Lāzergriešanas projektēšanas princips ir sistemātisks procesa ietvars, kas balstīts uz optikas, termodinamikas un materiālu zinātnes krustpunktu. Tās pamatā ir precīza materiālu noņemšana un formēšana, izmantojot vadāmu augsta-enerģijas-blīvuma lāzera staru mijiedarbību ar materiālu. Lai īstenotu šo principu, ir jāņem vērā trīs dimensijas: lāzera ģenerēšana un pārraide, enerģijas mijiedarbības mehānismi un procesa parametru saskaņošana, veidojot pilnīgu loģisku ķēdi no "enerģijas avota" līdz "apstrādes rezultātam".
Lāzera paaudze ir dizaina sākumpunkts. Pašreizējos rūpnieciskos lietojumos šķiedru lāzeriem, CO₂ lāzeriem un cietvielu lāzeriem ir atšķirīgi staru raksturlielumi pastiprinājuma vides un ierosmes metožu atšķirību dēļ: šķiedru lāzeros kā pastiprināšanas vidi tiek izmantotas retās -zemes-leģētās optiskās šķiedras un tiek sasniegta augsta elektro-optiskās konversijas efektivitāte (līdz 30 pulsēšanas, nepārtrauktas pulsēšanas % vai vairāk sūkņa). stari tuvajā-infrasarkanajā joslā (aptuveni 1070 nm) ar tādām priekšrocībām kā izcila staru kūļa kvalitāte (M² tuvu 1), kompakta struktūra un darbība bez apkopes-; CO₂ lāzeri izmanto CO₂ gāzu maisījumu kā pastiprināšanas vidi un ģenerē tālās -infrasarkanās joslas (10,6 μm) staru kūli, izmantojot izlādes ierosmi, lai gan elektro-optiskā efektivitāte ir salīdzinoši zema (aptuveni 10%), taču nemetāla plākšņu materiālu absorbcijas ātrums ir augstāks un biezs; Cietvielu lāzeri (piemēram, Nd:YAG) izmanto kristālus kā pastiprināšanas vidi un var ģenerēt īsu-impulsu vai ultraīsu{17}}impulsu lāzerus, kas ir piemēroti mikro{18}}apstrādes scenārijiem. Lāzera izvēlei jābūt balstītai uz materiāla absorbcijas īpašību visaptverošu apsvēršanu attiecībā uz viļņa garumu (piemēram, vara un alumīnija ir augsta atstarošanas spēja pret 10,6 μm CO₂ lāzeriem, padarot tos piemērotākus šķiedru lāzeriem), nepieciešamo apstrādes biezumu un precizitāti. Tas ir galvenais "enerģijas avota pielāgošanās" principa iemiesojums projektēšanā.
Lāzera pārraide un fokusēšana ir ļoti svarīgas precīzai enerģijas piegādei. Stara izvade no lāzera rezonanses dobuma ir jāpārraida uz apstrādes galviņu, izmantojot optiskos elementus, piemēram, kolimējošus spoguļus un atstarojošus spoguļus. Pēc tam fokusēšanas spogulis (parasti izliekts objektīvs) saplūst novirzošo staru vietā ar diametru no desmitiem līdz simtiem mikrometru. Attiecība starp plankuma diametru (d), fokusa attālumu (f) un krītošā stara diametru (D) atbilst objektīva attēlveidošanas formulai (d≈f·θ, kur θ ir stara diverģences leņķis), tieši nosakot enerģijas blīvumu (E=P/(πd²/4), kur P ir lāzera jauda)-jo vieglāk sasniegt mazāku punktu, jo mazāku enerģijas blīvumu. augstas-precizitātes griešana. Dizainam ir jāizvēlas fokusa attālums, pamatojoties uz apstrādes laukumu un precizitātes prasībām (īsi fokusa attālumi rada nelielu fokusēšanas vietu, bet zemu fokusa dziļumu, piemērots precīzai plānu plākšņu griešanai; gariem fokusa attālumiem ir liels fokusa dziļums, piemērots biezu plākšņu stabilai apstrādei). Dinamiskā fokusēšanas tehnoloģija (piemēram, automātiska fokusa punkta pozīcijas pielāgošana gar apstrādes galviņas Z-asi, lai sekotu plāksnes virsmas viļņojumam) tiek izmantota, lai kompensētu plāksnes nelīdzenumu radīto enerģijas pavājināšanos, nodrošinot enerģijas vienmērīgumu darbības zonā.
