लेजर कटिंग

लेज़र द्वारा काटना एक ऐसी तकनीक है जो सामग्रियों को वाष्पीकृत करने के लिए लेज़र का उपयोग करती है, जिसके परिणामस्वरूप किनारे कट जाते हैं। जबकि सामान्यतः  औद्योगिक विनिर्माण अनुप्रयोगों के लिए उपयोग किया जाता है, अब इसका उपयोग स्कूलों, छोटे व्यवसायों, वास्तुकला और कलाकारों द्वारा किया जाता है। लेज़र कटिंग सामान्यतः प्रकाशिकी के माध्यम से उच्च-शक्ति लेज़र के आउटपुट को निर्देशित करके कार्य करती है। लेजर बीम को सामग्री तक निर्देशित करने के लिए लेजर प्रकाशिकी और सीएनसी (कंप्यूटर संख्यात्मक नियंत्रण) का उपयोग किया जाता है। सामग्रियों को काटने के लिए एक वाणिज्यिक लेजर सामग्री पर काटे जाने वाले पैटर्न के सीएनसी या जी कोड का पालन करने के लिए एक गति नियंत्रण प्रणाली का उपयोग करता है। केंद्रित लेजर बीम को सामग्री पर निर्देशित किया जाता है, जो या तो पिघल जाती है, जल जाती है, वाष्पीकृत हो जाती है, या गैस के जेट द्वारा उड़ा दी जाती है, एक उच्च गुणवत्ता वाली सतह समाप्ति के साथ एक किनारा छोड़ देती है।

इतिहास
1965 में, डायमंड डाई (विनिर्माण) में छेद करने के लिए पहली उत्पादन लेजर कटिंग मशीन का उपयोग किया गया था। यह मशीन वेस्टर्न इलेक्ट्रिक इंजीनियरिंग रिसर्च सेंटर द्वारा बनाई गई थी। 1967 में, अंग्रेजों ने धातुओं के लिए लेजर-सहायता प्राप्त ऑक्सीजन जेट कटिंग का प्रारंभ किया। 1970 के दशक के प्रारंभ में, एयरोस्पेस अनुप्रयोगों के लिए टाइटेनियम को काटने के लिए इस तकनीक को उत्पादन में लगाया गया था। उसी समय, CO2 लेज़रों को कपड़ा जैसे गैर-धातुओं को काटने के लिए अनुकूलित किया गया था, क्योंकि, उस समय, CO2 लेज़र धातुओं की तापीय चालकता पर नियंत्रण पाने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली नहीं थे।

प्रक्रिया
लेजर बीम को सामान्यतः कार्य क्षेत्र पर उच्च गुणवत्ता वाले लेंस का उपयोग करके केंद्रित किया जाता है। बीम प्रसार अनुपात की गुणवत्ता का केंद्रित स्थान के आकार पर सीधा प्रभाव पड़ता है। फोकस्ड बीम का सबसे संकीर्ण भाग सामान्यतः  व्यास में 0.0125 in से कम होता है। सामग्री की मोटाई के आधार पर, केर्फ़ की चौड़ाई 0.004 in जितनी छोटी संभव है। किनारे के अतिरिक्त  कहीं और से काटना शुरू करने में सक्षम होने के लिए, प्रत्येक कट से पहले एक छेद किया जाता है। छेदने में सामान्यतः  एक उच्च-शक्ति स्पंदित लेजर बीम सम्मलित  होती है जो धीरे-धीरे सामग्री में छेद करती है, उदाहरण के लिए, 0.5 in स्टेनलेस स्टील के लिए लगभग 5-15 सेकंड का समय लेती है।

लेज़र स्रोत से सुसंगत प्रकाश की समानांतर किरणें अधिकांशतः 0.06 - 0.08 in व्यास के बीच गिरती हैं। इस किरण को सामान्यतः  एक लेंस या दर्पण द्वारा लगभग 0.001 in के एक बहुत छोटे स्थान पर केंद्रित और तीव्र किया जाता है जिससे कि  एक बहुत ही तीव्र लेजर किरण बन सके। समोच्च काटने के समय सबसे आसान संभव फिनिश प्राप्त करने के लिए, बीम ध्रुवीकरण की दिशा को घुमाया जाना चाहिए क्योंकि यह एक समोच्च वर्कपीस की परिधि के चारों ओर जाता है। शीट मेटल कटिंग के लिए, फोकल लंबाई सामान्यतः  1.5 - 3 in होती है।

