صنایع فلزی بدیع

امروزه عبارت لیزر را خیلی جاها میشنویم، از نشانگر ها که در جلساتی که از پاورپوینت استفاده میکنند، تا چاپگر های لیزری یا کلینیک های زیبایی و مواردی مثل لیفتینگ پوست و برداشتن موهای زائد تا مخابرات نوری و در صنعت برش، فلزات، اسلحه های لیزری و بسیاری موارد دیگر که همه کاربرد هایی از لیزر هستند.
اما تا حالا به این موضوع دقت کردین که عملکرد یک لیزر چطوره؟ چه اتفاقی میوفته، تفاوت لیزر یا نور لیزری با نورهای معمولی در چیه؟ جالب است بدانید که ماهیت لیزر و نور معمولی یکسان هست و هر دو موجی الکترومغناطیسی هستند. یعنی شامل بسته های انرژی به اسم فوتون اما یک لیزر میتواند از نور معمولی یک لامپ بزرگتر یا حتی نور حاصل از فلش عکاسی در شب بسیار بسیار قوی تر باشد.
برای اینکه درک بهتری داشته باشیم فرض کنید شما در اتاقی که هیچ وسیله ای در آن نیست و بازتاپ صدای خود را میشنوید حرف میزنید، صدای شما منعکس میشود. اگر این انعکاس ها را میلیون ها بار بتوانید بیشتر و بیشتر کنید. موجی شبیه به موج الکترومغناطیسی که در لیزر اتفاق می افتد را شبیه سازی کردید. یعنی در واقع تقویت نور در لیزر با نور ضعیفی آغاز و تی چندین بار حرکت رفت و برگشتی در محیطی به اسم کاباک به انرژی آن افزوده میشود و آن نور تقویت میشود.
اگر نگاه دقیق تری به همین نشان گر های لیزری بکنید متوجه میشوید که مثل لامپ های معمولی دارای چندین رنگ نیست. یا مجموعه رنگ هایی که ما به رنگ سفید میبینیم نیست و از یک نور ضعیف تر که یا سبز رنگ هست یا قرمز یا گاهی غیر مرئی مثل پریا فرکانس های مادون قرمز و فرابنفش و اشعه ایکس میشود مشاهده کرد.
نور حاصل از یک لامپ در همه ی جهات پخش میشود. حتی اگر لنز بازتاب دهنده هم در جلوی چراغ قوه ها قرار بدهند در نهایت پخش آن واگرا میشود. اما به متمرکزی نور لیزر نیست. یک لامپ پرتو هایی در فاز های مختلف تولید میکند. در واقع فاز هر پرتو یا به طور دقیق هر فوتون تابشی در هر زمان متفاوت بوده و هیچ نظم خاصی در آن وجود ندارد. در حالی که پرتوهای یک لیزر همگی هم فاز و در یک زمان مشخص همگی باهم به یک بیشینه و دامنه خود میرسند.
فرض کنید در یک پادگان افراد به طور منظم تو یک خط در حال رژه رفتن هستند، پرتو نور لیزر دقیقا خیلی منظم و در یک مسیر هستند. اما پرتو نور لامپ های معمولی مثل آدم هایی که در یک ایستگاه قطار هر کدام به یک طرف و یک سمت میروند غیر منظم است.

لیزر چگونه کار میکند؟

برای اینکه درک بهتری از چگونگی عملکرد و نحوه ساخت یک لیزر داشته باشیم، نیاز هست تا با مبحث تابش های اتمی آشنا بشیم. به طور خلاصه یک الکترون در مدار های انرژی اطراف هسته با جذب انرژی به ترازهای بالاتر میرود. اما نکته قابل توجه اینجاست. لیزر برش فلزی و کلا لیزرهایی که برای برای دستگاه های کاتینگ استفاده می شود چند نوع اند که مهم ترین آن ها لیزرهای co2 و در زمان کنون لیزرهای فایبر هستند.

لیزرهای co2 نسل قدیمی تر لیزرها هستند. در این لیزر ها گاز co2 و اکسیژن استفاده می شود و یک منبع تغذیه ی بزرگ و منبع انرژی یا الکتریکی با ولتاژ بالا مورد نیاز بود سال های سال این مدل از لیزرها برای صنایع مختلف کار کرده اند. اما چند سال پیش مدل دیگه ای از لیزرها وارد بازار شد.

