01 Technické principy a vlastnosti
Základním principem laseru naváděného vodou-je spojit laserový paprsek do vysokotlakého-mikroproudu vody a navést laser na povrch materiálu skrz vodní paprsek. V tomto systému laser generovaný laserovým zdrojem nejprve prochází řadou optických komponent (jako jsou čočky a zrcadla) za účelem kolimace a zaostření a poté je kombinován s vysokotlakým- paprskem vody speciální tryskou. Vodní paprsek tvoří v trysce maličký kanálek a laserový paprsek je tímto kanálkem veden na povrch obrobku, jak je znázorněno na obrázku 1. Protože index lomu vody je odlišný od indexu lomu vzduchu, mění se dráha šíření laseru ve vodě, takže pro zajištění stability a energetického zaměření laserového paprsku je vyžadována přesná optická konstrukce.
Obrázek 1. Technický princip vodou naváděných-laserů.
Vysoká přesnost: Vodou -naváděná laserová technologie může dosáhnout přesnosti zpracování na úrovni submilimetrů nebo dokonce mikrometrů-. Vzhledem k tomu, že průměr vodního paprsku je velmi malý, obvykle jen desítky až stovky mikrometrů, lze laserový paprsek přesně navést do konkrétních pozic na obrobku pro operace jemného řezání, vrtání nebo gravírování. Vysoká účinnost: Během vodního-laserového zpracování je laserový paprsek přenášen přímo na povrch obrobku prostřednictvím vodního paprsku, čímž se snižuje ztráta energie a rozptyl ve vzduchu. Kromě toho vodní paprsek také poskytuje chladicí a proplachovací efekty, účinně snižuje povrchovou teplotu obrobku a redukuje tepelně-ovlivněnou zónu, čímž zlepšuje efektivitu a kvalitu zpracování. Snížené tepelné poškození: V důsledku chladicího účinku vodního paprsku je tepelně-zóna (HAZ) ve vodním-laserovém zpracování velmi malá. Tepelně-ovlivněná oblast označuje oblast na povrchu a uvnitř obrobku, kde dochází k tepelné deformaci, poškození nebo fázovým změnám v důsledku vedení tepla a záření během laserového zpracování. Rychlé ochlazení vodního paprsku ve vodním-laserovém zpracování rychle odebírá teplo z povrchu obrobku, čímž zmenšuje velikost a hloubku tepelně-zasažené oblasti a zabraňuje tepelné deformaci a poškození materiálu.
Obrázek 2. (a) SEM snímky řezů z titanové slitiny řezanými řezy „konvenčním suchým laserem“ a řezáním-vodou řízeným laserem, (b) srovnání řezaných povrchů CFRP získaných vodou-řízeným laserem a řezáním ‚konvenčním suchým laserem'.
02 Aplikační pole
Letecký průmysl: Letecký průmysl má velmi vysoké požadavky na přesnost a kvalitu zpracování materiálu a v této oblasti je široce používána laserová technologie naváděná vodou-. Lze jej použít ke zpracování klíčových součástí leteckých motorů, jako jsou lopatky, kotouče turbín a spalovací komory, které jsou obvykle vyrobeny z obtížně zpracovatelných--materiálů, jako jsou superslitiny a slitiny titanu. Vodou-naváděné lasery dokážou tyto materiály efektivně řezat a gravírovat, přičemž zajišťují přesnost zpracování a kvalitu povrchu, čímž zvyšují výkon a spolehlivost součástí. Vodou-naváděné lasery lze navíc použít také pro zpracování konstrukčních částí leteckých dopravních prostředků, jako jsou křídla a trupy, což umožňuje obrábění složitých tvarů a lehkých konstrukcí.
Oblast polovodičů: Při výrobě polovodičů lze vodou-naváděné lasery používat k řezání polovodičových materiálů, jako jsou křemíkové destičky, a také k balení a testování čipů. Protože polovodičové materiály vyžadují extrémně vysokou přesnost zpracování a kvalitu povrchu, vysoká přesnost a vlastnosti vodního- laseru s nízkým tepelným poškozením z nich činí ideální nástroj pro zpracování. Mohou dosáhnout jemného řezání křemíkových plátků, vyhnout se prasklinám a poškození, čímž se zlepší výtěžnost a výkon čipů. Vodou{5}}řízené lasery lze navíc použít pro mikro-zpracování polovodičových zařízení, jako je výroba mikroelektronických součástek a leptání mikroobvodů, což zajišťuje přesnost obrábění na úrovni mikrometrů nebo dokonce nanometrů.
