Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

En djupdykning i laserskärarens hastighet och kraft

En av de mest komplicerade aspekterna att överväga när laserskärning är det känsliga balansen mellan translationshastighet och laserkraft. Vi vill klippa så fort som möjligt, men är det tillfällen då det är bäst att sakta ner? Det korta svaret är: "definitivt ja".

Vi kommer att dela med våra tillverkare gemenskap effekterna som hastighet och kraft har på skärbredd, sneda vinkel och gravyr djup. Detta kommer att bli den första upplagan av en pågående serie artiklar, med hjälp av Mako.

Så vad gör vi exakt?

Som någon "laser maker" vet, är de två viktigaste parametrarna vid kalibrering av en laser översättningshastighet och laserkraft. Andra parametrar som upplösning, graveringsriktning och frekvens kommer också att påverka ditt arbete, men inte lika mycket som de två stora. Vi kommer att bestämma i vilken utsträckning dessa två parametrar har ett förutsägbart beteende på kvaliteten på skärningen.Närmare bestämt, när vi skär en bit av material märker vi att skärgen eller tjockleken på skäret beror på den övergripande energi som vi fokuserar på en punkt på en arbetsyta.

För en första approximation i 2D har vi definierat denna energinivå som laserns kraft x laserfokalytan dividerad med översättningshastigheten.

Laserstråle piercing ett 3 mm tjockt material, vi ser en överdriven Kerf-vinkel på 1 grader och en snidbredd på 0,25 mm.

För våra testers skull:

Vårt experiment var enkelt: med "AutoDesk Fusion 360" ritade vi en serie 5 mm med 5 mm rutor och klippte 10 exempel på var och en med olika energinställningar. Varje enskild kvadrat mättes med en mikrometer för två olika egenskaper:

1. Genomsnittlig Kerf-bredd: Den genomsnittliga skarvbredden (a.k.w.) är bredden på laserstrålen som skär in i den tillverkade delen. Denna mätning är viktig eftersom det måste beaktas i konstruktionen för att göra snäva monteringskryssningar vid montering av flera delar.

Experimentellt bestämde vi a.k.w. genom mätning av de övre och nedre ytorna på våra prover i X-riktningen och Y-riktningen. Formeln som används för genomsnittlig snedbredd är:

2. Genomsnittlig Kerf-vinkel: Vinkeln på kerfkanalen (a.k.a.) är vinkeln för den v-formade bränningskanalen i förhållande till laserstrålen. Experimentellt bestämde vi a.k.a. genom att mäta den dimensionella skillnaden mellan toppytan och bottenytorna för varje prov. Formeln som används för snedvinkeln är:

Ett andra test gjordes där vi graverade (rasterisering) 5mm X 5mm kvadraternas yta samtidigt som energinivåerna varierades och testades för att se hur mycket material som togs bort. Detta test krävde att vi precist mäter materialets tjocklek före och efter varje test med en hög precisionsmikrometer.

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

Det vi visar är ett tydligt förhållande mellan skärets tjocklek, snittets snitt och klippdjup och laserenergin. När vi ökar energin kommer den koniska laserstrålen att bränna materialet från arbetsytan mot basen i en cylindrisk volym och därigenom skapa parallella väggar mellan hyllan. Men eftersom energin blir mycket högre kommer detta att bränna mer material och därför förstora den övergripande toleransen inom skärkanalen.

Resultat

Kerf Tolerance: Kerf toleransen verkar vara ganska förutsägbar och är relaterad till energinivån som vi fokuserar på arbetsyta. Det här är väldigt bekvämt eftersom det gör det möjligt för oss att justera våra cut-sets baserat på graden av tolerans som vi söker!

Inom vissa gränser kan vi förutse toleransen för Kerf genom att tillämpa en enkel linjär ekvation. Vi måste emellertid vara försiktiga eftersom, som vi kan se, ju mer energi vi fokuserar på klippområdet, desto mindre exakt blir vår skära. När vi börjar kraftigt smälta materialet i det lokala området av klippet blir den flytande naturen hos skärzonen mindre förutsägbar.

Vi ser att toleransen är direkt relaterad till kraft och hastighet. Likeledes spelar laserlinsens storlek, brännviddens längd och användarens förmåga att precis placera Z-höjden ovanför arbetsytan en viktig roll i noggrannheten i denna mätning. Detta kommer att förklaras närmare i avsnittet "framtida utveckling" i denna artikel.

