लेजर कटिंग का परिचय

लेज़र कटिंग एक ऐसी तकनीक है जो सामग्री को वाष्पीकृत करने के लिए लेज़र का उपयोग करती है, जिसके परिणामस्वरूप एक कट किनारा होता है।जबकि आमतौर पर औद्योगिक विनिर्माण अनुप्रयोगों के लिए उपयोग किया जाता है, अब इसका उपयोग स्कूलों, छोटे व्यवसायों, वास्तुकला और शौकियों द्वारा किया जाता है।लेजर कटिंग आमतौर पर प्रकाशिकी के माध्यम से एक उच्च-शक्ति वाले लेजर के आउटपुट को निर्देशित करके काम करता है।लेज़र ऑप्टिक्स और सीएनसी (कंप्यूटर न्यूमेरिकल कंट्रोल) का उपयोग लेज़र बीम को सामग्री तक निर्देशित करने के लिए किया जाता है।सामग्री काटने के लिए एक वाणिज्यिक लेजर सामग्री पर काटे जाने वाले पैटर्न के सीएनसी या जी-कोड का पालन करने के लिए गति नियंत्रण प्रणाली का उपयोग करता है।केंद्रित लेजर बीम सामग्री पर निर्देशित होती है, जो या तो पिघल जाती है, जल जाती है, वाष्पीकृत हो जाती है, या गैस के एक जेट द्वारा उड़ा दी जाती है, [1] एक उच्च गुणवत्ता वाली सतह खत्म के साथ एक किनारे को छोड़कर

इतिहास
1965 में डायमंड डाई में छेद करने के लिए पहली प्रोडक्शन लेजर कटिंग मशीन का इस्तेमाल किया गया था।यह मशीन वेस्टर्न इलेक्ट्रिक इंजीनियरिंग रिसर्च सेंटर द्वारा बनाई गई थी। [3]1967 में, अंग्रेजों ने धातुओं के लिए लेजर-समर्थित ऑक्सीजन जेट कटिंग का बीड़ा उठाया।[4]1970 के दशक की शुरुआत में, एयरोस्पेस अनुप्रयोगों के लिए टाइटेनियम में कटौती करने के लिए इस तकनीक को उत्पादन में लगाया गया था।उसी समय CO2 लेज़रों को कपड़ा जैसे गैर-धातुओं को काटने के लिए अनुकूलित किया गया था, क्योंकि उस समय, CO2 लेज़र धातुओं की तापीय चालकता को दूर करने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली नहीं थे। [5]

प्रक्रिया

सीएनसी इंटरफेस के माध्यम से प्रोग्राम किए गए कटिंग निर्देशों के साथ स्टील की औद्योगिक लेजर कटिंग
लेजर बीम आमतौर पर कार्य क्षेत्र पर उच्च गुणवत्ता वाले लेंस का उपयोग करके केंद्रित होता है।बीम की गुणवत्ता का केंद्रित स्थान के आकार पर सीधा प्रभाव पड़ता है।फ़ोकस किए गए बीम का सबसे छोटा हिस्सा आमतौर पर व्यास में 0.0125 इंच (0.32 मिमी) से कम होता है।सामग्री की मोटाई के आधार पर, केर्फ की चौड़ाई 0.004 इंच (0.10 मिमी) जितनी छोटी हो सकती है।[6]किनारे के अलावा कहीं और से काटना शुरू करने में सक्षम होने के लिए, प्रत्येक कट से पहले एक छेद किया जाता है।भेदी में आमतौर पर एक उच्च-शक्ति स्पंदित लेजर बीम शामिल होता है जो धीरे-धीरे सामग्री में एक छेद बनाता है, उदाहरण के लिए 0.5-इंच-मोटी (13 मिमी) स्टेनलेस स्टील के लिए लगभग 5-15 सेकंड लेता है।

