UNIVERZITET “DŢEMAL BIJEDIĆ”

MAŠINSKI FAKULTET

MOSTAR

II CIKLUS

OBRADA MATERIJALA LASEROM

SEMINARSKI RAD IZ PREDMETA

NOVE TEHNOLOGIJE REZANJA

Predmetni nastavnik: Student:

prof. dr. Jusuf Kevelj Elvis Omanović

Mostar, 01.06.2013.god.

2

Sadržaj

1. Uvod........................................................................................................................3

2. Princip rada lasera...................................................................................................4

3. Rezanje materijala laserom......................................................................................7

4. Prednosti i nedostaci..............................................................................................10

5. Zakljuĉak...............................................................................................................11

6. Literatura...............................................................................................................12

3

1. Uvod

Rijeĉ LASER je nastala kao skraćenica od rijeĉi „Light Amplification by Stimulated

Emission of Radiation“, odnosno, pojaĉanje svjetlosti preko stimulisane emisije zraĉenja.

On je izvor svjetlosti kod kojeg se, za razliku od konvencionalnih izvora svjetlosti,

svjetlost generiše mehanizmom stimulisane emisije. Iako na prvi pogled fizika lasera zvuĉi

jako komplikovano, razvojem tehnologije laseri nas danas u velikom broju okruţuju u

našem svakodnevnom ţivotu. Još je davne 1917. godine u svom radu „On the Quantum

Theory of Radiation“, Albert Einstain dao teorijski koncept i predvidio izum lasera i

njegove preteĉe masera. Maser je ureĊaj koji radi na isti naĉin kao i laser, ali u drugom

frekvencijskom podruĉju. Maser je izvor mikrotalasa, dok je laser izvor elektromagnetnih

talasa u infracrvenom i vidljivom dijelu spektra.

Pretekavši nekoliko izvrsnih eksperimentalnih grupa, prvi laser napravio je 1960.

Godine Theodore H. Maiman zaposlen na Huges Research Laboratorie Malibu, California.

Njegov laser je emitovao svjetlost talasne duţine 694 nm u pulsnom reţimu, a lasersku

emisiju postigao je stimulisanom emisijom iz rubinskog kristala pobuĊenog svetlosnom

lampom. Nakon toga, laseri poĉinju na veliko da se proizvode u eksperimentalnim

laboratorijima širom svijeta, a konaĉno razvojem tehnologije danas imamo pravu lasersku

revoluciju.

Slika 1. Laserska svjetlost

4

2. Princip rada lasera

Laserski zrak se proizvodi fenomenom stimulisane emisije. Kao prvi uslov emisije

fotona je Borov uslov: tj. laserski medijum mora imati eneretske nivoe ĉija energija

(razlika energija) odgovara energiji emitovanih fotona. Drugi uslov je da većina atoma (ili

molekula) bude u pobuĊenom stanju. Mora se imati na umu da se u laserskom medijumu

mogu dogaĊati razliĉiti procesi interakcije elektromagnetnog zraĉenja i materije: najviše

dolaze do izraţaja apsorpcija i spontana emisija zraĉenja. Ukoliko se dovede dio atoma (ili

molekula) laserskog medijuma u pobuĊeno stanje, oni će emitovati fotone spontanom

emisijom. Ti fotoni se dalje mogu apsorbovati na nepobuĊenim atomima, ili izazavati

stimulisanu emisiju na preostalim pobuĊenim atomima. Laserski zrak se moţe proizvesti

jedino ako je stimulisana emisija izraţenija u odnosu na apsorpciju i spontanu emisiju

zraĉenja. To se postiţe inverzijom naseljenosti atoma (ili elektona) u laserskom medijumu:

broj atoma u pobuĊenom stanju mora biti veći od broja atoma u osnovnom stanju.

Inverzija naseljenosti se moţe postići samo u specifiĉnim sluĉajevima, pa se samo

rijetki materijali mogu iskoristiti kao laserski medijumi. Inverzija naseljenosti se moţe

postići ako u materijalu postoji metastabilno stanje. Metastabilno stanje je pobuĊeno

stanje, u kojem se atom (ili molekula) zadrţava duţe nego u normalnim pobuĊenim

stanjima. U laserskom sistemu sa tri nivoa, atomi (molekuli ili elektroni) se odreĊenim

naĉinom pobuĊuju u pobuĊeno stanje. PobuĊeno stanje, traje vrlo kratko i brzo se relaksira

u nešto niţe metastabilno stanje. Atomi (molekuli) se ne mogu brzo relaksirati u osnovno

stanje, pa laserskim medijumom poĉinju da dominiraju atomi u metastabilnom stanju.

