دستگاه پردازش لیزر هدایت شده با میکرو واترجت
نمودار تفصیلی
مقدمه
از آنجایی که تولید همچنان به دقت و بهرهوری بالاتری نیاز دارد،لیزر هدایتشده با جت آب (WJGL)فناوری هم از نظر پذیرش مهندسی و هم از نظر پتانسیل بازار در حال افزایش است. در بخشهای پیشرفته مانند هوافضا، الکترونیک، تجهیزات پزشکی و خودروسازی، الزامات سختگیرانهای در مورد دقت ابعادی، یکپارچگی لبهها، کنترل منطقه تحت تأثیر گرما (HAZ) و حفظ خواص مواد اعمال میشود. فرآیندهای مرسوم - ماشینکاری مکانیکی، برش حرارتی و پردازش لیزری استاندارد - اغلب با تأثیر حرارتی بیش از حد، ریزترکها و سازگاری محدود با مواد بسیار بازتابنده یا حساس به گرما دست و پنجه نرم میکنند.
برای رفع این محدودیتها، محققان یک میکرو جت آب پرسرعت را وارد فرآیند لیزر کردند و WJGL را ایجاد کردند. در این پیکربندی، جت آب همزمان به عنوان ... عمل میکند.محیط هدایت پرتوو یکخنککننده/وسیله مؤثر برای حذف ذرات معلق، بهبود کیفیت برش و گسترش کاربرد مواد. از نظر مفهومی، WJGL ترکیبی نوآورانه از پردازش لیزری سنتی و برش جت آب است که چگالی انرژی بالا، دقت بالا و آسیب حرارتی به طور قابل توجهی کاهش یافته را ارائه میدهد - ویژگیهایی که طیف گستردهای از سناریوهای تولید دقیق را پشتیبانی میکنند.
اصول کار لیزر هدایتشده با جت آب
همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، مفهوم اصلی WJGL انتقال انرژی لیزر از طریق یک جت آب پیوسته است که به طور مؤثر به عنوان یک "فیبر نوری مایع" عمل میکند. در فیبرهای نوری معمولی، نور توسط ... هدایت میشود.بازتاب داخلی کلی (TIR)به دلیل اختلاف ضریب شکست بین هسته و روکش. WJGL از همین مکانیسم در ... استفاده میکند.سطح مشترک آب و هواضریب شکست آب تقریباً برابر است با۱.۳۳، در حالی که هوا تقریباً۱.۰۰هنگامی که لیزر تحت شرایط مناسب به جت متصل میشود، TIR پرتو را در ستون آب محدود میکند و امکان انتشار پایدار و کم واگرایی را به سمت منطقه ماشینکاری فراهم میکند.
شکل 1. ویژگیهای پردازش لیزر هدایتشده با جت آب (شماتیک)
طراحی نازل و تشکیل میکروجت
اتصال کارآمد لیزر به جت نیازمند نازلی است که بتواند یک میکروجت پایدار، پیوسته و تقریباً استوانهای تولید کند، در عین حال که به لیزر اجازه میدهد با زاویه مناسبی وارد شود تا TIR را در مرز آب-هوا حفظ کند. از آنجا که پایداری جت به شدت بر پایداری انتقال پرتو و ثبات فوکوس تأثیر میگذارد، سیستمهای WJGL معمولاً به کنترل دقیق سیال و هندسههای نازل با مهندسی دقیق متکی هستند.
شکل ۲ حالتهای جت نمونه تولید شده توسط انواع مختلف نازل (مثلاً نازل مویین و طرحهای مخروطی مختلف) را نشان میدهد. هندسه نازل بر انقباض جت، طول پایدار، توسعه آشفتگی و راندمان اتصال تأثیر میگذارد - در نتیجه بر کیفیت ماشینکاری و تکرارپذیری تأثیر میگذارد.