यांत्रिक कटाई की तुलना में लेजर कटिंग के फायदों में आसान काम पकड़ना और वर्कपीस का कम संदूषण सम्मलित है (क्योंकि इसमें कोई कटिंग एज नहीं है जो सामग्री से दूषित हो सकती है या सामग्री को दूषित कर सकती है)। परिशुद्धता बेहतर हो सकती है क्योंकि लेजर बीम प्रक्रिया के समय घिसती नहीं है। जिस सामग्री को काटा जा रहा है, उसके विकृत होने की संभावना भी कम हो जाती है, क्योंकि लेजर सिस्टम में गर्मी से प्रभावित क्षेत्र छोटा होता है। कुछ सामग्रियों को अधिक पारंपरिक तरीकों से काटना भी बहुत कठिन या असंभव है।

धातुओं के लिए लेजर कटिंग में प्लाज्मा कटिंग की तुलना में अधिक सटीक होने का लाभ होता है और शीट धातु को काटते समय कम ऊर्जा का उपयोग होता है; हालाँकि, अधिकांश औद्योगिक लेज़र प्लाज्मा की तुलना में अधिक धातु की मोटाई को नहीं काट सकते हैं। उच्च शक्ति (6000 वॉट, प्रारंभिक लेजर कटिंग मशीनों की 1500 वॉट रेटिंग के विपरीत) पर काम करने वाली नई लेजर मशीनें मोटी सामग्री को काटने की क्षमता में प्लाज्मा मशीनों के समीप पहुंच रही हैं, लेकिन ऐसी मशीनों की पूंजीगत लागत इससे कहीं अधिक है प्लाज्मा कटिंग मशीनें स्टील प्लेट जैसी मोटी सामग्री को काटने में सक्षम हैं।

प्रकार
लेज़र कटिंग में तीन मुख्य प्रकार के लेज़रों का उपयोग किया जाता है। लेजर काटने, बोरिंग और उत्कीर्णन के लिए उपयुक्त है। नियोडिमियम (एनडी) और नियोडिमियम येट्रियम-एल्यूमीनियम-गार्नेट (एनडी:वाईएजी) लेजर शैली में समान हैं और केवल अनुप्रयोग में भिन्न हैं। एनडी का उपयोग बोरिंग के लिए किया जाता है और जहां उच्च ऊर्जा लेकिन कम पुनरावृत्ति की आवश्यकता होती है। एनडी: वाईएजी लेजर का उपयोग वहां किया जाता है जहां बहुत अधिक शक्ति की आवश्यकता होती है और बोरिंग और उत्कीर्णन के लिए। वेल्डिंग के लिए  और एनडी/एनडी:वाईएजी लेजर दोनों का उपयोग किया जा सकता है।

लेजर को सामान्यतः गैस मिश्रण (डीसी-उत्तेजित) के माध्यम से करंट प्रवाहित करके या रेडियो फ्रीक्वेंसी ऊर्जा (आरएफ-उत्तेजित) का उपयोग करके "पंप" किया जाता है। ढांकता हुआ ताप (आरएफ पद्धति) नई है और अधिक लोकप्रिय हो गई है। चूंकि डीसी डिज़ाइनों को गुहा के अंदर इलेक्ट्रोड की आवश्यकता होती है, वे कांच के बर्तनों और प्रकाशिकी पर इलेक्ट्रोड क्षरण और इलेक्ट्रोड सामग्री के चढ़ाना का सामना कर सकते हैं। चूंकि आरएफ अनुनादकों में बाहरी इलेक्ट्रोड होते हैं इसलिए वे उन समस्याओं से ग्रस्त नहीं होते हैं।  लेजर का उपयोग टाइटेनियम, स्टेनलेस स्टील, हल्के स्टील, एल्यूमीनियम, प्लास्टिक, लकड़ी, इंजीनियर लकड़ी, मोम, कपड़े और कागज सहित कई सामग्रियों की औद्योगिक कटाई के लिए किया जाता है। वाईएजी लेजर का उपयोग मुख्य रूप से धातुओं और चीनी मिट्टी की चीज़ें काटने और लिखने के लिए किया जाता है।

