**Lasersnijden en de Grondbeginselen van het Verwerkingssysteem – Lasersnijapparatuur**

**II. Samenstelling van Lasersnijapparatuur**

**2.1 Componenten en Werkingsprincipe van Lasersnijmachines**

Een lasersnijmachine bestaat onder andere uit een lasergenerator, snijkop, bundeloverdrachtcomponenten, machinegereedschapswerkbank, CNC-systeem, computer (hardware, software), koelmachine, afschermgasflessen, stofafzuiger en luchtdroger.

1. **Lasergenerator:** Dit is het apparaat dat de laserbron produceert. Voor lasersnijtoepassingen, behalve in een paar gevallen waar YAG-solid-state lasers worden gebruikt, gebruiken de meeste CO2-gaslasers vanwege hun hogere elektro-optische conversie-efficiëntie en het vermogen om een hoger vermogen af te geven. Omdat lasersnijden zeer hoge eisen stelt aan de bundelkwaliteit, zijn niet alle lasers geschikt om te snijden.

2. **Snijkop:** Bestaat voornamelijk uit componenten zoals de nozzle, focuslens en focusvolgsysteem. Het aandrijfmechanisme van de snijkop wordt gebruikt om de snijkop langs de Z-as aan te drijven volgens het programma, bestaande uit componenten zoals een servomotor en kogelomloopspindel of tandwielen.

* (1) **Nozzle:** Nozzle-typen omvatten voornamelijk drie vormen: parallel, convergent en conisch.

* (2) **Focuslens:** Om de energie van de laserstraal te gebruiken voor het snijden, moet de ruwe straal die door de laser wordt uitgezonden, door een lens worden gefocust om een punt met een hoge energiedichtheid te vormen. Lenzen met een gemiddelde en lange brandpuntsafstand zijn geschikt voor het snijden van dikke platen en stellen lagere eisen aan de afstandsstabiliteit van het volgsysteem. Lenzen met een korte brandpuntsafstand zijn alleen geschikt voor dunne platen van minder dan 3 mm; ze stellen strenge eisen aan de afstandsstabiliteit van het volgsysteem, maar kunnen het vereiste laseruitgangsvermogen aanzienlijk verminderen.

* (3) **Volgsysteem:** Het focusvolgsysteem van de lasersnijmachine bestaat over het algemeen uit de focusserende snijkop en het volgsensorsysteem. De snijkop omvat onderdelen voor lichtgeleiding en focussering, waterkoeling, gasblazen en mechanische afstelling. De sensor bestaat uit het sensorelement en de versterkingsbesturingsonderdelen. Afhankelijk van het sensorelement zijn volgsystemen volledig verschillend; er zijn voornamelijk twee vormen: capacitieve sensorsystemen (niet-contact) en inductieve sensorsystemen (contact).

3. **Bundeloverdrachtcomponenten (externe lichtpad):** Refractieve en reflecterende spiegels worden gebruikt om de laser naar de vereiste richting te leiden. Om bundelpadfouten te voorkomen, worden alle spiegels beschermd door afdekkingen en voorzien van schoon, positief-druk afschermgas om verontreiniging te voorkomen. Een hoogwaardige lensset zal een bundel zonder divergentiehoek in een oneindig klein punt focussen. Een lens met een brandpuntsafstand van 5,0 inch wordt vaak gebruikt. Een lens van 7,5 inch wordt alleen gebruikt voor materialen die >12 mm dik zijn.

4. **Machinegereedschapswerkbank (machinehost):** Het mechanische deel van de lasersnijmachine dat beweging langs de X-, Y- en Z-assen mogelijk maakt, inclusief het snijwerkplatform.

5. **CNC-systeem:** Bestuurt het machinegereedschap om X-, Y-, Z-asbeweging te bereiken en bestuurt ook het uitgangsvermogen van de laser.

6. **Koelsysteem (koelmachine):** Wordt gebruikt om de lasergenerator te koelen. Een laser is een apparaat dat elektrische energie omzet in lichtenergie. De conversieratio van een CO2-gaslaser is bijvoorbeeld typisch 20%, waarbij de resterende energie wordt omgezet in warmte. Het koelwater voert de overtollige warmte af om een normale werking te behouden. De koelmachine koelt ook de externe lichtpadspiegels en focuslens om een stabiele bundeloverdrachtskwaliteit te garanderen en lensvervorming of scheuren als gevolg van overmatige temperatuur effectief te voorkomen.