تو لیزرهای نسل قبل همون طور که بهش اشاره کردیم نیاز بود که فضای زیادی را برای منبع تغذیه داشته باشیم و انرژی الکتریکی بسیار زیاد، توان لیزر ها را بر اساس وات می سنجند و حداقل هزار کیلووات در لیزر های 3.2 توان نیاز بود، معمول لیزر ها از چهار کیلووات، سه کیلووات به بالا بودند برای اینکه حداقل ضخامت ها را بتوانند برش بزنند، در آن لیزرها گاز نقش بسیار بسیار مهمی ایفا میکرد، همینطور انرژی برق، اگر شما یک دستگاه چهار کیلووات 3.2 تهیه بکنید برای استارت حداقل 100آمپر برق نیاز دارید. همین عامل باعث شده بود دارندگان این دستگاه را دچار مشکل و دردسر های بسیار زیادی بکند. هزینه نگهداریشان هم به شدت بالا بود و اگر مشکلی برایشان ایجاد میشد باید متخصصین می آمدند و دستگاه را سرویس میکردند، یکی از مشکلات عمده ای که این دستگاه ها داشتند:

1. وجود گاز 3.2 و هزینه بالای آنها
2. هزینه ی برق بسیار زیاد و آمپر بالا
3. کثیف شدن آینه ها

از منبع تغزیه نور ایجاد شده توسط آینه هایی تابش میشود تا به head دستگاه لیزر برسد و آنجا دوباره متمرکز شده و روی سطح فلز تابش بشود و عمل برش صورت بگیرد.

مدتی پیش نوع دیگری از لیزر به عنوان fiber به بازار آمد، این دستگاه ها بسیار بسیار کارآمد تر بودند در اِین حال قیمت بیشتری داشت اما کل مسیر از head دستگاه توسط فیبر نوری پوشش داده شده و این فیبر نوری وظیفه انتقال آن اشعه را به head دارد، آینه ها حذف شدند و داخل head دستگاه لیزر عدسی هایی وجود دارد برای متمرکز کردن نوری که از منبع توسط فیبر نوری وارد head شده و نور متمرکز شده روی فلز میتابد و عمل برش انجام میپزیرد.

در این دستگاه ها گاز 3.2 حذف شده و فقط برای برش کاری کردن از اکسیژن یا 3.2 یا نیتروژن بهره میبرد، بسته به متریالی که برای برش قرار گرفته، توان این دستگاه ها هم به نسبت دستگاه های 3.2 پایین تر هستند اما کار آمد تر هستند، محفظه بزرگی هم نیاز نیست، به اندازه یک چمدان، یک source یا منبع تغذیه دستگاه های fiber هست، بنابراین حجمی کوچک، انرژی زیادی را تولید میکند، به عنوان مثال یک دستگاه fiber 1/5 کیلووات میتواند به اندازه یک دستگاه 3.2 چهار کیلووات کارآمد داشته باشد، در عین حال سرعت و کیفیت سطح برش هم در لیزر های fiber بهبود پیدا کرده است.

نکته بسیار مهمی که باید به آن توجه داشته باشید، دارندگان دستگاه های لیزر fiber باید این آگاهی را داشته باشند که منبع تغذیه آن ها طول عمر مفیدی دارد و بعد از مدت زمانی بهره بردن از این دستگاه دیود هایی که وظیفه تأمین انرژی را دارند مستهلک شده و باید عوض شود، از آنجایی که تکنولوژی این نوع لیزر ها از کشور های خارجی وارد کشورمان میشود اغلب با این مشکل روبرو میشوند که بعد از چند سال کار کردن بسته به میزان کار کرد ماشین افزار و نوع نگهداری و فلزاتی که با آن کار میکنند دارد طول عمر source ها، به هر حال دستگاهشان عمل کرد اولیه را نخواهد داشت و مجبور میشوند آن را تعمیر کنند.

از آنجایی که باید دستگاه را به کشور دیگری برای تعمیر بفرستند، مدت زمان طولانی را از دست خواهند داد، اغلب افراد نمیتوانند به کار هایشان برسند و مجبور میشوند source دیگری تهیه بکنند، از طرف دیگر هر روز این نوع تکنولوژی پیشرفت کرده و توان های بالاتری وارد بازار میشود، به همان میزان توقع مشتری های این حوزه هم افزایش پیدا میکند ما در صنایع فلزی بدیع از لیزر های fiber بهره میبریم، در این نوع بورش هم کیفیت بسیار بالایی دارد و هم سرعت عمل مناسبی از طرف دیگر قیمت تمام شده برای مشتری بسیار مغرون به صرفه است.

خدا را شکر میکنیم که سالهاست در این زمینه فعال بوده و میتوانیم بگوییم یکی از پیشرووان این نوع خدمات در منطقه صنعتی و در کشور هستیم.