Kerf Vinkel:

Inom vissa gränser kan vi förutsäga vinkeln på Kerf genom att tillämpa en enkel linjär ekvation. Vi måste emellertid vara försiktiga eftersom, som vi kan se, ju mer energi vi fokuserar på klippområdet, desto mindre exakt blir vår skära.

Testerna som gjorts på sneda vinkeln är betydligt mindre exakta, eftersom provgruppen är mycket mindre och det finns inte tillräckligt med data för att verifiera att det finns ett linjärt förhållande mellan energi och snedvinkel. Följande beräkningar uttrycker en linjär lösning för datasatsen som vi mätt.

Kerf-vinkeln är lika förutsägbar och är relaterad till energinivån som vi fokuserar på arbetsytan. Detta är kanske generellt mindre användbart vid bearbetning av delar, men det finns några mycket specifika fall där det är mycket användbart.

Exempel 1 (växlar):

Gear Gears: När laserskärande spårväxlar är det viktigt att bibehålla exakt avstängning (för att minimera backlash och säkerställa tandkontakt). För spårväxlar är det också viktigt att överväga tandprofilen. Eftersom lasern faktiskt inte kan styckas vinkelrätt mot ytan är alla laserskärda spårväxlar i själva verket "koniska växlar". Tandprofilen på framsidan kommer inte att vara densamma som profilen på baksidan. Detta fenomen kan vara helt försumbar för de flesta praktiska tillämpningar, men det är verkligen något som är bäst förstått så att överväganden kan göras under designfasen.

Tappered Spur-redskap TvärsnittKälla: https://khkgears.net/new/gear_knowledge/gear_technical_reference/gear_backlash.html

Exempel 2 (mikrofluidika): "Mikrofluidika behandlar beteendet, exakt kontroll och manipulation av vätskor som är geometriskt begränsade till en liten, vanligen sub-millimeter, skala vid vilken kapillär penetration reglerar masstransport. Det är ett tvärvetenskapligt fält vid skärningspunktet mellan teknik, fysik, kemi, biokemi, nanoteknik och bioteknik, med praktiska tillämpningar vid utformning av system där lågvolymer vätskor bearbetas för att uppnå multiplexering, automatisering och hög genomströmning. Microfluidics framkom i början av 1980-talet och används vid utveckling av bläckstråleskrivare, DNA-chips, lab-on-a-chip-teknik, mikropropulsion och mikro-termisk teknik. "- Wikipedia

På grund av den relativa skalan och konsistensen som krävs för att tillverka ett mikrofluidiskt system är det absolut nödvändigt att ta hänsyn till kapillärgeometrin eftersom det kommer att påverka systemets prestanda.

Man måste ta hänsyn till kapillärens tvärsnitt, varav de två huvudmåtten kommer att vara djup och avsmalnande (se figur). De föreslagna beräkningarna för konisk vinkel kan möjliggöra utveckling av mer exakta mikrofluidiska system.

Klippdjup Klippdjupet är mycket förutsägbart och är relaterat till energinivån som vi fokuserar på arbetsytan. Detta är intressant eftersom det gör att vi kan justera vårt gravyrdjup såväl som våra skärparametrar för varierande tjocklek på PMMA.

Testerna gjordes alla på relativt låga energinivåer som vi ville minska påverkan av rök. Tester med högre effekt är mindre exakta, eftersom vi har en hög koncentration av rök som ligger inom kanalen, såväl som brytningen av lasern mot de icke-parallella karossväggarna. Resultaten av dessa test sätter oss fortfarande inom 10% av våra erforderliga energinivåer för skärning av material upp till 6 mm.

Denna information är användbar när du gör grayscale gravering för bilder, 3D reliefs och lithophany jobb. Med hjälp av programvara som Photoshop, CorelDraw eller någon bildbehandlingsprogram kan vi konvertera vilken bild som helst till en svartvit bild. Från vilken vi kan tillämpa ett rasteriserings-arbetsflöde med hjälp av vår laser.

I allmänhet anpassar vi bilden för att skapa en 16-bitars gråskalebild med 120dpi-300dpi. Att öka upplösningen eller färgdjupet kräver extremt låga graveringshastigheter för att extrahera eventuella kvalitetsförbättringar. När bilden har laddats upp i vår laserbehandlingsprogram (RdWorks V8 på Mako) kalibrerar vi vår laser för att gravera de svarta regionerna (RGB: 255,255,255) vid vårt maximala djup och de vita regionerna (RGB: 0,0,0) till vår Minsta krävs djup (vanligtvis 0,1 mm).