7. **Gasflessen:** Omvatten de gasflessen voor het werkmedium van de lasersnijmachine en de hulpflessen, die worden gebruikt om de industriële gassen voor laseroscillatie aan te vullen en hulp gassen aan de snijkop te leveren.

8. **Stofafzuigsysteem:** Zuigt rook en stof af die tijdens de verwerking worden gegenereerd en filtert deze zodat de uitlaatemissies voldoen aan de milieunormen.

9. **Luchtkoeldroger en filter:** Levert schone, droge lucht aan de lasergenerator en het bundelpad om een normale werking van het pad en de spiegels te behouden.

**2.2 Lasersnijbrander**

De schematische structuur van een lasersnijbrander wordt hieronder weergegeven en bestaat voornamelijk uit de branderbody, focuslens, spiegel en hulpgasnozzle. Tijdens het lasersnijden moet de brander aan de volgende eisen voldoen:

① De brander moet een voldoende gasstroom kunnen uitstoten.

② De gasuitstootrichting in de brander moet coaxiaal zijn met de optische as van de spiegel.

③ De brandpuntsafstand van de brander moet gemakkelijk instelbaar zijn.

④ Zorg er tijdens het snijden voor dat metaaldamp en spatten van het snijproces de spiegel niet beschadigen.

De beweging van de brander wordt aangepast via het CNC-bewegingssysteem. De relatieve beweging tussen de brander en het werkstuk kan in drie situaties plaatsvinden:

① De brander staat stil en het werkstuk beweegt via de werktafel (voornamelijk voor kleinere werkstukken).

② Het werkstuk staat stil en de brander beweegt.

③ Zowel de brander als de werktafel bewegen tegelijkertijd.

**2.2.1 Snijkop**

De lasersnijkop bevindt zich aan het einde van het bundeloverdrachtssysteem en omvat de focuslens en de snijnozzle.

Focuslenzen worden voornamelijk onderscheiden door hun brandpuntsafstand. De meeste lasersnijapparatuur is uitgerust met verschillende snijkoppen met verschillende brandpuntsafstanden. Als voorbeeld CO2-lasersnijden, zijn de gebruikelijke brandpuntsafstanden 127 mm (5 inch) en 190 mm (7,5 inch). Een lens met een korte brandpuntsafstand levert een kleine focusvlek en een korte scherptediepte, wat gunstig is voor het verminderen van de snijvoegbreedte en het verkrijgen van een fijnere snede. Een lens met een lange brandpuntsafstand levert een grotere focusvlek en een langere scherptediepte. In vergelijking met een lens met een korte brandpuntsafstand kan een lens met een lange brandpuntsafstand voldoen aan de eisen voor gefocuste bundelenergiedichtheid in de buurt van het brandpunt over een groter bereik van materiaaldikte. Daarom worden lenzen met een korte brandpuntsafstand meestal gebruikt voor het fijn snijden van dunne platen, terwijl dikkere materialen lenzen met een lange brandpuntsafstand vereisen om voldoende scherptediepte te verkrijgen, waardoor de verandering in vlekdiameter minimaal is binnen het snijdiktebereik en een adequate vermogensdichtheid wordt gehandhaafd.

De focuslens wordt gebruikt om de parallelle laserstraal die de brander binnengaat, te focussen om een kleine vlek en een hoge vermogensdichtheid te verkrijgen. Lenzen zijn gemaakt van materialen die de lasergolflengte doorlaten. Solid-state lasers gebruiken vaak optisch glas, terwijl CO2-gaslasers, die niet door gewoon glas kunnen gaan, materialen gebruiken zoals ZnSe, GaAs en Ge, waarbij ZnSe het meest voorkomt.

Voor lasersnijden is een zo klein mogelijke vlekdiameter gewenst, omdat dit de vermogensdichtheid verhoogt, wat snijden met hoge snelheid vergemakkelijkt. Wanneer de brandpuntsafstand van de lens echter afneemt, wordt de scherptediepte ook kleiner, waardoor het moeilijk wordt om goede loodrechte snijvlakken te verkrijgen bij het snijden van dikkere platen. Bovendien wordt met een kleinere brandpuntsafstand van de lens de afstand tussen de lens en het werkstuk verkleind, waardoor de lens gevoelig is voor verontreiniging door spatten en ander gesmolten materiaal tijdens het snijden, wat de normale werking beïnvloedt. Daarom moet de juiste brandpuntsafstand worden bepaald door een uitgebreide afweging van factoren zoals snijdikte en kwaliteitsvereisten.

