เครื่องตัดด้วยเลเซอร์: ปัจจัยสำคัญสำหรับการตัดที่แม่นยำ

คุณภาพของแหล่งกำเนิดเลเซอร์: ลำแสง กำลังไฟ และการควบคุมโฟกัส

ความแม่นยำในการตัดด้วยเลเซอร์ขึ้นอยู่กับคุณลักษณะที่เกี่ยวข้องกันสามประการของแหล่งกำเนิดเลเซอร์ ได้แก่ คุณภาพของลำแสง กำลังไฟขาออก และการควบคุมโฟกัส ทั้งสามประการนี้เป็นตัวกำหนดความแม่นยำในการตัด คุณภาพผิวขอบ และประสิทธิภาพในการประมวลผลผลิตภัณฑ์ในวัสดุและชิ้นงานที่มีความหนาต่างกัน

บทบาทของ Beam Parameter Product (BPP) และเส้นผ่านศูนย์กลางไส้ไฟเบอร์ ต่อความสามารถในการโฟกัส

ผลคูณพารามิเตอร์ลำแสง (BPP) ซึ่งวัดเป็นมิลลิเมตรคูณมิลลิเรเดียน บ่งบอกถึงความสามารถในการโฟกัสของเลเซอร์ ค่าที่ต่ำกว่าหมายถึงจุดโฟกัสที่แน่นและเข้มข้นมากยิ่งขึ้น ทำให้สามารถรวมพลังงานได้มากขึ้นในพื้นที่ขนาดเล็ก เลเซอร์ไฟเบอร์คุณภาพสูงระดับแนวหน้าจะมีค่าประมาณ 0.9 มม.·มิลลิเรเดียน เนื่องจากมีแกนนำแสงขนาดเล็กมาก แกนนำแสงขนาดเล็กเหล่านี้ช่วยรวมโฟตอนให้อยู่ใกล้กันมากขึ้น ทำให้สามารถตัดได้แคบเพียง 0.1 มม. ในวัสดุที่มีความหนาน้อยกว่า 3 มม. สำหรับงานตัดไมโครที่ต้องการรายละเอียดสูงบนรูปทรงซับซ้อน ความแม่นยำระดับนี้ถือเป็นปัจจัยสำคัญ อย่างไรก็ตาม เมื่อผู้ผลิตใช้แกนนำแสงที่ใหญ่เกินไป หรือไม่เหมาะสมกับงาน ลำแสงเลเซอร์จะแผ่กระจายออกไปแทนที่จะคงความคมชัด การแผ่กระจายนี้ทำให้จุดโฟกัสมีขนาดใหญ่ขึ้น และความแม่นยำในการตำแหน่งลดลง โดยเฉพาะเมื่อเคลื่อนที่เร็วๆ บนพื้นผิววัสดุระหว่างกระบวนการตัด

กำลังเลเซอร์ขาออกเทียบกับความหนาของวัสดุ: การปรับสมดุลระหว่างความเร็วและความแม่นยำของขอบ