Enerģijas un materiāla mijiedarbības mehānisms nosaka griešanas procesa fizisko raksturu. Kad lāzera stars apstaro materiāla virsmu, enerģija tiek absorbēta un pārvērsta siltumā, izraisot vietējās temperatūras strauju paaugstināšanos līdz kušanas temperatūrai vai pat viršanas temperatūrai (vairumam metālisku materiālu kušanas temperatūra ir virs 1000 grādiem, un viršanas temperatūra var sasniegt 3000 grādus). Materiāliem ar zemu siltumvadītspēju (piemēram, nerūsējošais tērauds) siltums tiek koncentrēts vietas zonā, nodrošinot ātru kušanu; ļoti atstarojošiem materiāliem (piemēram, alumīnijam un vara) ir jāpalielina lāzera jauda vai jāizmanto impulsa režīms (pārkāpjot atstarošanas slieksni ar maksimālo jaudu), lai uzlabotu enerģijas absorbciju. Izkausētais metāls tiek izpūsts no roba ar palīggāzi (skābekli, slāpekli vai saspiestu gaisu): skābeklis eksotermiski reaģē ar dzelzi (oksidācija), nodrošinot papildu griešanas enerģiju, kas ir piemērota viegli oksidētu materiālu, piemēram, oglekļa tērauda, liela ātruma griešanai; slāpeklis kā inerta gāze noņem izdedžus, izmantojot tikai kinētisko enerģiju, izvairoties no oksidēšanās un radot augstas kvalitātes -krāsainu griezumu, kas ir piemērots lietojumiem, kam nepieciešama augsta virsmas kvalitāte, piemēram, nerūsējošais tērauds un alumīnija sakausējumi. Konstrukcijai ir jāatbilst palīggāzes veidam un spiedienam, pamatojoties uz materiāla siltumvadītspēju, īpatnējo siltumietilpību un oksidācijas īpašībām-pārāk zems spiediens radīs izdedžu atlikumus, savukārt pārāk augsts spiediens var izraisīt pārāk plašu robu vai materiāla zudumus. Skaitliskas simulācijas (piemēram, skaitļošanas šķidruma dinamikas (CFD) gāzes plūsmas lauka analīze) ir nepieciešamas, lai optimizētu sprauslas struktūru un gaisa plūsmas virzienu, lai nodrošinātu efektīvu izdedžu noņemšanu, netraucējot optisko ceļu.
Procesa parametru saskaņota izstrāde ir stabilas griešanas sasniegšanas pamatā. Jāsaskaņo lāzera jauda (P), griešanas ātrums (v), impulsa frekvence (f) un darba cikls (η): jauda nosaka kopējo enerģijas ievadi laika vienībā, ātrums ietekmē enerģijas ilgumu (enerģija uz garuma vienību=E/v), un abi kopā nosaka, vai materiāls ir pilnībā izkusis/iztvaikojis. Impulsu režīmā frekvence un darba cikls kontrolē viena -impulsa enerģiju (E_impulss=P × η/f) un impulsa intervālu, lai izvairītos no karstuma uzkrāšanās, ko izraisa nepārtraukta karsēšana (piemēram, griežot biezu plātni, zema frekvence un augsts darba cikls var samazināt siltuma -ietekmētās zonas platumu). Izstrādājumā ir jāizmanto ortogonāls eksperimentāls dizains vai mašīnmācīšanās algoritmi, lai izveidotu "materiāla{10}}biezuma{11}}parametru" datu bāzi. Piemēram, 3 mm biezam nerūsējošajam tēraudam 304, optimizējot parametru kombināciju līdz 1200 W jaudai, 2 m/min ātrumam un 0,8 MPa slāpekļa spiedienam, var panākt augstas-kvalitātes griešanu ar šķērsgriezuma nelīdzenumu Ra, kas ir mazāks vai vienāds ar 12,5 μm.
Rezumējot, lāzergriešanas projektēšanas princips ir "enerģijas avota raksturlielumu, optiskā ceļa pārraides, materiālu mijiedarbības un parametru saskaņošanas" daudzdimensionāla sinerģija. Būtībā tas pārveido abstraktu "gaismas enerģiju" vadāmā "apstrādes spēkā", precīzi kontrolējot lāzera fizikālās īpašības un materiāla uzvedību, galu galā panākot efektīvu un augstu{2}}precīzu sarežģītu kontūru veidošanu. Šī principa nepārtrauktā attīstība (piemēram, femtosekundes/pikosekundes impulsi īpaši ātros lāzeros, lai nomāktu termisko difūziju un reāllaika parametru optimizācija, izmantojot viedos algoritmus) nepārtraukti paplašina lāzergriešanas pielietojuma robežas, padarot to par neaizstājamu pamattehnoloģiju progresīvā ražošanā.
