Pemotongan laser adalah teknologi yang menggunakan laser untuk menguapkan bahan, sehingga menghasilkan potongan yang tajam.Meskipun biasanya digunakan untuk aplikasi manufaktur industri, sekarang digunakan oleh sekolah, usaha kecil, arsitektur, dan penggemar.Pemotongan laser bekerja dengan mengarahkan output laser berdaya tinggi paling sering melalui optik.Optik laser dan CNC (kontrol numerik komputer) digunakan untuk mengarahkan sinar laser ke material.Laser komersial untuk memotong bahan menggunakan sistem kontrol gerakan untuk mengikuti kode CNC atau G dari pola yang akan dipotong ke bahan.Sinar laser terfokus diarahkan ke material, yang kemudian meleleh, terbakar, menguap, atau terhempas oleh semburan gas,[1] meninggalkan tepi dengan permukaan akhir berkualitas tinggi
Sejarah
Pada tahun 1965, mesin pemotong laser produksi pertama digunakan untuk mengebor lubang pada cetakan berlian.Mesin ini dibuat oleh Pusat Penelitian Teknik Elektro Barat.[3]Pada tahun 1967, Inggris memelopori pemotongan jet oksigen berbantuan laser untuk logam.[4]Pada awal 1970-an, teknologi ini dimasukkan ke dalam produksi untuk memotong titanium untuk aplikasi luar angkasa.Pada saat yang sama laser CO2 diadaptasi untuk memotong non-logam, seperti tekstil, karena, pada saat itu, laser CO2 tidak cukup kuat untuk mengatasi konduktivitas termal logam.[5]
Proses
Pemotongan laser industri baja dengan instruksi pemotongan yang diprogram melalui antarmuka CNC
Sinar laser umumnya difokuskan menggunakan lensa berkualitas tinggi pada zona kerja.Kualitas sinar memiliki dampak langsung pada ukuran titik fokus.Bagian tersempit dari sinar terfokus umumnya berdiameter kurang dari 0,0125 inci (0,32 mm).Tergantung pada ketebalan material, lebar garitan sekecil 0,004 inci (0,10 mm) dimungkinkan.[6]Agar dapat mulai memotong dari tempat lain selain dari tepi, penusukan dilakukan sebelum setiap pemotongan.Menusuk biasanya melibatkan sinar laser berdenyut daya tinggi yang perlahan-lahan membuat lubang pada material, misalnya, memakan waktu sekitar 5–15 detik untuk baja tahan karat setebal 0,5 inci (13 mm).
Sinar paralel cahaya koheren dari sumber laser sering jatuh dalam kisaran antara 0,06-0,08 inci (1,5-2,0 mm) dengan diameter.Sinar ini biasanya difokuskan dan diintensifkan oleh lensa atau cermin ke tempat yang sangat kecil sekitar 0,001 inci (0,025 mm) untuk membuat sinar laser yang sangat intens.Untuk mencapai hasil akhir yang paling halus selama pemotongan kontur, arah polarisasi balok harus diputar saat melewati pinggiran benda kerja berkontur.Untuk pemotongan lembaran logam, panjang fokus biasanya 1,5–3 inci (38–76 mm).[7]
Keuntungan pemotongan laser dibandingkan pemotongan mekanis termasuk pekerjaan yang lebih mudah dan pengurangan kontaminasi benda kerja (karena tidak ada ujung tombak yang dapat terkontaminasi oleh material atau mencemari material).Presisi mungkin lebih baik, karena sinar laser tidak aus selama proses.Ada juga pengurangan kemungkinan melengkungnya bahan yang sedang dipotong, karena sistem laser memiliki zona kecil yang terpengaruh panas.[8]Beberapa bahan juga sangat sulit atau tidak mungkin dipotong dengan cara yang lebih tradisional.
