Priredili:Prof.dr.sc. Ante MikoviMr.sc. Danijel ogorovi

` Obrada laserom (Laser Beam Maching LBM) se zasniva na primjeni koncentrirane fotonske energije, fokusirane na malu povrinu materijala, za obradu zagrijavanjem, topljenjem, sagorijevanjem ili isparavanjem. Veoma intenzivan razvoj laserske tehnike i tehnologije obrade, uinio je da laser postane univerzalan alat sa kojim se mogu izvoditi najrazliitije proizvodne operacije na skoro svim vrstama materijala.

` Sam naziv laser predstavlja kraticu od light amplification by stimulated emission of radiation, to bi u slobodnom prijevodu znailo pojaanje svijetlosti stimulacijom emisije zraenja.

` Zraenje svijetlosti vri se iz posebnih ureaja (optikih kvantnih generatora), koji pored ostalih elemenata sadre i izvore emitiranja svijetlosti kristale.

` Osnovne karakteristike obrade pomou lasera su: odsutnost strukturnih i kemijskih promjena na predmetu obrade i mogunost izvoenja obrade u normalnim uvjetima.

` Laserska zraka se dobiva u optikom rezonatoru, ija principijelna shema dana na slici. Sastavni dijelovi rezonatora su kvantni generator kojega ini laserski aktivna materija vrstog, tekueg ili plinskog stanja, izvor svjetlosne pobude najee u vidu blic lampe i dva paralelna ogledala gdje refleksno ogledalo potpuno odbija svijetlost, dok polupropusno djelomino proputa svijetlost.

` Princip rada optikog rezonatora zasnovan je na emisiji zraenja svjetlosne energije pri prelasku estica (elektrona) atoma ili molekula

sa jednog energetskog nivoa na drugi, pod neposrednim djelovanjem vanjske svjetlosne pobude. Pri energetskom prelasku elektrona nastaje apsorpcija ili emisija elementarne koliine energije izraene u vidu fotona. Emisija moe biti spontana i stimulirana.

Sl. 1 Principijelna shema izvora laserskog zraka

` Intenzitet laserske zrake koji se dobiva iz optikog rezonatora, iz brojnih praktinih razloga, nije isti po cijelom poprenom presjeku. Raspodjela intenziteta po poprenom presjeku laserske zrake je odreena unutranjim karakteristikama rezonatora, a opisuje se preko transverzalnog elektro-magnetnog moda (Transverse Elektromagnetic Mode TEM) koji se oznaava s TEMmm (Dekatrov koordinatni sustav u pravcu x i y osa) odnosno TEMpl (polarni koordinatni sustav u pravcu radijusa r i kuta )

` Na slici dan je primjer prostornog prikaza teorijske raspodjele intenziteta

Sl. 2 Prostorni prikaz teorijske raspodjele intenziteta laserske

zrake

Kod primjene lasera za obradu materijala, tei se raspodjeli najnieg intenziteta, tzv. osnovnog

mono moda TEM00

, koji ima oblik Gauss

ove raspodjele u osnom presjeku laserske

zrake s izrazitim vrhom u sredini .

` Polarizacija tj. nain prostiranja laserske svjetlosti u prostoru, jedna je od bitnih karakteristika laserske zrake. Interakcijom laserske zrake s prozranim tijelom nastaje razlaganje svijetlosti u dvije linearno polarizirane ravnine koje su meusobno uspravne. Veliina i poloaj prostiranja ove laserske svjetlosti, kao jednog vida elektro-magnetnog zraenja, opisuje se s vektorom jaine elektrinog polja E. Ako vektor elektrinog polja oscilira u ravni, radi se o linearnoj polarizaciji i u tom sluaju vrh promatranog vektora opisuje du.

` Kad vektor elektrinog polja rotira oko pravca prostiranja laserske zrake, tj. oko Z-ose, a njegov vrh gledano u pravcu prostiranja zrake opisuje krunicu ili elipsu, tada se govori o krunoj ili eliptinoj polarizaciji. Vidovi polarizacije laserske svijetlosti prikazani su na slici 3.

Sl. 3 Prikaz prostiranja laserske svijetlosti u prostoru

` Fizike i empirijske ovisnosti koje definiraju osnovne karakteristike laserske zrake mogu se prikazati na sljedei nain.