Inverzija naseljenosti se postiţe izmeĊu metastabilnog i osnovnog stanja, pa se lasersko

djelovanje postiţe prelazom izmeĊu ta dva stanja. PobuĊeno stanje koje se koristi za

popunjavanje metastabilnog stanja ne mora biti jedno stanje, već se moţe koristiti niz

energetskih stanja.

Laserski medijum je smješten izmeĊu dva paralelna ogledala, tako da svjetlosni

snop koji prolazi izmeĊu dva ogledala formira stojeći talas. Prostor izmeĊu dva ogledala se

naziva i laserska šupljina, rezonantna šupljina ili rezonator, po analogiji sa šupljinama koje

se koriste u akustici prilikom rada sa zvuĉnim talasima. Fotoni koji nastaju spontanom

emisijom u laserskom medijumu, emituju se u svim smjerovima, ali samo oni koji su

emitovani u smjeru ogledala, će se reflektirati izmeĊu ta dva ogledala i biti zarobljeni u

laserskoj šupljini. Ti fotoni, koji veliki broj puta prolaze kroz laserski medijum, će

izazivati stimulisanu emisiju, prilikom prolaska blizu atoma u metastabilnim stanjima u

laserskom medijumu. Jedno od dva ogledala se obiĉno pravi tako da nema koeficijent

refleksije 100%, već da propušta odreĊenu koliĉinu svijetla (obiĉno manje od 1%), pa

fotoni mogu izaći iz laserske šupljine. Na taj naĉin, laserski snop sadrţi skup koherentnih

fotona, što joj daje veliki intenzitet.

5

Podjela lasera je moguća:

prema vrsti materijala od kojeg je napravljen izvor:

- Ĉvrstotijelni laseri (engl. solid state laser),

- Gasni laseri,

- Poluprovodniĉki laseri,

- Teĉni laseri,

- Hemijski laseri,

- Laseri na bojama (engl. dye laser),

- Laseri na parama metala,

- Laseri na slobodnim elektronima (engl. free electron laser).

prema režimu rada:

- Kontinualni i

- Impulsni laser

prema vrsti pumpe (pobuda radne zapremine) koja se koristi:

- Optiĉki pumpan,

- Pumpan elektriĉnim putem,

- Jednosmjernim naponom,

- Naizmjeniĉnim naponom,

- Elektriĉnim praţnjenjem,

- Pumpan hemijskim reakcijama,

- Nuklearno pumpan (α i β ĉestice, produkti nuklearnih reakcija, γ zraĉenje i

neutroni).

prema oblasti spektra u kojoj emituje svjetlost :

- Laseri u vidljivom dijelu spektra,

- Laseri u bliskoj infracrvenoj oblasti,

- Laseri u dalekoj infracrvenoj oblasti,

- X laseri, zraĉenje u X oblasti.

Sastavni dijelovi lasera su: aktivna sredina, sistem pobude i rezonator.

Gasni laseri imaju laserski medijum u gasovitom stanju, obiĉno se sastoje od cijevi

ispunjene gasom ili smjesom gasova pod odreĊenim pritiskom. Krajevi cijevi opremljeni

su ogledalima kako bi se formirao rezonator. PobuĊivanje atoma gasa se najĉešće obavlja

elektriĉnim praţnjenjima kroz gas unutar cijevi. Gasni laseri se ĉesto hlade strujanjem

gasa kroz cijev. Najĉešće korišteni gasni laseri su: He-Ne laser (Helijum-Neon), argonski

laser ili CO2 laser.

6

Ugljen dioksidni laser ili (CO2 laser) је tip gasnog lasera koji kao izvor zraĉenja

koristi molekule ugljen-dioksida. Prvi put je demonstriran 1964. godine u Belovim

laboratorijama, (Kumar Patel) i predstavlja jedan od prvih razvijenih i najprimenjivanijih

gasnih lasera. To je trenutno dostupan laser sa najvećom izlaznom snagom. Vrlo je

efikasan: izlazna snaga i snaga pumpanja mogu da dostignu vrijednosti i do 20%. CO2

laser proizvodi svjetlosni snop u infracrvenom dijelu spektra sa talasnom duţinom oko 9.4

i 10.6 mikrometara.

