التقطيع بالليزر هو أسلوب شائع تصنيع المعادن تقنية. وهي تستخدم شعاع ليزر عالي الطاقة وشديد التركيز لقطع قطعة العمل (المادة). تستخدم قواطع الليزر الحديثة تقنية التحكم الرقمي باستخدام الحاسب الآلي، مما يعزز من دقتها. ومن المثير للاهتمام أن هناك أنواعاً مختلفة من القطع بالليزر. وتختلف كل طريقة عن الأخرى في العديد من الجوانب.
بعضها مثالي لقطع المعادن، والبعض الآخر مناسب لقطع المعادن غير المعدنية. بالإضافة إلى ذلك، تختلف طرق القطع بالليزر من حيث تكلفتها وأسعارها. يُعد فهم القطع بالليزر أمرًا ضروريًا، خاصةً إذا كنت تعمل في مجال تصنيع المعادن. ستناقش هذه المقالة جميع خصوصيات وعموميات طرق القطع بالليزر هذه.
أساسيات تقنية القطع بالليزر
في مقال سابق، ناقشتُ في أساسيات تقنية القطع بالليزر ومبادئ عملها. إذا كنت مبتدئاً، أوصي بشدة بقراءة هذه المقالة أولاً. سيساعدك على فهم أنواع الليزر بسهولة أكبر. دعونا نلقي نظرة عامة موجزة عن هذه التقنية.
القطع بالليزر هو تقنية متقدمة تستخدم أشعة ليزر عالية الطاقة وشديدة التركيز. يتم توجيه أشعة الليزر هذه إلى البقعة المرغوبة. ونظرًا لأن أشعة الليزر هذه ذات طاقة عالية جدًا، يمكنها بسهولة إذابة المعدن أو المادة. وبهذه الطريقة، تُحدث أشعة الليزر هذه قطعاً فعالاً في المادة.
في الماضي، كان القطع بالليزر عملية يدوية أكثر. كان على المشغل استخدام رأس الليزر وتوجيه الليزر إلى المواد. ومع ذلك، تأتي ماكينات القطع بالليزر الحديثة مزودة بأنظمة التحكم الرقمي باستخدام الحاسب الآلي. وتستخدم هذه الماكينات تعليمات محوسبة يغذيها المشغلون لقطع المواد. يتحرك رأس الليزر وفقًا لاتجاه النظام الآلي.
نظرًا لاستخدام التحكم الرقمي باستخدام الحاسب الآلي، أصبح القطع بالليزر عملية لا تلامسية. لا تحتاج إلى الإمساك برأس الليزر أو القلق بشأن محاذاة قطعة العمل. فآلات الليزر متقدمة جدًا لدرجة أنها تعتني بكل شيء. كل ما عليك القيام به هو تلقيم التعليمات الصحيحة المحوسبة أو المشفرة بالرمز G. سيتحرك رأس الليزر ويقطع المادة.
أنواع القطع بالليزر
كما ذكرت سابقًا، تختلف طرق القطع في العديد من الجوانب. وتشمل هذه الجوانب سرعتها وتكلفتها وتوافقها مع المواد، من بين عوامل أخرى. في القسم أدناه، سنناقش في القسم أدناه جميع الأنواع الشائعة من القطع بالليزر. لذا، دعونا نتعمق في الأمر!
1- القطع بالليزر CO₂ CO₂ القطع بالليزر
تحظى طريقة القطع بالليزر هذه بشعبية كبيرة بين الشركات الصغيرة والمتوسطة الحجم. وهي تستخدم خليطًا من الغازات المختلفة في عملياتها. يحتوي الخليط على ثاني أكسيد الكربون (CO₂) والنيتروجين والهيليوم. بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم أيضًا بعض الغازات المساعدة، مثل النيتروجين، لتنظيف منطقة القطع.
تقوم هذه الغازات المساعدة أيضًا بنفخ الحطام الناتج عن القطع. تحتاج هذه الطريقة إلى طاقة كهربائية لتشغيلها. تثير هذه الطاقة خليط الغازات. ونتيجة لذلك، يتم إنتاج شعاع ليزر عالي الطاقة. ومع ذلك، فإن هذا الشعاع ليس شديد التركيز أو التركيز. يواجه هذا الليزر، عندما يكون تحت رأس الليزر، مرايا وعدسات متعددة.
هذه العدسات تجعل أشعة الليزر هذه أكثر تركيزًا وتركيزًا. ونتيجة لذلك، يذهب شعاع الليزر إلى البقعة المطلوبة ويذيب سطح المادة. طاقة هذه الأشعة عالية جداً لدرجة أنها يمكن أن تبخر المواد. تُعد طريقة القطع بالليزر CO₂ مثالية للمواد غير المعدنية، مثل الخشب والجلد والزجاج والبلاستيك.