**2.2.2 Spiegel**

De functie van de spiegel is om de richting van de straal die van de laser komt, te veranderen. Voor stralen van solid-state lasers kunnen spiegels van optisch glas worden gebruikt, terwijl spiegels in CO2-gaslasersnijapparaten vaak zijn gemaakt van koper of metalen met een hoge reflectiviteit. Tijdens gebruik worden spiegels meestal watergekoeld om schade door oververhitting door lichtblootstelling te voorkomen.

**2.2.3 Nozzle**

De nozzle wordt gebruikt om hulp gas in de snijzone te spuiten. De structurele vorm heeft een zekere invloed op de snij-efficiëntie en -kwaliteit. Figuur 4.11 toont de gemeenschappelijke nozzle-vormen die worden gebruikt bij lasersnijden; de vormen van de straalopeningen omvatten cilindrische, conische en convergente-divergente (de Laval) typen.

De selectie van de nozzle wordt over het algemeen bepaald na testen op basis van het werkstukmateriaal, de dikte, de hulpgasdruk, enz. Lasersnijden gebruikt over het algemeen coaxiale nozzles (gasstroom coaxiaal met de optische as). Als de gasstroom niet coaxiaal is met de straal, kan dit gemakkelijk aanzienlijke spatten genereren tijdens het snijden. De opening van de nozzle moet glad zijn om een soepele gasstroom te garanderen en te voorkomen dat de snijkwaliteit wordt beïnvloed door turbulentie. Om de stabiliteit van het snijproces te garanderen, moet de afstand van het nozzlevlak tot het werkvlak worden geminimaliseerd, vaak genomen als 0,5 ~ 2,0 mm. De nozzle-opening moet de laserstraal ongehinderd doorlaten, waardoor wordt voorkomen dat de straal de binnenwand van de nozzle raakt. Hoe kleiner de opening, hoe moeilijker de bundelcollimatie wordt. Bij een bepaalde hulpgasdruk is er een optimaal bereik van nozzle-openingdiameters. Als de opening te klein of te groot is, heeft dit invloed op het verwijderen van gesmolten producten uit de snijvoeg en heeft het ook invloed op de snijsnelheid.

De invloed van de nozzle-opening op de snijsnelheid bij een bepaald laservermogen en hulpgasdruk wordt weergegeven in figuren 4.12 en 4.13. Het is te zien dat er een optimale nozzle-opening is die de maximale snijsnelheid oplevert. Of zuurstof of argon als hulp gas wordt gebruikt, deze optimale waarde is ongeveer 1,5 mm.

Lasersnijtesten op moeilijk te snijden materialen zoals gecementeerd carbide tonen aan dat de optimale nozzle-opening zeer dicht bij het bovenstaande resultaat ligt, zoals weergegeven in figuur 4.14. De nozzle-opening beïnvloedt ook de snijvoegbreedte en de breedte van de warmte-beïnvloede zone (HAZ). Zoals weergegeven in figuur 4.15, wordt de snijvoeg breder naarmate de nozzle-opening toeneemt, terwijl de HAZ smaller wordt. De belangrijkste reden voor de smaller wordende HAZ is het verbeterde koeleffect van de hulp gasstroom op het basismateriaal in de snijzone.

**2.3 Parameters van Lasersnijapparatuur**

**2.3.1 Door de brander aangedreven snijapparatuur**

Bij door de brander aangedreven snijapparatuur wordt de snijbrander op een beweegbare portaal gemonteerd en beweegt deze dwars (Y-richting) langs de portaalbalk. De portaal drijft de brander langs de X-richting aan en het werkstuk wordt op de snijtafel bevestigd. Omdat de laserbron gescheiden is van de brander, kunnen tijdens het snijden de laseroverdrachtskenmerken, de parallelheid langs de straalscanningsrichting en de stabiliteit van de reflecterende spiegels worden beïnvloed.

Door de brander aangedreven apparatuur kan grotere onderdelen verwerken, vereist relatief minder vloeroppervlak voor het snijproductiegebied en kan gemakkelijk worden geïntegreerd in productielijnen met andere apparatuur. De positioneringsnauwkeurigheid is echter typisch rond ±0,04 mm.

De typische structuur van door de brander aangedreven snijapparatuur wordt weergegeven in figuur 4.19. Dit voorbeeld gebruikt een CO2-continue golf lasersnijder, met een bundeloverdrachtsafstand van 18 m van de laserbron naar de brander. Om ervoor te zorgen dat veranderingen in de bundelvorm over deze afstand het snijden niet belemmeren, moet de combinatie van oscillatorspiegels zorgvuldig worden ontworpen.