کاربرد دیگر

یکی دیگر از کاربرد های دستگاه های برش لیزر در حکاکی و برش غیر فلزات مانند:

1. چوب
2. چرم
3. پارچه
4. کاغذ
5. مقوا
6. متریال های دیگر

این مدل از دستگاه های برش به دستگاه های تویوپی که آنها هم با گاز های 3.2 هستند معروفند، از تویوپ های 150 وات 200 وات همینطور توان های متفاوت در این لیزر ها استفاده میشود.
میز اغلب لیزر ها cnc است، کلمه cnc مخفف computerized numerical control که در آن برنامه یا نقشه یا Gcode هایی که نوشته شده توسط نرم افزاری تبدیل به پالس های الکتریکی میشود و این پالس ها توسط کابل به موتور های مخصوص که به آن ها سروو موتور یا استپ موتور وارد میشود و بر اساس میزان و مقدار این Gcode ها یا پالس های الکتریکی این موتور ها حرکت میکنند و بسیار بسیار دقیق هست حرکتشان.
سروو موتور ها به قدری حرکت دقیقی دارند که از آنها در ماشین ابزار های بسیار دقیق مثل:

1. cnc لیزر
2. cnc تراش فلز
3. انواع و اقسام cnc ها

بهره میبرند، در دستگاه های لیزر عمدتاً میزان خطا با عددی مشخص میشود که دو مدل دستگاه لیزر داریم که یکی از آنها سه صدم میلیمتر حد اکثر خطا دارد و دیگری حد اکثر خطا پنج صدم میلیمتر است، در واقع آنقدر دقت این برش زیاد است که میتوان سوراخ های ایجاد شده روی فلزات را مستقیماً روی کار اصلی کپی کرد و حتی آنها را غلاویز کاری کرد و پیچ بست.

در صنایع بسیار زیادی از لیزر فلزات استفاده میشود:

1. آسانسورسازی
2. کابین سازی
3. انواع و اقسام اکسسوری و تزیینی های مبلمان
4. انواع و اقسام نمای خارجی ساختمان

و یکی از زیباترین های آنها در میدان امام حسین و نمای خارجی ساختمان پلاسکو توسط لیزر انجام شده، و خیلی از جاها که به عنوان نمای دو پوسته استفاده کردند یا نرده ها، حفاظ ها و درهای مدرن و متفاوتی که امروزه در بعضی از خیابان ها و محله ها میبینیم که نمای بسیار زیبایی به ساختمان ها داده اند، آدم احساس میکند یک بوم نقاشی روبه رویش قرار داره تا نرده های یک ساختمان که بسیار هم مقاوم هستند، چون این ورق ها یک تیکه هستند و جوشکاری نشده اند به همین دلیل احتمال شکستنشان بسیار پایین است.

برش لیزری

برش لیزری  Laser cutting فناوری است که در آن از اشعه  برای برش اجسام استفاده می‌شود؛ و نوعاً از این فناوری در زمینه صنعت استفاده می‌شود. برش لیزری توسط استعمال اشعه لیزر از یک خروجی قوی لیزر روی اجسامی که می‌خواهند بریده شوند انجام می‌شود. قسمتی از جسم مورد نظر که بریده می‌شود یا آب می‌شود یا می‌سوزد یا تصعید می‌شود و توسط فشار گاز از روی جسم پاک می‌شود؛ و سر انجام سطح بریده شده با کیفیت خیلی عالی ایجاد می‌شود. لیزر صنعتی در صنایع مختلفی مانند صنایع نظامی، ساختمانی، هوافضا، پزشکی، آزمایشگاهی و پژوهشی، ارتباطاتی، فیزیک، شیمی و … کاربرد دارد.

لیزر فیبر

یک نوع از لیزرهای حالت جامد است که به سرعت در صنعت برش فلز در حال رشد است. برخلاف لیزر CO₂ تکنولوژی فیبر با بهره‌گیری از محیط جذب جامد به عنوان گاز یا مایع مخالف عمل می‌کند. دانهٔ لیزر پرتوی لیزر را تولید می‌کند و پس از آن پرتو در الیاف شیشه‌ای (Glass Fiber) تقویت می‌شود. با طول موجی در حدود ۱/۰۶۴ میکرومتر لیزر فیبر، نقطه اثر بسیار کوچکی (۱۰۰ برابر کوچکتر از نقطهٔ اثر لیزر CO₂) ایجاد می‌کند که این نوع لیزر را برای برش مواد فلزی بازتابنده، مؤثر می‌سازد.