` Energija fotona predstavlja energiju elementarne svjetlosne estice i prema jednadbi izraava se izrazom:

` Iz jednadbe proizlazi da fotonska energija elementarne estice zavisi samo od valne duine laserske svjetlosti .

` Snaga laserske zrake definira srednju snagu intenziteta laserske zrake i prema slici moe se izraziti u sljedeem obliku:

` Raspodjela intenziteta laserske zrake se najbolje opisuje po normalnom zakonu i moe se predstaviti sljedeim izrazom:

Sl. 4 Zakon raspodjele intenziteta laserske zrake

` Energija laserskog impulsa je karakteristini parametar impulsnog reima. Kao to se sa slike vidi, energiju odreuje snaga lasera Psr i vrijeme impulsa ti odnosno:

` Specifina snaga laserskog impulsa definira ranije spomenuti intenzitet, ali u ovom sluaju impulsnog djelovanja laserskog zraka, odnosno:

` Laserska zraka koja izlazi iz optikog rezonatora, vodi se optiki pomou prizmi i ogledala prema povrini obratka ili u novije vrijeme kroz optike provodnike. Neposredno prije usmjeravanja na samu povrinu, laserska zraka se fokusira da bi se na taj nain dobila to manja povrina poprenog presjeka zrake a to vei intenzitet lasera. To se postie pomou parabolinih ogledala ili sabirnih lea koja su ugraena u lasersku glavu.

Sl.5 Geometrijske karakteristike laserske zrake

` Promjer laserske zrake predstavlja promjer zrake dna izlazu iz rezonatora, a koji moe zadrati istu veliinu ili se primjenom teleskopa moe poveati na promjer D

` arina daljina predstavlja odstojanje f izmeu karakteristine ravnine optikog elementa (ogledala ili lea) i fokusne ravnine u kojoj je promjer zrake minimalan.

` Proces obrade laserom ostvaruje se putem apsorpcije laserske zrake u povrinski sloj materijala obratka. Fokusiranjem laserske zrake na malu povrinu poprenog presjeka, dolazi do intenzivne koncentracije lasera ( qmax

= 108 1013

W/cm2

) i pretvaranja svjetlosne energije u toplinu. Generirana toplina dovodi do povrinskog zagrijavanja materijala obratka na temperature 4.0006.000 C. Tako visoke temperature dovode do trenutnog rastapanja, isparavanja ili sagorijevanja bilo koje vrste materijala obratka.

Sl. 6 Principijelna shema procesa obrade laserom

Sl.7 Shematski prikaz strukture LBM postrojenja

` Karakteristine cjeline veine LBM postrojenja uglavnom su iste i ine ih sljedee jedinice:

` optiki rezonator ` izvor za napajanje elektrinom energijom` jedinica za napajanje energetskim plinovima` sustav za hlaenje optikog sustava` sustav za voenje i oblikovanje zrake` radna glava` radni prostor stroja ` upravljaka jedinica` sigurnosni sustav

` Optiki rezonator predstavlja centralnu jedinicu LBM postrojenja, a slui za generiranje laserske zrake odreenih karakteristika. Sastavni dijelovi rezonatora su kvantni rezonator, izvor svjetlosne pobude i sustav paralelnih ogledala.

` Izvor za napajanje elektrinom energijom direktno je povezan sa osnovnom jedinicom, tj. izvorom svjetlosne energije optikog rezonatora.

` Jedinica za napajanje energetskim plinovima , ako se radi o plinskom laseru, slui za doziranje aktivne sredine radnim plinovima.

` Sustavom za hlaenje optikog rezonatora se poveava koeficijent djelovanja optikog sustava.

` Sustav za voenje i oblikovanje zrake , predstavlja vanu prateu jedinicu sa kojom se ostvaruje voenje i oblikovanje laserske zrake do radne glave.

` Radna glava , fokusiranjem i po potrebi zakretanjem laserske zrake usmjerava zraku na povrinu obratka u cilju ostvarivanja odreene proizvodne operacije.

` Radni prostor stroja , osigurava prihvaanje i stezanje obradaka, kao i potrebna kretanja pri obradi, slino kao i kod drugih alatnih strojeva.