Denna teknik gör det möjligt för oss att gravera bilder i plast eller för att få exakta fackdjup för mekaniska delar. Djupet och omfattningen av denna teknik och alla viktiga parametrar ligger utanför ramen för denna artikel.

Framtida utveckling: Det finns ett antal brister i denna modell.

I framtida artiklar vill vi bestämma ytterligare 2 kriterier:

  1. Inriktningen av laserplaceringen i Z-axeln;
  2. X-, Y-accelerationshastigheterna för vår laser (och en definierad metod för att mäta detta) så att konsekvent energiöverföring kan beräknas;
  3. En mer utvecklad modell som beaktar laserintensitet och optisk absorption, refraktion och reflektion under materialets förbränning.
  4. Värmespridning i arbetsmaterialet och dess effekter på skarvbredden.

För det första anser vår första behandling inte att det är felaktigt att placera lasern över arbetsytan. Vi gav bara en approximation där vi ansåg laserdiametern vara 250 mikron och laserens intensitet var konstant över strålen. Som vi kan se i figurerna nedan är intensitets- och bränndiametern direkta konsekvenser av användarens förmåga att korrekt fokusera strålen. I framtida artiklar vill vi använda optiska simulatorer med strålspårning för att få en bättre modell som gör det möjligt för oss att bestämma gradienten av strålintensiteten i funktion av vår Z-höjd.

För det andra är lasers översättningshastighet inte konstant. När vi minskar den totala längden av ett linjesegment blir effekterna av acceleration / retardation av laservagnen tydligare. Det betyder att för en liten 5 mm linje kan det vara omöjligt att testa med översättningshastigheter på över några mm / s eftersom maskinen aldrig kommer att få tid att nå den angivna hastigheten. Det finns företag som har utformat denna acceleration / deceleration i sin tidsuppskattning och det kommer att vara nödvändigt att bestämma "kritisk hastighet" för givna linjelängder, över vilka den beräknade energitransmissionen kan anses vara falsk.

Slutligen vill vi utveckla en mer komplett modell där vi kan ta hänsyn till absorptionen av 1016 nm ljus med givna material, deras förmåga att bryta ljuset och deras förmåga att överföra denna energi som värme. Det aktuella testet visar att det finns en viss korrelation med vad vi kallat "energiöverföring" och dess effekter på bearbetning. Det skulle vara mycket mer elegant och användbart att ha en formel att applicera, definierad av reella fysiska egenskaper, vilket skulle ge oss effekter på bearbetning.

Slutsats:

Vi hoppas att den här artikeln ger befintliga Fablabs och makerspaces ett nytt perspektiv på den finess vi kan uppnå med Co2 lasergraveringstekniken. På samma sätt, för nya laboratorier, kan den här artikeln hjälpa till att hitta din första uppsättning av "grova" parametrar för att få din laserskärning effektivt och säkert. Vi kommer att fortsätta att testa på olika material och vi hoppas utveckla en grupp av beslutsfattare som vill bidra till detta projekt.

Vi behöver förbättra den fysiska modellen som vi har utvecklat så att vi kan ta hänsyn till materialens fysikaliska egenskaper. På lång sikt skulle målet vara att korrelera effekterna av laserskärning till egenskaper (optisk brytning och absorption, värmeledningsförmåga, förångningsenergi etc.) som finns tillgängliga på databladet av nya material. Med dessa medel kan vi kanske förutse parametrarna för material och bestämma deras genomförbarhet innan de måste köpa eller testa.

Vårt slutmål skulle vara att utveckla en liten app / widget där en användare kunde mata in sina lasers nominella ström och materialval för att appen skulle kunna utföra de nödvändiga inställningarna. Detta skulle göra det möjligt för nya tillverkare att bli verksamare snabbare och workshops att bli mer lönsamma.

Denna serie experiment var intressant och upplysande för oss på Mako. Vi hoppas att läsaren har funnit det lika intressant och användbart. Vi är öppna för all diskussion när det gäller att arbeta för att bygga ett samhälle för att förfina och perfekta vårt projekt. Vi önskar dig lycka till med din lassning och ta en titt på vår nästa avdelning: Effektmekanismer av kalibrerings laser sur MDF 3mm.

Del

Lämna En Kommentar