لیزر فیبر در ایران

تولید این نوع لیزر در ایران برای اولین بار در نخستین سمپوزیوم لیزر ایران (۲۹ آگوست – ۵ سپتامبر ۱۹۷۱) توسط دکتر علی جوان و دکتر تئودور میمن مورد صحبت قرار گرفت، اما به دلیل ناموجود بودن زیرساخت‌های مناسب این امر تا سال 2015 به طول انجامید. نهایتا نمونه اولیه این لیزر توسط گروه تحقیقاتی صاایران و بیمر نمونه هایی به طول موج ۱/۰۶۴ میکرومتر در توان ۱۰۰ وات ساخته شد.

انواع روش‌های برش فلزات توسط لیزر

روش‌های مختلفی در برش با استفاده از لیزر وجود دارد. برخی از این روش‌ها عبارتند از:

1. تبخیر ماده
2. ذوب ماده به همراه دمیدن گاز پرفشار
3. سوزاندن
4. ایجاد شکاف به وسیله تنش‌های حرارتی
5. برش سرد

برش تبخیری: در این روش حرارت پرتو متمرکز شده، دمای نقطه اثر را به دمای نقطه جوش می‌رساند و موجب تبخیر ماده و ایجاد حفره می‌شود. این روش برای برش موادی استفاده می‌شود که ذوب نمی‌شوند مانند:چوب، کربن و پلاستیک های ترموست.
برش ذوبی به همراه دمیدن گاز پرفشار: در این روش ابتدا پرتوی لیزر، ماده مورد نظر را در نقطهٔ کاری به دمای نقطه ذوب می‌رساند. بلافاصله با استفاده از جریان پرفشار یک گاز (معمولاً هوا) به نقطهٔ مورد نظر ضربه‌ای وارد شده و باعث ریزش مواد ذوب شده از روی جسم مورد نظر می‌شود. در این روش نیازی به بالا بردن دما به اندازه‌ای بیشتر از نقطه ذوب ماده نیست در نتیجه دستگاه قدرت مصرفی کمتری دارد. از این روش عموماً برای برش فلزات استفاده می‌شود.

• برش با ایجاد شکاف به وسیله تنش‌های حرارتی:مواد ترد به شکستگی حرارتی حساس هستند. از این ویژگی مواد ترد در روش یاد شده‌ استفاده می‌شود. اشعهٔ لیزر روی سطح ماده متمرکز شده و باعث ایجاد حرارت موضعی و انبساط حرارتی می‌شود. این عمل باعث ایجاد شکاف در ماده شده و با حرکت دادن پرتو می‌توان آن را هدایت کرد تا برش مد نظر اتفاق بیفتد. این روش عموماً برای برش لیزری شیشه‌ها و مواد شیشه مانند استفاده می‌شود.

یکی از بزرگترین صنایعی که از دستگاه برش لیزری برای تولید محصولات خود استفاده می‌کند، صنایع تولید درب حفاظ و نرده و نمای فلزی است. این دستگاه با استفاده از پرتوهای پرقدرت لیزر با قدرت نفوذ پذیری فوق‌العاده بالا قادر است ورق‌های فولادی را از ضخامت‌های چند میلی‌متر تا چند سانتی‌متری به راحتی برش دهد.

مصرف انرژی

مهم‌ترین اشکال دستگاه‌های برش لیزر مصرف زیاد برق آن‌ها است. بازدهی لیزرهای صنعتی چیزی در حدود ۵ تا ۴۵ درصد است. مقدار قدرت مورد نیاز برای برش لیزر در یک کار بخصوص به نوع ماده، ضخامت، روش مورد استفاده و نرخ برش مدنظر، بستگی دارد.

نرخ تولید و برش

حداکثر نرخ برش توسط عواملی چون قدرت لیزر، ضخامت ماده، نوع فرایند مورد استفاده و خواص مواد محدود شده‌است. برای همهٔ مقاصد و اهداف، یک لیزر می‌تواند تا ۳۰ برابر سریع‌تر از یک ارهٔ استاندارد باشد. دستگاه‌های برش CNC با هدایت کامپیوتری و توسط لیزری که از آن‌ها متصاعد می‌شود عملیات مختلفی مانند برش لیزری، حک لیزری و … را انجام می‌دهند. این دستگاه‌ها مزایای زیادی دارند، مثلاً سرعت بسیار بالایی دارند و با توجه به هدایت شدن توسط کامپیوتر، خروجی‌های کاملاً یکسانی دارند.