लेजर स्रोत से सुसंगत प्रकाश की समानांतर किरणें अक्सर 0.06–0.08 इंच (1.5–2.0 मिमी) व्यास के बीच की सीमा में आती हैं।यह बीम आम तौर पर एक लेंस या दर्पण द्वारा लगभग 0.001 इंच (0.025 मिमी) के एक बहुत छोटे स्थान पर केंद्रित और तीव्र होता है ताकि एक बहुत ही तीव्र लेजर बीम बनाया जा सके।समोच्च काटने के दौरान सबसे आसान संभव खत्म करने के लिए, बीम ध्रुवीकरण की दिशा को घुमाया जाना चाहिए क्योंकि यह एक समोच्च वर्कपीस की परिधि के चारों ओर जाता है।शीट मेटल कटिंग के लिए, फोकल लंबाई आमतौर पर 1.5–3 इंच (38-76 मिमी) होती है।[7]

मैकेनिकल कटिंग पर लेज़र कटिंग के लाभों में आसान वर्कहोल्डिंग और वर्कपीस का कम संदूषण शामिल है (क्योंकि कोई कटिंग एज नहीं है जो सामग्री से दूषित हो सकती है या सामग्री को दूषित कर सकती है)।परिशुद्धता बेहतर हो सकती है, क्योंकि प्रक्रिया के दौरान लेजर बीम खराब नहीं होती है।कटी जा रही सामग्री के विकृत होने की संभावना भी कम होती है, क्योंकि लेजर सिस्टम में गर्मी से प्रभावित एक छोटा क्षेत्र होता है।[8]कुछ सामग्रियों को अधिक पारंपरिक तरीकों से काटना भी बहुत मुश्किल या असंभव है।

धातुओं के लिए लेजर कटिंग में प्लाज्मा कटिंग की तुलना में अधिक सटीक [9] और शीट मेटल को काटते समय कम ऊर्जा का उपयोग करने के फायदे हैं;हालाँकि, अधिकांश औद्योगिक लेज़र अधिक धातु की मोटाई के माध्यम से नहीं काट सकते हैं जो प्लाज्मा कर सकता है।उच्च शक्ति पर चलने वाली नई लेजर मशीनें (6000 वाट, प्रारंभिक लेजर कटिंग मशीनों की 1500 वाट रेटिंग के विपरीत) प्लाज्मा मशीनों के पास मोटी सामग्री के माध्यम से काटने की क्षमता में आ रही हैं, लेकिन ऐसी मशीनों की पूंजीगत लागत प्लाज्मा की तुलना में बहुत अधिक है स्टील प्लेट जैसी मोटी सामग्री को काटने में सक्षम काटने वाली मशीनें। [10]

प्रकार

4000 वाट CO2 लेजर कटर
लेज़र कटिंग में तीन मुख्य प्रकार के लेज़रों का उपयोग किया जाता है।CO2 लेजर काटने, उबाऊ और उत्कीर्णन के लिए उपयुक्त है।नियोडिमियम (एनडी) और नियोडिमियम येट्रियम-एल्यूमीनियम-गार्नेट (एनडी: वाईएजी) लेज़र शैली में समान हैं और केवल अनुप्रयोग में भिन्न हैं।एनडी का उपयोग बोरिंग के लिए किया जाता है और जहां उच्च ऊर्जा लेकिन कम पुनरावृत्ति की आवश्यकता होती है।एनडी: वाईएजी लेजर का उपयोग किया जाता है जहां बहुत अधिक शक्ति की आवश्यकता होती है और उबाऊ और उत्कीर्णन के लिए।CO2 और Nd/Nd दोनों: YAG लेज़रों का उपयोग वेल्डिंग के लिए किया जा सकता है। [11]

