01 Műszaki alapelvek és jellemzők
A víz{0}}vezérelt lézer alapelve az, hogy a lézersugarat nagy-nyomású mikrovízsugárba kapcsolják, és a lézert a vízsugáron keresztül az anyag felületére vezetik. Ebben a rendszerben a lézerforrás által generált lézer először egy sor optikai komponensen (például lencséken és tükrökön) halad át kollimáció és fókuszálás céljából, majd egy speciális fúvókán keresztül kombinálják a nagynyomású-vízsugárral. A vízsugár apró csatornát képez a fúvókában, és ezen a csatornán keresztül a lézersugarat a munkadarab felületére vezetjük, ahogy az 1. ábrán is látható. Mivel a víz törésmutatója eltér a levegőétől, a lézer terjedési útja a vízben változik, ezért pontos optikai tervezés szükséges a lézersugár stabilitásának és energiafókuszának biztosításához.
1. ábra: A víz{1}}vezérelt lézerek műszaki elve.
Nagy pontosság: A vízvezérelt lézertechnológia szubmilliméteres vagy akár mikrométeres{1}}szintű feldolgozási pontosságot érhet el. Mivel a vízsugár átmérője nagyon kicsi, általában csak tíz-száz mikrométer, a lézersugarat a munkadarabon pontosan meghatározott pozíciókba lehet irányítani finom vágási, fúrási vagy gravírozási műveletekhez. Nagy hatékonyság: A vízvezérelt lézeres feldolgozás során a lézersugarat a vízsugáron keresztül közvetlenül a munkadarab felületére továbbítják, csökkentve az energiaveszteséget és a levegőben való szórást. Ezenkívül a vízsugár hűsítő és öblítő hatást is biztosít, hatékonyan csökkenti a munkadarab felületi hőmérsékletét, és csökkenti a hőhatás-zónáját, ezáltal javítva a feldolgozás hatékonyságát és minőségét. Csökkentett hőkárosodás: A vízsugár hűsítő hatása miatt a hőhatású zóna (HAZ) a víz-vezérelt lézeres feldolgozásban nagyon kicsi. A hőhatás -zóna azt a területet jelenti a munkadarab felületén és belsejében, ahol a lézeres feldolgozás során a hővezetés és a sugárzás következtében termikus deformáció, sérülés vagy fázisváltozás következik be. A vízsugár gyors lehűtése a vízben-irányított lézeres feldolgozás gyorsan eltávolítja a hőt a munkadarab felületéről, ezáltal csökkentve a hővel érintett zóna méretét és mélységét, és megakadályozza a termikus deformációt és az anyag károsodását.
2. ábra. (a) Titánötvözet vágott metszeteinek SEM-képei „hagyományos szárazlézeres” vágással és víz-vezérelt lézeres vágással, (b) a vízvezérelt lézeres és „hagyományos szárazlézeres” vágással nyert CFRP vágott felületeinek összehasonlítása.
02 Alkalmazási mezők
Aerospace Field: Az űrrepülés területén nagyon magas követelmények vonatkoznak az anyagfeldolgozás pontosságára és minőségére, és ezen a területen széles körben alkalmazzák a vízvezérelt lézertechnológiát. Használható repülőgép-hajtóművek kulcsfontosságú alkatrészeinek, például lapátoknak, turbinatárcsáknak és égéstereknek a feldolgozására, amelyek általában nehezen--megmunkálható anyagokból, például szuperötvözetek és titánötvözetek készülnek. A vízvezérelt lézerek hatékonyan vághatják és gravírozhatják ezeket az anyagokat, miközben biztosítják a feldolgozási pontosságot és a felületminőséget, ezáltal javítva az alkatrészek teljesítményét és megbízhatóságát. Ezenkívül a vízvezérelt lézerek használhatók repülőgépek szerkezeti részeinek, például szárnyainak és törzseinek feldolgozására is, lehetővé téve összetett formák és könnyű szerkezetek megmunkálását.
Félvezető terület: A félvezetőgyártásban a víz{0}}vezérelt lézerek használhatók félvezető anyagok, például szilíciumlapkák vágására, valamint chipek csomagolására és tesztelésére. Mivel a félvezető anyagok rendkívül nagy feldolgozási pontosságot és felületi minőséget igényelnek, a vízvezérelt lézerek nagy pontosságú és alacsony hőkárosodási jellemzői ideális feldolgozási eszközzé teszik őket. Elérhetik a szilícium lapkák finom vágását, elkerülve a repedéseket és sérüléseket, így javítva a forgácsok hozamát és teljesítményét. Ezenkívül a vízvezérelt lézerek felhasználhatók félvezető eszközök mikro-feldolgozására, például mikroelektronikai alkatrészek gyártására és mikroáramkörök maratására, amelyek mikrométeres vagy akár nanométeres szintű megmunkálási pontosságot biztosítanak.
