Politechnika Krakowska Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji
				Anita Łodej Karolina Moskwa
				Grupa:	13Z9/1	Zespół: IV
				Rok akademicki:		2013/2014

LABORATORIUM MIKRO I NANOTECHNOLOGII

Ćwiczenie nr 7:

Dobór podstawowych parametrów procesu cięcia laserowego i wysokociśnieniowym strumieniem wody.

1. Cel ćwiczenia

• Zapoznanie studentów z podstawami procesu cięcia (wycinania) laserowego.

• Zapoznanie studentów z podstawami procesu cięcia (wycinania) wysokociśnieniowym strumieniem cieczy.

2. Wstęp

Budowa i zasada działania lasera

Oddziaływanie promieniowania z materią można wyjaśnić za pomocą trzech zjawisk:
- pochłaniania fotonów (absorpcji)
- emisji spontanicznej
- emisji wymuszonej fotonu.

W wyniku absorpcji fotonu o częstości v spełniającej równanie:

E₂ - E₁ = hv

w którym:
E2 - oznacza energie stanu wzbudzonego atomu,
E1 - energie jego stanu podstawowego,
h - stała Plancka.

Atom przechodzi ze stanu podstawowego do stanu wzbudzonego.

W procesie emisji spontanicznej atom emituje foton o częstości spełniającej powyższe równanie i przechodzi ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego. W procesie emisji wymuszonej foton o częstości ν spełniającej równanie: E2 - E1 = hv, nie ulega absorpcji (atom już jest w stanie wzbudzonym), lecz wymusza emisje fotonu.

Wymuszony foton jest spójny z fotonem wymuszającym. Oznacza to, że mają one tę samą częstość, fazę i kierunek rozchodzenia się. W wyniku emisji wymuszonej atom przechodzi do stanu podstawowego.

Właściwości światła laserowego

Światło laserowe posiada następujące właściwości:

- rozbieżność wiązki- powiększanie się pola przekroju poprzecznego wiązki wraz z odległością;

- spójność (koherentność) - jest to przestrzenna i czasowa, w fazie i częstotliwości zależność drgań elektromagnetycznych. Aby drgania były spójne muszą mieć jednakową częstotliwość;

- moc promieniowania i gęstość energii- duża gęstość mocy umożliwia uzyskanie dużej koncentracji fotonów. Może wtedy zachodzić równoczesne oddziaływanie kilku fotonów
z jednym atomem;

- propagacja promieniowania laserowego w środowisku- środowisko naturalne wpływa na propagacje promieniowania laserowego poprzez: zmniejszenie amplitudy i długości jego koherencji, na odchylaniu i zmianie prostoliniowości biegu promieniowania.

Przyczyną zmniejszania się wielkości promieniowania w danym środowisku są: rozproszenie promieniowania i absorpcja promieniowania.

Rozpraszanie promieniowania polega na zmianie kierunku biegu fali. Zależy od:

- długości fali;

- gęstości i niejednorodności atmosfery;

- temperatury;

- zadymienia;

- pory dnia;

- pogody;

- obecności owadów znajdujących się na torze biegu promieniowania laserowego.

Podział laserów w zależności od ośrodka czynnego
Ośrodek czynny decyduje o najważniejszych parametrach lasera, określa długość emitowanej fali, jej moc, sposób pompowania, możliwe zastosowania lasera.

a) lasery gazowe:

- He-Ne laser helowo-neonowy- o działaniu ciągłym (543 nm lub 633 nm)

- Ar laser argonowy- jonowy laser gazowy (458 nm, 488 nm lub 514,5 nm)

- laser azotowy (337,1 nm)

- laser kryptonowy (jonowy 647,1 nm, 676,4 nm)

- laser na dwutlenku węgla (10,6 μm), itp.

b) lasery o ciele stałym:

- laser rubinowy (694,3 nm)

- laser neodymowy na szkle i YAG-u

- laser erbowy na YAG-u (Er:YAG) (1645 nm)

- laser tulowy, itp.

c) lasery na cieczy:

- lasery barwnikowe - ośrodkiem czynnym są barwniki rozpuszczone w nieaktywnym ośrodku przezroczystym, np. rodamina

- lasery chelatowe

- lasery neodymowe

d) lasery półprzewodnikowe:

- złączowe (diody laserowe)- laser na materiale objętościowym, na studniach kwantowych, na kropkach kwantowych;

- bezzłączowe- kwantowy laser kaskadowy;

- lasery na wolnych elektronach- laser promieniowania X

Schemat budowy systemów do wysokociśnieniowej obróbki wodnej i wodno-ściernej

Parametry procesu przecinania za pomocą obróbki wysokociśnieniowym strumieniem cieczy

Podstawowymi parametrami charakteryzującymi proces przecinania wysokociśnieniową strugą wodno-ścierną są: parametry hydrauliczne strugi, własności ścierniwa, parametry technologiczne przecinania.

Parametrami hydraulicznymi strugi są:

- ciśnienie strugi,

- średnica strugi,

- moc strugi.

Istotnymi własnościami ścierniwa są:

- rodzaj ścierniwa,

- wielkość ziaren ściernych,

- wydatek ścierniwa,

- sposób podawania ścierniwa (suchy lub mokry).

Parametry technologiczne procesu cięcia to:

- prędkość przecinania (posuw),

- odległość dyszy od materiału.

Wady i zalety obróbki laserowej

Zalety obróbki laserowej:

• technologia laserowa pozwala na wykonanie nawet najmniejszych detali z ogromną dokładnością - do 0,001 mm;

• wycinanie laserem, pozwala na produkcję dowolnej ilości, identycznie wyciętych elementów;

• precyzja cięcia laserem, gwarantuje, że otrzymane produkty posiadają idealnie gładkie krawędzie, przez co zbyteczna staje się obróbka wykończeniowa

• specyfika pracy lasera zapewnia szybkie wykonanie nawet elementów o dużym stopniu skomplikowania;

• oszczędność surowca, poprzez zastosowanie wąskiej szczeliny cięcia laserem;

• wycinarka laserowa, to uzyskanie elementów dużo niższym kosztem, w porównaniu do zastosowania tradycyjnych metod.

Wady obróbki laserowej:

• duży koszt zakupu lasera;

• duży koszt szkolenia i uzyskania wykwalifikowanej kadry inżynierskiej do obsługi maszyny.

Wady i zalety obróbki wysokociśnieniowym strumieniem cieczy

Zalety obróbki wysokociśnieniowym strumieniem cieczy:

• uniwersalność stosowania (możliwość przecinania szerokiej gamy materiałów takich jak: szkło, ceramika, kompozyty, węgliki spiekane),

• możliwość przecinania bardzo grubych materiałów (w przypadku stopów aluminium nawet do 300 mm),

• możliwość przecinania wielowarstwowego,

• możliwość przestrzennego operowania narzędziem (kształtowanie elementów trójwymiarowych),

• możliwość prowadzenia obróbki w strefie łatwopalnej i zagrożenia wybuchem,

• brak termicznego wpływu na przecinany materiał (obróbka na zimno),

• brak deformacji materiału w obszarze cięcia,

• wysoka jakość przeciętych powierzchni,

• możliwość rozpoczęcia obróbki w dowolnym miejscu (nie wymaga nawierceń),

• możliwość precyzyjnego wycinania skomplikowanych kształtów (mała średnica narzędzia),

• niewielka ilość odpadów związana z wąską szczeliną cięcia,

• łatwa adoptowalność do określonych zadań obróbkowych.

Wady obróbki wysokociśnieniowym strumieniem cieczy:

• występowanie śladów poobróbkowych na powierzchniach bocznych wycinanych przedmiotów,

• odchylenie zarysu przecięcia od zarysu idealnego.

