عمود التطبيقات الضوئية

باعتبارها واحدة من أكثر طرق معالجة المواد المتاحة اليوم تطوراً، أصبح القطع بالليزر منتشراً بشكل متزايد في مختلف الصناعات. تستكشف هذه المقالة المبادئ الأساسية والمزايا التشغيلية والتطبيقات الرئيسية للقطع بالليزر، وتقدم رؤى ذات صلة خاصة للمشترين والمتخصصين في المشتريات الذين يقيِّمون حلول القطع عالية الدقة.

ما هو الليزر؟

يشير مصطلح الليزر، وهو اختصار لعبارة "تضخيم الضوء بالانبعاث المحفز للإشعاع"، إلى حزمة ضوئية شديدة التركيز ومتماسكة تتميز ب

• كثافة عالية
• سطوع عالٍ
• أحادية اللون (طول موجي واحد)
• اتجاهية ممتازة
• طول التماسك الطويل

عندما يضرب شعاع الليزر سطح المادة، يتم امتصاص طاقته وتحويلها بسرعة إلى حرارة. ويؤدي ذلك إلى ارتفاع حاد في درجة الحرارة الموضعية - وهو ما يكفي لإذابة المادة أو تبخيرها أو تسخينها. والنتيجة هي فوهة صغيرة تتشكل على السطح. يتم طرد المادة المتبخرة والمعدن المنصهر من خلال الضغط الناتج وتدفق الغاز المساعد، مما يولد قطعًا دقيقًا ونظيفًا.

كيف يتم توليد الليزر

ينطوي توليد الليزر على تحقيق انعكاس التعداد داخل وسيط كسب. يبعث هذا الوسط فوتونات عن طريق الانبعاث المحفز. ثم يتم تضخيم هذه الفوتونات وتصفيتها في تجويف مرنان ضوئي لإنتاج شعاع ليزر ذي اتجاهية وأحادية اللون وشدة استثنائية. إن مصدر الطاقة عالي التركيز هذا هو ما يمكّن القطع بالليزر من الأداء بدقة لا مثيل لها.

مبدأ القطع بالليزر

القطع بالليزر هو عملية حرارية تستخدم شعاع ليزر عالي الكثافة في الطاقة كمصدر حراري لقطع المواد. بعد تركيز شعاع الليزر، تصبح كثافة الطاقة عند النقطة البؤرية عالية للغاية. وعندما يتم توجيهها على سطح المادة، يتم امتصاص الطاقة، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة بشكل حاد - بحيث تصل إلى درجة انصهار المادة أو درجة الغليان أو عتبة التسامي.

• المعادن: تعمل طاقة الليزر على إذابة المعدن، في حين أن الغازات المساعدة (مثل الأكسجين والنيتروجين والهواء المضغوط) تنفخ المواد المنصهرة من خط القطع.
• غير المعادن: قد تتبخر مواد مثل الخشب أو البلاستيك أو السيراميك مباشرةً تحت الحرارة، مما يكمل عملية القطع دون ذوبان.

هذا المزيج من الدقة الحرارية والإزالة بمساعدة الغاز يحدد عملية القطع بالليزر الحديثة.

المزايا الرئيسية للقطع بالليزر

بالمقارنة مع طرق القطع الحراري التقليدية (مثل القطع باللهب أو القطع بالبلازما)، يوفر القطع بالليزر العديد من المزايا المهمة:

1. جودة قطع فائقة

• عرض الشق الضيق و الحد الأدنى من المنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ) هي السمات المميزة للقطع بالليزر.
• وعادةً ما يتراوح حجم منطقة HAZ بين 0.1 مم و0.5 مم - وهو أمر بالغ الأهمية للتطبيقات التي تكون فيها سلامة المواد أمرًا حيويًا، كما هو الحال في المعادن المستخدمة في مجال الطيران.

2. دقة عالية

• يمكن أن تحقق قواطع الليزر دقة تحديد المواقع بمقدار ± 0.1 مم أو أفضل.
• يُعد هذا المستوى من الدقة مثاليًا لصناعات مثل الإلكترونيات وتصنيع الأجهزة الطبية، حيث تكون الأشكال الهندسية المعقدة والحد الأدنى من التفاوتات ضرورية.

3. سرعة قطع عالية

• يتفوق القطع بالليزر بشكل كبير على طرق القطع التقليدية.
• على سبيل المثال، يمكن قطع صفيحة فولاذ كربون 1-6 مم بسرعات تصل إلى عدة أمتار في الدقيقة، مما يحسن الإنتاجية ويقلل من وقت العمل.

