01 Principii și caracteristici tehnice
Principiul de bază al laserului ghidat de apă-constă în cuplarea fasciculului laser într-un microjet de apă-de înaltă presiune și ghidarea laserului către suprafața materialului prin jetul de apă. În acest sistem, laserul generat de sursa laser trece mai întâi printr-o serie de componente optice (cum ar fi lentile și oglinzi) pentru colimare și focalizare, apoi este combinat cu jetul de apă de înaltă presiune-prin o duză specială. Jetul de apă formează un canal mic în duză, iar fasciculul laser este ghidat prin acest canal către suprafața piesei de prelucrat, așa cum se arată în Figura 1. Deoarece indicele de refracție al apei este diferit de cel al aerului, calea de propagare a laserului în apă se modifică, astfel încât este necesar un design optic precis pentru a asigura stabilitatea și focalizarea energetică a fasciculului laser.
Figura 1. Principiul tehnic al laserelor-ghidate cu apă.
Precizie ridicată: tehnologia laser-ghidată cu apă poate atinge o precizie de procesare la nivel submilimetru sau chiar micrometric-. Deoarece diametrul jetului de apă este foarte mic, de obicei doar de la zeci până la sute de micrometri, fasciculul laser poate fi ghidat cu precizie către poziții specifice pe piesa de prelucrat pentru operațiuni de tăiere fină, găurire sau gravare. Eficiență ridicată: în timpul procesării laser ghidate de apă-, fasciculul laser este transmis direct la suprafața piesei de prelucrat prin jetul de apă, reducând pierderea de energie și împrăștierea în aer. În plus, jetul de apă oferă, de asemenea, efecte de răcire și spălare, scăzând în mod eficient temperatura suprafeței piesei de prelucrat și reducând zona afectată de căldură-, îmbunătățind astfel eficiența și calitatea procesării. Daune termice reduse: datorită efectului de răcire al jetului de apă, zona afectată de căldură (HAZ) din procesarea laser ghidată de apă-este foarte mică. Zona afectată de căldură-se referă la zona de pe suprafață și din interiorul piesei de prelucrat în care apar deformarea termică, deteriorarea sau schimbările de fază din cauza conducerii căldurii și radiației în timpul procesării cu laser. Răcirea rapidă a jetului de apă în procesarea laser ghidată de apă-înlătură rapid căldura de pe suprafața piesei de prelucrat, reducând astfel dimensiunea și adâncimea zonei afectate-de căldură și prevenind deformarea termică și deteriorarea materialului.
Figura 2. (a) Imagini SEM ale secțiunilor tăiate din aliaj de titan prin tăiere cu „laser uscat convențional” și tăiere cu laser-ghidată cu apă, (b) comparație a suprafețelor tăiate din CFRP obținute prin laser-ghidat cu apă și tăiere cu „laser uscat convențional”.
02 Câmpuri de aplicare
Domeniul aerospațial: domeniul aerospațial are cerințe foarte ridicate pentru precizia și calitatea prelucrării materialelor, iar tehnologia laser-ghidate cu apă este utilizată pe scară largă în acest domeniu. Poate fi folosit pentru a procesa componente cheie ale motoarelor aerospațiale, cum ar fi palete, discuri de turbină și camere de ardere, care sunt de obicei fabricate din materiale dificil-de-prelucrat, cum ar fi superaliaje și aliaje de titan. Laserele ghidate de apă-poate tăia și grava în mod eficient aceste materiale, asigurând în același timp precizia procesării și calitatea suprafeței, îmbunătățind astfel performanța și fiabilitatea componentelor. În plus, laserele-ghidate cu apă pot fi utilizate și pentru prelucrarea părților structurale ale vehiculelor aerospațiale, cum ar fi aripi și fuselaje, permițând prelucrarea de forme complexe și modele ușoare.
Domeniul semiconductorilor: în producția de semiconductori, laserele-ghidate cu apă pot fi utilizate pentru a tăia materiale semiconductoare, cum ar fi plachetele de siliciu, precum și pentru ambalarea și testarea cipurilor. Deoarece materialele semiconductoare necesită o precizie de procesare extrem de ridicată și o calitate a suprafeței, precizia ridicată și caracteristicile de deteriorare termică scăzută ale laserelor ghidate de apă-le fac un instrument ideal de procesare. Pot realiza tăierea fină a plachetelor de siliciu, evitând fisurile și deteriorarea, îmbunătățind astfel randamentul și performanța așchiilor. În plus, laserele ghidate de apă pot fi utilizate pentru micro-procesarea dispozitivelor semiconductoare, cum ar fi fabricarea de componente microelectronice și gravarea microcircuitelor, oferind precizie de prelucrare la nivel de micrometru sau chiar nanometru.
