja käyttöikää.
Kuva 3. Vesi{1}}ohjattujen lasereiden sovellukset.
03 Vesiohjattujen laserien haasteet ja ongelmat{1}}
Vesisuihkun vakaus: Vesiohjatun laserkäsittelyn aikana-nopeasti virtaava vesisuihku voi muuttua epävakaaksi, mikä voi vaikuttaa käsittelyn laatuun. Esimerkiksi sahauksen aikana vesisuihkun vaihtelut voivat aiheuttaa poikkeamia leikkauslinjassa tai lisätä pinnan karheutta, mikä vaikuttaa sekä koneistustarkkuuteen että pinnan laatuun. Vesisuihkun vakauden varmistamiseksi on tarpeen optimoida vesisuihkun ohjausjärjestelmä niin, että se voi säilyttää vakaan tilan koko käsittelyn ajan.
Laser-Vesikytkentätehokkuus: Lasersäteen ja vesisuihkun välinen kytkentäteho vaikuttaa suoraan käsittelytuloksiin. Jos kytkentäteho on alhainen, laserenergian häviö vesisuihkussa kasvaa, mikä heikentää sekä käsittelytehoa että laatua.
Suuttimen reikien tekniset vaatimukset: Suuttimen reiän suunnittelun ja valmistuksen tarkkuus on ratkaisevan tärkeää korkealaatuisen-vesiohjatun laserkäsittelyn-laadun varmistamiseksi. Suuttimen reiässä on oltava erittäin ohuet seinät, samalla kun se säilyttää korkean pyöreyden tarkkuuden ja nollakartion kestääkseen vesivirtauksen vaikutuksen. Lisäksi reiän sisäpinnan karheus on pidettävä erittäin alhaisena vesisuihkun vakauden ja tasaisuuden varmistamiseksi.
Ympäristöön sopeutuvuus: Vesiohjatuilla{0}}laserkäsittelylaitteilla on korkeat ympäristövaatimukset. Esimerkiksi laitteiden toiminta edellyttää vakaata virtalähdettä, puhdasta vettä sekä tasaista lämpötilaa ja kosteutta. Ympäristöissä, joissa olosuhteet ovat huonot, kuten suuret lämpötilanvaihtelut, korkea kosteus tai epävakaa virransyöttö, laitteen suorituskyky voi heikentyä tai jopa epäonnistua. Lisäksi ympäristön pölyn ja tärinän kaltaiset tekijät voivat häiritä käsittelyä, mikä vaikuttaa koneistuksen tarkkuuteen ja laatuun. Siksi käytännön sovelluksissa laitteiden käyttöympäristön tiukka valvonta ja hallinta on välttämätöntä.
04 Teollisuuden nykyinen kehitystilanne kotimaassa ja ulkomailla
Lasertarkkuusprosessointiteknologian jatkuvan kehittymisen ja kasvavan markkinoiden kysynnän ansiosta myös vesiohjattu{0}}laserkäsittelytekniikka kehittyy ja paranee jatkuvasti. Kansainvälisesti tunnustettuja johtavia vesiohjattujen laserlaitteiden valmistajia ovat pääasiassa kaksi yritystä: sveitsiläinen Synova ja Avonisys. Tällä hetkellä kotitalouksien-laserkäsittelylaitteita valmistavien yritysten joukossa suhteellisen nopeasti kehittyviä yrityksiä ovat mm. Wot Intelligent Manufacturing, Cosset ja Shanghai Lengchen Technology. Jotkut muut yritykset omaksuvat lähestymistavan ottaa suoraan käyttöön vastaavia ulkomaisia teknologioita ja sitten kokoaa ja valmistaa niitä kotimaassa optimoiden samalla tuotteitaan. Vaikka tämä voi nopeasti täyttää teknologiset aukot ja vähentää T&K-kustannuksia ja aikaa lyhyellä aikavälillä, pitkällä aikavälillä on edelleen tiettyjä ongelmia, kuten riippuvuus ulkomaisista ydinteknologioista, epätasapainoiset T&K-investoinnit ja heijastusriskit teollisuusketjussa. Kirjoittaja uskoo, että pitäisi luoda myönteinen sykli "johdanto-absorption-ylittämiseksi". Hyvä uutinen on, että nyt on kotimaisia yrityksiä, jotka pystyvät toimittamaan kaupallisia laitteita 100-prosenttisesti paikallisesti tuotetuilla komponenteilla. Kiinan valmistusteollisuuden muutoksen ja parantumisen myötä vesiohjatulla laserkäsittelytekniikalla tulee olemaan entistä tärkeämpi rooli huippuluokan valmistuksessa, erityisesti uusien energia-ajoneuvojen, ilmailu- ja huippuluokan laitteiden valmistuksessa. Vesiohjatun laserteknologian käyttö edistää teknologista innovaatiota ja tuotteiden päivitystä näillä aloilla.