Pemotongan laser untuk logam memiliki keunggulan dibandingkan pemotongan plasma karena lebih presisi[9] dan menggunakan lebih sedikit energi saat memotong lembaran logam;namun, sebagian besar laser industri tidak dapat memotong ketebalan logam yang lebih besar dari plasma.Mesin laser baru yang beroperasi pada daya yang lebih tinggi (6000 watt, berbeda dengan mesin pemotong laser awal 1500 watt) mendekati mesin plasma dalam kemampuan mereka untuk memotong bahan tebal, tetapi biaya modal mesin tersebut jauh lebih tinggi daripada plasma mesin pemotong yang mampu memotong bahan tebal seperti pelat baja.[10]
Jenis
Pemotong laser CO2 4000 watt
Ada tiga jenis utama laser yang digunakan dalam pemotongan laser.Laser CO2 cocok untuk memotong, mengebor, dan mengukir.Laser neodymium (Nd) dan neodymium yttrium-aluminium-garnet (Nd:YAG) identik dalam gaya dan hanya berbeda dalam aplikasi.Nd digunakan untuk membosankan dan di mana energi tinggi tetapi pengulangan yang rendah diperlukan.Laser Nd:YAG digunakan di mana daya yang sangat tinggi dibutuhkan dan untuk membosankan dan mengukir.Baik laser CO2 dan Nd/Nd:YAG dapat digunakan untuk pengelasan.[11]
Laser CO2 biasanya "dipompa" dengan melewatkan arus melalui campuran gas (bersemangat DC) atau menggunakan energi frekuensi radio (bersemangat RF).Metode RF lebih baru dan menjadi lebih populer.Karena desain DC memerlukan elektroda di dalam rongga, mereka dapat mengalami erosi elektroda dan pelapisan bahan elektroda pada barang pecah belah dan optik.Karena resonator RF memiliki elektroda eksternal, mereka tidak rentan terhadap masalah tersebut.Laser CO2 digunakan untuk pemotongan industri dari banyak bahan termasuk titanium, baja tahan karat, baja ringan, aluminium, plastik, kayu, kayu rekayasa, lilin, kain, dan kertas.Laser YAG terutama digunakan untuk memotong dan menggores logam dan keramik.[12]
Selain sumber listrik, jenis aliran gas juga dapat mempengaruhi kinerja.Varian umum dari laser CO2 termasuk aliran aksial cepat, aliran aksial lambat, aliran melintang, dan lempengan.Dalam resonator aliran aksial cepat, campuran karbon dioksida, helium dan nitrogen disirkulasikan dengan kecepatan tinggi oleh turbin atau blower.Laser aliran transversal mengedarkan campuran gas pada kecepatan yang lebih rendah, membutuhkan blower yang lebih sederhana.Resonator berpendingin slab atau difusi memiliki medan gas statis yang tidak memerlukan tekanan atau peralatan gelas, sehingga menghemat penggantian turbin dan peralatan gelas.
Generator laser dan optik eksternal (termasuk lensa fokus) memerlukan pendinginan.Tergantung pada ukuran dan konfigurasi sistem, panas buangan dapat dipindahkan oleh pendingin atau langsung ke udara.Air adalah pendingin yang umum digunakan, biasanya disirkulasikan melalui chiller atau sistem perpindahan panas.
laser microjet adalah laser berpemandu pancaran air di mana sinar laser berdenyut digabungkan ke dalam pancaran air bertekanan rendah.Ini digunakan untuk melakukan fungsi pemotongan laser saat menggunakan pancaran air untuk memandu sinar laser, seperti halnya serat optik, melalui refleksi internal total.Keuntungannya adalah air juga menghilangkan kotoran dan mendinginkan material.Keuntungan tambahan dibandingkan pemotongan laser "kering" tradisional adalah kecepatan dicing yang tinggi, garitan paralel, dan pemotongan segala arah.[13]
Laser serat adalah jenis laser solid state yang berkembang pesat dalam industri pemotongan logam.Tidak seperti CO2, teknologi Fiber menggunakan media penguatan padat, bukan gas atau cairan."Laser benih" menghasilkan sinar laser dan kemudian diperkuat dalam serat kaca.Dengan panjang gelombang hanya 1064 nanometer laser serat menghasilkan ukuran titik yang sangat kecil (hingga 100 kali lebih kecil dibandingkan dengan CO2) sehingga ideal untuk memotong bahan logam reflektif.Ini adalah salah satu keunggulan utama Fiber dibandingkan dengan CO2.[14]
Manfaat pemotong laser serat meliputi: -
Waktu pemrosesan yang cepat.