3. Przebieg ćwiczenia i zadania do wykonania. Wyniki pomiarów, ich analiza - prace własne.

3.1 Uruchomić program LaserCutting.exe. Każdy ze studentów wybiera z menu „Materials” jeden z materiałów i sporządza na podstawie przeprowadzonej symulacji 3D wykres zależności szybkości cięcia jako funkcji grubości materiału oraz mocy lasera. Na podstawie otrzymanego wykresu należy wyciągnąć odpowiednie wnioski. Należy pamiętać, że wprowadzane wielkości dotyczące grubości materiału wyrażane są w calach. W tabeli należy je podać także przeliczone na mm. Prędkości cięcia należy także przeliczyć na mm/s.

3.2 Uruchomić plik wjm.xls. Każdy ze studentów wybiera z wiersza „Materiał machinability” jedną z wartości i wykonuje symulację zależności prędkości cięcia strugą wodno ścierną jako funkcji ciśnienia strumienia cieczy i grubości materiału. Dla ustalonych pozostałych parametrów. Na podstawie uzyskanych wyników należy sporządzić wykres 3D uzyskanych zależności oraz wyciągnąć odpowiednie wnioski. Należy pamiętać, że odpowiednie wprowadzane wielkości wyrażane są w calach i psi. W tabeli należy je podać także przeliczone na mm i MPa. Prędkości cięcia należy także przeliczyć na mm/s.

4. Tabelaryczne zestawienie wartości wejściowych do symulacji. Wykresy.

Dane do symulacji:

Wycinanie laserowe:

Materiał:	Rubber
Zakres grubości cięcia [cal]:	0,1			0,5			1
Zakres grubości cięcia [mm]:	2,54			12,7			25,4
Zakres mocy lasera [W]	10	100	400	10	100	400	10	100	400
Prędkość cięcia [cal/min]:	9,976	99,76	399,1	1,231	12,31	49,25	0,5	5	20
Prędkość cięcia [mm/s]:	4,223	42,23	168,95	0,521	5,21	20,85	0,2	2	8,47

Wycinanie strugą wodno ścierną:

Materiał : ALUMINIUM
M = 213

f_a = 1

d = 0,014 [cal] = 0,3556

Ciśnienie strumienia P [ksi]	Ciśnienie strumienia P [Pa]	Średnica otworu d [cal]	Przepływ ścierniwa Ma [cal/min]	Jakość Q	Grubość materiału H [cal]	Grubość materiału H [mm]	Średnica rurki Dm [cal]	Prędkość cięcia V [cal/min]
50	0.344738	0,014	0,8	1	1	25,4	0,03	23,056
75	0.517107	0,014	0,8	1	1	25,4	0,03	48,482
100	0.689476	0,014	0,8	1	1	25,4	0,03	82,149
50	0.344738	0,014	0,8	1	0,5	12,7	0,03	51,164
75	0.517107	0,014	0,8	1	0,5	12,7	0,03	107,587
100	0.689476	0,014	0,8	1	0,5	12,7	0,03	182,300
50	0.344738	0,014	0,8	1	0,1	2,54	0,03	325,674
75	0.517107	0,014	0,8	1	0,1	2,54	0,03	684,820
100	0.689476	0,014	0,8	1	0,1	2,54	0,03	1160,383

Q=1 rozdzielenie materiału (niska jakość powierzchni)

Wnioski

Obróbka laserowa oraz obróbka wysokociśnieniowym strumieniem cieczy
Rozpatrując oba analizowane sposoby trudno jednoznacznie wskazać, która z tych technologii jest efektywniejsza. Pod względem ekonomicznym bardziej konkurencyjne jest cięcie laserem. Cięcie strumieniem wodno- ściernym jest technologią bardziej elastyczną. Po-zwala to na cięcie prawie wszystkich rodzajów materiałów o różnej grubości z tym, że z różną prędkością cięcia oraz innym ciśnieniem. Z kolei podczas cięcia na jego prędkość mają wpływ parametry pracy lasera w szczególności moc, poza tym także grubość materiału poddanego obróbce.

Po przeprowadzonej analizie można zauważyć że, technologia cięcia laserem i strumieniem wodno-ściernym są w niektórych aspektach podobne i bardzo dobrze się uzupełniają.

8 | Strona

---