آب همچنین جذب و پراکندگی وابسته به طول موج را نشان میدهد. در محدودههای مرئی و مادون قرمز نزدیک، جذب نسبتاً کم است و از انتقال کارآمد پشتیبانی میکند. در مقابل، جذب در محدودههای مادون قرمز دور و فرابنفش افزایش مییابد، بنابراین بیشتر پیادهسازیهای WJGL در باندهای مرئی تا مادون قرمز نزدیک عمل میکنند.
شکل 2. ساختارهای نازل برای تشکیل میکروجت: (الف) شماتیک انقباض؛ (ب) نازل مویین؛ (ج) نازل مخروطی؛ (د) نازل مخروطی بالایی؛ (ه) نازل مخروطی پایینی
مزایای کلیدی WJGL
مسیرهای ماشینکاری سنتی شامل برش مکانیکی، برش حرارتی (مثلاً پلاسما/شعله) و برش لیزری معمولی است. ماشینکاری مکانیکی مبتنی بر تماس است؛ سایش ابزار و نیروهای برشی میتوانند باعث ایجاد آسیب و تغییر شکل میکرو شوند و دقت قابل دستیابی و یکپارچگی سطح را محدود کنند. برش حرارتی برای مقاطع ضخیم کارآمد است اما معمولاً HAZ بزرگی، تنشهای پسماند و میکروترکهایی ایجاد میکند که عملکرد مکانیکی را کاهش میدهند. پردازش لیزری معمولی، اگرچه همه کاره است، اما ممکن است همچنان از HAZ نسبتاً بزرگ و عملکرد ناپایدار در مواد بسیار بازتابنده یا حساس به گرما رنج ببرد.
همانطور که در شکل 3 خلاصه شده است، WJGL از آب به عنوان واسطه انتقال و همزمان به عنوان خنککننده استفاده میکند که به طور قابل توجهی HAZ را کاهش داده و اعوجاج و ریزترکها را سرکوب میکند و در نتیجه دقت و کیفیت لبه/سطح را بهبود میبخشد (شکل 4 را ببینید). مزایای آن را میتوان به شرح زیر خلاصه کرد:
-
آسیب حرارتی کم و کیفیت بهبود یافتهظرفیت گرمایی ویژه بالا و جریان مداوم آب به سرعت گرما را از بین میبرد، تجمع حرارتی را محدود میکند و به حفظ ریزساختار و خواص کمک میکند.
-
افزایش پایداری فوکوس و مصرف انرژیمحصور شدن درون جت، پراکندگی و اتلاف انرژی را در مقایسه با انتشار در فضای آزاد کاهش میدهد و چگالی انرژی بالاتر و پردازش پایدارتری را ممکن میسازد - که برای برشهای ظریف، میکرودریلکاری و هندسههای پیچیده بسیار مناسب است.
-
عملکرد تمیزتر و ایمنترمحیط آبی، دود، ذرات و زبالهها را جذب و حذف میکند و آلودگی هوا را کاهش داده و ایمنی شغلی را بهبود میبخشد.
شکل 3. مقایسه بین پردازش لیزری معمولی و WJGL
شکل 4 مقایسه فناوریهای معمول برش و حفاری
زمینههای کاربرد
۱) هوافضا
قطعات هوافضا اغلب از مواد با کارایی بالا مانند آلیاژهای تیتانیوم، آلیاژهای پایه نیکل، CFRP، CMC و سرامیک استفاده میکنند که ماشینکاری آنها در عین حفظ دقت و کارایی، چالش برانگیز است. WJGL با ترکیبی از چگالی انرژی بالا و خنککنندگی مؤثر، برش دقیق با HAZ کاهشیافته را امکانپذیر میکند، تغییر شکل و تخریب خواص را به حداقل میرساند و از قطعات با قابلیت اطمینان بالا پشتیبانی میکند.
۲) تجهیزات پزشکی
تولید تجهیزات پزشکی برای محصولاتی مانند ابزارهای کمتهاجمی، ایمپلنتها و دستگاههای تشخیصی/درمانی نیاز به دقت، تمیزی و یکپارچگی سطح فوقالعادهای دارد. WJGL با خنک کردن و تمیز کردن ناحیه ماشینکاری با جریان آب، آسیب حرارتی و آلودگی سطحی را کاهش میدهد، ثبات را بهبود میبخشد و از زیستسازگاری پشتیبانی میکند. همچنین امکان ساخت دقیق هندسههای پیچیده را برای دستگاههای سفارشی فراهم میکند.
