Mae egwyddor dylunio torri laser yn fframwaith proses systematig sy'n seiliedig ar groestoriad opteg, thermodynameg, a gwyddoniaeth deunyddiau. Ei graidd yw tynnu a siapio deunyddiau'n fanwl trwy ryngweithio pelydr laser dwysedd uchel y gellir ei reoli â'r deunydd. Mae gweithredu'r egwyddor hon yn gofyn am ystyried tri dimensiwn: cynhyrchu a throsglwyddo laser, mecanweithiau rhyngweithio ynni, a pharu paramedr prosesau, gan ffurfio cadwyn resymegol gyflawn o "ffynhonnell ynni" i "ganlyniad prosesu."
Cynhyrchu laser yw man cychwyn y dyluniad. Mewn cymwysiadau diwydiannol cyfredol, mae laserau ffibr, laserau CO₂, a laserau cyflwr solid yn arddangos nodweddion trawst gwahanol oherwydd gwahaniaethau mewn cyfryngau ennill a dulliau cyffroi: Mae laserau ffibr yn defnyddio ffibrau optegol prin wedi'u dopio fel cyfrwng ennill ac yn cyflawni effeithlonrwydd trosi opteg electro uchel (hyd at 30% neu fwy), trwy bwmpio lled-ddargludyddion di-dor, trwy allbwn pwmpio lled-ddargludol. bron-band isgoch (tua 1070nm), gyda manteision megis ansawdd trawst rhagorol (M² yn agos at 1), strwythur cryno, a gweithrediad di-waith cynnal a chadw; Mae laserau CO₂ yn defnyddio cymysgedd nwy CO₂ fel cyfrwng cynnydd ac yn cynhyrchu pelydr isgoch pell (10.6μm) trwy gyffro rhyddhau, er bod yr effeithlonrwydd electro-optig yn gymharol isel (tua 10%), ond mae'r gyfradd amsugno ar gyfer deunyddiau anfetelaidd anfetelaidd yn uwch ac yn uwch; Mae laserau cyflwr solid (fel Nd:YAG) yn defnyddio crisialau fel y cyfrwng cynnydd a gallant gynhyrchu laserau pwls byr neu uwchfyr, sy'n addas ar gyfer senarios peiriannu micro. Rhaid i ddewis laser fod yn seiliedig ar ystyriaeth gynhwysfawr o nodweddion amsugno'r deunydd ar gyfer tonfedd (ee, mae gan gopr ac alwminiwm adlewyrchedd uchel i laserau 10.6μm CO₂, gan eu gwneud yn fwy addas ar gyfer laserau ffibr), y trwch prosesu gofynnol, a manwl gywirdeb. Dyma ymgorfforiad craidd yr egwyddor "addasrwydd ffynhonnell ynni" mewn dylunio.
Mae trosglwyddo a chanolbwyntio laser yn hanfodol ar gyfer cyflwyno ynni manwl gywir. Mae angen trosglwyddo'r allbwn trawst o'r ceudod soniarus laser i'r pen prosesu trwy elfennau optegol megis drychau gwrthdaro a drychau adlewyrchol. Yna, mae drych ffocysedig (lens amgrwm fel arfer) yn cydgyfeirio'r trawst dargyfeiriol yn fan â diamedr o ddegau i gannoedd o ficrometrau. Mae'r berthynas rhwng y diamedr sbot (d), hyd ffocal (f), a diamedr trawst digwyddiad (D) yn dilyn y fformiwla delweddu lens (d≈f·θ, lle θ yw'r ongl dargyfeirio trawst), gan bennu'n uniongyrchol y dwysedd egni (E=P/(πd²/4), lle P yw'r pŵer laser)-po leiaf yw'r dwysedd sbot, yr uchaf yw'r dwysedd egni i gyrraedd, yr uchaf yw'r dwysedd egni i gyrraedd. torri. Mae'r dyluniad yn gofyn am ddewis y hyd ffocws yn seiliedig ar yr ardal brosesu a gofynion manwl gywir (mae hyd ffocws byr yn arwain at fan ffocws bach ond dyfnder ffocws bas, sy'n addas ar gyfer torri platiau tenau yn fanwl; mae gan hyd ffocal hir ddyfnder ffocws mawr, sy'n addas ar gyfer prosesu platiau trwchus yn sefydlog). Defnyddir technoleg canolbwyntio deinamig (megis addasu'r lleoliad canolbwynt yn awtomatig ar hyd echel Z- y pen prosesu i ddilyn tonnau arwyneb y plât) i wneud iawn am wanhad ynni a achosir gan anwastadedd yn y plât, gan sicrhau unffurfiaeth ynni yn y maes gweithredu.