` Upravljaka jedinica ima zadatak da sinkronizira i objedini rad osnovnih i prateih jedinica LBM postrojenja

` Sigurnosni sustav , s obzirom da nekontrolirani izlazak laserske zrake iz postrojenja moe biti opasan za posluitelja i okolinu, osigurava siguran rad LBM postrojenja

Sl. 8 Prikaz plinskog CO2

lasera

Sl. 9 Tipian izgled suvremenog LBM postrojenja

` U ovisnosti o podruju primjene, koliina skinutog materijala u jedinici vremena, moe ovisiti o vrsti i dimenzijama materijala obratka, karakteristikama intenziteta laserske zrake u fokusu, geometrijskim veliinama laserske zrake, brzini pomonog kretanja, vrsti i pritisku pomonog plina i dr.

` Vrsta i debljina materijala obratka Laserom se mogu obraivati svi materijali, ali ne podjednako efikasno. Obradivost ovisi o raznim svojstvima materijala, a prvenstveno o njegovim fizikim karakteristikama (specifini toplinski kapacitet, koeficijent temperaturne provodljivosti, temperatura topljenja, koeficijent refleksije i dr.).

Sl. 10 Utjecaj debljine materijala i kvaliteta reza na brzine sjeenja laserom

` Intenzitet laserske zrake Proizvodnost obrade direktno ovisi o energetskim karakteristikama lasera. Poveanjem specifine snage laserske zrake u fokusu, tj. koncentracije energije i zbroja impulsa, intenzivira se isparavanje i razaranje materijala obratka.

` Geometrijske karakteristike laserske zrake Polumjer trake u fokusu definira koncentraciju energije impulsa, a polarizacija utjee na smanjenje proizvodnosti preko odstupanja paralelnosti linearnog prostiranja laserske svijetlosti od pravca obrade.

` Brzina pomonog kretanja Pri obradi je potrebno izabrati graninu vrijednost pomonog kretanja, da se s jedne strane ne pojavi proces nepotpune obradeili suprotno nepotrebno gubljenje energije i vremena.

` Pomoni plin Efektivnost sjeenja laserom moe se znaajno poveati primjenom tzv. pomonog plina (2040%), koji se ubacuje u smjeru djelovanja laserske zrake, a iji zadatak je poboljati sagorijevanje materijala i odstranjivati produkte obrade iz zone rezanja.

` Tonost obrade laserom prvenstveno ovisi o intenzitetu i stabilnosti energetskih parametara laserske zrake i geometrijskim karakteristikama optikog sustava. Kako se radi o nedefiniranoj geometriji procesa obrade laserom (konusni oblik zrake i toplotni mehanizam obrade), neizbjene su greke dimenzija, oblika i poloaja. Odstupanje mjera i profila obrade od propisanih su posebno izraena kod grube obrade robusnih radnih predmeta. Ako se radi o zavrnoj obradi radnih predmeta manjih dimenzija, postie se visoka tonost (0,010,001) mm.

` Geometrijske karakteristike su presudne kod tonosti obrade laserom. Bitno je na mjestu obrade ostvariti maksimalno fokusiranje laserske zrake, tj. provesti obradu s minimalnim promjerom zrake. Takoer je bitno izbjei odstupanje paralelnosti linearnog pravca prostiranja laserske svijetlosti (polarizacija) u odnosu na pravac rezanja ili koristiti radijalni vid polarizacije.

` Na slici prikazan je utjecaj vrste laserskog impulsa na mjere i oblik rupe, kao i odstupanje linearne polarizacije od pravca rezanja na irinu i oblik reza.

Sl. 11 Tonost buenja i sjeenja laserom

` Pri obradi laserom, zbog pojave visoke temperature u uskoj zoni obrade, neizbjene su znaajnije geometrijske neravnine fiziko kemijske promjene u povrinskom sloju materijala obratka. Ostvaruje se obrada srednje grube klase kvalitete obraene povrine N7N12, uz debljinu defektnog sloja koja moe varirati u irokim granicama 0,010,05 mm, pogotovo kod laserskog sjeenja kontinuiranim reimom rada.

` Kvaliteta obraene povrine ovisi o specifinoj snazi laserske zrake, vremenu djelovanja impulsa, toplinsko fizikim karakteristikama materijala obratka, brzini obrade, vrsti i pritisku pomonog plina i dr.