Nové energetické pole: V novém energetickém sektoru lze vodní-lasery použít ke zpracování klíčových součástí nových energetických zařízení, jako jsou solární panely a palivové články. Například při výrobě solárních panelů lze vodní-lasery použít k řezání křemíkových plátků a leptání vzorů elektrod na povrchu solárních článků, čímž se zvyšuje účinnost fotovoltaické konverze a výkon panelů. Při výrobě palivových článků mohou vodou -naváděné lasery zpracovávat součásti, jako jsou sestavy membránových elektrod a bipolární desky, což umožňuje vysoce přesné řezání a gravírování-, čímž zlepšuje výkon a životnost palivových článků.
Obrázek 3. Aplikace vodou-naváděných laserů.
03 Výzvy a problémy, kterým čelí vodní-naváděné lasery
Stabilita vodního paprsku: Během vodního-laserového zpracování se může vysokorychlostní proud vody stát nestabilní, což může ovlivnit kvalitu zpracování. Například během řezání může kolísání vodního paprsku způsobit odchylky v linii řezu nebo zvýšit drsnost povrchu, což má dopad jak na přesnost obrábění, tak na kvalitu povrchu. Pro zajištění stability vodního paprsku je nutné optimalizovat systém řízení vodního paprsku tak, aby mohl udržovat stabilní stav po celou dobu zpracování.
Efektivita laserové{0}}vazby vody: Účinnost vazby mezi laserovým paprskem a vodním paprskem přímo ovlivňuje výsledky zpracování. Pokud je účinnost vazby nízká, ztráta energie laseru ve vodním paprsku se zvýší, což sníží efektivitu i kvalitu zpracování.
Technické požadavky na otvory trysek: Aby bylo zajištěno vysoce kvalitní-kvalitní laserové zpracování{1}}vodou, je kritická konstrukční a výrobní přesnost otvoru trysky. Otvor trysky musí mít extrémně tenké stěny při zachování vysoké přesnosti kulatosti a nulového kužele, aby odolal vlivu proudu vody. Kromě toho musí být drsnost vnitřního povrchu otvoru udržována extrémně nízká, aby byla zajištěna stabilita a konzistence vodního paprsku.
Přizpůsobivost prostředí: Vodou-naváděná laserová zpracovatelská zařízení mají vysoké požadavky na životní prostředí. Například provoz zařízení vyžaduje stabilní napájení, čistou vodu a prostředí s konstantní teplotou a vlhkostí. V prostředí se špatnými podmínkami, jako jsou velké teplotní výkyvy, vysoká vlhkost nebo nestabilní napájení, se může výkon zařízení zhoršit nebo dokonce selhat. Kromě toho faktory, jako je prach a vibrace v prostředí, mohou narušovat zpracování, což ovlivňuje přesnost a kvalitu obrábění. Proto je v praktických aplikacích nezbytná přísná kontrola a správa provozního prostředí zařízení.
04 Současný stav vývoje průmyslu doma i v zahraničí
S neustálým pokrokem v technologii přesného laserového zpracování a rostoucí poptávkou na trhu se neustále vyvíjí a zdokonaluje technologie laserového zpracování- vedeného vodou. Mezi mezinárodně uznávané přední výrobce vodního-laserového zařízení patří především dvě společnosti: švýcarská Synova a Avonisys. V současné době mezi společnostmi zabývajícími se domácími vodními-zařízeními pro laserové zpracování, mezi ty, které se poměrně rychle rozvíjejí, patří mimo jiné Wot Intelligent Manufacturing, Cosset a Shanghai Lengchen Technology. Některé další společnosti uplatňují přístup přímého zavedení souvisejících zahraničních technologií a jejich následné montáže a výroby v tuzemsku při optimalizaci svých produktů. Ačkoli to může rychle zaplnit technologické mezery a krátkodobě snížit náklady a čas na výzkum a vývoj, z dlouhodobého hlediska stále existují určité problémy, jako je závislost na zahraničních klíčových technologiích, nevyvážené investice do výzkumu a vývoje a rizika přelévání v průmyslovém řetězci. Autor se domnívá, že by měl být zaveden pozitivní cyklus „překonání-absorpce-“. Dobrou zprávou je, že nyní existují tuzemské společnosti schopné poskytovat komerční zařízení se 100% lokálně vyráběnými komponenty. S transformací a modernizací čínského zpracovatelského průmyslu bude technologie vodního{13}}laserového zpracování hrát důležitější roli ve špičkové{14}}výrobě, zejména ve výrobě nových energetických vozidel, letectví a{15}}zařízení. Aplikace laserové{17}}technologie naváděné vodou bude v těchto odvětvích řídit technologické inovace a modernizaci produktů.
