Μια βαθιά βουτιά στην ταχύτητα κοπής λέιζερ και την ισχύ - 💡 Fix My Ideas

Μια βαθιά βουτιά στην ταχύτητα κοπής λέιζερ και την ισχύ

Μια βαθιά βουτιά στην ταχύτητα κοπής λέιζερ και την ισχύ


Συγγραφέας: Ethan Holmes, 2019

Μια από τις πιο περίπλοκες πτυχές που πρέπει να λάβετε υπόψη όταν η κοπή λέιζερ είναι η λεπτή ισορροπία μεταξύ της ταχύτητας μετάδοσης και της ισχύος του λέιζερ. Θέλουμε να κόψουμε όσο το δυνατόν γρηγορότερα, αλλά υπάρχουν φορές που είναι καλύτερο να επιβραδυνθεί; Η σύντομη απάντηση είναι: "σίγουρα ναι".

Θα μοιραστούμε με την κοινότητα των κατασκευαστών μας τα αποτελέσματα που έχουν η ταχύτητα και η ισχύς σε πλάτος κοπής, γωνία κεραίας και βάθος εγχάραξης. Αυτή θα είναι η πρώτη έκδοση μιας τρέχουσας σειράς άρθρων, με τη βοήθεια του Mako.

Τι ακριβώς κάνουμε λοιπόν;

Όπως γνωρίζει οποιοσδήποτε κατασκευαστής λέιζερ, οι δύο πιο σημαντικές παράμετροι κατά τη βαθμονόμηση ενός λέιζερ είναι η ταχύτητα μετάφρασης και η ισχύς του λέιζερ. Άλλες παράμετροι όπως η ανάλυση, η κατεύθυνση χάραξης και η συχνότητα θα έχουν επίσης αντίκτυπο στη δουλειά σας, αλλά καμία από τις δύο μεγάλες. Θα προσδιορίσουμε σε ποιο βαθμό αυτές οι δύο παράμετροι έχουν οποιαδήποτε προβλέψιμη συμπεριφορά στην ποιότητα της περικοπής.Πιο συγκεκριμένα, όταν κόβουμε ένα κομμάτι υλικού, παρατηρούμε ότι το κούμπωμα ή το πάχος της κοπής εξαρτάται από τη συνολική ενέργεια που εστιάζουμε σε ένα σημείο πάνω σε μια επιφάνεια εργασίας.

Για μια πρώτη προσέγγιση στο 2D, έχουμε ορίσει αυτό το επίπεδο ενέργειας ως η ισχύς του λέιζερ x η εστιακή επιφάνεια λέιζερ διαιρούμενη με την ταχύτητα μετάφρασης.

Η ακτίνα λέιζερ που τρυπά ένα υλικό πάχους 3mm, βλέπουμε μια υπερβολική γωνία Kerf 1 βαθμού και πλάτος κεραίας 0.25mm.

Για χάρη των δοκιμών μας:

Το πείραμά μας ήταν απλό: χρησιμοποιώντας το "AutoDesk Fusion 360" σχεδιάσαμε μια σειρά τετραγώνων 5mm με 5mm και κόψαμε 10 παραδείγματα από το καθένα χρησιμοποιώντας διαφορετικές ρυθμίσεις ενέργειας. Κάθε μεμονωμένο τετράγωνο μετρήθηκε με ένα μικρόμετρο για δύο διαφορετικά χαρακτηριστικά:

1. Μέσο πλάτος Kerf: Το μέσο πλάτος kerf (a.k.w.) είναι το πλάτος της δέσμης λέιζερ που κόβει το κατασκευασμένο μέρος. Αυτή η μέτρηση είναι σημαντική καθώς πρέπει να ληφθεί υπόψη στο σχεδιασμό για την κατασκευή στενών συνδέσμων κατά τη συναρμολόγηση πολλαπλών τμημάτων.

Πειραματικά προσδιορίσαμε τον παράγοντα a.k.w. μετρώντας τις επάνω και κάτω επιφάνειες των δειγμάτων μας κατά την κατεύθυνση Χ και την κατεύθυνση Υ. Ο τύπος που χρησιμοποιείται για το μέσο πλάτος kerf είναι:

2. Μέση γωνία Kerf: Η γωνία του καναλιού kerf (a.k.a.) είναι η γωνία του καναλιού καύσης σε σχήμα V σε σχέση με τη δέσμη λέιζερ. Πειραματικά προσδιορίσαμε τον παράγοντα μέτρησης της διαφοράς διαστάσεων μεταξύ της άνω επιφάνειας και των κάτω επιφανειών για κάθε δείγμα. Ο τύπος που χρησιμοποιείται για τη γωνία kerf είναι:

Μια δεύτερη δοκιμή έγινε όπου χαράξαμε (ραστρωματοποίηση) την επιφάνεια των τετραγώνων 5 χιλιοστών Χ 5 χιλιοστών ενώ αλλάζουμε τα επίπεδα ενέργειας και δοκιμάζουμε για να δούμε πόσο υλικό αφαιρέθηκε. Αυτή η δοκιμή απαιτούσε να μετρήσουμε με ακρίβεια το πάχος του υλικού πριν και μετά από κάθε δοκιμή με ένα μικρόμετρο υψηλής ακρίβειας.

