Jenis-Jenis Mesin Pemotong Laser dan Aplikasinya

Pemotongan laser menggunakan laser sebagai pengganti alat potong fisik atau pemotongan api suhu tinggi. Karena karakteristik laser, ia memiliki keunggulan signifikan dibandingkan pemotongan tradisional. Selain daya pemotongan laser, sifat optik laser memiliki dampak terbesar pada pemotongan, seperti panjang gelombang, lebar pulsa, frekuensi pengulangan pulsa, dll. Tergantung pada jenis lasernya, peralatan laser industri saat ini terutama dibagi menjadi laser serat optik, laser CO2, dan laser YAG.

Laser Serat

Laser serat adalah jenis sistem laser yang menggunakan serat kaca yang didoping dengan unsur tanah jarang sebagai medium penguat. Sistem ini terdiri dari tiga bagian: medium penguat, sumber pompa, dan rongga resonansi. Umumnya, laser semikonduktor digunakan sebagai sumber pompa, dan rongga resonansi biasanya terdiri dari reflektor, permukaan ujung serat, cermin cincin serat atau kisi serat dan perangkat lainnya. Serat aktif dengan unsur tanah jarang (erbium (Er3+), iterbium (Yb3+), neodimium (Nd3+), samarium (Sm3+), thulium (Tm3+), holmium (Ho3+), praseodimium (Pr3+), disprosium (Dy3+), bismut (Bi3+), dll.)) digunakan sebagai medium penguat.

Bergantung pada ion yang didoping, laser serat dapat menghasilkan keluaran laser dengan panjang gelombang yang berbeda. Panjang gelombang yang digunakan di industri umumnya adalah 1.06 µm (sepersepuluh dari panjang gelombang laser CO2), sehingga sangat cocok untuk memotong pelat logam tipis.

Keunggulan laser serat optik

Kualitas pancaran sinar yang baik: Struktur pandu gelombang serat optik menentukan bahwa laser serat mudah memperoleh keluaran mode transversal tunggal, dan kurang terpengaruh oleh faktor eksternal, serta dapat mencapai keluaran laser dengan kecerahan tinggi. Penggunaan jenis laser ini memiliki potongan tepi lurus yang kecil dan permukaan potongan yang halus, serta dapat memperoleh rasio kedalaman terhadap diameter dan rasio kedalaman terhadap lebar yang besar.

Efisiensi konversi elektro-optik yang tinggi: Efisiensi konversi elektro-optik dapat mencapai 20%~30% (laser CO2 umumnya 8%~10%). Efisiensi konversi energi yang sangat tinggi membuat jenis laser ini lebih hemat energi dan menghasilkan lebih sedikit panas. Peralatan daya rendah dapat menggunakan sistem pendingin udara, dan kebutuhan daya mesin pendingin air yang digunakan pada peralatan daya tinggi juga berkurang correspondingly.

Kecepatan potong tinggi: Kecepatan pemotongannya dapat mencapai 4~5 kali lipat dari mesin pemotong laser YAG.

Stabilitas peralatan yang tinggi dan perawatan yang sederhana:Jalur optiknya sederhana, tidak memerlukan reflektor yang rumit, kurang terpengaruh oleh lingkungan eksternal, dan biaya perawatan selanjutnya rendah.

Biaya penggunaan rendah: Efisiensi konversi elektro-optik yang sangat tinggi dapat menghemat lebih banyak listrik, sistem jalur optik yang sederhana membuat biaya perawatan selanjutnya sangat rendah, dan tidak menggunakan media gas, sehingga menghemat biaya terkait.

Tidak berbahaya bagi tubuh manusia: Panjang gelombang laser adalah cahaya inframerah yang tidak terlihat oleh mata manusia dan tidak membahayakan tubuh manusia.

Kekurangan laser serat optik

Keterbatasan bahan pemotongan: Laser serat optik tidak dapat memotong material non-logam, dan juga tidak dapat memotong material yang memiliki lapisan di permukaannya, seperti baja tahan karat berlapis biasa, pelat baja khusus dengan lapisan anti karat, dan lain sebagainya.

Biaya awal yang tinggi: Biaya pembelian awal mesin pemotong laser serat memang lebih tinggi, tetapi biaya operasional selanjutnya jauh lebih rendah.

CO2 Laser

Laser CO2 adalah laser gas, yang merupakan perwakilan dari "laser molekuler vibrasi-rotasi" dalam laser gas. Gas kerjanya adalah campuran CO₂, N₂ dan He. Elektron dalam atom tetap berada dalam keadaan dasar, dan transisi laser terjadi antara dua tingkat energi rotasi dari keadaan vibrasi CO2 yang berbeda.