CO2 लेज़रों को आमतौर पर गैस मिक्स (DC-उत्तेजित) या रेडियो फ्रीक्वेंसी एनर्जी (RF-उत्तेजित) के माध्यम से करंट पास करके "पंप" किया जाता है।आरएफ पद्धति नई है और अधिक लोकप्रिय हो गई है।चूंकि डीसी डिजाइनों को गुहा के अंदर इलेक्ट्रोड की आवश्यकता होती है, इसलिए वे कांच के बने पदार्थ और प्रकाशिकी पर इलेक्ट्रोड सामग्री के इलेक्ट्रोड क्षरण और चढ़ाना का सामना कर सकते हैं।चूंकि आरएफ रेज़ोनेटर में बाहरी इलेक्ट्रोड होते हैं, इसलिए वे उन समस्याओं से ग्रस्त नहीं होते हैं।CO2 लेज़रों का उपयोग टाइटेनियम, स्टेनलेस स्टील, माइल्ड स्टील, एल्युमिनियम, प्लास्टिक, लकड़ी, इंजीनियर लकड़ी, मोम, कपड़े और कागज सहित कई सामग्रियों की औद्योगिक कटाई के लिए किया जाता है।YAG लेज़रों का उपयोग मुख्य रूप से धातुओं और सिरेमिक को काटने और लिखने के लिए किया जाता है। [12]

शक्ति स्रोत के अलावा, गैस प्रवाह का प्रकार भी प्रदर्शन को प्रभावित कर सकता है।CO2 लेज़रों के सामान्य प्रकारों में तेज़ अक्षीय प्रवाह, धीमी अक्षीय प्रवाह, अनुप्रस्थ प्रवाह और स्लैब शामिल हैं।एक तेज अक्षीय प्रवाह गुंजयमान यंत्र में, कार्बन डाइऑक्साइड, हीलियम और नाइट्रोजन के मिश्रण को टरबाइन या ब्लोअर द्वारा उच्च वेग से परिचालित किया जाता है।अनुप्रस्थ प्रवाह लेज़र गैस मिश्रण को कम वेग से प्रसारित करते हैं, जिसके लिए एक सरल ब्लोअर की आवश्यकता होती है।स्लैब या डिफ्यूजन कूल्ड रेज़ोनेटर में एक स्थिर गैस क्षेत्र होता है जिसके लिए किसी दबाव या कांच के बने पदार्थ की आवश्यकता नहीं होती है, जिससे प्रतिस्थापन टर्बाइन और कांच के बने पदार्थ पर बचत होती है।

लेजर जनरेटर और बाहरी प्रकाशिकी (फोकस लेंस सहित) को ठंडा करने की आवश्यकता होती है।सिस्टम के आकार और विन्यास के आधार पर, अपशिष्ट गर्मी को शीतलक या सीधे हवा में स्थानांतरित किया जा सकता है।पानी आमतौर पर इस्तेमाल किया जाने वाला शीतलक है, जिसे आमतौर पर चिलर या हीट ट्रांसफर सिस्टम के माध्यम से परिचालित किया जाता है।

लेज़र माइक्रोजेट एक वाटर-जेट गाइडेड लेज़र है जिसमें स्पंदित लेज़र बीम को कम दबाव वाले वॉटर जेट में जोड़ा जाता है।इसका उपयोग लेजर काटने के कार्यों को करने के लिए किया जाता है, जबकि लेजर बीम का मार्गदर्शन करने के लिए पानी के जेट का उपयोग करते हुए, ऑप्टिकल फाइबर की तरह, कुल आंतरिक प्रतिबिंब के माध्यम से किया जाता है।इसका लाभ यह है कि पानी मलबा भी हटाता है और सामग्री को ठंडा करता है।पारंपरिक "सूखी" लेजर कटिंग पर अतिरिक्त लाभ उच्च डाइसिंग गति, समानांतर केर्फ़ और सर्वदिशात्मक कटिंग हैं। [13]

फाइबर लेज़र एक प्रकार का सॉलिड स्टेट लेज़र है जो मेटल कटिंग उद्योग में तेज़ी से बढ़ रहा है।CO2 के विपरीत, फाइबर तकनीक गैस या तरल के विपरीत एक ठोस लाभ माध्यम का उपयोग करती है।"बीज लेजर" लेजर बीम का उत्पादन करता है और फिर एक ग्लास फाइबर के भीतर प्रवर्धित किया जाता है।केवल 1064 नैनोमीटर की तरंग दैर्ध्य के साथ फाइबर लेज़र एक अत्यंत छोटे स्पॉट आकार (सीओ 2 की तुलना में 100 गुना छोटा) का उत्पादन करते हैं, जो इसे परावर्तक धातु सामग्री को काटने के लिए आदर्श बनाते हैं।यह CO2 की तुलना में फाइबर के मुख्य लाभों में से एक है। [14]