Mengurangi konsumsi energi & tagihan – karena efisiensi yang lebih besar.
Keandalan dan kinerja yang lebih baik – tidak ada optik untuk disetel atau disejajarkan dan tidak ada lampu yang harus diganti.
Perawatan minimal.
Kemampuan untuk memproses bahan yang sangat reflektif seperti tembaga dan kuningan
Produktivitas yang lebih tinggi – biaya operasional yang lebih rendah menawarkan pengembalian investasi yang lebih besar.[15]
Metode
Ada banyak metode berbeda dalam memotong menggunakan laser, dengan jenis yang berbeda digunakan untuk memotong bahan yang berbeda.Beberapa metodenya adalah penguapan, pelelehan dan tiupan, tiupan lebur dan pembakaran, perengkahan tegangan termal, scribing, pemotongan dingin dan pemotongan laser yang distabilkan dengan pembakaran.
Pemotongan penguapan
Dalam pemotongan penguapan, sinar terfokus memanaskan permukaan material ke titik nyala dan menghasilkan lubang kunci.Lubang kunci menyebabkan peningkatan mendadak dalam absorptivitas dengan cepat memperdalam lubang.Saat lubang semakin dalam dan material mendidih, uap yang dihasilkan mengikis dinding cair yang tertiup keluar dan semakin memperbesar lubang.Bahan yang tidak meleleh seperti kayu, karbon dan plastik termoset biasanya dipotong dengan metode ini.
Lelehkan dan tiup
Pemotongan lelehan dan tiup atau fusi menggunakan gas bertekanan tinggi untuk meniup material cair dari area pemotongan, sangat mengurangi kebutuhan daya.Pertama bahan dipanaskan sampai titik lebur kemudian jet gas meniup bahan cair keluar dari garitan menghindari kebutuhan untuk menaikkan suhu bahan lebih jauh.Bahan yang dipotong dengan proses ini biasanya logam.
Retak tegangan termal
Bahan rapuh sangat sensitif terhadap fraktur termal, fitur yang dieksploitasi dalam retak tegangan termal.Sebuah balok difokuskan pada permukaan menyebabkan pemanasan lokal dan ekspansi termal.Ini menghasilkan retakan yang kemudian dapat dipandu dengan menggerakkan balok.Retakan dapat dipindahkan dalam urutan m/s.Biasanya digunakan untuk memotong kaca.
Stealth dicing dari wafer silikon
Informasi lebih lanjut: Wafer dicing
Pemisahan chip mikroelektronika sebagaimana disiapkan dalam fabrikasi perangkat semikonduktor dari wafer silikon dapat dilakukan dengan apa yang disebut proses dicing siluman, yang beroperasi dengan laser Nd:YAG berdenyut, yang panjang gelombangnya (1064 nm) disesuaikan dengan baik ke elektronik. celah pita silikon (1,11 eV atau 1117 nm).
Pemotongan reaktif
Juga disebut "pemotongan gas laser stabil yang terbakar", "pemotongan api".Pemotongan reaktif seperti pemotongan obor oksigen tetapi dengan sinar laser sebagai sumber pengapian.Banyak digunakan untuk memotong baja karbon dengan ketebalan lebih dari 1 mm.Proses ini dapat digunakan untuk memotong pelat baja yang sangat tebal dengan daya laser yang relatif kecil.
Toleransi dan permukaan akhir
Pemotong laser memiliki akurasi posisi 10 mikrometer dan pengulangan 5 mikrometer. [rujukan?]
Kekasaran standar Rz meningkat dengan ketebalan lembaran, tetapi menurun dengan kekuatan laser dan kecepatan potong.Saat memotong baja karbon rendah dengan daya laser 800 W, kekasaran standar Rz adalah 10 m untuk ketebalan lembaran 1 mm, 20 m untuk 3 mm, dan 25 m untuk 6 mm.
