Zasada projektowania cięcia laserowego to systematyczny szkielet procesu zbudowany na skrzyżowaniu optyki, termodynamiki i materiałoznawstwa. Jego istotą jest precyzyjne usuwanie i kształtowanie materiałów poprzez interakcję kontrolowanej wiązki lasera o-energii-gęstości z materiałem. Realizacja tej zasady wymaga uwzględnienia trzech wymiarów: generacji i transmisji lasera, mechanizmów interakcji energii oraz dopasowywania parametrów procesu, tworząc kompletny łańcuch logiczny od „źródła energii” do „wyniku przetwarzania”.
Punktem wyjścia projektu jest generacja lasera. W obecnych zastosowaniach przemysłowych lasery światłowodowe, lasery CO₂ i lasery-na ciele stałym wykazują różne charakterystyki wiązki ze względu na różnice w ośrodkach wzmacniających i metodach wzbudzenia: Lasery światłowodowe wykorzystują światłowody domieszkowane-ziemi-jako ośrodek wzmacniający i osiągają wysoką-wydajność konwersji elektrooptycznej (do 30% lub więcej) poprzez pompowanie półprzewodników i wysyłanie wiązek ciągłych lub pulsacyjnych w pasmo bliskiej-podczerwieni (około 1070 nm), z zaletami takimi jak doskonała jakość wiązki (M² bliska 1), zwarta konstrukcja i-bezobsługowe działanie; Lasery CO₂ wykorzystują mieszaninę gazów CO₂ jako ośrodek wzmacniający i generują wiązkę-zakresu dalekiej podczerwieni (10,6 μm) poprzez wzbudzenie wyładowania, chociaż skuteczność elektro-optyczna jest stosunkowo niska (około 10%), ale współczynnik absorpcji w przypadku materiałów nie-metalowych i grubych płyt metalowych jest wyższy; Lasery-na ciele stałym (takie jak Nd:YAG) wykorzystują kryształy jako ośrodek wzmocnienia i mogą generować lasery o krótkich-impulsach lub ultrakrótkich-impulsach, odpowiednie do scenariuszy-mikroobróbki. Wybór lasera musi opierać się na kompleksowym rozważeniu właściwości absorpcyjnych materiału w zakresie długości fali (np. miedź i aluminium mają wysoki współczynnik odbicia dla laserów CO₂ 10,6 μm, co czyni je bardziej odpowiednimi dla laserów światłowodowych), wymaganej grubości obróbki i precyzji. Jest to rdzeń realizacji zasady „możliwości adaptacji źródła energii” stosowanej w projektowaniu.
Transmisja laserowa i ogniskowanie mają kluczowe znaczenie dla precyzyjnego dostarczania energii. Wiązka wychodząca z wnęki rezonansowej lasera musi być przekazywana do głowicy przetwarzającej za pośrednictwem elementów optycznych, takich jak zwierciadła kolimacyjne i zwierciadła odbijające. Następnie lustro ogniskujące (zwykle soczewka wypukła) skupia rozbieżną wiązkę w plamkę o średnicy od dziesiątek do setek mikrometrów. Zależność między średnicą plamki (d), ogniskową (f) i średnicą padającej wiązki (D) jest zgodna ze wzorem obrazowania soczewki (d≈f·θ, gdzie θ to kąt rozbieżności wiązki), określając bezpośrednio gęstość energii (E=P/(πd²/4), gdzie P to moc lasera)-im mniejszy rozmiar plamki, tym większa gęstość energii i tym łatwiej jest uzyskać-precyzyjne cięcie. Konstrukcja wymaga doboru ogniskowej w oparciu o obszar obróbki i wymagania dotyczące precyzji (krótkie ogniskowe dają małą plamkę ogniskowania, ale płytką głębię ostrości, odpowiednią do precyzyjnego cięcia cienkich płyt; długie ogniskowe mają dużą głębię ostrości, odpowiednią do stabilnej obróbki grubych płyt). Technologia dynamicznego ogniskowania (taka jak automatyczne dostosowywanie położenia ogniska wzdłuż osi Z-głowicy przetwarzającej w celu podążania za falowaniami powierzchni płyty) służy do kompensacji tłumienia energii spowodowanego nierównościami płyty, zapewniając równomierność energii w obszarze działania.