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

Αυτό που δείχνουμε είναι μια σαφής σχέση μεταξύ του πάχους της κοπής, της γωνίας του κοπής και του βάθους κοπής και της ενέργειας του λέιζερ. Καθώς αυξάνουμε την Ενέργεια, η κωνική δέσμη λέιζερ θα καεί το υλικό από την επιφάνεια εργασίας προς τη βάση σε κυλινδρικό όγκο και συνεπώς θα δημιουργήσει παράλληλα τοιχώματα μεταξύ του κεραυνού. Ωστόσο, καθώς η ενέργεια θα είναι πολύ υψηλότερη, αυτό θα κάψει περισσότερο υλικό και επομένως θα διευρύνει τη συνολική ανοχή στο κομμένο κανάλι.

Αποτελέσματα

Kerf Tolerance: Η ανοχή Kerf φαίνεται να είναι αρκετά προβλέψιμη και σχετίζεται με το επίπεδο της ενέργειας που εστιάζουμε στην επιφάνεια εργασίας. Αυτό είναι πολύ βολικό καθώς μας επιτρέπει να προσαρμόζουμε τις αποκοπές μας με βάση το επίπεδο ανοχής που αναζητούμε!

Μέσα σε ορισμένα όρια μπορούμε να προβλέψουμε την ανοχή του Kerf εφαρμόζοντας μια απλή γραμμική εξίσωση. Ωστόσο, πρέπει να είμαστε προσεκτικοί επειδή, όπως μπορούμε να δούμε, όσο περισσότερη ενέργεια εστιάζουμε στην περιοχή περικοπής, τόσο λιγότερο γίνεται η περικοπή μας. Όταν αρχίζουμε να λιώσουμε σε μεγάλο βαθμό το υλικό μέσα στην εντοπισμένη περιοχή της κοπής, η υγρή φύση της ζώνης κοπής καθίσταται λιγότερο προβλέψιμη.

Βλέπουμε ότι η ανοχή σχετίζεται άμεσα με την ισχύ και την ταχύτητα. Ομοίως, το μέγεθος, η εστιακή απόσταση του φακού λέιζερ και η δυνατότητα των χρηστών να τοποθετούν με ακρίβεια το ύψος Z πάνω από την επιφάνεια εργασίας διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην ακρίβεια αυτής της μέτρησης. Αυτό θα εξηγηθεί λεπτομερέστερα στην ενότητα "μελλοντικές εξελίξεις" αυτού του άρθρου.

Γωνία κεφαλής:

Μέσα σε ορισμένα όρια μπορούμε να προβλέψουμε τη γωνία του Kerf εφαρμόζοντας μια απλή γραμμική εξίσωση. Ωστόσο, πρέπει να είμαστε προσεκτικοί επειδή, όπως μπορούμε να δούμε, όσο περισσότερη ενέργεια εστιάζουμε στην περιοχή περικοπής, τόσο λιγότερο γίνεται η περικοπή μας.

Οι δοκιμές που έγιναν στη γωνία kerf είναι πολύ λιγότερο ακριβείς καθώς η ομάδα δείγματος είναι πολύ μικρότερη και δεν υπάρχουν αρκετά δεδομένα για να εξακριβωθεί ότι υπάρχει γραμμική σχέση μεταξύ της ενέργειας και της γωνίας kerf. Οι ακόλουθοι υπολογισμοί εκφράζουν μια γραμμική λύση για το σύνολο δεδομένων που μετρήσαμε.

Η γωνία Kerf είναι εξίσου προβλέψιμη και σχετίζεται με το επίπεδο ενέργειας που εστιάζουμε στην επιφάνεια εργασίας. Αυτό γενικά είναι λιγότερο χρήσιμο όταν επεξεργάζεστε εξαρτήματα, αλλά υπάρχουν κάποιες πολύ συγκεκριμένες περιπτώσεις στις οποίες είναι πολύ χρήσιμο.

