القطع بالليزر هو طريقة فعالة للغاية لـ تصنيع المعادن. يستخدم أشعة الليزر عالية الطاقة لقطع وتشكيل المواد الأكثر صلابة بسهولة. وقد جعلته فعاليته خيار تصنيع متفوق على طرق القطع التقليدية. ومع ذلك، لا يزال الكثير من الناس لا يفهمون أساسيات هذه العملية ويتساءلون "ما هو القطع بالليزر؟
إن فهم أساسيات القطع بالليزر أمر ضروري لتحقيق أقصى استفادة من هذه العملية. إذا كنت واحدًا من هؤلاء وليس لديك أي معرفة بالقطع بالليزر، فلا تقلق! سأشرح كل شيء عن عملية القطع بالليزر في هذه المقالة. ستتعرف على تاريخ عملية القطع بالليزر ومكوناتها الأساسية وطريقة عملها خطوة بخطوة. لذا، لنبدأ!
ما هو القطع بالليزر؟
وهي عملية متقدمة تستخدم أشعة ليزر عالية الطاقة. تعمل هذه الأشعة على إذابة أو تبخير النقطة المستهدفة. يتحكم النظام المحوسب في اتجاه هذه الأشعة وشدتها لإنشاء قطع وأشكال دقيقة. لا يتسبب إجراء القطع بدون تلامس في أي هدر للمواد.
تأتي ماكينات القطع بالليزر مزودة بمصادر ليزر. ويصدر هذا المصدر أشعة ليزر بالطاقة المطلوبة، وهي قطع العمل. يعود تاريخ تكنولوجيا الليزر إلى ستينيات القرن الماضي. عمل ثيودور ميمان لأول مرة على تقنية الليزر في عام 1960. في ذلك الوقت، اعتمد المصنعون على طرق القطع اليدوي.
في عام 1965، اخترع مركز ويسترن إلكتريك للأبحاث الهندسية أول ماكينة قطع بالليزر. وكانت آلة أساسية لا تتمتع بميزة دقة محددة، ولكنها كانت الخطوة الأولى نحو الابتكار. كان الاستخدام الأولي لآلات الليزر هو إحداث ثقوب في قوالب الألماس. وتذكروا أن قطع المواد الصلبة كان يمثل تحديًا دائمًا.
ومع ذلك، يمكن للمصنعين قطع وتشكيل وحفر الثقوب في المواد الأكثر صلابة باستخدام آلات الليزر. وفي ثمانينيات القرن العشرين، تم أيضًا تطوير آلة القطع بالليزر CO₂، والتي جذبت المزيد من الاهتمام. في أوائل التسعينيات، تم إدخال نظام التحكم المحوسب في آلة القطع بالليزر.
وأثبتت هذه الماكينات أنها تقدم كبير في زيادة دقة ماكينات القطع بالليزر. وبعد ذلك، بدأ العديد من المصنعين في استخدام ماكينات الليزر القائمة على التحكم الرقمي باستخدام الحاسب الآلي نظرًا لدقتها وسرعتها. واليوم، أصبحت هذه الماكينات ضرورية للصناعات التحويلية المتقدمة. من السيارات إلى الفضاء، يهيمن استخدامها في كل مكان.
مكونات ماكينة القطع بالليزر
تبدو ماكينات القطع بالليزر وكأنها وحدة واحدة. ومع ذلك، فإن عملها معقد للغاية ويحتاج إلى وظائف منتظمة لمختلف المكونات. يعد فهم المكونات ووظائفها أمرًا أساسيًا لأنها تتحكم في عمل الماكينة بأكملها القطع بالليزر الماكينة. سأناقش في القسم أدناه كل مكون من مكونات ماكينة القطع بالليزر:
- مصدر الليزر: كما يوحي الاسم، فهو مصدر تنبعث منه أشعة ليزر عالية الطاقة. تتوفر أنواع مختلفة من مصادر الليزر حسب نوع الجهاز.
