שיטות חיתוך בלייזר

סובלימציה או אידוי

סובלימציה היא סוג של שינוי פאזה ממצב מוצק למצב גזי, ללא שלב נוזלי ביניים. זהו אותו תהליך של איך קרח יבש הופך לאדים מבלי להפוך לנוזל. החומר סופג במהירות אנרגיה שבה אין סיכוי להתרחש התכה. אותו עיקרון מיושם על חיתוך לייזר, שבו כמות אנרגיה גבוהה מוענקת לחומר בזמן קצר יחסית הגורמת לשינוי פאזה ישיר של החומר ממצב מוצק לגזי, עם כמה שפחות התכה.

החיתוך מתחיל ביצירת חור מנעול ראשוני או חריץ. בגרעין, יש יותר ספיגה מה שגורם לחומר להתאדות מהר יותר. אידוי פתאומי זה יוצר אדי חומר בלחץ גבוה השוחק עוד יותר את דפנות החריף תוך פליטת חומרים מהחתך. זה מעמיק ומגדיל את החור או החתך שנעשו.

תהליך זה מתאים לחיתוך פלסטיק, טקסטיל, עץ, נייר וקצף, שדורש רק כמויות קטנות של אנרגיה לאידוי.

הַתָכָה

בהשוואה לסובלימציה, התכה דורשת פחות אנרגיה כדי להשיג. האנרגיה הנדרשת היא כעשירית מחיתוך הלייזר הסובלימטיבי. בתהליך זה קרן הלייזר מחממת את החומר, מה שגורם להמסתו. כשהחומר נמס, סילון גז מהזרבובית הקואקסיאלית עם קרן הלייזר מוציא את החומר מהחתך. הגזים המסייעים המשמשים הם אינרטיים או לא מגיבים (לדוגמה, הליום, ארגון וחנקן), מה שמסייע רק לחיתוך באמצעים מכניים.

בגלל דרישת האנרגיה הנמוכה שלו משמש לחיתוך מתכות לא מחמצנות או פעילות כמו נירוסטה, טיטניום וסגסוגות אלומיניום.

חיתוך לייזר תגובתי

בתהליך זה, גז תגובתי משמש לייצור יותר חום על ידי תגובה עם החומר. התהליך מתחיל בהמסת החומר בקרן לייזר. כשהחומר נמס, זרם של גז חמצן יוצא מהזרבובית הקואקסיאלית, המגיב עם המתכת המותכת. התגובה בין המתכת לחמצן היא תהליך אקסותרמי שמשמעותו משתחרר חום. חום זה מסייע בהמסה של החומר, המהווה כ-60% מסך האנרגיה הנדרשת לחיתוך החומר. תחמוצות המתכת המותכות נפלטות על ידי הלחץ של סילון החמצן.

מלבד האנרגיה הנמוכה יותר הנדרשת מקרן הלייזר, מהירויות חיתוך באמצעות גזים תגובתיים הן מהירות יותר מחיתוך לייזר עם גזים אינרטיים. עם זאת, מכיוון שתהליך זה מסתמך על תגובה כימית, תחמוצת המתכת המותכת שאינה נפלטת על ידי סילון החמצן נוצרת לאורך קצה החתך. זה מייצר חיתוכים באיכות נמוכה מאשר שימוש בגזים אינרטיים.

תהליך זה משמש לחיתוך פלדות פחמן עבות, פלדות טיטניום ומתכות אחרות המתחמצנות בקלות.

שבר מאמץ תרמי

תהליך זה כרוך בהחדרת חריץ קטן בעומקים של כשליש מעובי החומר באמצעות לייזר. לאחר מכן משתמשים בלייזר כדי לגרום ללחצים מקומיים. זה מושג על ידי חימום נקודה קטנה אשר יוצר כוחות לחיצה סביבו. לאחר העברת קרן הלייזר, האזור מתקרר מעט, ויוצר מתחים תרמיים. בעיצובים מסוימים משתמשים בנוזלי קירור כדי לסייע ביצירת מתח תרמי. כאשר הלחצים המושרים הללו מגיעים לרמות כשל, מתפשט סדק שגורם להפרדה.

תנועת קרן הלייזר מכוונת את ההפרדה הזו בצורה מבוקרת. שיטה זו דורשת בדרך כלל פחות כוח מאשר אידוי בלייזר עם מהירויות חיתוך טובות יותר. חימום מקומי מתבצע בדרך כלל מתחת לטמפרטורת מעבר הזכוכית.

לייזרים CO₂ נמצאים בשימוש נרחב עבור יישום זה מכיוון שאור אינפרא אדום עם אורך גל של 10.6 מיקרומטר הוא אידיאלי לחיתוך רוב הלא מתכות. עם זאת, לא ניתן לחתוך את כל החומרים על ידי סוג אחד של לייזר מכיוון שחומרים שונים סופגים אור באורכי גל שונים. שברי מתח תרמי נמצאים בשימוש נרחב לחיתוך חומרים שבירים כגון קרמיקה וזכוכית.

שיטה חדשה נוספת המשתמשת בעקרונות של שבר מתח תרמי היא Stealth Dicing. זוהי טכנולוגיית חיתוך לייזר שפותחה במקור על ידי Hamamatsu Photonics המשמשת בחיתוך פרוסות מוליכים למחצה וחלקים של מערכות מיקרו-אלקטרומכניות או MEMS. בסוג זה של חיתוך, הקצף הראשוני נוצר בנקודה פנימית בתוך החומר. חיתוך קוביות התגנבות הוא תהליך חיתוך יבש שבו החתך המיוצר נקי ללא משקעים מותכים.