۳) الکترونیک
در تولید میکروالکترونیک و نیمههادیها، WJGL به دلیل دقت بالا و تأثیر حرارتی کم، به طور گسترده برای برش ویفر، بستهبندی تراشه و ریزساختار استفاده میشود. خنککننده آبی، آسیب ناشی از گرما به اجزای حساس را کاهش میدهد و قابلیت اطمینان و پایداری عملکرد را بهبود میبخشد.
۴) ماشینکاری الماس
برای قطعات الماس و سایر مواد فوق سخت، WJGL برش و سوراخکاری با دقت بالا با ضربه حرارتی کم، حداقل تنش مکانیکی، راندمان بالا و کیفیت لبه/سطح برتر ارائه میدهد. در مقایسه با روشهای مکانیکی مرسوم و برخی از تکنیکهای لیزری، WJGL اغلب در حفظ یکپارچگی مواد و جلوگیری از عیوب مؤثرتر است.
سوالات متداول لیزر هدایت شده با جت آب (WJGL)
۱) ماشینکاری با لیزر هدایت شده با جت آب (WJGL) چیست؟
WJGL یک روش پردازش لیزری است که در آن پرتو لیزر به یک جت آب میکرو متصل میشود. جت آب هم به عنوان یک محیط هدایت پرتو و هم به عنوان یک محیط خنککننده/حذفکنندهی زباله عمل میکند و دقت بالا را با کاهش آسیب حرارتی امکانپذیر میسازد.
۲) WJGL چگونه کار میکند؟
WJGL بر بازتاب داخلی کلی در سطح مشترک آب-هوا متکی است. از آنجا که آب و هوا ضریب شکست متفاوتی دارند، لیزر میتواند درون ستون آب محدود و هدایت شود - مشابه یک "فیبر نوری مایع" - و به طور پایدار به منطقه ماشینکاری تحویل داده شود.
۳) چرا WJGL ناحیه متاثر از حرارت (HAZ) را کاهش میدهد؟
آب جاری به دلیل ظرفیت گرمایی بالای خود، گرما را به طور موثری دفع میکند. این امر تجمع گرما را سرکوب میکند و باعث کاهش HAZ، اعوجاج و ریزترکها میشود.
۴) مزایای اصلی در مقایسه با پردازش لیزری مرسوم چیست؟
مزایای کلیدی معمولاً شامل موارد زیر است:
-
نیاز به فوکوس مجدد کاهش یافته یا اصلاً وجود ندارد؛ مناسب برای برش غیر مسطح/سه بعدی
-
دیوارههای شیار موازی و منسجمتر و کیفیت برش بهبود یافته
-
تأثیر حرارتی به طور قابل توجهی کمتر (HAZ کوچکتر)
-
پردازش پاکتر: آب ذرات را جذب میکند و به جلوگیری از رسوب/آلودگی کمک میکند.
-
تشکیل پلیسه کمتر: جت به بیرون راندن مواد مذاب از شیار کمک میکند.
درباره ما
شرکت XKH در زمینه توسعه، تولید و فروش شیشههای نوری ویژه و مواد کریستالی جدید با فناوری پیشرفته تخصص دارد. محصولات ما در زمینه الکترونیک نوری، لوازم الکترونیکی مصرفی و نظامی کاربرد دارند. ما قطعات نوری یاقوت کبود، پوششهای لنز تلفن همراه، سرامیک، LT، سیلیکون کاربید SIC، کوارتز و ویفرهای کریستالی نیمههادی ارائه میدهیم. با تخصص ماهرانه و تجهیزات پیشرفته، ما در پردازش محصولات غیر استاندارد سرآمد هستیم و هدفمان تبدیل شدن به یک شرکت پیشرو در زمینه مواد نوری-الکترونیکی با فناوری پیشرفته است.












