Станок для микроструйной лазерной обработки с направляющим потоком воды

Изображение микроструйного лазерного станка с направляющим потоком воды.

Краткое описание:

Поскольку производство постоянно требует повышения точности и производительности, технология лазерной обработки с использованием водоструйной обработки (WJGL) набирает обороты как в плане внедрения в инженерную практику, так и в плане рыночного потенциала. В высокотехнологичных отраслях, таких как аэрокосмическая промышленность, электроника, производство медицинских изделий и автомобилестроение, предъявляются жесткие требования к точности размеров, целостности кромок, контролю зоны термического воздействия (ЗТВ) и сохранению свойств материала. Традиционные процессы — механическая обработка, терморезка и стандартная лазерная обработка — часто сталкиваются с проблемами чрезмерного термического воздействия, микротрещинообразования и ограниченной совместимостью с высокоотражающими или термочувствительными материалами.

Отправьте нам электронное письмо

Функции

Подробная схема

Введение

Поскольку в обрабатывающей промышленности постоянно растут требования к точности и производительности,лазер с водяной струей (WJGL)Технологии набирают обороты как в плане внедрения в инженерную практику, так и в плане рыночного потенциала. В высокотехнологичных отраслях, таких как аэрокосмическая промышленность, электроника, производство медицинских изделий и автомобилестроение, предъявляются жесткие требования к точности размеров, целостности кромок, контролю зоны термического воздействия (ЗТВ) и сохранению свойств материала. Традиционные процессы — механическая обработка, терморезка и стандартная лазерная обработка — часто сталкиваются с проблемами чрезмерного термического воздействия, микротрещинообразования и ограниченной совместимостью с высокоотражающими или термочувствительными материалами.

Для решения этих проблем исследователи ввели в лазерный процесс высокоскоростную микрострую воды, создав WJGL. В этой конфигурации струя воды одновременно служит в качествесреда, направляющая лучи анэффективное охлаждающее/средство для удаления мусораулучшая качество резки и расширяя область применения материалов. Концептуально WJGL представляет собой инновационный гибрид традиционной лазерной обработки и гидроабразивной резки, обеспечивающий высокую плотность энергии, высокую точность и значительно сниженное термическое повреждение — характеристики, которые поддерживают широкий спектр сценариев высокоточного производства.

Станок для микроструйной лазерной обработки с направляющим потоком воды

Принцип работы лазера, управляемого струей воды.

Как показано на рис. 1, центральная концепция WJGL заключается в передаче лазерной энергии через непрерывную струю воды, фактически функционирующую как «жидкое оптическое волокно». В обычных оптических волокнах свет направляется с помощьюполное внутреннее отражение (ПВО)из-за разницы показателей преломления между сердцевиной и оболочкой. WJGL использует тот же механизм.граница раздела вода-воздухВода имеет показатель преломления приблизительно .1.33, в то время как воздух примерно1.00Когда лазер вводится в струю при соответствующих условиях, полное внутреннее отражение (ПВО) ограничивает луч в пределах водного столба, обеспечивая стабильное распространение с низкой расходимостью в направлении зоны обработки.

Рис. 1. Технические характеристики лазера с водоструйным управлением (схема).

Конструкция сопла и формирование микроструи

Для эффективного ввода лазерного луча в струю требуется сопло, способное создавать стабильную, непрерывную, почти цилиндрическую микрострую, позволяя при этом лазерному лучу входить под подходящим углом для поддержания полного внутреннего отражения на границе раздела вода-воздух. Поскольку стабильность струи в значительной степени определяет стабильность пропускания луча и постоянство фокусировки, системы WJGL обычно полагаются на точный контроль потока жидкости и тщательно спроектированную геометрию сопла.

На рисунке 2 показаны типичные состояния струи, создаваемые различными типами сопел (например, капиллярными и различными коническими конструкциями). Геометрия сопла влияет на сужение струи, ее стабильную длину, развитие турбулентности и эффективность сцепления, тем самым влияя на качество обработки и повторяемость.

Вода также демонстрирует поглощение и рассеяние, зависящие от длины волны. В видимом и ближнем инфракрасном диапазонах поглощение относительно низкое, что обеспечивает эффективную передачу. Напротив, поглощение возрастает в дальнем инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах, поэтому большинство реализаций WJGL работают в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах.

Рис. 2. Конструкции сопел для формирования микроструи: (а) схема сужения; (б) капиллярное сопло; (в) коническое сопло; (г) верхнее коническое сопло; (д) нижнее коническое сопло.

Основные преимущества WJGL

Традиционные методы обработки включают механическую резку, термическую резку (например, плазменную/пламенную) и обычную лазерную резку. Механическая обработка основана на контакте; износ инструмента и силы резания могут вызывать микроповреждения и деформации, ограничивая достижимую точность и целостность поверхности. Термическая резка эффективна для толстых деталей, но обычно приводит к образованию больших зон термического воздействия, остаточных напряжений и микротрещин, которые снижают механические характеристики. Обычная лазерная обработка, хотя и универсальна, все же может страдать от относительно больших зон термического воздействия и нестабильной работы на сильно отражающих или термочувствительных материалах.