Belangrijkste technische parameters voor door de brander aangedreven apparatuur:

* Laseruitgangsvermogen: 1,5 kW (enkele modus), 3 kW (multimode).

* Branderbeweging: X-as 6,2 m, Y-as 2,6 m.

* Aandrijfsnelheid: 0~10 m/min (instelbaar).

* Branderhoogte (Z-as) zwevende beweging: 150 mm.

* Branderhoogte-aanpassingssnelheid: 300 mm/min.

* Maximale bewerkbare stalen plaatgrootte: 12 mm dik * 2400 mm * 6000 mm.

* Besturingsapparatuur: Geïntegreerde CNC-besturingsmethode.

**2.3.2 XY-coördinaten snijtafel-aangedreven apparatuur**

Bij XY-coördinaten snijtafel-aangedreven apparatuur wordt de brander op het machineframe bevestigd en wordt het werkstuk op de snijtafel geplaatst. De snijtafel beweegt volgens NC-instructies langs de X- en Y-richtingen. De aandrijfsnelheid is over het algemeen 0~1 m/min (instelbaar) of 0~5 m/min (instelbaar). Omdat de brander vast staat ten opzichte van het werkstuk, wordt de uitlijning van de laserstraal minder beïnvloed tijdens het snijden, waardoor uniforme en stabiele sneden mogelijk zijn. Wanneer de snijtafel klein is en de mechanische nauwkeurigheid hoog is, kan de positioneringsnauwkeurigheid ±0,01 mm zijn, wat resulteert in uitstekende snijprecisie, waardoor het bijzonder geschikt is voor precisiesnijden van kleine onderdelen. Er zijn ook snijtafels met een X-asbeweging van 2300~2400 mm en een Y-asbeweging van 1200~1300 mm voor het bewerken van grotere onderdelen.

Belangrijkste technische parameters voor XY-tafel-aangedreven apparatuur:

* Laser: CO2-gaslaser (semi-afgesloten rechte buis).

* Laservoeding: Ingangsspanning 200 V AC, Uitgangsspanning 0~30 kV, Max. uitgangsstroom 100 mA.

* Laseruitgangsvermogen: 550 W.

* Snijtafelbeweging: X-as 2300 mm, Y-as 1300 mm.

* Snijtafel aandrijfsnelheid (stap instelbaar): 0,4~5,0 m/min, 0,2~2,5 m/min, 0,1~1,3 m/min, 0,05~0,6 m/min.

* Branderhoogte (Z-as) zwevende beweging: 180 mm.

* Maximale bewerkbare plaatgrootte: 6 mm dik * 1300 mm * 2300 mm.

* Besturingsapparatuur: NC-methode.

**2.3.3 Brander-tafel dubbel-aangedreven snijapparatuur**

Brander-tafel dubbel-aangedreven snijapparatuur is een hybride tussen door de brander aangedreven en XY-tafel-aangedreven typen. De brander is op een portaal gemonteerd en beweegt dwars (Y-richting) langs de portaalbalk, terwijl de snijtafel in de lengterichting (X-richting) aandrijft. Het combineert de voordelen van hoge snijnauwkeurigheid en ruimtebesparing. De positioneringsnauwkeurigheid is ±0,01 mm, het snijsnelheidsaanpassingsbereik is 0~20 m/min, waardoor het een veelgebruikt type snijapparatuur is. Grotere modellen van dit type kunnen een Y-asbeweging van 2000 mm en een X-asbeweging van 6000 mm hebben, die in staat zijn om grote onderdelen te snijden.

In sommige ontwerpen is de laseroscillator ook op de portaal gemonteerd, samen met de brander. De nauwkeurigheid voor het snijden van ronde gaten met dubbel-aangedreven apparatuur is vrij goed. De productie-efficiëntie is ook hoog; het kan bijvoorbeeld 46 gaten met een diameter van 10 mm per minuut snijden in een stalen plaat van 1 mm dik.

**2.3.4 Geïntegreerde snijapparatuur**

Bij geïntegreerde snijapparatuur wordt de laserbron op het machineframe geïnstalleerd en beweegt deze in de lengterichting mee, terwijl de brander en het aandrijfmechanisme een eenheid vormen die dwars op de balk van het frame beweegt. Met behulp van CNC kunnen verschillende gevormde onderdelen worden gesneden. Om de verandering in de optische padlengte te compenseren die wordt veroorzaakt door de dwarsbeweging van de brander, is er meestal een component voor het aanpassen van de optische padlengte uitgerust, waardoor een homogene straal over het snijgebied wordt gegarandeerd en een consistente snijvlakkwaliteit wordt gehandhaafd.