फाइबर लेजर कटर के लाभों में शामिल हैं: -

तेजी से प्रसंस्करण समय।
कम ऊर्जा खपत और बिल - अधिक दक्षता के कारण।
अधिक विश्वसनीयता और प्रदर्शन - समायोजित या संरेखित करने के लिए कोई प्रकाशिकी नहीं और बदलने के लिए कोई लैंप नहीं।
न्यूनतम रखरखाव।
तांबे और पीतल जैसे अत्यधिक परावर्तक सामग्री को संसाधित करने की क्षमता
उच्च उत्पादकता - कम परिचालन लागत आपके निवेश पर अधिक लाभ प्रदान करती है। [15]

तरीकों
लेजर का उपयोग करके काटने में कई अलग-अलग तरीके हैं, विभिन्न प्रकार के विभिन्न सामग्रियों को काटने के लिए उपयोग किया जाता है।कुछ विधियाँ हैं वाष्पीकरण, पिघलना और फूंकना, पिघलना और जलाना, थर्मल स्ट्रेस क्रैकिंग, स्क्रिबिंग, कोल्ड कटिंग और बर्निंग स्टेबलाइज्ड लेजर कटिंग।

वाष्पीकरण काटना
वाष्पीकरण में केंद्रित बीम सामग्री की सतह को फ्लैशपॉइंट बिंदु तक गर्म करता है और एक कीहोल उत्पन्न करता है।कीहोल से अवशोषण क्षमता में अचानक वृद्धि होती है जिससे छेद तेजी से गहरा होता है।जैसे-जैसे छेद गहरा होता है और सामग्री उबलती है, वाष्प उत्पन्न पिघली हुई दीवारों को बाहर निकालता है और छेद को और बड़ा कर देता है।गैर पिघलने वाली सामग्री जैसे लकड़ी, कार्बन और थर्मोसेट प्लास्टिक को आमतौर पर इस विधि से काटा जाता है।
पिघलाओ और उड़ाओ
पिघलने और झटका या संलयन काटने से काटने वाले क्षेत्र से पिघला हुआ पदार्थ उड़ाने के लिए उच्च दबाव गैस का उपयोग होता है, जिससे बिजली की आवश्यकता बहुत कम हो जाती है।पहले सामग्री को गलनांक तक गर्म किया जाता है, फिर एक गैस जेट पिघले हुए पदार्थ को केर्फ़ से बाहर निकालता है, जिससे सामग्री का तापमान और बढ़ाने की आवश्यकता नहीं होती है।इस प्रक्रिया से काटी गई सामग्री आमतौर पर धातु होती है।

थर्मल स्ट्रेस क्रैकिंग
भंगुर सामग्री विशेष रूप से थर्मल फ्रैक्चर के प्रति संवेदनशील होती है, थर्मल स्ट्रेस क्रैकिंग में शोषित एक विशेषता।एक बीम सतह पर केंद्रित होता है जिससे स्थानीयकृत ताप और थर्मल विस्तार होता है।इसका परिणाम एक दरार में होता है जिसे बाद में बीम को स्थानांतरित करके निर्देशित किया जा सकता है।दरार को m/s के क्रम में स्थानांतरित किया जा सकता है।यह आमतौर पर कांच काटने में प्रयोग किया जाता है।

सिलिकॉन वेफर्स की स्टील्थ डाइसिंग
अधिक जानकारी: वेफर डाइसिंग
सिलिकॉन वेफर्स से सेमीकंडक्टर डिवाइस निर्माण में तैयार किए गए माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक चिप्स का पृथक्करण तथाकथित स्टील्थ डाइसिंग प्रक्रिया द्वारा किया जा सकता है, जो एक स्पंदित एनडी: वाईएजी लेजर के साथ संचालित होता है, जिसकी तरंग दैर्ध्य (1064 एनएम) इलेक्ट्रॉनिक के लिए अच्छी तरह से अनुकूलित है सिलिकॉन का बैंड गैप (1.11 eV या 1117 एनएम)।