Új energiamező: Az új energiaszektorban a víz{0}}vezérelt lézerek új energetikai eszközök, például napelemek és üzemanyagcellák kulcsfontosságú összetevőinek feldolgozására használhatók. Például a napelemek gyártása során a vízvezérelt lézerek felhasználhatók szilíciumlapkák vágására és elektródamintázatok maratására a napelemek felületén, javítva a napelemek fotovoltaikus átalakítási hatékonyságát és teljesítményét. Az üzemanyagcella-gyártásban a vízvezérelt lézerek képesek feldolgozni olyan alkatrészeket, mint például membránelektróda-szerelvények és bipoláris lemezek, lehetővé téve a nagy-precíziós vágást és gravírozást, ezáltal javítva az üzemanyagcellák teljesítményét és élettartamát.
3. ábra: Vízvezérelt lézerek alkalmazásai-.
03 Kihívások és problémák, amelyekkel a vízvezérelt lézerrel szembesül-
A vízsugár stabilitása: A víz-vezérelt lézeres feldolgozás során a nagysebességű-vízsugár instabillá válhat, ami befolyásolhatja a feldolgozás minőségét. Például vágás közben a vízsugár ingadozása eltéréseket okozhat a vágási vonalban, vagy növelheti a felület érdességét, ami hatással van a megmunkálási pontosságra és a felület minőségére. A vízsugár stabilitásának biztosítása érdekében optimalizálni kell a vízsugár-szabályozó rendszert, hogy az a feldolgozás során végig stabil állapotot tudjon tartani.
Lézer-Vízcsatolási hatékonyság: A lézersugár és a vízsugár közötti csatolás hatékonysága közvetlenül befolyásolja a feldolgozási eredményeket. Ha a csatolás hatásfoka alacsony, a lézerenergia vesztesége a vízsugárban megnő, ami csökkenti a feldolgozási hatékonyságot és a minőséget is.
A fúvókák furataira vonatkozó műszaki követelmények: A jó -minőségű víz-vezérelt lézeres feldolgozás érdekében a fúvókalyuk tervezése és gyártási pontossága kritikus fontosságú. A fúvóka furatának rendkívül vékony falakkal kell rendelkeznie, miközben meg kell őrizni a nagy pontosságú kerekséget és nulla kúposságot, hogy ellenálljon a vízáramlás hatásának. Ezenkívül a furat belső felületének érdességét rendkívül alacsonyan kell tartani a vízsugár stabilitásának és konzisztenciájának biztosítása érdekében.
Környezeti alkalmazkodóképesség: A vízvezérelt{0}}lézeres feldolgozó berendezések magas környezetvédelmi követelményekkel rendelkeznek. Például a berendezés működéséhez stabil áramellátás, tiszta víz, állandó hőmérsékletű és páratartalmú környezet szükséges. Rossz körülmények között, például nagy hőmérséklet-ingadozások, magas páratartalom vagy instabil tápellátás esetén a berendezés teljesítménye romolhat vagy akár meghibásodhat. Ezenkívül olyan tényezők, mint a por és a környezet vibrációja, megzavarhatják a feldolgozást, befolyásolva a megmunkálási pontosságot és minőséget. Ezért a gyakorlati alkalmazásokban a berendezés működési környezetének szigorú ellenőrzése és kezelése szükséges.
04 Az ipar jelenlegi fejlettségi helyzete itthon és külföldön
A lézeres precíziós feldolgozási technológia folyamatos fejlődésével és a növekvő piaci igényekkel a vízvezérelt lézeres feldolgozási technológia is folyamatosan fejlődik és fejlődik. A vízvezérelt lézerberendezések nemzetközileg elismert vezető gyártói- főként két vállalatot foglal magában: a svájci Synova és az Avonisys. Jelenleg a háztartási víz{4}}lézeres feldolgozó berendezéseket gyártó cégek közül a viszonylag gyorsan fejlődő cégek közé tartozik többek között a Wot Intelligent Manufacturing, a Cosset és a Shanghai Lengchen Technology. Más cégek azt a megközelítést alkalmazzák, hogy közvetlenül bevezetik a kapcsolódó külföldi technológiákat, majd termékeiket optimalizálva összeszerelik és belföldön gyártják. Bár ez rövid távon gyorsan pótolhatja a technológiai hiányosságokat, és csökkentheti a K+F költségeket és időt, hosszú távon még mindig vannak bizonyos problémák, mint például a külföldi alaptechnológiáktól való függés, a K+F beruházások kiegyensúlyozatlansága és az ipari láncban jelentkező tovagyűrűző kockázatok. A szerző úgy véli, hogy létre kell hozni egy pozitív ciklust a „bevezetés-felszívódás-meghaladása” terén. Jó hír, hogy ma már vannak olyan hazai cégek, amelyek 100%-ban helyben gyártott alkatrészekkel képesek kereskedelmi berendezéseket biztosítani. A kínai feldolgozóipar átalakulásával és korszerűsítésével a vízvezérelt lézeres feldolgozási technológia egyre fontosabb szerepet fog játszani a csúcsminőségű gyártásban, különösen az új energiahordozók, a repülőgépgyártás és a csúcskategóriás{15}}berendezések gyártásában. A vízvezérelt lézertechnológia alkalmazása technológiai innovációt és termékfejlesztést hajt végre ezekben az iparágakban.
