Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

A Deep Dive Ke Pemotongan Laser Kelajuan Dan Kuasa

Salah satu aspek yang paling rumit untuk dipertimbangkan apabila pemotongan laser adalah keseimbangan antara kelajuan translasi dan kuasa laser. Kami mahu memotong secepat mungkin, tetapi adakah terdapat masa yang terbaik untuk melambatkan? Jawapan ringkas ialah: "pasti ya".

Kami akan berkongsi dengan komuniti pembuat kami kesan kelajuan dan kuasa pada lebar potong, sudut kerf dan kedalaman ukiran. Ini akan menjadi edisi pertama siri artikel yang berterusan, dengan bantuan dari Mako.

Jadi apa sebenarnya yang kita buat?

Seperti mana-mana "pembuat laser" yang tahu, dua parameter yang paling penting apabila menentukuran laser adalah kelajuan terjemahan dan kuasa laser. Parameter lain seperti resolusi, arah ukiran, dan kekerapan juga akan memberi impak kepada kerja anda, tetapi tidak sama seperti dua besar. Kami akan menentukan sejauh mana kedua-dua parameter mempunyai tingkah laku yang boleh diramalkan pada kualiti potongan. Lebih tepat lagi, apabila kita memotong sekeping bahan, kita perhatikan bahawa kerf, atau ketebalan potongan, bergantung kepada tenaga keseluruhan yang kita memfokuskan ke titik pada permukaan kerja.

Untuk penghampiran pertama dalam 2D, kami telah menentukan tahap Tenaga ini sebagai Kuasa Laser x Permukaan Focal Laser yang dibahagikan dengan Speed ​​Translation.

Rasuk laser menindik bahan 3mm-tebal, kita melihat sudut kerf yang berlebihan 1 deg dan lebar kerf 0.25mm.

Demi ujian kami:

Percubaan kami adalah mudah: menggunakan "AutoDesk Fusion 360" kami menarik serangkaian 5mm dengan 5mm kotak dan potong 10 contoh setiap menggunakan tetapan Tenaga yang berbeza. Setiap persegi individu diukur dengan mikrometer untuk dua ciri yang berbeza:

1. Rata-rata Kerf lebar: Purata lebar kerf (a.k.w.) adalah lebar pancaran laser yang memotong ke bahagian yang dihasilkan. Pengukuran ini penting kerana ia mesti dipertimbangkan ke dalam reka bentuk untuk membuat persimpangan pemasangan yang ketat semasa memasang pelbagai bahagian.

Secara eksperimen kami menentukan a.k.w. dengan mengukur permukaan atas dan bawah sampel kami dalam arah X dan arah Y. Rumusan yang digunakan untuk lebar kerf purata ialah:

2. Rata-rata sudut Kerf: Sudut saluran kerf (a.k.a.) ialah sudut saluran membakar v berbentuk berkaitan dengan pancaran laser. Eksperimen kami menentukan a.k.a. dengan mengukur perbezaan dimensi antara permukaan atas dan permukaan bawah untuk setiap sampel. Formula yang digunakan untuk sudut kerf ialah:

Ujian kedua dilakukan di mana kami mengukir (rasterisasi) permukaan 5mm X 5mm 'persegi sambil mengubah tahap Tenaga dan diuji untuk melihat berapa banyak bahan yang dikeluarkan. Ujian ini memerlukan kita untuk tepat mengukur ketebalan bahan sebelum dan selepas setiap ujian dengan mikrometer ketepatan yang tinggi.

Sumber: https://www.ophiropt.com/laser-measurement/knowledge-center/article/11347

Apa yang kami tunjukkan ialah hubungan yang jelas antara ketebalan potongan, sudut pemotongan dan kedalaman pemotongan dan tenaga laser. Apabila kami meningkatkan Tenaga, sinar laser konik akan membakar bahan dari permukaan kerja ke arah pangkalan dalam jumlah silinder dan oleh itu mewujudkan dinding selari antara kerf. Walau bagaimanapun, kerana tenaga akan lebih tinggi, ini akan membakar lebih banyak bahan dan oleh itu memperbesar toleransi keseluruhan dalam saluran potong.