إذا كنت تستخدمه لقطع المعادن أو المواد العاكسة، فإن فعاليته وكفاءته ستنخفض إلى حد كبير. فيما يلي جدول يوضح إيجابيات وسلبيات القطع بالليزر CO₂ CO₂:
| الإيجابيات | السلبيات |
| دقة عالية, | ليس للمعادن السميكة/العاكسة |
| يعمل على العديد من المواد غير المعدنية. | أبطأ على المعادن |
| رائعة للنقش | حجم الماكينة ضخم الحجم |
| قطع ناعمة ونظيفة. | يحتاج إلى صيانة متكررة |
| أقل تكلفة من ليزر الألياف, | استخدام طاقة أعلى |
2- القطع بالليزر الليفي
يُعد القطع بالليزر الليفي خيارًا أكثر تقدمًا وتفوقًا من القطع بالليزر CO₂. فهو لا يستخدم خليطًا من الغازات المختلفة لإنتاج الليزر. وبدلاً من ذلك، فإنه ينطوي على تضخيم الضوء لإنتاج الليزر. أولاً، يتم توفير الطاقة للمادة (الألياف). هذه الإضافة للطاقة في الألياف تثير ذرات هذه المواد.
وتطلق هذه الإثارة للذرات طاقة في شكل فوتونات. ومن المثير للاهتمام، أن هذه الفوتونات لا تتحرك بل ترتد داخل آلات الليزر. وتؤدي حركتها أو تصادم الفوتونات إلى استثارة ذرات أخرى. وينتج عن ذلك انبعاث محفز للطاقة. حيث تتكون الآلات من مرآتين، حيث تصطدم الفوتونات بشكل عشوائي.
تتم إزالة مرآة واحدة جزئياً، وتخرج الطاقة، في شكل شعاع ليزر، من الماكينة. ثم يتم توجيه شعاع الليزر هذا إلى البقعة المطلوبة على المادة. ونظراً لأن هذا الليزر يتمتع بطاقة عالية جداً، فإنه يذيب المواد ويقطعها. وعلى عكس القطع بالليزر CO₂، يمكن لهذه الطريقة قطع المعادن والمواد العاكسة بسهولة.
يتميز الليزر بقوة قطع ممتازة، مما يسمح له بقطع المواد القوية. وتشمل هذه المواد الفولاذ المقاوم للصدأ والألومنيوم والنحاس الأصفر وغيرها. هذه التقنية فعالة بشكل خاص للمكونات الدقيقة مثل قوالب استنسل SMT. ومع ذلك، يمكن أن يكون أبطأ قليلاً عند قطع المواد غير المعدنية، مثل الخشب أو الزجاج. التكلفة الأولية لقطع ألياف الليزر عالية جدًا، وهذا عيب. ومع ذلك، ما زلت أعتبر هذه الطريقة أكثر فعالية من حيث التكلفة.
فيما يلي جدول يوضح إيجابيات وسلبيات القطع بالليزر الليفي:
| الإيجابيات | السلبيات |
| قطع المعادن سريع ودقيق, | غير جيد لغير المعادن |
| يمكن أن تقطع المعادن العاكسة. | ارتفاع تكلفة الماكينة |
| صيانة منخفضة, | يحتاج إلى مشغل مدرب |
| تستهلك كهرباء أقل. | يستغرق الإعداد والتعلم وقتاً طويلاً |
| عمر ليزر طويل, | ليست مثالية للمشاريع الصغيرة أو الهوايات |
3- قطع الكريستال بالليزر
تعد طريقة القطع بالليزر هذه أكثر قوة ولكنها أقل عمراً من القطع بالليزر الليفي أو ليزر ثاني أكسيد الكربون. وهي تستخدم بلورات الحالة الصلبة لتوليد أشعة الليزر. وتشمل هذه البلورات الشائعة ما يلي:
- النيوديميوم: YVO (الإيتريوم الأرثوفانات المطعمة بالنيوديميوم)
- Nd: YAG (عقيق الألومنيوم الإيتريوم والألومنيوم المضاف إليه النيوديميوم)
يتم توفير هذه الطاقة الأعلى لهذه البلورات. ونتيجة لذلك، تمتص الذرات الموجودة داخل هذه البلورات الطاقة. ونتيجة لذلك، تنتقل إلكترونات هذه الذرات إلى حالة طاقة أعلى. وعندما تعود هذه الإلكترونات مرة أخرى، تطلق كمية كبيرة من الطاقة في شكل فوتونات.