Nd:YAG laser je tip ĉvrstotijelnog lasera koji kao izvor zraĉenja koristi matricu

itrijum aluminijum granata (YAG), dopiranu atomima neodijuma Nd. Aktivnu sredinu

ovog lasera predstavljaju trostruko jonizovani atomi neodijuma (Nd+3

). Spada u impulsne

lasere. Nd:YAG je laser sa ĉetiri nivoa, koji emituje infracrveno zraĉenje talasne duţine

1064nm.

Slika 2. Sastavni dijelovi mašine za rezanje laserom

7

3. Rezanje materijala laserom

Rezanje laserskim snopom je precizan postupak kod koga su dimenzione

tolerancije izrezanih komada iste kao kod mehaniĉkih postupaka. Za voĊenje laserskog

snopa koriste se tradicionalne CNC mašine (za rezanje u x-y ravni) i robotske ruke (za

prostorno rezanje u 3 dimenzije).

Slika 3. Rezanje materijala laserom

Novi laserski rezaĉi imaju taĉnost pozicioniranja od 10 mikrometara i ponovljivost

od 5 mikrometara. Standardna hrapavost Rz raste sa povećanjem debljina lima ali se

smanjuje sa snagom lasera i brzinom rezanja. Pri rezanju niskougljeniĉnog ĉelika, laserom

snage od 800 W, standardna hrapavost Rz je 10 μm za debljinu ploĉe od 1 mm, 20 μm za 3

mm, i 25 μm za 6 mm. Ovaj postupak omogućava odrţavanje vrlo uskih tolerancija, ĉesto

do 0.025 mm. Ovu vrstu rezanja odlikuje velika brzina, izuzetno kvalitetan i uzan rez sa

oštrim prelazima na uglovima i niska toplotna disipacija. Nedostatak su relativno male

debljine koje, kod ĉelika, ne prelaze 20mm.

8

Izvori laserskog snopa kod mašina za rezanje su gasni CO2 laser i ĉvrstotijelni

Nd:YAG laser. Zbog većeg opsega snage, širu primjenu ima CO2 laser sa snopom talasne

duţine 10,6μm. Laserski snop se vodi do radnog komada sistemom ogledala ili optiĉkim

vlaknima. Fokusira se na radnu površinu odgovarajućim soĉivima kako bi se postigla

potrebna temperatura za proces rezanja: inicijalna temperatura za poĉetak sagorjevanja

(lasersko kiseoniĉno rezanje), temperatura topljenja (lasersko rezanje topljenjem) ili

temperatura sublimacije (lasersko rezanje sublimacijom).

Slika 4. Laserski snop pri rezanju debljeg materijala

Standardna podjela laserskog rezanja je na tri varijante:

1. lasersko kiseoniĉno rezanje,

2. lasersko rezanje topljenjem,

3. lasersko rezanje sublimacijom.

Lasersko kiseoniĉno rezanje koristi toplotu fokusiranog laserskog snopa za

inicijalno zagrijavanje osnovnog materijala do temperature paljenja (izmeĊu 1150°C i

1200°C). Kao kod gasnog rezanja, mlaz kiseonika poĉinje sa sagorjevanjem i prateći

laserski snop sagorjeva osnovni materijal i izdbaciva ga u vidu šljake iz zone rezanja. Kao

plamen kod gasnog rezanja, tako i laserski snop koji okruţuje mlaz kiseonika vrši

predgrijavanje i neutrališe efekat odvoĊenja toplote. Lasersko kiseoniĉno rezanje se koristi

za niskougljeniĉne i niskolegirane ĉelike debljina izmeĊu 1 i 10 mm. Snaga lasera se kreće

od 1 do 2,5 kW.

9

Lasersko rezanje topljenjem koristi toplotu fokusiranog laserskog snopa za topljenje

osnovnog materijala, a mlaz inertnog gasa svojom kinetiĉkom energijom izdbaciva

rastopljeni metal iz zone reza. Koristi se za visokolegirane ĉelike i neţeljezne materijale.

Gasovi za rezanje su azot ili argon. Za razliku od prethodnog postupka, sva energija

fokusiranog laserskog snopa se troši na topljenje materijala po cijelom presjeku. Snaga

lasera je najmanje 2,5kW, a debljina osnovog materijala je do 8mm. Pritisci inertnih

gasova se kreću od 15 do 20 bar.

