什么是激光切割機？激光切割的工作原理是什么？

顧名思義，激光切割機通過切割材料來創建圖案和設計。強大的激光束是熔化、燃燒或蒸發材料的源頭。

從本質上講，激光切割是一種制造過程，它使用細的、聚焦的激光束將材料切割和蝕刻成設計師指定的定制設計、圖案和形狀。這種非接觸式、基于熱的制造工藝非常適合多種材料，包括木材、玻璃、紙張、金屬、塑料和寶石。它還能夠生產復雜的零件，而無需定制設計的工具。

背景

激光切割機的發明歸功于庫馬爾?帕特爾 (Kumar Patel)，他于 1961 年加入貝爾實驗室時開始了他對激光作用的研究。 1963 年，他開發了第一臺 C0 2激光器，這是比任何其他類型都具有更多現代應用的變體的激光。CO 2激光器用于雕刻從丙烯酸和膠合板到紙板和 MDF 的材料。

應用

如今，激光切割已在電子、醫藥、航空航天、汽車和半導體等行業中找到了立足之地。最常見的應用之一是切割金屬??無論是鎢、鋼、鋁、黃銅還是鎳??因為激光可提供干凈的切割和光滑的表面。激光還用于切割陶瓷、硅和其他非金屬。

也許激光切割技術最有趣的用途之一是在外科領域，激光束現在正在取代手術刀并被用于蒸發人體組織。這在眼科手術等高精度外科手術中尤其有用。

我們將在后面的部分討論更多應用，但現在，讓我們看看激光切割過程是如何工作的。

什么是激光切割機？

激光切割的工作原理

激光切割機的光束直徑通常在 0.1 到 0.3 毫米之間，功率在 1 到 3 千瓦之間。該功率需要根據被切割的材料和厚度進行調整。例如，要切割鋁等反射材料，您可能需要高達 6 kW 的激光功率。

激光切割不適用于鋁和銅合金等金屬，因為它們具有出色的導熱和反光特性，這意味著它們需要強大的激光器。

以下是激光切割機的一些核心組件：

激光諧振腔： 激光束從激光諧振腔發出，激光諧振腔是一個密封的玻璃管，帶有兩個面對面的鏡子。該管充滿CO 2和其他氣體，如氫氣、氮氣和氦氣。這些氣體的混合物由二極管或以光的形式發射能量的放電激活。

切割頭： 光線在多個鏡子的幫助下向各個方向反射，這些鏡子經過精心布置，以確保它到達激光切割頭。一旦光束到達切割頭，它就會通過一個彎曲的透鏡并被放大并聚焦到一個點上。正是在這個切割頭內，激光變成了細而集中的光束，可以進行切割或光柵化。聚焦的激光束在擊中板之前通過一個噴嘴，壓縮氣體如氮氣或氧氣也流過這個噴嘴。例如，如果您正在切割鋁或不銹鋼，激光束將在高壓氮氣將熔融金屬吹出切口之前熔化材料。通常，切割頭連接到由鏈條或皮帶驅動的機械系統，這使它能夠在有限的區域內進行精確的運動。透鏡的焦點需要在被切割材料的表面上，激光才能進行實際切割。

噴嘴距離： 在任何時候，板和噴嘴之間都保持準確的距離。這個空間至關重要，因為它決定了焦點。通常，改變焦點會影響剪輯的質量。其他幾個變量會影響切割質量，包括光束強度和速度。

激光切割的三大品種

火焰/反應車轍：輔助氣體是氧氣，在高壓（高達 6 巴）下吹入切口。加熱的材料（在這種情況下為金屬）與氧氣反應并開始燃燒和氧化。這種反應會排出更多能量并輔助激光束。

熔融切割/熔化和吹塑： 惰性氣體（通常是氮氣）將熔化的材料吹出切口，顯著降低了所需的功率。材料首先被加熱直到達到其熔點，然后氣體將其吹出

遠程切割：高強度激光束部分蒸發（燒蝕）材料，無需輔助氣體即可切割薄片。

切割 vs 雕刻 vs 打標

 一般來說，激光切割機也應該能夠雕刻和標記。事實上，切割、雕刻和打標之間的唯一區別在于激光的深度以及它如何改變材料的整體外觀。在激光切割中，來自激光的熱量會一直切割材料。但激光打標和激光雕刻并非如此。

激光打標會使被激光加工的材料表面變色，而激光雕刻和蝕刻會去除材料的一部分。雕刻和蝕刻的主要區別在于激光穿透的深度。

打標和雕刻的區別如下：

激光打標：在激光打標中，激光不會完全穿透材料，而只會改變材料的特性或外觀。激光會產生高對比度標記，因為激光的熱量會重新分布相關材料中的碳。

激光雕刻：在激光雕刻中，光束物理去除材料表面，留下一個空腔，揭示您的設計。激光將材料加熱到非常高的溫度，使其蒸發并形成空腔。

激光切割機的差異來自機器中激光器的類型，而激光器的種類決定了激光器可能能夠切割的材料厚度類型。通常，高功率激光器非常適合需要切割大塊塑料或金屬的專業應用。另一方面，低功率激光器對塑料、卡片紙、紙張和木材等較薄的材料有效。