Mae'r mecanwaith rhyngweithio rhwng ynni a deunydd yn pennu natur ffisegol y broses dorri. Pan fydd pelydr laser yn arbelydru arwyneb y deunydd, mae ynni'n cael ei amsugno a'i drawsnewid yn wres, gan achosi i'r tymheredd lleol godi'n gyflym i'r pwynt toddi neu hyd yn oed y berwbwynt (mae pwynt toddi y rhan fwyaf o ddeunyddiau metelaidd yn uwch na 1000 gradd, a gall y pwynt berwi gyrraedd 3000 gradd). Ar gyfer deunyddiau â dargludedd thermol isel (fel dur di-staen), mae gwres wedi'i grynhoi yn yr ardal fan a'r lle, gan alluogi toddi cyflym; ar gyfer deunyddiau adlewyrchol iawn (fel alwminiwm a chopr), mae angen cynyddu'r pŵer laser neu ddefnyddio modd pwls (trwy dorri trwy'r trothwy adlewyrchiad gyda phŵer brig) i wella amsugno ynni. Mae metel tawdd yn cael ei chwythu i ffwrdd o'r kerf gan nwy cynorthwyol (ocsigen, nitrogen, neu aer cywasgedig): mae ocsigen yn adweithio'n ecsothermig â haearn (ocsidiad), gan ddarparu egni torri ychwanegol, sy'n addas ar gyfer torri deunyddiau sy'n hawdd eu hocsidio'n gyflym fel dur carbon; mae nitrogen, fel nwy anadweithiol, yn cael gwared ar slag gan ddefnyddio egni cinetig yn unig, gan osgoi ocsideiddio ac arwain at doriad afliwiedig o ansawdd uchel, sy'n addas ar gyfer cymwysiadau sy'n gofyn am ansawdd wyneb uchel, megis dur di-staen ac aloion alwminiwm. Rhaid i'r dyluniad gyd-fynd â math a gwasgedd y nwy cynorthwyol yn seiliedig ar ddargludedd thermol y deunydd, cynhwysedd gwres penodol, a nodweddion ocsideiddio-bydd pwysau rhy isel yn arwain at weddillion slag, tra gall pwysau rhy uchel arwain at kerf rhy eang neu golled materol. Mae angen efelychiadau rhifiadol (fel dadansoddiad deinameg hylif cyfrifiannol (CFD) o'r maes llif nwy) i wneud y gorau o strwythur y ffroenell a chyfeiriad y llif aer i sicrhau bod slag yn cael ei dynnu'n effeithlon heb ymyrryd â'r llwybr optegol.
Dyluniad cydgysylltiedig paramedrau proses yw craidd cyflawni torri sefydlog. Rhaid cyfateb pŵer laser (P), cyflymder torri (v), amledd pwls (f), a chylch dyletswydd (η): mae pŵer yn pennu cyfanswm y mewnbwn egni fesul uned amser, mae cyflymder yn effeithio ar hyd yr egni (ynni fesul uned hyd=E/v), ac mae'r ddau gyda'i gilydd yn penderfynu a yw'r deunydd wedi'i doddi / anweddu'n llwyr. Mewn modd pwls, mae amlder a chylchred dyletswydd yn rheoli'r egni pwls sengl (E_pulse=P × η/f) a'r cyfwng curiad y galon er mwyn osgoi cronni gwres a achosir gan wresogi parhaus (ee, wrth dorri plât trwchus, gall amledd isel a chylchred dyletswydd uchel leihau lled y parth yr effeithir arno -). Dylai'r dyluniad ddefnyddio algorithmau dylunio arbrofol orthogonal neu ddysgu peirianyddol i sefydlu cronfa ddata "trwch-paramedr materol". Er enghraifft, ar gyfer dur gwrthstaen 3mm o drwch 304, gall optimeiddio'r cyfuniad paramedr i bŵer 1200W, cyflymder 2m/munud, a phwysedd nitrogen 0.8MPa gyflawni torri o ansawdd uchel gyda garwder trawsdoriadol Ra Llai na neu'n hafal i 12.5μm.
I grynhoi, mae egwyddor dylunio torri laser yn synergedd aml-dimensiwn o "nodweddion ffynhonnell ynni, trawsyrru llwybr optegol, rhyngweithio deunydd, a pharamedrau cyfatebol." Yn y bôn, mae'n trawsnewid "ynni ysgafn" haniaethol yn "rym prosesu" y gellir ei reoli trwy reolaeth fanwl gywir ar briodweddau ffisegol laser ac ymddygiad materol, gan gyflawni siapio cyfuchliniau cymhleth yn effeithlon ac yn fanwl yn y pen draw. Mae esblygiad parhaus yr egwyddor hon (fel corbys femtosecond/picosecond mewn laserau gwibgyswllt i atal trylediad thermol ac optimeiddio paramedr amser real gan ddefnyddio algorithmau deallus) yn ehangu ffiniau cymhwyso torri laser yn gyson, gan ei gwneud yn dechnoleg graidd anhepgor mewn gweithgynhyrchu uwch.
