วิธีการตัดด้วยเลเซอร์

การระเหิดหรือการระเหย

การระเหิดเป็นการเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นก๊าซโดยไม่มีของเหลวเป็นตัวกลาง ซึ่งเป็นกระบวนการเดียวกับที่น้ำแข็งแห้งเปลี่ยนเป็นไอโดยไม่กลายเป็นของเหลว วัสดุจะดูดซับพลังงานได้อย่างรวดเร็วซึ่งไม่มีโอกาสที่จะละลายได้ หลักการเดียวกันนี้ใช้กับการตัดด้วยเลเซอร์ โดยจะถ่ายโอนพลังงานจำนวนมากเข้าไปในวัสดุในระยะเวลาอันสั้น ส่งผลให้วัสดุเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นก๊าซโดยตรง โดยละลายให้น้อยที่สุด

การตัดเริ่มต้นด้วยการสร้างรูกุญแจหรือร่องตัดเบื้องต้น ในร่องตัดนั้นมีการดูดซับมากขึ้น ซึ่งทำให้วัสดุระเหยเร็วขึ้น การระเหยที่เกิดขึ้นอย่างกะทันหันนี้จะสร้างไอของวัสดุที่มีแรงดันสูง ซึ่งจะกัดกร่อนผนังของร่องตัดเพิ่มเติมในขณะที่ดันวัสดุออกจากรอยตัด ซึ่งจะทำให้รูหรือรอยตัดลึกและใหญ่ขึ้น

กระบวนการนี้เหมาะสำหรับการตัดพลาสติก สิ่งทอ ไม้ กระดาษ และโฟม ซึ่งต้องใช้พลังงานเพียงเล็กน้อยในการระเหย

การละลาย

เมื่อเปรียบเทียบกับการระเหิด การหลอมโลหะต้องใช้พลังงานน้อยกว่า พลังงานที่ต้องการคือประมาณหนึ่งในสิบของการตัดด้วยเลเซอร์แบบระเหิด ในกระบวนการนี้ ลำแสงเลเซอร์จะให้ความร้อนกับวัสดุ ซึ่งทำให้วัสดุหลอมเหลว เมื่อวัสดุหลอมเหลว ก๊าซจากหัวฉีดโคแอกเซียลที่มีลำแสงเลเซอร์พุ่งออกมาจะขับวัสดุออกจากการตัด ก๊าซช่วยที่ใช้เป็นก๊าซเฉื่อยหรือไม่ทำปฏิกิริยา (เช่น ฮีเลียม อาร์กอน และไนโตรเจน) ซึ่งช่วยในการตัดได้โดยใช้กลไกเท่านั้น

เนื่องจากต้องการพลังงานต่ำ จึงใช้ในการตัดโลหะที่ไม่เกิดออกซิเดชันหรือโลหะที่มีการเคลื่อนไหว เช่น สแตนเลส ไททาเนียม และโลหะผสมอลูมิเนียม

การตัดด้วยเลเซอร์แบบรีแอคทีฟ

ในกระบวนการนี้ ก๊าซที่เกิดปฏิกิริยาจะถูกใช้เพื่อสร้างความร้อนมากขึ้นโดยทำปฏิกิริยากับวัสดุ กระบวนการเริ่มต้นด้วยการหลอมวัสดุด้วยลำแสงเลเซอร์ เมื่อวัสดุหลอมละลาย ก๊าซออกซิเจนจะไหลออกมาจากหัวฉีดแบบโคแอกเซียล และทำปฏิกิริยากับโลหะที่หลอมละลาย ปฏิกิริยาระหว่างโลหะและออกซิเจนเป็นกระบวนการคายความร้อน ซึ่งหมายความว่าความร้อนจะถูกปล่อยออกมา ความร้อนนี้ช่วยในการหลอมละลายของวัสดุ ซึ่งคิดเป็นประมาณ 60% ของพลังงานทั้งหมดที่จำเป็นในการตัดวัสดุ ออกไซด์ของโลหะที่หลอมละลายจะถูกขับออกโดยแรงดันของเจ็ทออกซิเจน