Παράδειγμα 1 (ταχύτητες):

Δημιουργία γραναζιών: Όταν τα εργαλεία κοπής λέιζερ κοπής λέιζερ, είναι σημαντικό να διατηρηθεί η ακριβής offset (για να ελαχιστοποιηθεί η αντίδραση και να εξασφαλιστεί η επαφή με τα δόντια). Για τους οδοντωτούς τροχούς, είναι επίσης σημαντικό να λάβετε υπόψη το προφίλ των δοντιών. Δεδομένου ότι το λέιζερ δεν μπορεί πραγματικά να κοπεί κάθετα στην επιφάνεια, όλα τα γρανάζια γραναζιών λέιζερ είναι στην πραγματικότητα "κωνικά γρανάζια". Το προφίλ οδόντων στην μπροστινή επιφάνεια δεν θα είναι το ίδιο με το προφίλ στο πίσω μέρος. Το φαινόμενο αυτό μπορεί να είναι εντελώς αμελητό για τις περισσότερες πρακτικές εφαρμογές, αλλά είναι σίγουρα κάτι κατανοητό, ώστε να μπορούν να γίνονται εκτιμήσεις κατά τη φάση σχεδιασμού.

Ταχυδακτυλιοειδές εργαλείο διασταυρώσεων ΔιατομήΣύστημα: https://khkgears.net/new/gear_knowledge/gear_technical_reference/gear_backlash.html

Παράδειγμα 2 (Microfluidics): "Η Microfluidics ασχολείται με τη συμπεριφορά, τον ακριβή έλεγχο και τον χειρισμό υγρών που είναι γεωμετρικά περιορισμένα σε μια μικρή, τυπικά υπομεγαλομετρική κλίμακα στην οποία η τριχοειδής διείσδυση ρυθμίζει τη μαζική μεταφορά. Πρόκειται για ένα διεπιστημονικό πεδίο στη διατομή της μηχανικής, της φυσικής, της χημείας, της βιοχημείας, της νανοτεχνολογίας και της βιοτεχνολογίας, με πρακτικές εφαρμογές στο σχεδιασμό συστημάτων στα οποία επεξεργάζονται χαμηλοί όγκοι υγρών για την επίτευξη πολυπλεξίας, αυτοματισμού και υψηλής απόδοσης διαλογής. Το Microfluidics προέκυψε στις αρχές της δεκαετίας του 1980 και χρησιμοποιείται στην ανάπτυξη κεφαλών εκτύπωσης inkjet, τσιπ DNA, τεχνολογίας lab-on-a-chip, μικροπροωθητικών και μικρο-θερμικών τεχνολογιών. "- Wikipedia

Λόγω της σχετικής κλίμακας και της συνεκτικότητας που απαιτείται για την κατασκευή ενός συστήματος Microfluidic, είναι επιτακτική η συνεκτίμηση της τριχοειδούς γεωμετρίας καθώς θα επηρεάσει την απόδοση του συστήματος.

Πρέπει να ληφθεί υπόψη η διατομή του τριχοειδούς, από τις οποίες οι δύο κύριες διαστάσεις θα είναι βάθος και κωνικότητα (βλέπε εικόνα). Οι προτεινόμενοι υπολογισμοί για τη γωνία κλίσης μπορούν να επιτρέψουν την ανάπτυξη πιο ακριβών μικρορευστοειδών συστημάτων.

Βάθος κοπής Το βάθος κοπής είναι πολύ προβλέψιμο και σχετίζεται με το επίπεδο ενέργειας που εστιάζουμε στην επιφάνεια εργασίας. Αυτό είναι ενδιαφέρον καθώς μας επιτρέπει να ρυθμίζουμε το βάθος χάραξης καθώς και τις παραμέτρους κοπής για το μεταβαλλόμενο πάχος του PMMA.

Οι δοκιμές έγιναν όλα σε σχετικά χαμηλά επίπεδα ενέργειας καθώς θέλαμε να μειώσουμε τον αντίκτυπο του καπνού. Οι δοκιμές σε υψηλότερη ισχύ είναι λιγότερο ακριβείς καθώς έχουμε υψηλή συγκέντρωση καπνού που παραμένει μέσα στο κανάλι, καθώς και η διάθλαση του λέιζερ έναντι των μη παράλληλων τοιχωμάτων. Τα αποτελέσματα αυτών των δοκιμών μας έδωσαν ακόμα το 10% των απαιτούμενων ενεργειακών επιπέδων για κοπή υλικού μέχρι 6mm.