การตั้งค่ากำลังเลเซอร์ให้เหมาะสมหมายถึงการปรับให้สอดคล้องกับวัสดุที่เราใช้งาน ไม่ใช่เพียงแค่เปิดกำลังสูงสุด การใช้ระบบเลเซอร์หกกิโลวัตต์สามารถเร่งความเร็วได้อย่างชัดเจนเมื่อทำงานกับแผ่นหนาเกินสิบมิลลิเมตร แต่หากใช้กำลังมากเกินไปกับแผ่นบาง ก็อาจเกิดปัญหา เช่น การบิดงอและขอบแผ่นละลาย ตัวอย่างเช่น เหล็กสเตนเลส เลเซอร์ 4 กิโลวัตต์สามารถตัดแผ่นหนา 12 มิลลิเมตรได้ที่ความเร็วประมาณ 1.2 เมตรต่อนาที โดยรักษามิติให้อยู่ในช่วง ±0.05 มิลลิเมตร แต่หากใช้ระดับกำลังเดียวกันกับแผ่นหนา 1 มิลลิเมตร ก็อาจเกิดปัญหามากมาย เช่น การเกิดคราบสะเก็ด (dross) และคุณภาพขอบตัดที่ไม่ดี โรงงานส่วนใหญ่ปฏิบัติตามมาตรฐานอุตสาหกรรมในการตั้งค่ากำลังตามความหนาของวัสดุ เหล็กกล้าคาร์บอนโดยทั่วไปต้องการกำลังประมาณ 500 วัตต์ต่อหนึ่งมิลลิเมตร เพื่อหลีกเลี่ยงขอบที่ไม่เรียบร้อยและรักษารอยตัดให้มีความกว้างสม่ำเสมอ ตามงานวิจัยที่เผยแพร่โดยสถาบันโพนีแมนเมื่อปีที่แล้ว ขยะทางอุตสาหกรรมเกือบร้อยละหนึ่งในสามเกิดจากการตั้งค่ากำลังกับความหนาของวัสดุผิดพลาด ดังนั้นการปรับเทียบค่าให้ถูกต้องจึงไม่ใช่แค่การลดเศษเหล็กที่เสียเปล่า แต่ยังส่งผลโดยตรงต่อต้นทุนการผลิตอีกด้วย

การปรับพารามิเตอร์กระบวนการเพื่อประสิทธิภาพที่สม่ำเสมอของเครื่องตัดด้วยเลเซอร์

การปรับแต่งพารามิเตอร์กระบวนการอย่างละเอียดช่วยให้มั่นใจในความแม่นยำที่สามารถทำซ้ำได้ โดยการควบคุมสมดุลระหว่างพลังงานความร้อน การขจัดวัสดุ และการซิงโครไนซ์การเคลื่อนไหว การปรับพารามิเตอร์อย่างมีประสิทธิภาพจะช่วยลดข้อบกพร่อง ขณะที่ยังคงรักษาระดับความเร็วและคุณภาพของขอบตัดตลอดการผลิต

ผลกระทบของความเร็วในการตัด ความถี่ของพัลส์ และรอบการทำงานต่อโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนและการเกิดดรอส

ความเร็วในการตัดมีผลอย่างมากต่อปริมาณความร้อนที่สะสมระหว่างกระบวนการ หากความเร็วช้าเกินไป จะทำให้โซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ) เพิ่มขึ้นประมาณ 15% ในเหล็กกล้าไร้สนิม ซึ่งมักนำไปสู่ปัญหาการบิดงอ และความแข็งแรงของโครงสร้างลดลง ในทางกลับกัน หากความเร็วเร็วเกินไป ก็จะก่อให้เกิดปัญหาด้านความลึกของการเจาะทะลุ และทำให้เกิดสะเก็ดเศษหลอมเหลว (dross) ติดอยู่บนวัสดุ การปรับความถี่ของคลื่นพัลส์และค่าไซเคิลการทำงาน (duty cycle) จะช่วยควบคุมพลังงานที่ส่งออกไปได้อย่างแม่นยำมากขึ้น สำหรับโลหะที่ไม่ใช่เหล็ก เช่น อลูมิเนียม ความถี่ต่ำระหว่าง 500 ถึง 1,000 เฮิรตซ์ มักช่วยรักษาความเสถียรของบริเวณที่ละลายเป็นของเหลว ลดการเกิด dross ได้ประมาณ 30% จากประสบการณ์พบว่า เมื่อทำงานกับแผ่นอลูมิเนียมหนา 5 มิลลิเมตร การตั้งเครื่องที่ค่าไซเคิลการทำงานประมาณ 70% และเคลื่อนที่ที่ความเร็วประมาณ 0.8 เมตรต่อนาที โดยทั่วไปจะให้ผลลัพธ์ที่ดีในด้านการขับไล่วัสดุที่หลอมละลายออก และให้ขอบที่สะอาด โดยไม่ทำให้เกิดการออกซิเดชันมากเกินไป หรือรอยขีดข่วนบนผิวที่รบกวนคุณภาพของผิวสัมผัส