Lasersko rezanje sublimacijom koristi toplotu fokusiranog laserskog snopa za

isparavanje osnovnog materijala po cijelom presjeku. Za eliminaciju para metala iz zone

reza koristi se struja inertnog gasa.

Gasovi koji se koriste za rezanje su:

- Kiseonik je izuzetno visoke ĉistoće, veće od 99,95%. Smanjenjem ĉistoće

kiseonika rapidno opadaju brzina rezanja i kvalitet reza.

- Azot se upotrebljava za rezanje visokolegiranih ĉelika. Zahtjeva se visoka

ĉistoća, bez tragova kiseonika.

- Ostali gasovi za rezanje argon i njegove mješavine sa kiseonikom i azotom.

Mješavine se koriste za rezanje Al i Al legura. Mješavina argona i kiseonika se

koristi za rezanje Ti.

Slika 5. Šematski prikaz principa rezanja laserskim snopom. Gas za rezanje može da bude

kiseonik (lasersko kiseonično rezanje) ili azot (lasersko rezanje topljenjem)

10

4. Prednosti i nedostaci

Lasersko rezanje metala ima prednosti nad plazma rezanjem zbog veće preciznosti i

znatno uţeg reza, meĊutim, većina industrijskih lasera ne moţe da reţe veće debljine

metala u poreĊenju sa plazma rezanjem. Novije laserske mašine rade sa većim snagama

(6000 W) i pribliţavaju se plazma mašinama u mogućnosti rezanja debelih materijala. Ali,

poĉetni troškovi takvih mašina su mnogo veći, nego plazma ureĊaja. Prednost rezanja

laserom u odnosu na ostale termiĉke postupke je malo unošenje toplote u zonu reza, a

samim tim i smanjenje mogućnosti deformacije osnovnog materijala, pogotovo kada je

rijeĉ o tankim limovima. Neki materijali se takoĊe teško ili nemoguće reţu

tradicionalnijim naĉinima. Glavni nedostatak rezanja laserom su veliki gubici energije.

Efikasnost industrijskih lasera kreće se u opsegu od 5% do 15%. Utrošak energije i

efikasnost lasera zavise od tipa lasera i variraće zavisno od izlazne snage i radnih

parametara. Zahtjevani udio snage lasera za rezanje, poznat kao unijeta toplota, zavisi od

vrste materijala, debljine, korištenog procesa (reaktivan/inertan), i ţeljene brzine rezanja.

Slika 6. Gubitak energije pri rezanju laserom

11

5. Zaključak

Vaţnost rokova i kvalitete izrade proizvoda nameće potrebu stalnog tehnološkog

razvoja i poboljšavanja uslova proizvodnje te uvoĊenja tehnoloških inovacija u postojećim

procesima ili usvajanje potpuno novih tehnologija. Takvim pristupom u proizvodnji

moguće je ostvariti zahtjeve predodreĊene trţišnim okruţenjem i potrebom za oĉuvanjem

okoliša. Nuţnost uvoĊenja novih tehnoloških rješenja prisutna je i kada se odreĊena

tehnologija primjenjuje za obradu novih materijala.

Nove tehnologije omogućavaju i nova konstrukcijska rješenja koja štede vrijeme i

novac. Rezanjem laserskom zrakom kontrolisane putanje i minimalne debljine moguće je

u potpunosti zamijeniti alate za prosjecanje. Preciznost oblika, kao i površina rezanja, u

potpunosti zamjenjuje klasiĉne obrade. Ova tehnologija se moţe koristiti pri izradi

konstrukcijskih dijelova, medicinskih instrumenata, implanta, zupĉanika i zupĉastih letvi,

lanĉanika, cirkulara, pila, noţeva, plašteva, graĊevinskih elemenata, brtvi motora,

prirubnica, namještaja, lisnatih opruga, galanterije i drugog, a široku primjenu ima u

industriji i brodogradnji.

Slika 7. Rezanje laserom

12

6. Literatura

- „A comparison of the termal cutting processes“, H. Mair i F.-C. Plebuch,

Hoellriegerlskreuth, Thermal Cutting E29/95 (1995),

- „50 godina lasera -otkriće koje je promijenilo znanost, ali i svijet“ – Nataša

Vujiĉić, Zagreb (2010),

- The Welding Engineer s Current Knowledge, GSI SLV, DVS , Njemaĉka ,

(2000)