Nou domeniu energetic: în noul sector energetic, laserele-ghidate cu apă pot fi folosite pentru a procesa componente cheie ale noilor dispozitive energetice, cum ar fi panourile solare și pilele de combustibil. De exemplu, în fabricarea panourilor solare, laserele-ghidate cu apă pot fi utilizate pentru a tăia plachete de siliciu și a grava modele de electrozi pe suprafața celulelor solare, sporind eficiența conversiei fotovoltaice și performanța panourilor. În producția de celule de combustie, laserele-ghidate cu apă pot procesa componente precum ansamblurile de electrozi cu membrană și plăcile bipolare, permițând tăierea și gravarea de înaltă-precizie, îmbunătățind astfel performanța și durata de viață a celulelor de combustibil.
Figura 3. Aplicații ale laserelor-ghidate cu apă.
03 Provocări și probleme cu care se confruntă laserele ghidate de apă-
Stabilitatea jetului de apă: în timpul procesării cu laser-ghidate cu apă, jetul de apă care curge cu viteză mare-poate deveni instabil, ceea ce poate afecta calitatea procesării. De exemplu, în timpul tăierii, fluctuațiile jetului de apă pot cauza abateri ale liniei de tăiere sau pot crește rugozitatea suprafeței, influențând atât precizia prelucrarii, cât și calitatea suprafeței. Pentru a asigura stabilitatea jetului de apă, este necesară optimizarea sistemului de control al jetului de apă astfel încât acesta să poată menține o stare stabilă pe toată durata procesării.
Laser-Eficiența de cuplare a apei: eficiența de cuplare dintre fasciculul laser și jetul de apă afectează în mod direct rezultatele procesării. Dacă eficiența de cuplare este scăzută, pierderea de energie laser în jetul de apă va crește, reducând atât eficiența procesării, cât și calitatea.
Cerințe tehnice pentru orificiile duzei: pentru a asigura o prelucrare laser ghidată de apă-de înaltă calitate-, proiectarea și precizia de fabricație a orificiului duzei sunt esențiale. Orificiul duzei trebuie să aibă pereți extrem de subțiri, menținând în același timp precizie ridicată în rotunjime și conicitate zero pentru a rezista la impactul fluxului de apă. În plus, rugozitatea suprafeței interioare a găurii trebuie menținută extrem de scăzută pentru a asigura stabilitatea și consistența jetului de apă.
Adaptabilitate la mediu: echipamentele de procesare cu laser ghidate de apă-au cerințe ridicate de mediu. De exemplu, funcționarea echipamentului necesită o sursă de alimentare stabilă, apă curată și un mediu constant de temperatură și umiditate. În medii cu condiții nefavorabile, cum ar fi fluctuații mari de temperatură, umiditate ridicată sau sursă de alimentare instabilă, performanța echipamentului se poate degrada sau chiar eșua. În plus, factori precum praful și vibrațiile din mediu pot interfera cu procesarea, afectând precizia și calitatea prelucrării. Prin urmare, în aplicațiile practice, este necesar un control și management strict al mediului de operare al echipamentului.
04 Starea actuală de dezvoltare a industriei în țară și în străinătate
Odată cu progresul continuu al tehnologiei de prelucrare cu laser de precizie și cu cererea în creștere a pieței, tehnologia de procesare cu laser ghidată de apă{0}}de asemenea se dezvoltă și se îmbunătățește continuu. Producătorii de frunte recunoscuți la nivel internațional de echipamente cu laser-ghidate cu apă includ în principal două companii: Synova și Avonisys din Elveția. În prezent, printre companiile de echipamente de prelucrare cu laser ghidate de apă menajeră-, cele care se dezvoltă relativ rapid includ Wot Intelligent Manufacturing, Cosset și Shanghai Lengchen Technology, printre altele. Alte companii adoptă abordarea de a introduce direct tehnologii străine conexe și apoi de a le asambla și de a le produce pe plan intern, optimizând în același timp produsele. Deși acest lucru poate umple rapid lacunele tehnologice și poate reduce costurile și timpul de cercetare și dezvoltare pe termen scurt, există încă anumite probleme pe termen lung, cum ar fi dependența de tehnologiile de bază străine, investițiile dezechilibrate în cercetare și dezvoltare și riscurile de propagare în lanțul industrial. Autorul consideră că ar trebui stabilit un ciclu pozitiv de „introducere-absorbție-depășire”. Vestea bună este că acum există companii autohtone capabile să furnizeze echipamente comerciale cu componente produse 100% local. Odată cu transformarea și modernizarea industriei manufacturiere din China, tehnologia de procesare cu laser-ghidată de apă va juca un rol mai important în producția-de ultimă generație, în special în producția de vehicule cu energie nouă, aerospațială și de echipamente-de ultimă generație. Aplicarea tehnologiei laser-ghidate cu apă va conduce la inovarea tehnologică și la modernizarea produselor în aceste industrii.