تصطدم هذه الفوتونات بالمرايا داخل أنبوب الليزر وترتد مرارًا وتكرارًا. ونتيجة لذلك، تستثير هذه الفوتونات إلكترونات أخرى، والتي تطلق بعد ذلك طاقة في شكل فوتونات. ويستمر هذا التفاعل المتسلسل في توليد المزيد من الفوتونات، مما ينتج عنه أشعة ليزر ذات طاقة أعلى. بعد ذلك يتم توجيه شعاع الليزر هذا إلى المادة، مما يؤدي إلى قطعها.
ومن المثير للاهتمام أن طريقة القطع هذه توفر شعاعًا عاليًا بكثافة طاقة أعلى. ولذلك، يمكنها قطع أقوى المواد، مثل المعادن والسيراميك. آلات القطع بالليزر البلوري أقل متانة ولها عمر افتراضي أقصر من طرق القطع بالليزر الليفي وليزر ثاني أكسيد الكربون. وفيما يلي جدول يوضح أبرز مزاياها وعيوبها:
| الإيجابيات | السلبيات |
| قطع دقيق للغاية, | عمر أقصر |
| تقطيع المواد الصلبة, | تكلفة عالية |
| رائعة للتفاصيل الدقيقة, | حساس للحرارة/الرطوبة |
| طاقة عالية في حجم صغير, | إعداد معقد |
| تلف حراري منخفض في الوضع النبضي, | أقل كفاءة في استهلاك الطاقة |
4- القطع المباشر بالليزر الصمام الثنائي المباشر
يستخدم هذا النوع من القطع بالليزر مكونًا صغيرًا يعرف باسم الصمام الثنائي الليزري. وهو شبه موصل ويساعد على إنتاج أشعة ليزر عالية الطاقة بكفاءة. أولاً، يتدفق التيار إلى هذه الصمامات الثنائية. ويوفر الطاقة لذرات الصمامات الثنائية. ونتيجة لذلك، تمتص إلكترونات تلك الذرات الطاقة وتقفز إلى حالة طاقة أعلى.
وعند عودتها إلى حالة طاقة أقل، تطلق الطاقة في شكل فوتونات. وتتسبب هذه الفوتونات في انبعاث طاقة محفزة عن طريق إثارة ذرات أخرى. ونتيجة لذلك، تنتج أشعة ليزر عالية الطاقة. ومن المثير للاهتمام أن ثنائيات الليزر المستخدمة لها مرآة واحدة على جانب واحد. وتسمح هذه الفتحة الجزئية للمرآة بخروج الليزر.
بمجرد خروج الليزر، يتم توجيهه إلى المادة وقطعها بفعالية. هذا النوع من القطع بالليزر مناسب لقطع المواد الرقيقة. ومع ذلك، لن يقطع إذا كانت المادة سميكة أو كثيفة للغاية. ما يعجبني في طريقة القطع هذه هو أن استهلاكها للطاقة منخفض جدًا. واستخدامه شائع في الوسم بالليزر واللحام وتركيب الأسطح.
فيما يلي جدول يوضح إيجابيات وسلبيات القطع بليزر الصمام الثنائي المباشر:
| الإيجابيات | السلبيات |
| كفاءة عالية في استهلاك الطاقة, | ليست مثالية للمعادن السميكة |
| صغيرة الحجم وخفيفة الوزن, | خرج طاقة أقل |
| صيانة منخفضة, | نطاق المواد المحدود |
| سريع للمواد الرقيقة, | جودة العارضة الأضعف |
| انخفاض تكاليف التشغيل, | عمق القطع الضحل |
أنواع القطع بالليزر بناءً على طريقة القطع
ناقشت في القسم السابق أنواعًا مختلفة من القطع بالليزر. تختلف هذه الأنواع عن بعضها البعض من حيث مصدر الليزر. على سبيل المثال، في القطع بليزر ثاني أكسيد الكربون CO2، يكون خليط من الغازات المختلفة هو مصدر الليزر. وبالمثل، يستخدم القطع بالليزر الليفي الألياف الضوئية كمصدر لليزر.
تستخدم البلورات و DDL بلورات الحالة الصلبة والصمامات الثنائية الصغيرة لتوليد الليزر، على التوالي. صحيح ومع ذلك، تعتمد بعض أنواع القطع بالليزر على الطريقة المستخدمة لقطع المادة. على سبيل المثال، تستخدم بعض طرق القطع بالليزر الحرارة لإذابة المادة، مما يتيح القطع الدقيق. وعلى الجانب الآخر، لا تعمل أنواع الليزر الأخرى على إذابة المواد.
