01 Technické princípy a vlastnosti
Základným princípom lasera navádzaného vodou-je spojiť laserový lúč do vysokotlakového- mikroprúdu vody a naviesť laser na povrch materiálu cez prúd vody. V tomto systéme laser generovaný laserovým zdrojom najprv prechádza cez sériu optických komponentov (ako sú šošovky a zrkadlá) na kolimáciu a zaostrenie a potom sa spojí s-vysokotlakovým prúdom vody cez špeciálnu trysku. Vodný lúč vytvára v dýze malý kanálik a laserový lúč je vedený cez tento kanál na povrch obrobku, ako je znázornené na obrázku 1. Pretože index lomu vody je odlišný od indexu lomu vzduchu, dráha šírenia lasera vo vode sa mení, takže na zabezpečenie stability a energetického zamerania laserového lúča je potrebný presný optický dizajn.
Obrázok 1. Technický princíp laserov navádzaných vodou-.
Vysoká presnosť: Vodnou{0}}laserovou technológiou môžete dosiahnuť submilimetrovú alebo dokonca mikrometrovú-presnosť spracovania. Keďže priemer vodného lúča je veľmi malý, zvyčajne len desiatky až stovky mikrometrov, laserový lúč môže byť presne vedený do špecifických polôh na obrobku pre jemné rezanie, vŕtanie alebo gravírovanie. Vysoká účinnosť: Počas laserového spracovania- vedeného vodou sa laserový lúč prenáša priamo na povrch obrobku cez vodný lúč, čím sa znižuje strata energie a rozptyl vo vzduchu. Prúd vody navyše poskytuje aj chladiace a preplachovacie účinky, čím účinne znižuje povrchovú teplotu obrobku a zmenšuje oblasť ovplyvnenú teplom-, čím sa zlepšuje účinnosť a kvalita spracovania. Znížené tepelné poškodenie: V dôsledku chladiaceho účinku vodného prúdu je tepelne-zóna (HAZ) vo vodnom-laserovom spracovaní veľmi malá. Teplo{11}}ovplyvnená oblasť označuje oblasť na povrchu a vo vnútri obrobku, kde dochádza k tepelnej deformácii, poškodeniu alebo fázovým zmenám v dôsledku vedenia tepla a žiarenia počas laserového spracovania. Rýchle ochladzovanie vodného prúdu vo vodnom{13}}laserovom spracovaní rýchlo odstraňuje teplo z povrchu obrobku, čím zmenšuje veľkosť a hĺbku tepelne-ovplyvnenej oblasti a zabraňuje tepelnej deformácii a poškodeniu materiálu.
Obrázok 2. (a) SEM snímky rezov z titánovej zliatiny rezaním „konvenčným suchým laserom“ a vodným-laserovým rezaním, (b) porovnanie povrchov rezu CFRP získaných vodou-riadeným laserom a rezaním „konvenčným suchým laserom“.
02 Aplikačné polia
Letectvo a kozmonautika: Oblasť letectva má veľmi vysoké požiadavky na presnosť a kvalitu spracovania materiálu a v tejto oblasti sa široko používa vodná{0}}laserová technológia. Môže sa použiť na spracovanie kľúčových komponentov leteckých motorov, ako sú lopatky, kotúče turbín a spaľovacie komory, ktoré sú zvyčajne vyrobené z ťažko{2}}spracovateľných- materiálov, ako sú superzliatiny a zliatiny titánu. Vodou{5}}vedené lasery dokážu efektívne rezať a gravírovať tieto materiály, pričom zaisťujú presnosť spracovania a kvalitu povrchu, čím zlepšujú výkon a spoľahlivosť komponentov. Vodou{7}}navádzané lasery možno navyše použiť aj na spracovanie konštrukčných častí leteckých dopravných prostriedkov, ako sú krídla a trupy, čo umožňuje opracovanie zložitých tvarov a ľahkých konštrukcií.
Oblasť polovodičov: Pri výrobe polovodičov možno vodou-riadené lasery použiť na rezanie polovodičových materiálov, ako sú kremíkové doštičky, ako aj na balenie a testovanie čipov. Pretože polovodičové materiály vyžadujú extrémne vysokú presnosť spracovania a kvalitu povrchu, vysoká presnosť a nízke tepelné poškodenie vodou vedených laserov z nich robí ideálny nástroj na spracovanie. Môžu dosiahnuť jemné rezanie kremíkových plátkov, vyhnúť sa prasklinám a poškodeniu, čím sa zlepší výťažnosť a výkon čipov. Vodou{5}}riadené lasery možno navyše použiť na mikro-spracovanie polovodičových zariadení, ako je výroba mikroelektronických súčiastok a leptanie mikroobvodov, čím sa dosiahne presnosť obrábania na úrovni mikrometrov alebo dokonca nanometrov.