प्रतिक्रियाशील काटने
इसे "बर्निंग स्टेबलाइज्ड लेजर गैस कटिंग", "फ्लेम कटिंग" भी कहा जाता है।रिएक्टिव कटिंग ऑक्सीजन टार्च कटिंग की तरह है लेकिन प्रज्वलन स्रोत के रूप में लेजर बीम के साथ।ज्यादातर 1 मिमी से अधिक मोटाई में कार्बन स्टील काटने के लिए उपयोग किया जाता है।इस प्रक्रिया का उपयोग अपेक्षाकृत कम लेजर शक्ति के साथ बहुत मोटी स्टील प्लेटों को काटने के लिए किया जा सकता है।

सहिष्णुता और सतह खत्म
लेजर कटर में 10 माइक्रोमीटर की स्थिति सटीकता और 5 माइक्रोमीटर की पुनरावृत्ति होती है। [उद्धरण वांछित]

मानक खुरदरापन Rz शीट की मोटाई के साथ बढ़ता है, लेकिन लेजर शक्ति और काटने की गति के साथ घटता है।800 W की लेजर शक्ति के साथ कम कार्बन स्टील को काटते समय, मानक खुरदरापन Rz 1 मिमी की शीट मोटाई के लिए 10 माइक्रोन, 3 मिमी के लिए 20 माइक्रोन और 6 मिमी के लिए 25 माइक्रोन होता है।

{\displaystyle Rz={\frac {12.528\cdot S^{0.542}}{P^{0.528}\cdot V^{0.322}}}}{\displaystyle Rz={\frac {12.528\cdot S^{0.542 }}{P^{0.528}\cdot V^{0.322}}}}
कहा पे: {\displaystyle S=}S= स्टील शीट की मोटाई मिमी में;{\displaystyle P=}P= kW में लेज़र पावर (कुछ नए लेज़र कटर में 4 kW की लेज़र पावर होती है);{\displaystyle V=}V= मीटर प्रति मिनट में काटने की गति।[16]

यह प्रक्रिया काफी करीब सहनशीलता रखने में सक्षम है, अक्सर 0.001 इंच (0.025 मिमी) के भीतर।भाग की ज्यामिति और मशीन की यांत्रिक सुदृढ़ता का सहिष्णुता क्षमताओं से बहुत कुछ लेना-देना है।लेजर बीम कटिंग के परिणामस्वरूप होने वाली विशिष्ट सतह की फिनिश 125 से 250 माइक्रो-इंच (0.003 मिमी से 0.006 मिमी) तक हो सकती है।[11]

मशीन विन्यास

डुअल-पैलेट फ्लाइंग ऑप्टिक्स लेजर

फ्लाइंग ऑप्टिक्स लेजर हेड
आम तौर पर औद्योगिक लेजर कटिंग मशीनों के तीन अलग-अलग विन्यास होते हैं: चलती सामग्री, हाइब्रिड और फ्लाइंग ऑप्टिक्स सिस्टम।ये उस तरह से संदर्भित करते हैं जिस तरह से लेजर बीम को काटे जाने या संसाधित करने के लिए सामग्री पर ले जाया जाता है।इन सभी के लिए, गति की कुल्हाड़ियों को आमतौर पर X और Y अक्ष निर्दिष्ट किया जाता है।यदि काटने वाले सिर को नियंत्रित किया जा सकता है, तो इसे Z-अक्ष के रूप में नामित किया जाता है।