وبدلاً من ذلك، فإنها تقوم بتبخير البقعة المستهدفة لقطع المادة. تستخدم طرق القطع بالليزر هذه أنواع الليزر المذكورة أعلاه. فيما يلي جدول يوضح أنواع القطع بالليزر هذه بناءً على كيفية قطع المواد:
| طريقة القطع بالليزر | كيفية قطع كل طريقة للمادة أو قطعة العمل | أنواع الليزر الشائعة المستخدمة |
| القطع بالليزر الانصهار الانصهار | صهر المواد؛ يتم نفخ المعدن المنصهر بواسطة الغاز | ألياف الليزر، ليزر الألياف، ليزر ثاني أكسيد الكربون |
| القطع بالتبخير بالليزر | تبخير المواد مباشرة إلى غاز - لا يوجد ذوبان للمواد | ليزر ثاني أكسيد الكربون، ليزر Nd:YAG |
| القطع بالليزر عن بُعد | يذيب المواد الرقيقة باستخدام الشعاع فقط (بدون غاز مساعد) | ليزر الألياف |
| القطع بالليزر بالأكسجين | تسخين المواد وأكسدتها باستخدام غاز الأكسجين | ليزر ثاني أكسيد الكربون، ليزر الألياف |
كيف تختار طريقة القطع بالليزر المناسبة؟
قد يكون اختيار طريقة القطع بالليزر المناسبة عملية مربكة. بسبب الارتباك، قد ينتهي بك الأمر باختيار نوع الليزر الخاطئ. سيؤثر ذلك على كل من جودة القطع وميزانية مشروعك. فيما يلي بعض العوامل الرئيسية التي يجب مراعاتها عند اختيار طريقة القطع بالليزر. ستساعدك على اختيار النوع المناسب لاحتياجاتك
- نوع المادة: أولاً، يجب عليك تحديد نوع المادة التي تعمل بها. إذا كانت لديك مادة غير معدنية، أوصي باختيار ليزر ثاني أكسيد الكربون. ومن ناحية أخرى، فإن القطع بالليزر الليفي هو الأنسب للمعادن والمواد شديدة الانعكاس.
- سُمك المادة: تختلف كفاءة طريقة القطع بالليزر عندما تتغير سماكة المادة. يجب عليك اختيار الليزر الكريستالي أو الليزر الليفي للمواد الأثقل والأكثر سمكًا. وعلى الجانب الآخر، فإن ليزر الصمام الثنائي المباشر (DDL) هو الخيار الأفضل للمواد الرقيقة.
- حجم الإنتاج: كل طريقة من طرق القطع بالليزر لها حدودها الخاصة على حجم الإنتاج الذي يمكنها التعامل معه. أنصحك باختيار طريقة القطع بالليزر الليفي إذا كنت قد أسست عملاً تجاريًا. فهذه الطريقة تمكّنك من قطع المزيد من الأجزاء في وقت أقل، مما يتيح لك الوفاء بأدق المواعيد النهائية.
- الدقة والجودة: يفضل المصنعون بشكل عام دقة وجودة القطع أثناء التصنيع. أليس كذلك؟ إذا كان هذا هو مطلبك، فيجب عليك اختيار القطع بالليزر الكريستالي. على الرغم من أنها باهظة الثمن، إلا أنها ستنتج عمليات قطع دقيقة ومفصلة وسلسة نظرًا لجودة شعاعها العالية.
- الميزانية والسرعة: أعتبر أن ليزر الألياف هو الخيار الأفضل، حيث إن تكلفته متوسطة المدى ويوفر سرعة فائقة. أما القطع بالليزر CO₂ فهو أقل تكلفة ولكنه أبطأ، مما قد يؤثر على الإنتاجية. أما القطع بالليزر الكريستالي فهو ممتاز ومكلف للغاية، ولا أنصح به.
الخاتمة
تلعب تقنيات القطع بالليزر دوراً حاسماً في تصنيع المعادن. حيث يمكن لأشعة الليزر عالية الطاقة قطع المواد مهما كانت قوتها بسهولة. ومع ذلك، تختلف الأنواع المختلفة للقطع بالليزر من حيث فعاليتها. بعضها مناسب لقطع المواد المعدنية.
من ناحية أخرى، تتفوق بعض طرق القطع بالليزر عند قطع المواد غير المعدنية. في هذه المقالة، قمت بشرح الأنواع الأربعة المهمة مصنفة حسب مصدر الليزر الخاص بها. تقدم هذه المقالة أيضًا نظرة عامة على أنواع الليزر بناءً على قدرات القطع الخاصة بها. وأخيرًا، ستتعرف على تقنية القطع بالليزر الأنسب لاحتياجاتك.