शक्ति स्रोत के अतिरिक्त, गैस प्रवाह का प्रकार भी प्रदर्शन को प्रभावित कर सकता है। लेज़रों के सामान्य प्रकारों में तेज़ अक्षीय प्रवाह, धीमा अक्षीय प्रवाह, अनुप्रस्थ प्रवाह और स्लैब सम्मलित  हैं। तेज़ अक्षीय प्रवाह गुंजयमान यंत्र में, कार्बन डाइऑक्साइड, हीलियम और नाइट्रोजन का मिश्रण टरबाइन या ब्लोअर द्वारा उच्च वेग से प्रसारित होता है। अनुप्रस्थ प्रवाह लेजर गैस मिश्रण को कम वेग से प्रसारित करते हैं, जिसके लिए एक सरल ब्लोअर की आवश्यकता होती है। स्लैब या डिफ्यूजन-कूल्ड रेज़ोनेटर में एक स्थिर गैस क्षेत्र होता है जिसके लिए किसी दबाव या कांच के बर्तन की आवश्यकता नहीं होती है, जिससे प्रतिस्थापन टर्बाइन और कांच के बर्तन पर बचत होती है।

लेजर जनरेटर और बाहरी प्रकाशिकी (फोकस लेंस सहित) को शीतलन की आवश्यकता होती है। सिस्टम के आकार और कॉन्फ़िगरेशन के आधार पर, अपशिष्ट गर्मी को शीतलक द्वारा या सीधे हवा में स्थानांतरित किया जा सकता है। पानी सामान्यतः उपयोग  किया जाने वाला शीतलक है, जिसे सामान्यतः  चिलर या हीट ट्रांसफर सिस्टम के माध्यम से प्रसारित किया जाता है।

लेज़र माइक्रोजेट एक जल-जेट-निर्देशित लेज़र है जिसमें एक स्पंदित लेज़र किरण को कम दबाव वाले जल जेट में जोड़ा जाता है। इसका उपयोग लेजर कटिंग कार्यों को करने के लिए किया जाता है, जबकि लेजर बीम का मार्गदर्शन करने के लिए वॉटर जेट का उपयोग किया जाता है, पूर्ण आंतरिक परावर्तन के माध्यम से एक ऑप्टिकल फाइबर की तरह। इसका लाभ यह है कि पानी मलबा भी हटा देता है और सामग्री को ठंडा कर देता है। पारंपरिक "सूखी" लेजर कटिंग की तुलना में अतिरिक्त लाभ उच्च डाइसिंग गति, समानांतर केर्फ़ और सर्वदिशात्मक कटिंग हैं।

फाइबर लेजर एक प्रकार का सॉलिड-स्टेट लेज़र है जो धातु काटने के उद्योग में तेजी से बढ़ रहा है। के विपरीत, फ़ाइबर तकनीक गैस या तरल के विपरीत, एक ठोस लाभ माध्यम का उपयोग करती है। "बीज लेजर" लेजर बीम का उत्पादन करता है और फिर इसे ग्लास फाइबर के भीतर प्रवर्धित किया जाता है। केवल 1064 नैनोमीटर की तरंग दैर्ध्य के साथ फाइबर लेजर एक बेहद छोटे स्पॉट आकार ( की तुलना में 100 गुना तक छोटा) का उत्पादन करते हैं जो इसे परावर्तक धातु सामग्री को काटने के लिए आदर्श बनाता है।  की तुलना में यह फाइबर के मुख्य लाभों में से एक है। फाइबर लेजर कटर के लाभों में सम्मलित  हैं:-


 * तीव्र प्रसंस्करण समय।
 * कम ऊर्जा खपत और बिल - अधिक दक्षता के कारण।
 * बेहतर विश्वसनीयता और प्रदर्शन - समायोजित या संरेखित करने के लिए कोई प्रकाशिकी नहीं और बदलने के लिए कोई लैंप नहीं।
 * न्यूनतम रखरखाव।
 * तांबे और पीतल जैसी अत्यधिक परावर्तक सामग्री को संसाधित करने की क्षमता
 * उच्च उत्पादकता - कम परिचालन लागत आपके निवेश पर अधिक रिटर्न प्रदान करती है।