Sl. 12 Izgled povrine laserskog reza

` LBM moe se koristiti za obradu svih vrsta metalnih i nemetalnih materijala, koji posjeduju minimalno svojstvo apsorpcije infracrvenog zraenja.

` Metalni materijali S obzirom da skoro svi metali i njihove legure, iako na sobnoj temperaturi reflektiraju svijetlost, posjeduju poetnu apsorpciju koja se kree u granicama 0,510%, manje ili vie se uspjeno obrauju pomou lasera.

` Nemetalni materijali Nemetali su po pravilu dobri apsorberi infracrvenog zraenja. Uz to, openito uzevi, nemetalni materijali posjeduju mali koeficijent toplinske provodljivosti i imaju nisku toku topljenja ili paljenja. Zbog toga, nemetali predstavljaju veoma pogodan materijal za obradu laserom.

Sl. 13 Pregled oblasti primjene osnovnih LBM operacija

` Najrasprostranjenija primjena lasera u podruju obrade materijala, upravo je kod proizvodne operacije sjeenja raznih vrsta i debljina materijala (Laser Cutting). Pomicanjem radne glave ili obratka po odreenoj putanji, ostvaruje se izuzetno efikasno isijecanje i prosijecanje prostih ili sloenih kontura. Reu se gotovo sve vrste materijala, metali debljine do 10 mm i nemetali do 30 mm. Brzine rezanja su do 50 m/min, minimalni rezovi su oko 0,1 mm, a maksimalne kvalitete obrade su N7.

Sl. 14 Primjer specifinih dijelova isjeenih pomou lasera

` Buenje i perforiranje (Laser Drilling and Perforating) otvora razliitih geometrijskih oblika, dubina i poloaja su tipine operacije laserske obrade. Obrada se uglavnom izvodi sa Nd:YAG laserom u impulsnom reimu rada. Obrada raznih materijala i malih otvora promjera (0,010,5) mm, koji se mogu buiti ili perforirati, glavne su odlike i prednosti lasera u odnosu na druge postupke obrade. Koriste se u industriji precizne mehanike, industriji alata, tekstilnoj industriji, elektro industriji i dr.

Sl. 15 Primjer buenja i perforiranja laserom

` Izrada dijelova specifine geometrije, pri izradi prototipa ili vrlo malog broja komada, ostvaruje se sloenim pomicanjem radne glave u odnosu na obradak, koje podsjea na kopirno glodanje, pa otuda i naziv lasersko glodanje.

Sl. 16 LBM izrada dijelova sloenog geometrijskog oblika

` Lasersko graviranje (Laser Engraving) eljenog geometrijskog oblika i identifikacijsko markiranje, odlikuje se brzinom, preciznou i kvalitetom trajnog oznaavanja i to bez naljepnica, boja, mehanikog oteenja, prljanja i sl. Koristi se za obiljeavanje proizvoda i komponenata s alfa numerikim oznakama u seriji (serijski broj, bar kod, datum, tehniki podaci, skale, itd.) i grafikim prikazima (logo, oznaka, simbol, natpis, itd.).

Sl. 17 Primjeri laserskog graviranja -

markiranja

` Zavarivanje laserom ostvaruje se trenutnim topljenjem materijala dva ili vie spojenih dijelova i naglim hlaenjem rastopljenog spoja. Ostvaruje se spajanjem materijala bez ili uz primjenu dodatnog materijala, u atmosferi ili pod zatitom plina. Pored metalnih mogu se zavarivati i nemetalni materijali, kao i raznorodni materijali.

` Lemljenje, spajanje dijelova koji ne zahtijevaju veliku jainu spoja, ali je potrebno brtvljenje ili elektrina provodljivost, takoer se uspjeno ostvaruje pomou lasera.

Sl. 18 Primjer spajanja pomou laserske zrake

` Lokalno zagrijavanje povrinskog sloja materijala koji se toplinski obrauje, efikasno se moe ostvariti pomou lasera (Laser Heat Treatment). Na taj nain se mogu provesti skoro svi do sada poznati oblici toplinske i kemijsko toplinske obrade koji imaju zadatak poboljati mehanike ili fiziko kemijske karakteristike odreene povrine na obratku. Na slici je dana principijelna shema procesa LBM toplinske i termo kemijske obrade sa specifinim postupcima ojaanja ili oplemenjivanja povrinskih slojeva materijala obratka.