Nové energetické pole: V novom energetickom sektore možno lasery navádzané vodou-používať na spracovanie kľúčových komponentov nových energetických zariadení, ako sú solárne panely a palivové články. Napríklad pri výrobe solárnych panelov možno lasery navádzané vodou- použiť na rezanie kremíkových plátkov a leptanie elektródových vzorov na povrchu solárnych článkov, čím sa zvyšuje účinnosť fotovoltaickej konverzie a výkon panelov. Pri výrobe palivových článkov dokážu lasery navádzané vodou-spracovať komponenty, ako sú zostavy membránových elektród a bipolárne platne, čo umožňuje vysoko presné rezanie a gravírovanie, čím sa zvyšuje výkon a životnosť palivových článkov.
Obrázok 3. Aplikácie vodou navádzaných-laserov.
03 Výzvy a problémy, ktorým čelia Vodou navádzané-lasery
Stabilita vodného prúdu: Počas vodného-laserového spracovania sa môže vysokorýchlostný{1}}vodný prúd stať nestabilným, čo môže ovplyvniť kvalitu spracovania. Napríklad počas rezania môže kolísanie prúdu vody spôsobiť odchýlky v línii rezu alebo zvýšiť drsnosť povrchu, čo má vplyv na presnosť obrábania a kvalitu povrchu. Na zabezpečenie stability vodného prúdu je potrebné optimalizovať systém riadenia vodného prúdu tak, aby si udržal stabilný stav počas celého spracovania.
Laserová-účinnosť spájania vody: Účinnosť väzby medzi laserovým lúčom a vodným lúčom priamo ovplyvňuje výsledky spracovania. Ak je účinnosť spojenia nízka, strata energie lasera vo vodnom lúči sa zvýši, čím sa zníži účinnosť aj kvalita spracovania.
Technické požiadavky na otvory trysiek: Na zabezpečenie vysokokvalitného laserového spracovania-vodou{1}}navádzaného laserom je rozhodujúca presnosť návrhu a výroby otvoru trysky. Otvor trysky musí mať extrémne tenké steny pri zachovaní vysokej presnosti zaoblenia a nulového skosenia, aby odolal vplyvu prúdu vody. Okrem toho musí byť drsnosť vnútorného povrchu otvoru udržiavaná extrémne nízka, aby sa zabezpečila stabilita a konzistencia prúdu vody.
Prispôsobivosť k životnému prostrediu: Vodné{0}}laserové zariadenia na spracovanie majú vysoké environmentálne požiadavky. Napríklad prevádzka zariadenia vyžaduje stabilné napájanie, čistú vodu a prostredie s konštantnou teplotou a vlhkosťou. V prostrediach so zlými podmienkami, ako sú veľké teplotné výkyvy, vysoká vlhkosť alebo nestabilné napájanie, sa môže výkon zariadenia zhoršiť alebo dokonca zlyhať. Okrem toho faktory, ako je prach a vibrácie v prostredí, môžu interferovať so spracovaním, čo ovplyvňuje presnosť a kvalitu obrábania. Preto je v praktických aplikáciách nevyhnutná prísna kontrola a riadenie prevádzkového prostredia zariadenia.
04 Súčasný stav vývoja priemyslu doma a v zahraničí
S neustálym pokrokom v technológii presného laserového spracovania a zvyšujúcim sa dopytom na trhu sa neustále vyvíja a zdokonaľuje aj technológia vodného{0}}laserového spracovania. Medzi medzinárodne uznávaných popredných výrobcov laserových zariadení-navádzaných vodou patria najmä dve spoločnosti: švajčiarska Synova a Avonisys. V súčasnosti medzi spoločnosti s domácimi vodnými-zariadeniami na spracovanie laserovým zariadením patria medzi spoločnosti, ktoré sa relatívne rýchlo rozvíjajú, okrem iných spoločnosti Wot Intelligent Manufacturing, Cosset a Shanghai Lengchen Technology. Niektoré ďalšie spoločnosti si osvojujú prístup priameho zavedenia súvisiacich zahraničných technológií a ich následného montáže a výroby na domácom trhu, pričom optimalizujú svoje produkty. Hoci to môže rýchlo vyplniť technologické medzery a krátkodobo znížiť náklady a čas na výskum a vývoj, z dlhodobého hľadiska stále existujú určité problémy, ako je závislosť na zahraničných základných technológiách, nevyvážené investície do výskumu a vývoja a riziká prelievania v priemyselnom reťazci. Autor sa domnieva, že by sa mal vytvoriť pozitívny cyklus „prekonania-absorpcie-úvodu“. Dobrou správou je, že v súčasnosti existujú domáce spoločnosti, ktoré sú schopné poskytnúť komerčné zariadenia so 100% lokálne vyrobenými komponentmi. S transformáciou a modernizáciou čínskeho výrobného priemyslu bude technológia vodného{13}}laserového spracovania hrať dôležitejšiu úlohu v špičkovej{14}}výrobe, najmä pri výrobe nových energetických vozidiel, letectva a{15}}zariadení vyššej triedy. Aplikácia laserovej{17}technológie vedenej vodou bude v týchto odvetviach stimulovať technologické inovácie a modernizáciu produktov.