तरीके
लेज़रों का उपयोग करके काटने के कई अलग-अलग तरीके हैं, विभिन्न सामग्रियों को काटने के लिए विभिन्न प्रकारों का उपयोग किया जाता है। कुछ विधियाँ हैं वाष्पीकरण, पिघलना और उड़ाना, पिघलाना और जलाना, थर्मल स्ट्रेस क्रैकिंग, स्क्रिबिंग, कोल्ड कटिंग और बर्निंग स्टेबलाइज्ड लेजर कटिंग।

वाष्पीकरण काटना
वाष्पीकरण काटने में, केंद्रित किरण सामग्री की सतह को फ्लैशपॉइंट तक गर्म करती है और एक कीहोल उत्पन्न करती है। कीहोल से अवशोषण (विद्युत चुम्बकीय विकिरण) में अचानक वृद्धि होती है और छेद तेजी से गहरा हो जाता है। जैसे-जैसे छेद गहरा होता है और सामग्री उबलती है, उत्पन्न वाष्प पिघली हुई दीवारों को नष्ट कर देती है और बाहर निकल जाती है और छेद को और बड़ा कर देती है। लकड़ी, कार्बन और थर्मोसेट प्लास्टिक जैसी गैर-पिघलने वाली सामग्री को सामान्यतः इस विधि से काटा जाता है।

पिघलो और उड़ाओ
मेल्ट एंड ब्लो या फ्यूजन कटिंग में कटिंग क्षेत्र से पिघली हुई सामग्री को उड़ाने के लिए उच्च दबाव वाली गैस का उपयोग किया जाता है, जिससे बिजली की आवश्यकता काफी कम हो जाती है। सबसे पहले, सामग्री को पिघलने बिंदु तक गर्म किया जाता है, फिर एक गैस जेट पिघली हुई सामग्री को केर्फ़ से बाहर निकाल देता है, जिससे सामग्री का तापमान और बढ़ाने की आवश्यकता नहीं होती है। इस प्रक्रिया से काटी गई सामग्रियां सामान्यतः धातुएं होती हैं।

थर्मल स्ट्रेस क्रैकिंग
भंगुर सामग्री विशेष रूप से थर्मल फ्रैक्चर के प्रति संवेदनशील होती है, थर्मल स्ट्रेस क्रैकिंग में इस विशेषता का उपयोग किया जाता है। एक किरण सतह पर केंद्रित होती है जिससे स्थानीय ताप और तापीय विस्तार होता है।इसके परिणामस्वरूप एक दरार बन जाती है जिसे बीम को हिलाकर निर्देशित किया जा सकता है। दरार को मैसर्स के क्रम में खिसकाया जा सकता है। इसका प्रयोग सामान्यतः कांच काटने में किया जाता है।

सिलिकॉन वेफर्स की स्टील्थ डाइसिंग
सिलिकॉन वेफर (इलेक्ट्रॉनिक्स) से अर्धचालक उपकरण निर्माण में तैयार किए गए माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स चिप्स को तथाकथित स्टील्थ डाइसिंग प्रक्रिया द्वारा अलग किया जा सकता है, जो एक स्पंदित एनडी: वाईएजी लेजर से संचालित होता है, जिसकी तरंग दैर्ध्य (1064 एनएम) सिलिकॉन के इलेक्ट्रॉनिक ऊर्जा अंतराल (1.11 इलेक्ट्रॉनवोल्ट या 1117 एनएम) के लिए अच्छी तरह से अनुकूलित है।

प्रतिक्रियाशील कटिंग
रिएक्टिव कटिंग को "बर्निंग स्टैबलाइज्ड लेजर गैस कटिंग" और "फ्लेम कटिंग" भी कहा जाता है। रिएक्टिव कटिंग ऑक्सीजन टॉर्च कटिंग की तरह है लेकिन इग्निशन स्रोत के रूप में लेजर बीम के साथ। अधिकतर 1 मिमी से अधिक मोटाई में कार्बन स्टील काटने के लिए उपयोग किया जाता है। इस प्रक्रिया का उपयोग अपेक्षाकृत कम लेजर शक्ति के साथ बहुत मोटी स्टील प्लेटों को काटने के लिए किया जा सकता है।

सहनशीलता और सतह खत्म
लेजर कटर में 10 माइक्रोमीटर की स्थिति सटीकता और 5 माइक्रोमीटर की पुनरावृत्ति होती है।