Как показано на рис. 3, технология WJGL использует воду в качестве среды передачи и одновременно охлаждающей жидкости, что значительно уменьшает зону термического воздействия и подавляет деформации и микротрещины, тем самым повышая точность и качество кромок/поверхностей (см. рис. 4). Ее преимущества можно суммировать следующим образом:

Низкий уровень термических повреждений и улучшенное качество.Высокая удельная теплоемкость и непрерывный поток воды быстро отводят тепло, ограничивая накопление тепла и способствуя сохранению микроструктуры и свойств материала.
Повышенная стабильность фокусировки и энергоэффективность.Ограничение распространения внутри струи уменьшает рассеяние и потери энергии по сравнению с распространением в свободном пространстве, что позволяет достичь более высокой плотности энергии и более стабильной обработки — это хорошо подходит для тонкой резки, микросверления и обработки сложных геометрических форм.
Более чистая и безопасная работаВодная среда улавливает и удаляет пары, твердые частицы и мусор, снижая загрязнение воздуха и повышая безопасность труда.

Рис. 3. Сравнение традиционной лазерной обработки и обработки методом WJGL.
Рис. 4. Сравнение типичных технологий резки и сверления.

Области применения

1) Аэрокосмическая отрасль

В аэрокосмических компонентах часто используются высокоэффективные материалы, такие как титановые сплавы, никелевые сплавы, углепластик, композитные материалы с керамической матрицей и керамика, обработка которых представляет собой сложную задачу при сохранении точности и эффективности. Благодаря сочетанию высокой плотности энергии и эффективного охлаждения, WJGL обеспечивает точную резку с уменьшенной зоной термического влияния, минимизируя деформацию и ухудшение свойств, а также поддерживая детали, критически важные для надежности.

2) Медицинские изделия

Производство медицинских изделий требует исключительной точности, чистоты и целостности поверхности для таких изделий, как малоинвазивные инструменты, имплантаты и диагностические/терапевтические устройства. За счет охлаждения и очистки зоны обработки потоком воды технология WJGL снижает термические повреждения и загрязнение поверхности, повышая стабильность и обеспечивая биосовместимость. Она также позволяет осуществлять прецизионное изготовление сложных геометрических форм для индивидуальных изделий.

3) Электроника

В микроэлектронике и полупроводниковой промышленности водяное охлаждение широко используется для нарезки пластин, упаковки чипов и микроструктурирования благодаря высокой точности и низкому тепловому воздействию. Водяное охлаждение снижает тепловое повреждение чувствительных компонентов, повышая надежность и стабильность работы.

4) Алмазная обработка

Для обработки алмазных и других сверхтвердых материалов компания WJGL предлагает высокоточную резку и сверление с низким термическим воздействием, минимальным механическим напряжением, высокой эффективностью и превосходным качеством кромок и поверхностей. По сравнению с традиционными механическими методами и некоторыми лазерными технологиями, WJGL часто оказывается более эффективным в сохранении целостности материала и подавлении дефектов.

Часто задаваемые вопросы о лазерах с гидроабразивным наведением (WJGL).

1) Что такое обработка с помощью гидроабразивного лазера (WJGL)?

WJGL — это метод лазерной обработки, при котором лазерный луч вводится в микрострую воды. Струя воды выступает одновременно в качестве направляющей среды для луча и среды охлаждения/удаления мусора, обеспечивая высокую точность при снижении термического повреждения.

2) Как работает WJGL?

Технология WJGL основана на полном внутреннем отражении на границе раздела вода-воздух. Поскольку вода и воздух имеют разные показатели преломления, лазер можно локализовать и направлять внутри водяного столба — подобно «жидкому оптическому волокну» — и стабильно доставлять в зону обработки.

3) Почему WJGL уменьшает зону термического воздействия (ЗТВ)?

Благодаря своей высокой теплоемкости, постоянно протекающая вода эффективно отводит тепло. Это подавляет накопление тепла, уменьшая зону термического влияния, деформацию и микротрещины.

4) Каковы основные преимущества по сравнению с традиционной лазерной обработкой?

К основным преимуществам обычно относятся:

Сниженная или нулевая необходимость перефокусировки; подходит для неплоской/3D-резки.
Более ровные, параллельные стенки пропила и улучшенное качество резки.
Значительно меньшее термическое воздействие (меньшая зона термического воздействия).
Более экологичная обработка: вода улавливает частицы и помогает предотвратить их осаждение/загрязнение.
Меньше образования заусенцев: струя помогает выталкивать расплавленный материал из пропила.

О нас

Компания XKH специализируется на высокотехнологичной разработке, производстве и продаже специального оптического стекла и новых кристаллических материалов. Наша продукция используется в оптической электронике, бытовой электронике и военной промышленности. Мы предлагаем сапфировые оптические компоненты, защитные крышки для объективов мобильных телефонов, керамику, LT, карбид кремния (SIC), кварц и полупроводниковые кристаллические пластины. Благодаря высококвалифицированным специалистам и современному оборудованию мы преуспеваем в обработке нестандартной продукции, стремясь стать ведущим высокотехнологичным предприятием в области оптоэлектронных материалов.