Принцип конструкції лазерного різання — це системна структура процесу, побудована на перетині оптики, термодинаміки та матеріалознавства. Його суть полягає в точному видаленні та формуванні матеріалів за допомогою взаємодії керованого лазерного променя високої-енергетичної-щільності з матеріалом. Реалізація цього принципу вимагає врахування трьох вимірів: генерації та передачі лазера, механізмів взаємодії енергії та узгодження параметрів процесу, утворюючи повний логічний ланцюжок від «джерела енергії» до «результату обробки».
Лазерна генерація є відправною точкою дизайну. У сучасних промислових застосуваннях волоконні лазери, CO₂-лазери та твердотільні-лазери демонструють різні характеристики променя через відмінності в середовищі підсилення та методах збудження: у волоконних лазерах використовуються оптичні волокна, леговані рідкі-земель-як середовище підсилення, і досягається висока ефективність електро-оптичного перетворення (до 30% або більше) завдяки напівпровідниковій накачці, безперервному чи імпульсному виходу промені в ближньому-інфрачервоному діапазоні (приблизно 1070 нм) із такими перевагами, як чудова якість променя (M², близьке до 1), компактна структура та-необслуговування; CO₂-лазери використовують газову суміш CO₂ як середовище підсилення та генерують промінь дальнього{10}}інфрачервоного діапазону (10,6 мкм) через розрядне збудження, хоча електро{12}}оптична ефективність є відносно низькою (приблизно 10 %), але швидкість поглинання для не-металевих матеріалів і товстих металевих пластин вищий; Твердотільні-лазери (такі як Nd:YAG) використовують кристали як середовище посилення та можуть генерувати короткі-імпульсні або ультракороткі{17}}імпульсні лазери, придатні для сценаріїв мікро-механічної обробки. Вибір лазера має ґрунтуватися на всебічному розгляді характеристик поглинання матеріалу щодо довжини хвилі (наприклад, мідь і алюміній мають високу відбивну здатність порівняно з CO₂-лазерами 10,6 мкм, що робить їх більш придатними для волоконних лазерів), необхідної товщини обробки та точності. Це основне втілення принципу «адаптованості джерела енергії» в дизайні.
Лазерна передача та фокусування мають вирішальне значення для точної доставки енергії. Вихідний промінь із резонансної порожнини лазера повинен передаватися до головки обробки через оптичні елементи, такі як колімаційні дзеркала та дзеркала, що відбивають. Потім фокусуюче дзеркало (зазвичай опукла лінза) збирає розбіжний промінь у пляму діаметром від десятків до сотень мікрометрів. Співвідношення між діаметром плями (d), фокусною відстанню (f) і діаметром падаючого променя (D) відповідає формулі зображення лінзи (d≈f·θ, де θ – кут розбіжності променя), безпосередньо визначаючи щільність енергії (E=P/(πd²/4), де P – потужність лазера)-чим менший розмір плями, тим вища щільність енергії, і тим легше її досягти високо{6}}точне різання. Конструкція вимагає вибору фокусної відстані на основі області обробки та вимог до точності (короткі фокусні відстані призводять до невеликої точки фокусування, але невеликої глибини фокусування, що підходить для точного різання тонких пластин; великі фокусні відстані мають велику глибину фокусування, придатну для стабільної обробки товстих пластин). Технологія динамічного фокусування (така як автоматичне регулювання положення фокусної точки вздовж осі Z- головки обробки відповідно до хвилястості поверхні пластини) використовується для компенсації ослаблення енергії, викликаного нерівномірністю пластини, забезпечуючи рівномірність енергії в зоні дії.
Механізм взаємодії між енергією та матеріалом визначає фізичну природу процесу різання. Коли лазерний промінь опромінює поверхню матеріалу, енергія поглинається та перетворюється на тепло, спричиняючи швидке підвищення локальної температури до точки плавлення або навіть точки кипіння (температура плавлення більшості металевих матеріалів вище 1000 градусів, а температура кипіння може досягати 3000 градусів). Для матеріалів з низькою теплопровідністю (таких як нержавіюча сталь) тепло концентрується в області плями, що забезпечує швидке плавлення; для матеріалів з високою відбивною здатністю (таких як алюміній і мідь) необхідно збільшити потужність лазера або використовувати імпульсний режим (пробиваючи поріг відбиття з піковою потужністю) для посилення поглинання енергії. Розплавлений метал видувається з пропилу допоміжним газом (киснем, азотом або стисненим повітрям): кисень екзотермічно реагує із залізом (окислення), забезпечуючи додаткову енергію різання, придатну для високо-швидкісного різання матеріалів, які легко окислюються, наприклад вуглецевої сталі; Азот, як інертний газ, видаляє шлак, використовуючи лише кінетичну енергію, уникаючи окислення та створюючи високо{6}}якісний знебарвлений розріз, придатний для застосувань, які вимагають високої якості поверхні, наприклад, нержавіюча сталь та алюмінієві сплави. Конструкція має відповідати типу та тиску допоміжного газу на основі теплопровідності матеріалу, питомої теплоємності та характеристик окислення-надто низький тиск призведе до утворення залишків шлаку, тоді як занадто високий тиск може призвести до надмірно широкого пропилу або втрати матеріалу. Чисельне моделювання (таке як обчислювальна гідродинаміка (CFD) аналіз поля газового потоку) необхідне для оптимізації структури сопла та напрямку повітряного потоку для забезпечення ефективного видалення шлаку без перешкод для оптичного шляху.
Узгоджене проектування параметрів процесу є основою досягнення стабільного різання. Потужність лазера (P), швидкість різання (v), частота імпульсів (f) і робочий цикл (η) повинні бути узгоджені: потужність визначає загальну вхідну енергію за одиницю часу, швидкість впливає на тривалість енергії (енергія на одиницю довжини=E/v), і обидва разом визначають, чи матеріал повністю розплавився/випарувався. В імпульсному режимі частота та робочий цикл контролюють енергію одного-імпульсу (E_pulse=P × η/f) та інтервал імпульсів, щоб уникнути накопичення тепла, спричиненого безперервним нагріванням (наприклад, при різанні товстої пластини низька частота та високий робочий цикл можуть зменшити ширину зони-термічного впливу). Для створення бази даних «параметр-товщини-матеріалу» має використовуватися ортогональний експериментальний план або алгоритми машинного навчання. Наприклад, для нержавіючої сталі 304 товщиною 3 мм оптимізуючи комбінацію параметрів до потужності 1200 Вт, швидкості 2 м/хв і тиску азоту 0,8 МПа, можна досягти високо{18}}якісного різання з шорсткістю поперечного-перерізу Ra менше або дорівнює 12,5 мкм.
Підсумовуючи, принцип конструкції лазерного різання — це багатовимірна синергія "характеристик джерела енергії, передачі оптичного шляху, взаємодії матеріалів і узгодження параметрів". По суті, він перетворює абстрактну «світлову енергію» в контрольовану «процесорну силу» за допомогою точного контролю фізичних властивостей лазера та поведінки матеріалу, що в кінцевому підсумку забезпечує ефективне та високо-точне формування складних контурів. Безперервний розвиток цього принципу (наприклад, фемтосекундних/пікосекундних імпульсів у надшвидких лазерах для придушення термічної дифузії та-оптимізації параметрів у реальному часі за допомогою інтелектуальних алгоритмів) постійно розширює межі застосування лазерного різання, роблячи його незамінною основною технологією передового виробництва.