- طاولة العمل: إنها المنصة التي يتم فيها تأمين قطعة العمل. بشكل عام، تقوم طاولة العمل بتثبيت قطعة العمل (المادة) وتسمح لها بالتحرك. ونتيجة لذلك، فإنها تزيد من سلاسة عمل ماكينات القطع بالليزر.
- وحدة تحكم CNC: إنه الجزء الأكثر أهمية في ماكينة القطع بالليزر الحديثة. يقوم المشغل بإعطاء وحدة التحكم بنظام التحكم الرقمي باستخدام الحاسب الآلي هذه تعليمات مشفرة بترميز G. ثم تتحكم وحدات التحكم CNC هذه في عمل الماكينة وفقًا للتعليمات المعطاة. يتحرك رأس القطع في ماكينات القطع بالليزر باتجاه وحدة التحكم الرقمي باستخدام الحاسب الآلي.
- العدسات والمرايا: يتشتت الليزر المنبعث من المصدر بشكل عام. تقوم بصريات التركيز، مثل المرآة والعدسة، بتركيز شعاع الليزر هذا. تركز هذه العدسات أو المرايا شعاع الليزر في النقطة الصحيحة للقطع الدقيق.
- رأس القطع: توجد العدسات والمرايا التي تمت مناقشتها أعلاه على رأس القطع. ويتكون أيضًا من فوهات تنبعث منها غازات محددة، أي الأكسجين أو النيتروجين. يتحرك هذا الرأس فوق المادة ويوجه شعاع الليزر إلى البقعة الصحيحة.
- نظام الحركة: كما ذكرنا سابقًا، يتحرك رأس القطع فوق المادة. يساعد نظام الحركة في حركة رأس القطع. يتكون النظام من محركات وأحزمة وقضبان. وهذا يسمح للرأس بالتحرك على المحاور X وY وZ وفقًا للتعليمات المحوسبة.
كيف يعمل القطع بالليزر؟ عملية خطوة بخطوة
جميع المكونات المذكورة أعلاه تعمل معًا. سيؤدي وجود عيب بسيط في أي مكون واحد إلى تعطل ماكينة القطع بالليزر. في القسم أدناه، سأناقش في القسم أدناه العملية خطوة بخطوة لكيفية عمل القطع بالليزر. لذا، دعونا نبدأ!
1- توليد التعليمات المشفرة
الخطوة الأولى للمشغل هي إنشاء التعليمات المشفرة G. هذه الخطوة حاسمة، ويمكن أن تؤدي الأخطاء الصغيرة إلى حدوث خلل عند القطع أو التشكيل. وعلاوة على ذلك، فإنها تتطلب مستوى أعلى من الخبرة.
اسمحوا لي أن أناقش كيف تُصمم التعليمات المشفرة G. أولاً، يتم تصميم الشكل المطلوب. وهو نموذج رقمي لما يحتاجه المصنعون. بشكل عام، يحصل المصنعون على مساعدة المصممين الخبراء لعمل التصميمات الأولية. يستخدم المصممون برنامج CAD لإنشاء النماذج. وهو الشكل الذي يريد المصنعون أن تنتجه ماكينات القطع بالليزر.
وبمجرد أن يصبح النموذج جاهزًا، يتم تلقيمه إلى برنامج CAM. يقوم برنامج CAM بمعالجة التصميم المقدم إليه. بعد التفسير المناسب، يقوم هذا البرنامج بإنشاء تعليمات محوسبة. تكون هذه التعليمات في شكل رموز (تعليمات مشفرة G). يقوم المشغل بعد ذلك بتلقيم هذه التعليمات المشفرة إلى ماكينات القطع بالليزر.
قد تتساءل كيف تتلقى الماكينات هذه التعليمات أو الملفات المشفرة G. كما ناقشت أعلاه، تأتي ماكينات الليزر مزودة بواجهة. يستخدم المشغل هذه الواجهة المحوسبة لنقل التعليمات المشفرة G إلى الماكينة. تذكر أن وحدات التحكم الرقمي CNC تفسر هذه التعليمات وتتبعها.