4. توافق واسع للمواد

القطع بالليزر متعدد الاستخدامات ومناسب لكل من المواد المعدنية وغير المعدنية:

• المعادن: الفولاذ الكربوني والفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك الألومنيوم والتيتانيوم
• غير المعادن: البلاستيك، والسيراميك، والخشب، والزجاج، والمطاط، والبلاستيك، والسيراميك، والخشب، والزجاج، والمطاط
• المركبات: البلاستيك المقوى بألياف الكربون الكلورية الفلورية، والبلاستيك المقوى بالفلور المقوى بالصلب المغلف، والمواد المصفحة

مع الضبط المناسب لمعلمات الليزر والغازات المساعدة، يمكن تحقيق عمليات قطع متسقة وعالية الجودة عبر هذه الركائز.

5. عملية عدم الاتصال

• لا يقوم رأس القطع بالتلامس مع قطعة العمل، مما يقلل من التآكل ويزيل الإجهاد الميكانيكي.
• الأدوات غير ضرورية - حيث يتم التحكم في مسارات القطع رقميًا، مما يسمح بتغييرات سريعة في التكوين لمختلف الأشكال والمواد.
• العملية نظيفة ومنخفضة الضوضاء وخالية من الاهتزازات، مما يجعلها مثالية لبيئات الإنتاج المؤتمتة.

حدود القطع بالليزر

على الرغم من أن القطع بالليزر يوفر العديد من الفوائد، إلا أن قدراته محدودة بسبب قوة مصدر الليزر والتصميم الميكانيكي للمعدات:

• سُمك المادة: تم تحسين معظم الأنظمة للصفائح والأنابيب الرقيقة إلى المتوسطة السماكة.
• انخفاض السرعة مع السُمك: مع زيادة سُمك المادة، تنخفض سرعة القطع وقد تتدهور جودة الحافة.
• تكلفة المعدات: يمكن أن تكون أنظمة الليزر عالية الدقة ذات الطاقة الكافية وميزات الأتمتة استثمارًا رأسماليًا كبيرًا.

يعد فهم هذه القيود أمرًا ضروريًا لفرق المشتريات التي تفكر في أنظمة الليزر لتطبيقات صناعية محددة.

التطبيقات الصناعية للقطع بالليزر

تشغيل المعادن وتصنيعها

يُستخدم القطع بالليزر على نطاق واسع في التصنيع العام للمعادن لقطع أجزاء مثل التروس والأقواس والهياكل والمكونات الهيكلية.

• تصنيع السيارات: قطع ألواح الهيكل، وأجزاء الهيكل، ومكونات المحرك
• بناء السفن: تجهيز الألواح الفولاذية لهياكل الهياكل
• الآلات الصناعية: إنتاج المكونات والمرفقات الدقيقة

تصنيع الإلكترونيات

• تُستخدم لقطع لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs) بدقة عالية
• مناسبة لفصل المكونات والمرفقات الإلكترونية الدقيقة
• تمكين تخطيطات المكونات المصغرة والمعقدة

الإعلان والفنون الزخرفية

• يسمح بقص الأنماط المعقدة في الفولاذ المقاوم للصدأ والأكريليك والخشب للافتات والديكور الداخلي
• مثالي للمهام المخصصة لمرة واحدة أو قصيرة المدى بسبب مرونة البرمجة الرقمية

صناعة التعبئة والتغليف

• تقطيع تصميمات الكرتون، والأغشية البلاستيكية، والمواد المصفحة
• يمكن نقش شعارات العلامة التجارية أو النص المخصص مباشرةً على ركائز التغليف، مما يعزز عرض المنتج

الطيران والفضاء

• تُستخدم لقطع الأجزاء الهيكلية الحرجة مثل أجزاء جسم الطائرة وأجنحة الأجنحة
• يضمن جودة الحواف ودقتها التي تتوافق مع معايير صناعة الطيران
• يطبق أيضًا على مكونات المحرك التي تتطلب تفاوتات دقيقة وأقل قدر من التشوه الحراري

الخاتمة

لقد أصبح القطع بالليزر حجر الزاوية في التصنيع الصناعي الحديث، حيث يوفر دقة ومرونة وجودة لا مثيل لها عبر مجموعة واسعة من المواد. بالنسبة لمحترفي المشتريات، يعد فهم المبادئ التشغيلية وخصائص الأداء لأنظمة القطع بالليزر أمرًا ضروريًا لاتخاذ قرارات استثمارية مستنيرة. سواءً كان تقييم نظام لمعالجة الصفائح الرقيقة أو تصنيع الأجزاء الدقيقة، فإن تقنية الليزر تقدم خيارًا عالي القيمة يجمع بين السرعة والدقة وقابلية التوسع.

الاستشهادات والمراجع

• الاتحاد الأوروبي لصناعة الضوئيات (EPIC)
• "أساسيات القطع بالليزر،" معهد الليزر الأمريكي
• "تطبيق تكنولوجيا الليزر في التصنيع الحديث"، مجلة عمليات التصنيع
• كتيبات منتجات TRUMPF وBystronic وHan's Laser كتيبات منتجات TRUMPF وBystronic وHan's Laser
• ISO 9013: تصنيف الجودة للقطع الحراري