Αυτές οι πληροφορίες είναι χρήσιμες όταν κάνετε χαρακτική σε κλίμακα του γκρίζου για εικόνες, 3D αναγλύσεις και εργασίες λιθοφαγίας. Χρησιμοποιώντας λογισμικά όπως το Photoshop, το CorelDraw ή οποιοδήποτε λογισμικό επεξεργασίας εικόνας, μπορούμε να μετατρέψουμε οποιαδήποτε εικόνα σε ασπρόμαυρη εικόνα. Από το οποίο μπορούμε να εφαρμόσουμε ροή εργασίας rasterization χρησιμοποιώντας το λέιζερ μας.

Γενικά, ρυθμίζουμε την εικόνα για να δημιουργήσουμε μια εικόνα σε κλίμακα του γκρίζου μεγέθους των 120dpi-300dpi. Η αύξηση της ανάλυσης ή του βάθους χρώματος απαιτεί εξαιρετικά αργές ταχύτητες χάραξης για να εξάγεται οποιαδήποτε βελτίωση της ποιότητας. Μόλις η εικόνα φορτωθεί στο λογισμικό επεξεργασίας λέιζερ (RdWorks V8 στο Mako), βαθμολογούμε το λέιζερ μας για να χαράξουμε τις μαύρες περιοχές (RGB: 255.255.255) στο μέγιστο βάθος μας και τις λευκές περιοχές (RGB: 0,0,0) ελάχιστο απαιτούμενο βάθος (συνήθως 0,1 mm).

Αυτή η τεχνική μας επιτρέπει να χαράσσουμε τις εικόνες με λέιζερ σε πλαστικό ή να έχουμε ακριβή βάθη τσέπης για μηχανικά μέρη. Το βάθος και το εύρος αυτής της τεχνικής και όλες οι σημαντικές παράμετροι είναι εκτός του πεδίου εφαρμογής αυτού του άρθρου.

Μελλοντικές εξελίξεις: Σε αυτό το μοντέλο υπάρχουν ορισμένες ελλείψεις.

Σε μελλοντικά άρθρα θα θέλαμε να καθορίσουμε 2 επιπλέον κριτήρια:

  1. Η αβεβαιότητα της τοποθέτησης του λέιζερ στον άξονα Ζ.
  2. Οι συντελεστές επιτάχυνσης Χ και Υ για το λέιζερ μας (και μια καθορισμένη μέθοδος για τη μέτρηση αυτού) ώστε να μπορούν να υπολογιστούν συνεπείς μεταφορές ενέργειας.
  3. Ένα πιο εξελιγμένο μοντέλο που λαμβάνει υπόψη την ένταση του λέιζερ και την οπτική απορρόφηση, διάθλαση και ανάκλαση κατά τη διάρκεια της καύσης του υλικού.
  4. Διαρροή θερμότητας στο υλικό εργασίας και τα αποτελέσματά του στο πλάτος του κεραυνού.

Πρώτον, η πρώτη μας θεραπεία δεν θεωρεί την ανακριβή τοποθέτηση του λέιζερ πάνω στην επιφάνεια εργασίας. Παρέχαμε απλώς μια προσέγγιση όπου θεωρούσαμε ότι η διάμετρος λέιζερ είναι 250 μικρά και η ένταση του λέιζερ να είναι σταθερή σε όλη τη δέσμη. Όπως μπορούμε να δούμε στα παρακάτω σχήματα, η ένταση και η εστιακή διάμετρος είναι άμεσες συνέπειες της ικανότητας του χρήστη να εστιάζει σωστά τη δέσμη. Σε μελλοντικά άρθρα θα θέλαμε να χρησιμοποιήσουμε οπτικούς προσομοιωτές ακτινογραφίας για να έχουμε ένα καλύτερο μοντέλο που θα μας επιτρέψει να καθορίσουμε την κλίση της έντασης δέσμης σε συνάρτηση με το ύψος Ζ.

Δεύτερον, η ταχύτητα μετάφρασης των λέιζερ δεν είναι σταθερή. Καθώς μειώνουμε το συνολικό μήκος ενός τμήματος γραμμής, τα αποτελέσματα της επιτάχυνσης / επιβράδυνσης του φορείου λέιζερ γίνονται πιο εμφανή. Αυτό σημαίνει ότι για μια μικρή γραμμή 5mm, μπορεί να είναι αδύνατο να δοκιμαστεί με ταχύτητες μετάφρασης πάνω από λίγα mm / s, καθώς το μηχάνημα δεν θα έχει ποτέ το χρόνο να φτάσει στην καθορισμένη ταχύτητα. Υπάρχουν εταιρείες που έχουν σχεδιάσει αυτήν την επιτάχυνση / επιβράδυνση στην εκτίμηση του χρόνου τους και θα είναι απαραίτητο να προσδιοριστεί η "κρίσιμη ταχύτητα" για δεδομένα μήκη γραμμών, πάνω από τα οποία η υπολογιζόμενη μετάδοση ενέργειας μπορεί να θεωρηθεί ψευδής.