Sl. 19 Postupci laserske toplinske obrade

` Nanoenje prevlaka na povrinu materijala obratka pomou lasera (Laser Coating), predstavlja postupak s kojim se poveava mehanika, fizika ili kemijska izdrljivost povrinskog sloja. Prevlake nanesene ovim postupkom su materijali otporni na habanje, zamor, udare, temperaturu, koroziju itd.

` Pogodnost laserskog prevlaenja je i mogunost prevlaenja samo onih dijelova povrina koji su odreeni eksploatacijskim ili estetskim zahtjevom.

Sl. 20 Prevlaenje materijala pomou lasera

` Lasersko deformacijsko ojaavanje materijala (Laser Shock Peening) predstavlja moderan i perspektivan postupak poboljavanja mehanikih svojstava povrinskih slojeva materijala obratka. Koritenjem ovog postupka dobiva se znatno vea dubina unoenja zaostalih tlanih napona.

` Proces obrade zasniva se na prethodnom prekrivanju povrinskog sloja materijala s tankom dvoslojnom prevlakom (zatitni + providni sloj).

Sl. 21 Lasersko deformacijsko ojaavanje materijala

` Obrada laserom se moe koristi za grubo oblikovanje proizvoda od lima postupkom savijanja (Laser Beam Forming). Laserom se savijaju dijelovi od tankih limova i profilnih pripremaka i to bez primjene alata (matrice i pritiskivaa). Zbog odsustva alata i jednostavnijeg principa obrade, smanjuju se trokovi obrade, a poveava se efikasnost i fleksibilnost savijanja lima.

` Postupak je pogodan u uvjetima pojedinane i maloserijske proizvodnje, kod dijelova sloenih profila od teko obradivih materijala.

Sl. 22 Principijelna shema savijanja lima pomou lasera

` Dodavanje laserskog ureaja nekim konvencionalnim strojevima za obradu materijala, nastaju kombinirana obradna postrojenja. Na taj nain se dobivaju postrojenja koja na jednom mjestu objedinjuju dvije raznorodne tehnologije, to umnogome poveava efikasnost i kvalitetu obrade.

` Kao npr. CNC obradni centri za klasino i lasersko glodanje, fleksibilni modul za obradu rezanjem s dodatkom ureaja za povrinsku toplinsku obradu i dr.

Na temelju prethodno izloenog daju se sljedee tvrdnje:

` Izrada visoko preciznih otvora malih dimenzija, kao i sjeenje tankih limova uspjeno se izvode pomou lasera.

` Pod djelovanjem laserskih zraka na predmetu obrade ne dolazi do strukturnih i kemijskih promjena.

` Brojane vrijednosti deformacije u zoni laserskog djelovanja ukazuju na postojanje tendencije izbacivanja materijala iz te zone

` Poveana deformacija i izbacivanje materijala iz te zone jest proces odvajanja estica pri obradi laserom

` Pravilnim izborom reima (energije impulsa, vremena djelovanja impulsa i koliine impulsa) mogu se postii visoki kvaliteti obrade.

Mr.sc. Danijel ogorovi

HVALA NA POZORNOSTI!

Slide Number 1Slide Number 2Slide Number 3Slide Number 4Slide Number 5Slide Number 6Slide Number 7Slide Number 8Slide Number 9Slide Number 10Slide Number 11Slide Number 12Slide Number 13Slide Number 14Slide Number 15Slide Number 16Slide Number 17Slide Number 18Slide Number 19Slide Number 20Slide Number 21Slide Number 22Slide Number 23Slide Number 24Slide Number 25Slide Number 26Slide Number 27Slide Number 28Slide Number 29Slide Number 30Slide Number 31Slide Number 32Slide Number 33Slide Number 34Slide Number 35Slide Number 36Slide Number 37Slide Number 38Slide Number 39Slide Number 40Slide Number 41Slide Number 42Slide Number 43Slide Number 44Slide Number 45Slide Number 46Slide Number 47Slide Number 48Slide Number 49Slide Number 50Slide Number 51Slide Number 52Slide Number 53Slide Number 54Slide Number 55