2- توليد شعاع الليزر
الخطوة الثانية هي توليد أشعة الليزر. كما قلت سابقًا، تأتي آلات القطع بالليزر مزودة بمصادر ليزر. وتتكون هذه المصادر من غازات تولد أشعة الليزر. وعمومًا، تشمل هذه الغازات ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين والهيليوم. داخل المصدر، تنطلق طاقة كهربية. وتثير هذه الطاقة ذرات تلك الغازات.
تذكر أنه عندما تمتص الذرة الطاقة، فإنها تنتقل إلى حالة طاقة أعلى. ويحدث الشيء نفسه في آلات الليزر. تمتص ذرات هذه الغازات الطاقة الكهربية وتنتقل إلى حالة طاقة أعلى. ولكن عندما تعود هذه الإلكترونات إلى غلاف طاقة أقل، فإنها تطلق الطاقة. ويكون إطلاق الطاقة في صورة ضوء، وهو ما نعرفه باسم شعاع الليزر.
3- التضخيم بالليزر
تتشتت طاقة الليزر (الطاقة الضوئية) التي نحصل عليها عندما تصل الذرة إلى حالة طاقة أقل. هذه الطاقة المبعثرة عديمة الفائدة ولا يمكن أن تساعد في عملية القطع. لذلك، تستخدم آلات القطع بالليزر بصريات تركيز متخصصة. تركز العدسات والمرايا شعاع الليزر ولا تسمح له بالتشتت.
وبفضل هذه العدسات، يصبح شعاع الليزر شديد التركيز وأضيق نطاقًا. ويمكنه إصابة الأهداف أو البقع الصغيرة بسهولة بسبب تركيزه وتركيزه. تذكر أن الآلات مزودة بمرنانات ليزر تعمل على تضخيم طاقة شعاع الليزر. ويتكون مرنان الليزر من سلسلة من المرايا التي تعكس الضوء.
عندما يصطدم شعاع الليزر (الفوتون) بالمرايا، فإنه يتحرك ذهابًا وإيابًا بسبب الانعكاس. تذكر أن هذه المرايا متصلة على التوالي. وبسبب الارتباط المستمر، تزداد طاقة الفوتون. توجد مرآة واحدة في السلسلة، وهي عاكسة جزئياً. وعندما يصطدم بها فوتون، تسمح له هذه المرآة بالخروج بطاقة مضخمة.
هذه الفوتونات الهاربة هي أشعة الليزر التي تستخدمها الماكينات. يتم توجيه هذه الأشعة إلى قطعة العمل. لديها طاقة أعلى لقطع وتشكيل أي مادة مهما كان سمكها. تسمح واجهة ماكينات القطع بالليزر للمشغلين بضبط مستوى تضخيم أشعة الليزر.
4- تركيز الشعاع من خلال رأس القطع
كما قلت سابقًا، يخرج الليزر من خلال رأس القطع. يتكون هذا الرأس من مرايا وعدسات تعمل على تضخيم الليزر. بعد تضخيم شعاع الليزر، يخرج من خلال فوهة رأس القطع. يأتي هذا الرأس فوق المادة أو قطعة العمل. يخرج الليزر ويضرب مباشرة على سطح المادة.
وبسبب الطاقة الأعلى للشعاع، فإنه يذيب المادة ويبخرها. ونتيجة للذوبان، يتم قطع المادة بسلاسة. تتطلب المادة الأقوى والأكثر سمكًا مستوى أعلى من تضخيم شعاع الليزر، والعكس صحيح. حركة رأس القطع مهمة. إذا لم تكن هذه الحركة صحيحة، فلن تحصل الشركات المصنعة على قطع دقيق.
ولذلك، تأتي ماكينات القطع بالليزر مزودة بوحدة تحكم بنظام التحكم الرقمي باستخدام الحاسب الآلي. يتحكم هذا المكون في حركة رأس القطع وفقاً لتعليمات محوسبة. لدى جميع المصنعين الذين يستخدمون ماكينات القطع بالليزر باستخدام الحاسب الآلي مصممين داخليين يقومون بإنشاء تصميمات CAD. تذكّر أن التصميم الخاطئ سيؤدي إلى تعليمات خاطئة مشفرة بالرمز G، مما يؤدي إلى إفساد الدقة.
