Riešenie optického systému laserového spracovania

Riešenie optického systému laserového spracovania
Stanovenielaserové spracovanieRiešenie optického systému závisí od konkrétneho scenára aplikácie. Rôzne scenáre vedú k rôznym riešeniam pre optický systém. Pre konkrétne aplikácie je potrebná špecifická analýza. Optický systém je znázornený na obrázku 1:

Cesta myslenia je: konkrétne procesné ciele –lasercharakteristiky – návrh schémy optického systému – realizácia konečného cieľa. Nasleduje niekoľko rôznych oblastí použitia:
1. Oblasť presného mikrospracovania (značenie, leptanie, vŕtanie, presné rezanie atď.) Bežné typické procesy v oblasti presného mikrospracovania sú mikrometrické spracovanie materiálov, ako sú kovy, keramika a sklo, ako napríklad značenie loga pre mobilné telefóny, lekárske stenty, mikrootvory pre trysky vstrekovania plynného paliva atď. Základnou požiadavkou v procese spracovania je: po prvé, musí spĺňať extrémne malé zaostrené svetelné body, extrémne vysokú hustotu energie a čo najmenšiu zónu tepelného vplyvu atď. Pre vyššie uvedené aplikácie a požiadavky je výber a návrhlaserové svetelné zdrojea vykonávajú sa aj ďalšie komponenty.
a. Výber lasera: Preferovaný ultrafialový/zelený laser v pevnom stave (nanosekundový) alebo ultrarýchly laser (pikosekundový, femtosekundový) je spôsobený najmä dvoma dôvodmi. Po prvé, vlnová dĺžka je úmerná zaostrenému svetelnému bodu a vo všeobecnosti sa volí krátka vlnová dĺžka. Po druhé, pikosekundové/femtosekundové impulzy majú charakteristiku „studeného spracovania“ a energia sa dokončí pred tepelnou difúziou, čím sa dosiahne studené spracovanie. Vo všeobecnosti sa volí laserový svetelný zdroj s priestorovým svetelným výstupom s faktorom kvality lúča M2 vo všeobecnosti menším ako 1,1, čo má vynikajúcu kvalitu lúča.
b. Systémy na rozširovanie lúča a kolimačné systémy zvyčajne používajú šošovky s premenlivým zväčšením (2X – 5X) a snažia sa čo najviac zväčšiť priemer lúča. Priemer lúča je nepriamo úmerný zaostrenej svetelnej škvrne a vo všeobecnosti sa používa Galileova architektúra rozširovania lúča.
c. Zaostrovací systém zvyčajne používa vysokovýkonné šošovky F-Theta (na skenovanie) alebo telecentrické zaostrovacie šošovky. Ohnisková vzdialenosť je úmerná zaostrenému svetelnému bodu a vo všeobecnosti sa používajú šošovky s krátkym ohniskovým poľom (napríklad f = 50 mm, 100 mm). Ako je znázornené na obrázku 1: Šošovka s poľom vo všeobecnosti používa skupinu viacprvkových šošoviek (počet šošoviek ≥ 3), ktoré dokážu dosiahnuť veľké zorné pole, veľkú clonu a nízke indikátory aberácie. Optické šošovky tu musia zohľadniť prah poškodenia laserom.
d. Koaxiálny monitorovací optický systém: V optickom systéme je zvyčajne integrovaný koaxiálny systém videnia (CMOS) pre presné polohovanie a monitorovanie procesu spracovania v reálnom čase.
2. Spracovanie makromateriálov Medzi typické scenáre použitia spracovania makromateriálov patrí rezanie automobilových plechov, zváranie oceľových plechov lodných karosérií a zváranie plášťov batériových krytov. Tieto procesy vyžadujú vysoký výkon, vysokú penetračnú schopnosť, vysokú účinnosť a stabilitu spracovania.
3. Laserová aditívna výroba (3D tlač) a plátovanie Aplikácie laserovej aditívnej výroby (3D tlač) a plátovania zvyčajne zahŕňajú nasledujúce typické procesy: tlač kovov v leteckom priemysle, oprava lopatiek motora atď.
Výber základných komponentov je nasledovný:
a. Výber laseru: Vo všeobecnostivysokovýkonné vláknové laserysú vybrané s výkonom typicky presahujúcim 500 W.
b. Tvarovanie lúča: Tento optický systém musí vyžarovať svetlo s plochým vrcholom, takže tvarovanie lúča je základnou technológiou a možno ho dosiahnuť pomocou difrakčných optických prvkov.
c. Systém zaostrovania: Zrkadlá a dynamické zaostrovanie sú základnými požiadavkami v oblasti 3D tlače. Zároveň musí skenovacia šošovka používať telecentrický dizajn na strane objektu, aby sa zabezpečila konzistentnosť pri spracovaní hrán a stredu.