三種主要類型的激光器是：

1. 氣體激光器/CO 2激光切割機

切割是使用電刺激的 CO 2 完成的。CO 2激光器是在由其他氣體（如氮氣和氦氣）組成的混合物中產生的。

CO 2激光器發射的波長為 10.6 毫米，與具有相同功率的光纖激光器相比，CO 2激光器具有足夠的能量來穿透更厚的材料。當用于切割較厚的材料時，這些激光器還可以提供更光滑的表面。CO 2激光器是最常見的激光切割機類型，因為它們高效、便宜，并且可以切割和光柵化多種材料。

材料：玻璃、一些塑料、一些泡沫、皮革、紙制品、木材、亞克力

2. 水晶激光切割機

晶體激光切割機產生來自 nd:YVO（摻釹原釩酸釔）和 nd:YAG（摻釹釔鋁石榴石）的光束。它們可以切割更厚更堅固的材料，因為與 CO 2激光器相比，它們具有更小的波長，這意味著它們具有更高的強度。但是由于它們的功率很大，因此它們的零件很快就會磨損。

材料：塑料、金屬和某些類型的陶瓷

3. 光纖激光切割機

在這里，切割是使用玻璃纖維完成的。激光源自“種子激光”，然后通過特殊光纖放大。光纖激光器與盤式激光器和nd:YAG屬于同一類別，屬于“固態激光器”家族。與氣體激光器相比，光纖激光器沒有移動部件，能效提高兩到三倍，并且能夠切割反射材料而無需擔心背反射。這些激光器可以與金屬和非金屬材料一起工作。

雖然有點類似于釹激光器，但光纖激光器需要較少的維護。因此，它們為晶體激光器提供了一種更便宜、更持久的替代方案

材料：塑料和金屬

在這三種激光器中，制造商和專業人士最常使用CO 2激光器。它們主要用于切割非金屬材料，盡管它們已經演變為切割金屬，但它們仍然更適合非金屬和有機材料（木材、皮革、橡膠）以及雕刻硬質材料。

利弊 

優點

1. 以下是與其他切割技術（例如 CNC 銑削）相比，首選激光切割的原因：

2. 高精度和準確度

3. 生產速度高

4. 比相同口徑的數控機床更實惠

5. 廣泛的材料兼容性

6. 無污染風險（因為它是非接觸式過程）

7. 更窄的切口寬度

缺點

1. 高能耗

2. 有毒排放物釋放的風險（來自塑料）

3. 較厚的材料可能難以切割

4. 切割邊緣燒焦的風險

5. 激光切割設計

激光切割機的工作原理與您的普通噴墨打印機一樣。這些機器具有某些驅動程序，使它們能夠從計算機中挑選設計并將這些設計轉換為可讀格式。

幾個軟件包可以支持激光切割機的驅動程序：

二維設計

AutoCAD

墨景

Adobe Illustrator

CorelDRAW

雖然理論上設計師的想象力是可以創造的唯一限制，但在設計激光切割時，這里有一些一般準則：

設計必須符合您的刀具規格。完成的文件必須符合您機器的技術要求。否則，嘗試轉換文件可能會導致細節丟失或缺陷。

了解最大和最小激光切割尺寸并正確設置。您的設計尺寸受切割臺尺寸的限制。如果桌子是 1100 x 1100 毫米，你就不能設計任何超出這個范圍的東西。同樣，您還應該遵守最小尺寸。

細節不能小于材料厚度。避免使用小于材料厚度的細節。例如，如果要打孔，則其直徑應大于材料的厚度。

保持線條之間的最小距離。對于給定的材料厚度，線之間必須保持最小距離。通常，讓零件之間的距離為材料厚度的 2 倍

物理定律始終適用。當你切下一塊金屬時，除非設計中有連接件，否則它會脫落。

表現出克制。 當多條線在同一點相交時，您的設計將分崩離析或變得脆弱。

仔細檢查細節。放大細節并確保交叉點在需要的地方相交。

注意彎曲釋放。不正確的彎曲消除不會給你一個很好的直接切斷激光。

一旦設計準備好并加載到機器上，激光切割頭將按照設計方向在金屬板上移動，以根據需要切割零件。激光束沿著保存設計的矢量文件切割材料，直到完成形狀/圖案。

激光切割機應用

激光切割機已成為原型設計和制造的便捷工具。它們正在被使用：

在快速原型制作中，因為它們允許設計師在大規模生產之前快速且廉價地迭代他們的設計。

在機械車間以及工業制造中切割大塊材料。

在硬件公司中創建原型。

在原型設計/小型項目的教育中。

由想要將他們的數字設計變為現實的藝術家和制造商。