Keputusan

Toleransi Kerf: Toleransi Kerf nampaknya boleh diramalkan dan berkaitan dengan tahap Tenaga yang kita tumpukan ke permukaan kerja. Ini sangat mudah kerana ia membolehkan kita menyesuaikan set-cut kami berdasarkan tahap toleransi yang kita cari!

Dalam had tertentu, kita boleh meramalkan toleransi Kerf dengan menggunakan persamaan linear yang mudah. Walau bagaimanapun, kita mesti berhati-hati kerana, seperti yang dapat kita lihat, semakin banyak tenaga yang kita tumpukan ke kawasan potong, semakin kurang tepat potongan kita menjadi. Apabila kita mula mencairkan bahan dalam kawasan pemotongan tempatan, sifat cecair zon potong menjadi kurang diramalkan.

Kami melihat bahawa toleransi secara langsung berkaitan dengan kuasa dan kelajuan. Begitu juga saiz, panjang fokus lensa laser, dan keupayaan pengguna untuk tepat meletakkan ketinggian Z di atas permukaan kerja memainkan peranan penting dalam ketepatan pengukuran ini. Ini akan dijelaskan lebih terperinci dalam bahagian "perkembangan masa depan" artikel ini.

Kerf Sudut:

Dalam had tertentu, kita dapat meramalkan sudut Kerf dengan menggunakan persamaan linear yang sederhana. Walau bagaimanapun, kita mesti berhati-hati kerana, seperti yang dapat kita lihat, semakin banyak tenaga yang kita tumpukan ke kawasan potong, semakin kurang tepat potongan kita menjadi.

Ujian yang dilakukan pada sudut kerf adalah kurang tepat kerana kumpulan sampel lebih kecil, dan tidak ada data yang mencukupi untuk mengesahkan bahawa terdapat hubungan linear antara sudut tenaga dan kerf. Pengiraan berikut menyatakan penyelesaian linear untuk set data yang kami diukur.

Sudut Kerf sama-sama diramal dan berkaitan dengan tahap tenaga yang kita tumpukan ke permukaan kerja. Ini mungkin lebih kurang berguna apabila bahagian pemesinan, tetapi terdapat beberapa kes yang sangat spesifik di mana ia sangat berguna.

Contoh 1 (gear):

Membuat Gear: Apabila gear memotong laser memacu, penting untuk mengekalkan set yang tepat (untuk meminimumkan tindak balas dan memastikan hubungan gigi). Untuk memacu gigi, juga penting untuk mempertimbangkan profil gigi. Oleh kerana laser tidak boleh benar-benar memotong tegak lurus ke permukaan, semua gerudi memotong laser adalah sebenarnya "gear hidung". Profil gigi di permukaan depan tidak akan sama seperti profil di bahagian belakang. Fenomena ini mungkin boleh diabaikan paling banyak untuk kebanyakan aplikasi praktikal, tetapi ia pastinya sesuatu yang paling difahami supaya pertimbangan dapat dibuat semasa fasa reka bentuk.

Gear Spear gear CrossedSource: https://khkgears.net/new/gear_knowledge/gear_technical_reference/gear_backlash.html

Contoh 2 (Microfluidics): "Microfluidics berkaitan dengan tingkah laku, kawalan dan manipulasi yang tepat cecair yang dikekang secara geometri kepada kecil, biasanya sub-milimeter, skala di mana penembusan kapilari mengawal pengangkutan massa. Ia adalah bidang pelbagai disiplin di persimpangan kejuruteraan, fizik, kimia, biokimia, nanoteknologi, dan bioteknologi, dengan aplikasi praktikal dalam reka bentuk sistem di mana jumlah cecair yang rendah diproses untuk mencapai pemultipleksan, automasi dan penapisan tinggi. Microfluidics muncul pada awal 1980-an dan digunakan dalam pembangunan printheads inkjet, cip DNA, teknologi makmal-on-a-cip, mikro-penggerak dan teknologi terma mikro. "- Wikipedia

Disebabkan oleh skala relatif dan konsisten yang diperlukan untuk mengeluarkan sistem Microfluidic, adalah penting untuk mengambil kira geometri kapilari kerana ia akan memberi impak kepada prestasi sistem.