मानक सतह खुरदरापन Rz शीट की मोटाई के साथ बढ़ता है, लेकिन लेजर शक्ति और काटने की गति के साथ घट जाता है। 800 W की लेजर शक्ति के साथ कम कार्बन स्टील को काटते समय, मानक खुरदरापन Rz 1 मिमी की शीट मोटाई के लिए 10 μm, 3 मिमी के लिए 20 μm और 6 मिमी के लिए 25 μm है।

$$Rz = \frac{ 12.528 \cdot S^{0.542} }{ P^{0.528} \cdot V^{0.322} }$$ जहां: $$S =$$ मिमी में स्टील शीट की मोटाई; $$P =$$ केडब्ल्यू में लेजर पावर (कुछ नए लेजर कटर में 4 किलोवाट की लेजर पावर होती है); $$V =$$ काटने की गति मीटर प्रति मिनट में.

यह प्रक्रिया काफी समीपी सहनशीलता बनाए रखने में सक्षम है, अधिकांशतः 0.001 इंच (0.025 मिमी) के भीतर। भाग की ज्यामिति और मशीन की यांत्रिक सुदृढ़ता का सहिष्णुता क्षमताओं से बहुत कुछ लेना-देना है। लेजर बीम कटिंग के परिणामस्वरूप होने वाली विशिष्ट सतह फिनिश 125 से 250 माइक्रो-इंच (0.003 मिमी से 0.006 मिमी) तक हो सकती है।

मशीन विन्यास
औद्योगिक लेजर कटिंग मशीनों के सामान्यतः तीन अलग-अलग विन्यास होते हैं: चलती सामग्री, हाइब्रिड और उड़ान प्रकाशिकी प्रणाली। ये उस तरीके को संदर्भित करते हैं जिससे लेजर बीम को काटे जाने या संसाधित होने वाली सामग्री पर ले जाया जाता है। इन सभी के लिए, गति के अक्षों को सामान्यतः  X और Y अक्ष निर्दिष्ट किया जाता है। यदि काटने वाले सिर को नियंत्रित किया जा सकता है, तो इसे Z-अक्ष के रूप में नामित किया गया है।

गतिशील सामग्री लेज़रों में एक स्थिर काटने वाला सिर होता है और वे सामग्री को इसके नीचे ले जाते हैं। यह विधि लेजर जनरेटर से वर्कपीस तक एक निरंतर दूरी और एक एकल बिंदु प्रदान करती है जहां से काटने वाले अपशिष्ट को हटाया जा सकता है। इसमें कम प्रकाशिकी की आवश्यकता होती है लेकिन वर्कपीस को हिलाने की आवश्यकता होती है। इस शैली की मशीन में सबसे कम बीम डिलीवरी ऑप्टिक्स होती है, लेकिन यह सबसे धीमी भी होती है।

हाइब्रिड लेज़र एक तालिका प्रदान करते हैं जो एक अक्ष (सामान्यतः एक्स-अक्ष) में चलती है और सिर को छोटी (वाई) अक्ष के साथ ले जाती है। इसके परिणामस्वरूप उड़ान ऑप्टिक मशीन की तुलना में अधिक निरंतर बीम वितरण पथ की लंबाई होती है और एक सरल बीम वितरण प्रणाली की अनुमति मिल सकती है। इसके परिणामस्वरूप वितरण प्रणाली में बिजली की हानि कम हो सकती है और उड़ान ऑप्टिक्स मशीनों की तुलना में प्रति वाट अधिक क्षमता हो सकती है।

फ्लाइंग ऑप्टिक्स लेजर में एक स्थिर टेबल और एक कटिंग हेड (लेजर बीम के साथ) होता है जो दोनों क्षैतिज आयामों में वर्कपीस पर चलता है। फ्लाइंग ऑप्टिक्स कटर प्रसंस्करण के समय वर्कपीस को स्थिर रखते हैं और अधिकांशतः सामग्री क्लैंपिंग की आवश्यकता नहीं होती है। गगतिशील द्रव्यमान स्थिर है, इसलिए वर्कपीस के आकार में भिन्नता से गतिशीलता प्रभावित नहीं होती है। फ्लाइंग ऑप्टिक्स मशीनें सबसे तेज़ प्रकार की होती हैं, जो पतले वर्कपीस को काटते समय फायदेमंद होती हैं।