5- دور الغاز المساعد في القطع بالليزر
بشكل عام، يذيب شعاع الليزر المادة ويقطعها. ومع ذلك، يمكن أن يبدو الجزء المذاب قبيحًا ويؤثر على تشطيب القطع، أليس كذلك؟ في مثل هذه الحالات، تأتي ماكينات القطع بالليزر الحديثة مزودة بخيارات الغاز المساعد مثل النيتروجين أو الأكسجين. تخرج هذه الغازات من فوهة رأس القطع وتنظف الجزء المقطوع. فهي لا تسمح ببقاء البقايا الذائبة على القطع.
وبهذه الطريقة، يمكن أن يستمر شعاع الليزر في قطع قطعة العمل بسلاسة. وعلاوة على ذلك، تقضي هذه الغازات المساعدة على فرص الأكسدة، والتي يمكن أن تكون مشكلة كبيرة لجودة القطع. تحتوي فوهة رأس القطع على فتحة صغيرة. عندما يخرج الليزر لقطع المادة، تنفتح الفتحة الثانية. ونتيجة لذلك، يخرج المساعد لتنظيف الجزء المقطوع.
ما هي المواد التي يمكن قصها بالليزر؟
آلات القطع بالليزر متعددة الاستخدامات من حيث التوافق. حيث يمكنها بسهولة قطع وتشكيل أي مادة بأي سُمك. ومع ذلك، فإن سهولة قطع بعض المواد أفضل من غيرها. ومع ذلك، لا توجد مادة لا يمكن قطعها بماكينات القطع بالليزر الحديثة.
تذكر أنه يمكن قطع جميع المعادن باستخدام ماكينات القطع بالليزر. ومع ذلك، فإن سُمك المادة يؤثر على تشغيل آلات الليزر. على سبيل المثال، ستحتاج المواد الأكثر سماكة إلى شعاع ليزر عالي الطاقة، والعكس صحيح. ومن المثير للاهتمام أن الآلات الحديثة تأتي مع ميزات الضبط. يمكن للمشغلين ضبط شدة أشعة الليزر بسهولة.
يمكن للمصنعين قطع المعادن وغير المعادن بأي سُمك. ومع ذلك، فإن بعض المواد العاكسة تشكل تحديات لماكينات القطع بالليزر. فهي تعكس شعاع الليزر (الضوء)، مما يؤدي إلى إهدار بعض الطاقة من شعاع الليزر. ومع ذلك، يمكن أيضًا قطع هذه المواد باستخدام التقنية المناسبة وأنواع الليزر المناسبة.
إضاءة سريعة: تتصاعد أبخرة بعض المواد عند خضوعها للقطع بالليزر. وتشمل بعض الأمثلة على ذلك البولي كلوريد الفينيل والبلاستيك المكلور. يمكن أن تكون هذه الأبخرة سامة للبشر. لذلك، أوصي بارتداء معدات السلامة مثل القفازات والأقنعة. استنشاق هذه الأبخرة يمكن أن يسبب الحساسية ومشاكل صحية أخرى.
الخاتمة
عملية القطع بالليزر معقدة ومربكة. ويتطلب فهمها معرفة أساسية بمكونات الماكينة. لقد شرحت مكونات هذه الماكينات وعملها في هذه المقالة. حتى لو كنت مبتدئًا، لن يكون فهم كيفية عمل ماكينات الليزر صعبًا بعد الآن.
تذكر، هناك فرق بين ماكينات القطع بالليزر القديمة والحديثة. ومع ذلك، تكمن هذه الاختلافات في ميزاتها الإضافية. تتشابه الماكينات الثلاث الأساسية في كلتا الماكينتين تقريبًا. فالماكينات القديمة التي لا تحتوي على وحدات تحكم بنظام التحكم الرقمي أقل تكلفة وتتطلب جهدًا بشريًا أكبر. وعلى الجانب الآخر، توفر ماكينات القطع بالليزر الحديثة دقة استثنائية.