Mechanizm interakcji pomiędzy energią i materiałem determinuje fizyczną naturę procesu skrawania. Kiedy wiązka lasera naświetla powierzchnię materiału, energia jest pochłaniana i przekształcana w ciepło, powodując gwałtowny wzrost lokalnej temperatury do temperatury topnienia, a nawet wrzenia (temperatura topnienia większości materiałów metalicznych przekracza 1000 stopni, a temperatura wrzenia może osiągnąć 3000 stopni). W przypadku materiałów o niskiej przewodności cieplnej (takich jak stal nierdzewna) ciepło koncentruje się w obszarze punktowym, umożliwiając szybkie topienie; w przypadku materiałów silnie odblaskowych (takich jak aluminium i miedź) konieczne jest zwiększenie mocy lasera lub zastosowanie trybu pulsacyjnego (poprzez przełamanie progu odbicia mocą szczytową) w celu zwiększenia absorpcji energii. Stopiony metal jest wydmuchiwany z nacięcia za pomocą gazu pomocniczego (tlen, azot lub sprężone powietrze): tlen reaguje egzotermicznie z żelazem (utlenianie), zapewniając dodatkową energię cięcia, odpowiednią-do cięcia z dużą prędkością łatwo utlenionych materiałów, takich jak stal węglowa; azot, jako gaz obojętny, usuwa żużel wykorzystując jedynie energię kinetyczną, unikając utleniania i dając w wyniku-odbarwione cięcie wysokiej jakości, odpowiednie do zastosowań wymagających wysokiej jakości powierzchni, takich jak stal nierdzewna i stopy aluminium. Projekt musi być dostosowany do rodzaju i ciśnienia gazu wspomagającego w oparciu o przewodność cieplną materiału, pojemność cieplną właściwą i charakterystykę utleniania.-Zbyt niskie ciśnienie spowoduje powstawanie pozostałości żużla, natomiast zbyt wysokie ciśnienie może prowadzić do zbyt szerokiego nacięcia lub strat materiału. Aby zoptymalizować konstrukcję dyszy i kierunek przepływu powietrza, aby zapewnić skuteczne usuwanie żużla bez zakłócania ścieżki optycznej, potrzebne są symulacje numeryczne (takie jak analiza obliczeniowa dynamiki płynów (CFD) pola przepływu gazu).
Skoordynowane projektowanie parametrów procesu jest podstawą osiągnięcia stabilnego cięcia. Moc lasera (P), prędkość cięcia (v), częstotliwość impulsów (f) i cykl pracy (η) muszą być dopasowane: moc określa całkowitą energię pobraną w jednostce czasu, prędkość wpływa na czas trwania energii (energia na jednostkę długości=E/v) i oba razem określają, czy materiał jest całkowicie stopiony/odparowany. W trybie impulsowym częstotliwość i cykl pracy kontrolują energię pojedynczego-impulsu (E_pulse=P × η/f) i odstęp między impulsami, aby uniknąć akumulacji ciepła spowodowanej ciągłym nagrzewaniem (np. przy cięciu grubych blach, niska częstotliwość i wysoki cykl pracy mogą zmniejszyć szerokość-strefy wpływu ciepła). Projekt powinien wykorzystywać ortogonalny projekt eksperymentalny lub algorytmy uczenia maszynowego w celu ustalenia bazy danych „parametru-grubości-materiału. Na przykład w przypadku stali nierdzewnej 304 o grubości 3 mm optymalizacja kombinacji parametrów pod kątem mocy 1200 W, prędkości 2 m/min i ciśnienia azotu 0,8 MPa umożliwia uzyskanie-wysokiej jakości cięcia z chropowatością{{19} przekroju poprzecznego Ra mniejszą lub równą 12,5 μm.
Podsumowując, zasadą projektowania cięcia laserowego jest wielo-wymiarowa synergia „charakterystyki źródła energii, transmisji ścieżki optycznej, interakcji materiałów i dopasowania parametrów”. Zasadniczo przekształca abstrakcyjną „energię świetlną” w kontrolowaną „siłę obliczeniową” poprzez precyzyjną kontrolę właściwości fizycznych lasera i zachowania materiału, co ostatecznie pozwala uzyskać wydajne i-precyzyjne kształtowanie złożonych konturów. Ciągła ewolucja tej zasady (np. impulsy femtosekundowe/pikosekundowe w ultraszybkich laserach w celu tłumienia dyfuzji termicznej i optymalizacja parametrów w czasie rzeczywistym-przy użyciu inteligentnych algorytmów) stale poszerzają granice zastosowań cięcia laserowego, czyniąc go niezbędną technologią podstawową w zaawansowanej produkcji.