फ्लाइंग ऑप्टिक मशीनों को निकट क्षेत्र (रेज़ोनेटर के समीप) से दूर फ़ील्ड (रेज़ोनेटर से दूर) कटिंग तक बदलती बीम की लंबाई को ध्यान में रखने के लिए कुछ विधि का उपयोग करना चाहिए। इसे नियंत्रित करने के सामान्य तरीकों में कोलिमेशन, अनुकूली प्रकाशिकी, या निरंतर बीम लंबाई अक्ष का उपयोग सम्मलित है।

मल्टीएक्सिस मशीनिंग गठित वर्कपीस को काटने की अनुमति देती हैं। इसके अतिरिक्त, लेजर बीम को एक आकार के वर्कपीस पर उन्मुख करने, उचित फोकस दूरी और नोजल स्टैंडऑफ बनाए रखने आदि के विभिन्न तरीके हैं।

स्पंदन
स्पंदित लेज़र जो थोड़े समय के लिए ऊर्जा का उच्च-शक्ति विस्फोट प्रदान करते हैं, कुछ लेज़र काटने की प्रक्रियाओं में बहुत प्रभावी होते हैं, विशेष रूप से छेदने के लिए, या जब बहुत छोटे छेद या बहुत कम काटने की गति की आवश्यकता होती है, क्योंकि यदि एक स्थिर लेज़र बीम का उपयोग किया जाता है, गर्मी काटे जाने वाले पूरे टुकड़े के पिघलने के बिंदु तक पहुंच सकती है।

अधिकांश औद्योगिक लेजर में एनसी (संख्यात्मक नियंत्रण) कार्यक्रम नियंत्रण के तहत सीडब्ल्यू (निरंतर तरंग) को पल्स या कट करने की क्षमता होती है।

डबल स्पंदित लेजर सामग्री निष्कासन दर (एमआरआर) और छेद की गुणवत्ता में सुधार के लिए पल्स जोड़े की एक श्रृंखला का उपयोग करते हैं। अनिवार्य रूप से, पहला पल्स सतह से सामग्री को हटा देता है और दूसरा इजेक्टा को छेद या कट के किनारे चिपकने से रोकता है।

बिजली की खपत
लेजर कटिंग का मुख्य नुकसान उच्च बिजली की खपत है। औद्योगिक लेजर दक्षता 5% से 45% तक हो सकती है। किसी विशेष लेजर की बिजली की खपत और दक्षता आउटपुट पावर और ऑपरेटिंग मापदंडों के आधार पर अलग-अलग होगी। यह लेज़र के प्रकार पर निर्भर करेगा और लेज़र उपस्थित काम से कितनी अच्छी तरह मेल खाता है। किसी विशेष कार्य के लिए आवश्यक लेजर कटिंग पावर की मात्रा, जिसे हीट इनपुट के रूप में जाना जाता है, सामग्री के प्रकार, मोटाई, प्रयुक्त प्रक्रिया (प्रतिक्रियाशील/निष्क्रिय) और वांछित कटिंग दर पर निर्भर करती है।

उत्पादन और कटौती दरें
अधिकतम काटने की दर (उत्पादन दर) लेजर शक्ति, सामग्री की मोटाई, प्रक्रिया प्रकार (प्रतिक्रियाशील या निष्क्रिय), और सामग्री गुणों सहित कई कारकों द्वारा सीमित है। सामान्य औद्योगिक प्रणालियाँ (≥1 किलोवाट) कार्बन स्टील धातु को 0.51 – 13 मिमी मोटाई में काटेंगी। या कई प्रयोजनों के लिए, एक लेज़र मानक काटने की मशीन से तीस गुना अधिक तेज़ हो सकता है।

यह भी देखें

 * 3 डी प्रिंटिग
 * ड्रिलिंग
 * लेजर पृथक
 * लेजर बीम मशीनिंग
 * लेजर बीम गुणवत्ता
 * लेजर परिवर्तित करना
 * लेजर ड्रिलिंग
 * लेजर उत्कीर्णन
 * लेजर लेखों की सूची
 * दर्पण गैल्वेनोमीटर
 * जल जेट कटर