Orang mesti mempertimbangkan bahagian silang kapilari, di mana kedua-dua dimensi utama akan mendalam dan tirus (lihat angka). Pengiraan yang dicadangkan untuk sudut runcing boleh membenarkan pembangunan sistem mikrofluidik yang lebih tepat.

Kedalaman potong Kedalaman potongan sangat diramalkan dan berkaitan dengan tahap tenaga yang kita fokus ke permukaan kerja. Ini menarik kerana ia membolehkan kami menyesuaikan kedalaman ukiran kami serta parameter pemotongan kami untuk ketebalan PMMA.

Ujian ini dilakukan pada tahap tenaga yang agak rendah kerana kami ingin mengurangkan kesan asap. Ujian pada kuasa yang lebih tinggi kurang tepat kerana kita mempunyai konsentrasi asap tinggi yang kekal di dalam saluran, serta pembiasan laser terhadap dinding kerf yang tidak selari. Keputusan ujian ini masih menempatkan kami dalam 10% dari tahap tenaga yang diperlukan untuk memotong bahan hingga 6mm.

Maklumat ini berguna apabila membuat ukiran skala kelabu untuk imej, pelepasan 3D dan pekerjaan lithophany. Menggunakan perisian seperti Photoshop, CorelDraw, atau mana-mana perisian pemprosesan imej, kita boleh mengubah sebarang imej ke imej hitam dan putih. Dari mana kita boleh menggunakan aliran kerja rasterisasi menggunakan laser kami.

Pada umumnya, kita menyesuaikan imej untuk membuat imej kelabu 16-bit 120dpi-300dpi. Meningkatkan resolusi atau kedalaman warna memerlukan kelajuan ukiran yang amat perlahan untuk mengekstrak sebarang penambahbaikan dalam kualiti. Apabila imej dimuat naik ke dalam perisian pemprosesan laser kami (RdWorks V8 di Mako), kami menentukurkan laser kami untuk mengukir kawasan hitam (RGB: 255,255,255) pada kedalaman maksimum kami dan kawasan putih (RGB: 0,0,0) kepada kami Kedalaman yang diperlukan minimum (biasanya 0.1mm).

Teknik ini membolehkan kita mengukir imej-imej laser ke dalam plastik atau mempunyai kedalaman saku tepat untuk bahagian-bahagian mekanikal. Kedalaman dan skop teknik ini dan semua parameter penting adalah di luar skop artikel ini.

Perkembangan masa depan: Terdapat beberapa kelemahan untuk model ini.

Dalam rencana masa depan, kami ingin menentukan 2 kriteria tambahan:

  1. The incertitude penempatan laser dalam paksi Z-;
  2. Kadar pecutan X, Y untuk laser kami (dan kaedah yang ditetapkan untuk mengukur ini) supaya pemindahan tenaga yang konsisten boleh dikira;
  3. Model yang lebih maju yang menganggap intensiti laser dan penyerapan optik, pembiasan dan refleksi semasa pembakaran bahan;
  4. Pelesapan haba dalam bahan kerja dan kesannya pada lebar kerf.