{\displaystyle Rz={\frac {12.528\cdot S^{0.542}}{P^{0.528}\cdot V^{0.322}}}}{\displaystyle Rz={\frac {12.528\cdot S^{0.542 }}{P^{0.528}\cdot V^{0.322}}}}
Dimana: {\displaystyle S=}S= tebal lembaran baja dalam mm;{\displaystyle P=}P= daya laser dalam kW (beberapa pemotong laser baru memiliki daya laser 4 kW);{\displaystyle V=}V= kecepatan potong dalam meter per menit.[16]
Proses ini mampu menahan toleransi yang cukup dekat, seringkali dalam 0,001 inci (0,025 mm).Geometri bagian dan kesehatan mekanis alat berat sangat berkaitan dengan kemampuan toleransi.Permukaan akhir khas yang dihasilkan dari pemotongan sinar laser dapat berkisar dari 125 hingga 250 mikro-inci (0,003 mm hingga 0,006 mm).[11]
Konfigurasi mesin
Laser optik terbang palet ganda
Kepala laser optik terbang
Secara umum ada tiga konfigurasi yang berbeda dari mesin laser cutting industri: material bergerak, hibrida, dan sistem optik terbang.Ini mengacu pada cara sinar laser dipindahkan di atas bahan yang akan dipotong atau diproses.Untuk semua ini, sumbu gerak biasanya ditunjuk sumbu X dan Y.Jika kepala pemotong dapat dikontrol, itu ditunjuk sebagai sumbu Z.
Laser material bergerak memiliki kepala pemotongan stasioner dan memindahkan material di bawahnya.Metode ini memberikan jarak yang konstan dari generator laser ke benda kerja dan satu titik untuk menghilangkan limbah pemotongan.Ini membutuhkan lebih sedikit optik, tetapi membutuhkan memindahkan benda kerja.Mesin gaya ini cenderung memiliki optik pengiriman sinar paling sedikit, tetapi juga cenderung paling lambat.
Laser hibrida menyediakan meja yang bergerak dalam satu sumbu (biasanya sumbu X) dan menggerakkan kepala di sepanjang sumbu yang lebih pendek (Y).Hal ini menghasilkan panjang jalur pengiriman sinar yang lebih konstan daripada mesin optik terbang dan memungkinkan sistem pengiriman sinar yang lebih sederhana.Hal ini dapat mengakibatkan berkurangnya daya yang hilang dalam sistem pengiriman dan lebih banyak kapasitas per watt daripada mesin optik terbang.
Laser optik terbang memiliki meja stasioner dan kepala pemotong (dengan sinar laser) yang bergerak di atas benda kerja di kedua dimensi horizontal.Pemotong optik terbang menjaga benda kerja tetap diam selama pemrosesan dan seringkali tidak memerlukan penjepitan material.Massa yang bergerak adalah konstan, sehingga dinamika tidak terpengaruh oleh berbagai ukuran benda kerja.Mesin optik terbang adalah jenis tercepat, yang menguntungkan saat memotong benda kerja yang lebih tipis.[17]
Mesin optik terbang harus menggunakan beberapa metode untuk memperhitungkan perubahan panjang sinar dari pemotongan medan dekat (dekat resonator) ke pemotongan medan jauh (jauh dari resonator).Metode umum untuk mengendalikan ini termasuk kolimasi, optik adaptif atau penggunaan sumbu panjang sinar konstan.
Mesin lima dan enam sumbu juga memungkinkan pemotongan benda kerja yang dibentuk.Selain itu, ada berbagai metode untuk mengarahkan sinar laser ke benda kerja berbentuk, mempertahankan jarak fokus yang tepat dan kebuntuan nosel, dll.
berdenyut
Laser berdenyut yang memberikan ledakan energi daya tinggi untuk waktu yang singkat sangat efektif dalam beberapa proses pemotongan laser, terutama untuk penindikan, atau ketika lubang yang sangat kecil atau kecepatan pemotongan yang sangat rendah diperlukan, karena jika sinar laser konstan digunakan, panas bisa mencapai titik leleh seluruh bagian yang dipotong.
Kebanyakan laser industri memiliki kemampuan untuk berdenyut atau memotong CW (gelombang kontinu) di bawah kendali program NC (kontrol numerik).
Laser pulsa ganda menggunakan serangkaian pasangan pulsa untuk meningkatkan tingkat penghilangan material dan kualitas lubang.Pada dasarnya, pulsa pertama menghilangkan material dari permukaan dan yang kedua mencegah ejecta menempel di sisi lubang atau dipotong.[18]
Waktu posting: 16 Juni-2022