การเลือกก๊าซเสริมและการปรับความดันเพื่อความสม่่ำเสมอของร่องตัดและความตั้งฉากของขอบ

ก๊าซเสริมมีผลต่อคุณภาพการตัดโดยการควบคุมการเกิดออกซิเดชัน การถ่ายเทความร้อน และการขับโลหละลายออก ไนโตรเจน (ความบริสุทธิ์ ≥99.5%) สร้างขอบที่ไม่มีออกไซด์และผิวเรียบต่ำในเหล็กกล้าไร้สนิม (Ra < 1.5 µm); ออกซิเจนเร่งการตัดผ่านปฏิกิริยาเอกซอเธอร์มิก แต่เพิ่มมุมเทเปอร์ 2–5° ความดันก๊าซต้องสัมพันธ์กับความหนาของวัสดุ:

• วัสดุบาง (<3 มม.): ความดัน 8–12 บาร์รักษาความแคบและความสม่่ำเสมอของร่องตัด
• แผ่นหนา (>10 มม.): ความดัน 15–20 บาร์มั่นการขับหลอมเหลวออกอย่างสมบูรณ์และรักษาเรขาคณิตขอบตั้งฉาก

ความดันต่ำหรือสูงเกินจะก่อให้เกิดรอยขีด (striations), ขอบมน หรือขจอลิ่มไม่หมด สำหรับโลหะผสมทองแดงที่สะท้อนแสงสูง การใช้อาร์กอนก๊าซช่วยลดการสะท้อนย้อนกลับ ทำให้ความแม่นยำในการทำตำแหน่งซ้ำดีขึ้น 0.1 มม.

ความมั่นคงทางกลและความแม่นยำของการเคลื่อนที่ของเครื่องตัดเลเซอร์

ความท้าทายที่เฉพาะเจาะจงต่อวัสดุ´ึซึ่งมีผลต่อความแม่นยำของเครื่องตัดเลเซอร์

คุณสมบัติของวัสดุมีความแปรปรวนตามธรรมชาติ ซึ่งส่งผลให้การควบคุมความแม่นยำในระดับที่แคบเป็นเรื่องท้าทาย ปัจจัยสามประการที่มีอิทธิพลหลัก ได้แก่ ความสม่ำเสมอของความหนา การสะท้อนแสงของพื้นผิว และสภาพการเกิดออกไซด์

ความหนา การสะท้อนแสง และการเกิดออกไซด์บนพื้นผิว มีอิทธิพลต่อความสม่ำเสมอของร่องตัดและความแม่นยำของตำแหน่งอย่างไร

เมื่อความหนาของวัสดุเปลี่ยนแปลงระหว่างการตัด ผู้ปฏิบัติงานจำเป็นต้องปรับค่าพารามิเตอร์ของเครื่องจักรอย่างต่อเนื่องแบบเรียลไทม์ ส่วนที่หนากว่าตามธรรมชาติจะต้องใช้ความเร็วในการเคลื่อนที่ลดลงและเพิ่มกำลังเลเซอร์ ซึ่งส่งผลให้เกิดการสะสมความร้อนมากขึ้น และรอยตัดที่กว้างกว่าข้อกำหนดที่คาดไว้ ความแตกต่างอาจสูงถึงประมาณ 15% ในบางกรณี การทำงานกับวัสดุสะท้อนแสง เช่น อลูมิเนียม ยังก่อให้เกิดอีกหนึ่งความท้าทาย เนื่องจากโลหะเหล่านี้มีแนวโน้มที่จะสะท้อนพลังงานเลเซอร์กลับไปในทิศทางที่ไม่แน่นอน ส่งผลให้เกิดความกว้างของการตัดที่ไม่สม่ำเสมอ และจำเป็นต้องใช้การตั้งค่าพัลส์พิเศษเพื่อรักษาระดับความแม่นยำในการตำแหน่งได้ประมาณครึ่งมิลลิเมตร สภาพผิวก็ทำให้ปัญหาซับซ้อนยิ่งขึ้น สนิมที่เกิดบนผิวเหล็กอ่อนจะสร้างจุดร้อนที่ไม่สามารถคาดเดาได้ ซึ่งทำให้เส้นทางการตัดที่ตั้งใจไว้บิดเบี้ยว ขณะที่ชั้นเคลือบอะโนไดซ์อลูมิเนียมก็มีปัญหาเฉพาะตัวเช่นกัน เพราะมักจะผลักลำแสงเลเซอร์ให้หลุดออกจากจุดโฟกัสที่ควรจะเป็น จนเกิดสิ่งที่วิศวกรเรียกว่า ข้อผิดพลาดจากการเลื่อนจุดโฟกัส (focal shift errors) ปัจจัยทั้งหมดเหล่านี้รวมกันทำให้การรักษาระดับความคลาดเคลื่อนต่ำกว่า 0.5 มม. เป็นเรื่องยากมาก โดยเฉพาะเมื่อต้องจัดการกับการผลิตสินค้าหลากหลายชนิดพร้อมกันและการผลิตเป็นล็อตขนาดเล็กในโรงงานอุตสาหกรรม