Pertama, rawatan pertama kami tidak menganggap kesilapan meletakkan laser di permukaan kerja. Kami menyediakan semata-mata penghampiran di mana kami menganggap diameter laser menjadi 250 mikron dan keamatan Laser menjadi tetap merentasi Beam. Seperti yang dapat kita lihat dalam angka-angka di bawah ini, keamatan dan diameter fokus adalah akibat langsung dari keupayaan pengguna untuk memberi tumpuan kepada rasuk. Pada artikel-artikel yang akan datang, kami ingin menggunakan simulator optik sinar untuk mempunyai model yang lebih baik yang membolehkan kami menentukan kecerunan intensiti rasuk dalam fungsi ketinggian Z kami.

Kedua, kelajuan terjemahan laser tidak tetap. Apabila kami mengurangkan panjang keseluruhan segmen garisan, kesan pecutan / penurunan kenderaan laser menjadi lebih jelas. Ini bermakna bahawa untuk garis 5mm kecil, mungkin tidak mungkin untuk menguji dengan kelajuan terjemahan lebih dari beberapa mm / s kerana mesin tidak akan mempunyai masa untuk mencapai kelajuan yang ditetapkan. Terdapat syarikat-syarikat yang telah merangka percepatan / pengurangan ini ke dalam anggaran masa mereka dan ia adalah perlu untuk menentukan "kelajuan kritikal" untuk panjang garis tertentu, di mana penghantaran tenaga yang diperhitungkan boleh dianggap palsu.

Akhir sekali, kami ingin membangunkan model yang lebih lengkap di mana kita boleh mengambil kira penyerapan cahaya 1016nm dengan bahan yang diberikan, keupayaan mereka untuk membiasakan cahaya serta keupayaan mereka untuk menghantar tenaga ini sebagai haba. Ujian semasa menunjukkan terdapat korelasi tertentu terhadap apa yang kita sebut sebagai "penghantaran tenaga" dan kesannya terhadap pemesinan. Ia akan menjadi lebih elegan dan berguna untuk mempunyai formula untuk diterapkan, ditakrifkan oleh ciri-ciri fizikal sebenar, yang akan memberikan kesan kepada pemesinan.

Kesimpulan:

Kami berharap artikel ini memberi Fablabs yang sedia ada dan membina perspektif baru mengenai kemahiran yang boleh dicapai dengan teknologi ukiran laser Co2. Begitu juga, untuk makmal baru, artikel ini boleh membantu mencari set pertama anda "kasar" parameter untuk mendapatkan pemotongan laser anda dengan cekap dan selamat. Kami akan terus menguji bahan-bahan yang berbeza dan kami berharap dapat membangunkan komuniti pembuat yang ingin menyumbang kepada projek ini.

Kita perlu memperbaiki model fizikal yang telah kita usahakan supaya kita boleh mengambil kira sifat fizikal bahan. Dalam jangka panjang, matlamatnya adalah untuk mengaitkan kesan pemotongan laser kepada sifat-sifat (pembiasan optik & penyerapan, kekonduksian haba, tenaga pengewapan, dan sebagainya) yang disediakan di lembaran bahan baru. Dengan cara ini, kita mungkin dapat meramalkan parameter untuk bahan dan menentukan kelayakan mereka sebelum perlu membeli atau menguji.

Matlamat akhir kami adalah untuk membangunkan aplikasi kecil / widget di mana pengguna boleh memasukkan kuasa dan pilihan bahan nominal laser mereka untuk aplikasi untuk mengeluarkan tetapan yang diperlukan. Ini akan membolehkan pembuat baharu menjadi lebih cepat, dan bengkel menjadi lebih menguntungkan.

Siri eksperimen ini menarik dan menerangi kami di Mako. Kami berharap pembaca dapat menemui sama-sama menarik dan bermanfaat. Kami terbuka kepada semua perbincangan berkenaan dengan bekerja untuk membina komuniti untuk memperbaiki dan menyempurnakan projek kami. Kami berharap anda beruntung dengan memukul anda dan teruskan melihat untuk ansuran kami yang berikutnya: Effets mécaniques de la penentukuran laser sur MDF 3mm.

Kongsi

Meninggalkan Komen