चलती सामग्री लेज़रों में एक स्थिर काटने वाला सिर होता है और इसके नीचे सामग्री को स्थानांतरित करता है।यह विधि लेजर जनरेटर से वर्कपीस तक एक निरंतर दूरी प्रदान करती है और एक एकल बिंदु जहां से अपशिष्ट को काटने के लिए हटाया जा सकता है।इसके लिए कम प्रकाशिकी की आवश्यकता होती है, लेकिन वर्कपीस को हिलाने की आवश्यकता होती है।इस स्टाइल मशीन में सबसे कम बीम वितरण प्रकाशिकी होती है, लेकिन यह सबसे धीमी भी होती है।

हाइब्रिड लेज़र एक तालिका प्रदान करते हैं जो एक अक्ष (आमतौर पर एक्स-अक्ष) में चलती है और सिर को छोटी (वाई) अक्ष के साथ ले जाती है।यह एक उड़ने वाली ऑप्टिक मशीन की तुलना में अधिक स्थिर बीम वितरण पथ की लंबाई में परिणाम देता है और एक सरल बीम वितरण प्रणाली की अनुमति दे सकता है।इसके परिणामस्वरूप वितरण प्रणाली में बिजली की कमी कम हो सकती है और फ्लाइंग ऑप्टिक्स मशीनों की तुलना में प्रति वाट अधिक क्षमता हो सकती है।

फ्लाइंग ऑप्टिक्स लेजर में एक स्थिर टेबल और एक कटिंग हेड (लेजर बीम के साथ) होता है जो दोनों क्षैतिज आयामों में वर्कपीस पर चलता है।फ्लाइंग ऑप्टिक्स कटर प्रसंस्करण के दौरान वर्कपीस को स्थिर रखते हैं और अक्सर सामग्री क्लैंपिंग की आवश्यकता नहीं होती है।गतिमान द्रव्यमान स्थिर है, इसलिए कार्यपीस के अलग-अलग आकार से गतिकी प्रभावित नहीं होती है।फ्लाइंग ऑप्टिक्स मशीनें सबसे तेज प्रकार की होती हैं, जो पतले वर्कपीस को काटते समय फायदेमंद होती हैं। [17]

फ्लाइंग ऑप्टिक मशीनों को निकट क्षेत्र (रेज़ोनेटर के करीब) से दूर क्षेत्र (रेज़ोनेटर से बहुत दूर) काटने के लिए बदलती बीम लंबाई को ध्यान में रखने के लिए कुछ विधि का उपयोग करना चाहिए।इसे नियंत्रित करने के सामान्य तरीकों में समाकलन, अनुकूली प्रकाशिकी या एक स्थिर बीम लंबाई अक्ष का उपयोग शामिल है।

पांच और छह-अक्ष वाली मशीनें भी गठित वर्कपीस को काटने की अनुमति देती हैं।इसके अलावा, लेजर बीम को एक आकार के वर्कपीस पर उन्मुख करने, उचित फोकस दूरी और नोजल स्टैंडऑफ आदि बनाए रखने के विभिन्न तरीके हैं।

स्पंदन
स्पंदित लेज़र जो थोड़े समय के लिए ऊर्जा का एक उच्च-शक्ति विस्फोट प्रदान करते हैं, कुछ लेज़र काटने की प्रक्रियाओं में बहुत प्रभावी होते हैं, विशेष रूप से भेदी के लिए, या जब बहुत छोटे छेद या बहुत कम काटने की गति की आवश्यकता होती है, क्योंकि यदि एक निरंतर लेजर बीम का उपयोग किया जाता है, गर्मी पूरे टुकड़े के पिघलने के बिंदु तक पहुँच सकती है।

अधिकांश औद्योगिक लेज़रों में NC (संख्यात्मक नियंत्रण) प्रोग्राम नियंत्रण के तहत CW (निरंतर तरंग) को पल्स या काटने की क्षमता होती है।

डबल पल्स लेज़र सामग्री हटाने की दर और छेद की गुणवत्ता में सुधार के लिए पल्स जोड़े की एक श्रृंखला का उपयोग करते हैं।अनिवार्य रूप से, पहली पल्स सतह से सामग्री को हटा देती है और दूसरी इजेक्टा को छेद या कट के किनारे से चिपकने से रोकती है। [18]