Τέλος, θα θέλαμε να αναπτύξουμε ένα πιο ολοκληρωμένο μοντέλο όπου μπορούμε να λάβουμε υπόψη την απορρόφηση του φωτός 1016nm από τα δεδομένα υλικά, την ικανότητά τους να διαθλώνται το φως καθώς και την ικανότητά τους να μεταδίδουν αυτήν την ενέργεια ως θερμότητα. Η τρέχουσα δοκιμή δείχνει ότι υπάρχει μια ορισμένη συσχέτιση με αυτό που ονομάσαμε άγρια ​​"μεταφορά ενέργειας" και τις επιπτώσεις της στη μηχανική κατεργασία. Θα ήταν πολύ πιο κομψό και χρήσιμο να έχουμε μια φόρμουλα για εφαρμογή, η οποία θα καθορίζεται από πραγματικά φυσικά χαρακτηριστικά, που θα μας έδινε τις επιπτώσεις στη μηχανική κατεργασία.

Συμπέρασμα:

Ελπίζουμε ότι αυτό το άρθρο δίνει στους υφιστάμενους Fablabs και makerspaces μια νέα προοπτική για τη φινέτσα που μπορούμε να επιτύχουμε με την τεχνολογία λέιζερ Co2 laser. Ομοίως, για νέα εργαστήρια, αυτό το άρθρο μπορεί να βοηθήσει στην εύρεση της πρώτης σας σειράς "τραχιών" παραμέτρων για την αποτελεσματική και ασφαλή κοπή λέιζερ. Θα συνεχίσουμε να δοκιμάζουμε διαφορετικά υλικά και ελπίζουμε να αναπτύξουμε μια κοινότητα παραγωγών που θα ήθελε να συμβάλει σε αυτό το έργο.

Πρέπει να βελτιώσουμε το φυσικό μοντέλο που έχουμε αναπτύξει ώστε να μπορούμε να λάβουμε υπόψη τις φυσικές ιδιότητες των υλικών. Μακροπρόθεσμα, ο στόχος θα ήταν να συσχετιστούν οι επιπτώσεις της κοπής με λέιζερ στις ιδιότητες (οπτική διάθλαση και απορρόφηση, θερμική αγωγιμότητα, ενέργεια εξάτμισης κλπ.) Που διατίθενται στα δελτία δεδομένων των νέων υλικών. Με αυτά τα μέσα, ενδέχεται να είμαστε σε θέση να προβλέψουμε τις παραμέτρους για τα υλικά και να καθορίσουμε τη σκοπιμότητά τους προτού να αγοράσουμε ή να δοκιμάσουμε.

Ο τελικός μας στόχος θα ήταν να αναπτύξουμε μια μικρή εφαρμογή / widget, όπου ένας χρήστης θα μπορούσε να εισάγει την ονομαστική ισχύ του λέιζερ και την επιλογή υλικού για την εφαρμογή να παράγει τις απαιτούμενες ρυθμίσεις. Αυτό θα επέτρεπε στους νέους κατασκευαστές να λειτουργήσουν γρηγορότερα και τα εργαστήρια να είναι πιο κερδοφόρα.

Αυτή η σειρά πειραμάτων ήταν ενδιαφέρουσα και φωτισμένη για εμάς στο Mako. Ελπίζουμε ο αναγνώστης να το βρει εξίσου ενδιαφέρον και χρήσιμο. Είμαστε ανοιχτοί σε όλες τις συζητήσεις σχετικά με την προσπάθεια να οικοδομήσουμε μια κοινότητα για να τελειοποιήσουμε και να τελειοποιήσουμε το έργο μας. Σας ευχόμαστε καλή τύχη με το λέιζερ σας και προσέχετε την επόμενη δόση: Μελέτες laser βαθμονόμησης σε MDF 3mm.



Μπορεί Να Σας Ενδιαφέρει

Aurora: Τέχνη ενώνει την Κοινότητα

Aurora: Τέχνη ενώνει την Κοινότητα


Η Τρισδιάστατη Σάρωση συναντά το Μουσείο στο Smithsonian

Η Τρισδιάστατη Σάρωση συναντά το Μουσείο στο Smithsonian


Miami Mini Maker Faire 2013

Miami Mini Maker Faire 2013


Κύβος 2

Κύβος 2