การวัดและตรวจสอบความแม่นยำของผลลัชที่ออกมาจากเครื่องตัดเลเซอร์

การตรวจสอบอย่างวัตถุพึ่งพาตัวชี้วัดที่สามารถวัดเป็นตัวเลขสามรายการ คือ ความกว้างของร่องตัด (kerf width) มุมเอียงของขอบ (edge taper) และความขรุขระผิ่บผิว (surface roughness) ´ึ่งสัมพันธ์โดยตรงกับสมรรถนะในการใช้งานและความพอดีของการประกอบ

ความกว้างของร่องตัด (Kerf Width), มุมเอียงของขอบ (Edge Taper), และความขรุขระผิว (Surface Roughness) ในฐานะตัวชี้วัดความแม่นยำเชิงปริมาณ

ความกว้างของรอยตัด ซึ่งก็คือปริมาณวัสดุที่ถูกตัดออกไปนั้น จะต้องคงอยู่ใกล้เคียงกับ 0.05 มม. ไม่ว่าจะมากหรือน้อย หากค่าเบี่ยงเบนไปจากช่วงดังกล่าว อาจหมายถึงปัญหาเกี่ยวกับการโฟกัส การจัดแนว หรือบางทีอาจมีความร้อนก่อให้เกิดปัญหาขึ้นที่ใดที่หนึ่ง การเอียงของขอบตัด (Edge taper) หมายถึงความตรงของผิวด้านข้างหลังจากการตัด สำหรับโครงสร้างที่ต้องการความแข็งแรง ข้อกำหนดส่วนใหญ่ระบุว่าการเอียงจะต้องไม่เกิน 1 องศา เพื่อให้ข้อต่อสามารถรองรับแรงกดได้ ความหยาบของพื้นผิว ซึ่งมักเรียกว่าค่า Ra ส่งผลต่อหลายสิ่งตั้งแต่แรงเสียดทาน ไปจนถึงอายุการใช้งานของชิ้นส่วนก่อนที่จะเสื่อมสภาพ และความสามารถในการต้านทานสนิม โรงงานส่วนใหญ่มุ่งเป้าให้ค่าต่ำกว่า 3.2 ไมครอนในชิ้นส่วนสำคัญ ยังมีมาตรฐานสากล ISO 9013 ที่กำหนดไว้ว่าค่าที่ดีควรมีลักษณะอย่างไร ผู้ปฏิบัติงานจะตรวจสอบเทียบกับตัวเลขเหล่านี้อยู่ตลอดเวลา โดยใช้กล้องจุลทรรศน์และการตรวจสอบด้วยมือ เพื่อวิเคราะห์ว่าปัญหาเกิดจาเลนส์สึกหรอ การไหลของก๊าซไม่เสถียร หรือปัญหาจากระบบการเคลื่อนที่ของเครื่องจักร