นอกจากจะต้องใช้พลังงานจากลำแสงเลเซอร์น้อยกว่าแล้ว ความเร็วในการตัดโดยใช้ก๊าซเฉื่อยยังเร็วกว่าการตัดด้วยเลเซอร์โดยใช้ก๊าซเฉื่อยอีกด้วย อย่างไรก็ตาม เนื่องจากกระบวนการนี้อาศัยปฏิกิริยาเคมี จึงเกิดออกไซด์ของโลหะหลอมเหลวที่ไม่ได้ถูกขับออกโดยเจ็ทออกซิเจนตามขอบของการตัด ซึ่งจะทำให้ได้งานตัดที่มีคุณภาพต่ำกว่าการใช้ก๊าซเฉื่อย

กระบวนการนี้ใช้ในการตัดเหล็กกล้าคาร์บอนหนา เหล็กกล้าไททาเนียม และโลหะอื่นๆ ที่ออกซิไดซ์ได้ง่าย

การแตกหักจากความเครียดจากความร้อน

กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการเจาะร่องเล็กๆ ที่ความลึกประมาณหนึ่งในสามของความหนาของวัสดุโดยใช้เลเซอร์ จากนั้นเลเซอร์จะถูกใช้เพื่อเหนี่ยวนำความเค้นเฉพาะที่ ซึ่งทำได้โดยการให้ความร้อนกับจุดเล็กๆ ที่สร้างแรงอัดรอบๆ จุดนั้น หลังจากผ่านลำแสงเลเซอร์แล้ว พื้นที่นั้นจะเย็นลงเล็กน้อย ทำให้เกิดความเค้นจากความร้อน ในการออกแบบบางแบบ จะใช้สารหล่อเย็นเพื่อช่วยในการสร้างความเค้นจากความร้อน เมื่อความเค้นที่เหนี่ยวนำเหล่านี้ถึงระดับความล้มเหลว รอยแตกจะแพร่กระจายและทำให้เกิดการแยกออกจากกัน

การเคลื่อนที่ของลำแสงเลเซอร์จะควบคุมการแยกนี้ด้วยวิธีที่ควบคุมได้ โดยปกติวิธีนี้จะต้องใช้พลังงานน้อยกว่าการระเหยด้วยเลเซอร์ซึ่งมีความเร็วในการตัดที่ดีกว่า การให้ความร้อนเฉพาะจุดโดยปกติจะดำเนินการที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเปลี่ยนผ่านของแก้ว

เลเซอร์ CO2 ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในแอปพลิเคชันนี้เนื่องจากแสงอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่น 10.6 µm เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการตัดโลหะที่ไม่ใช่โลหะส่วนใหญ่ อย่างไรก็ตาม ไม่สามารถตัดวัสดุทุกชนิดได้ด้วยเลเซอร์ประเภทเดียวกัน เนื่องจากวัสดุต่างชนิดกันจะดูดซับแสงที่ความยาวคลื่นต่างกัน การแตกร้าวจากความเครียดจากความร้อนใช้กันอย่างแพร่หลายในการตัดวัสดุเปราะ เช่น เซรามิกและแก้ว

วิธีการใหม่ที่ใช้หลักการของการแตกร้าวจากความเค้นความร้อนคือ Stealth Dicing ซึ่งเป็นเทคโนโลยีการตัดด้วยเลเซอร์ที่พัฒนาโดยบริษัท Hamamatsu Photonics โดยใช้ในการตัดเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์และชิ้นส่วนของระบบไมโครอิเล็กโตรแมคคานิกส์หรือ MEMS ในการตัดประเภทนี้ รอยตัดเริ่มต้นจะถูกสร้างขึ้นที่จุดภายในของวัสดุ Stealth Dicing เป็นกระบวนการตัดแห้ง โดยที่รอยตัดที่เกิดขึ้นจะสะอาดไม่มีตะกอนหลอมละลาย