Jenis generator laser CO2 yang paling umum menggunakan tabung laser CO₂ yang dieksitasi arus searah (DC). Generator ini menggunakan medan listrik arus searah (DC) tegangan tinggi (biasanya beberapa kilovolt) untuk secara langsung menggerakkan pelepasan gas, di mana molekul CO₂ dieksitasi ke tingkat energi vibrasi-rotasi melalui tumbukan elektron, sehingga menghasilkan inversi populasi dan emisi laser.

Terdapat juga generator laser CO2 kelas atas—tabung laser frekuensi radio (RF), yang menggunakan medan listrik arus bolak-balik (AC) frekuensi tinggi (misalnya, 13.56 MHz) untuk eksitasi kopling tanpa elektroda pada molekul gas, menghasilkan lucutan plasma. Proses ini mengeksitasi molekul CO₂ ke tingkat energi vibrasi-rotasi, menghasilkan emisi laser. Tabung laser RF menawarkan keseragaman lucutan yang superior, mode pancaran yang lebih stabil (misalnya, TEM₀₀), dan efisiensi yang lebih tinggi, masa pakai yang lebih lama, dan kepadatan daya yang lebih besar dibandingkan dengan sistem yang dieksitasi DC.

Keunggulan laser CO2

Pemotongan bahan non-logam: Laser CO2 memiliki panjang gelombang 10.6μm. Berkas cahaya dengan panjang gelombang ini mudah diserap oleh material non-logam. Reflektivitasnya yang rendah dan suhu penguapannya membuat energi cahaya yang diserap hampir sepenuhnya masuk ke dalam material, dan menyebabkan penguapan untuk membentuk lubang dalam sekejap, memasuki siklus yang menguntungkan selama proses pemotongan.

Performa stabil: Mesin pemotong laser CO2 telah digunakan selama lebih dari 30 tahun. Banyak karakteristik pemrosesannya telah dipelajari secara menyeluruh dan teknologi pemrosesannya telah menjadi sangat matang.

Tidak berbahaya bagi tubuh manusia: Panjang gelombang laser adalah cahaya inframerah yang tidak terlihat oleh mata manusia dan tidak membahayakan tubuh manusia.

Kekurangan laser CO2

Tidak cocok untuk memotong logam: Mesin pemotong laser CO2 biasa sulit memotong material logam karena laser dengan panjang gelombang 10.6μm yang dipancarkan sulit diserap oleh material logam. Meskipun beberapa pemotongan logam dapat dicapai dengan memodifikasi mesin pemotong (meningkatkan daya, menambahkan isolator reflektif, menggunakan pembakaran oksigen, dll.), biaya dan efek pemotongannya jauh lebih rendah daripada mesin pemotong laser serat optik, dan kemampuan pemotongan material logam dengan reflektivitas tinggi sangat buruk, terutama tidak cocok untuk memproses logam non-ferrous dengan reflektivitas tinggi seperti emas, perak, tembaga, aluminium, seng, dll.

Biaya penggunaan di kemudian hari yang tinggi: Laser 10.6μm yang dihasilkan oleh mesin pemotong laser CO2 tidak dapat ditransmisikan melalui serat optik, dan membutuhkan beberapa reflektor untuk pemantulan. Jalur optiknya rumit. Setelah terpasang, sulit untuk dipindahkan. Mesin ini memiliki persyaratan lingkungan yang ketat. Getaran, debu, cahaya, dan lain-lain semuanya memengaruhi stabilitas penggunaannya. Selain itu, konsumsi dayanya tinggi, dan masa pakai reflektor serta konsumsi gas juga meningkatkan biaya penggunaannya.

Fleksibilitas pemrosesan yang rendah: Dibandingkan dengan panduan cahaya serat optik pada laser serat, fleksibilitas pemrosesan laser jenis ini rendah. Bagaimana meningkatkan jangkauan pemotongan 3D pada mesin pemotong laser CO2 selalu menjadi masalah yang sulit di industri ini.

Laser YAG

Laser YAG, yang nama lengkapnya adalah laser neodymium-doped yttrium aluminum garnet, adalah laser solid yang berbasis pada kristal yttrium aluminum garnet (Y₃Al₅O₁₂, disebut sebagai YAG).

Keunggulan laser YAG

Energi pulsa tunggal yang tinggi dan daya puncak yang tinggi: Kristal YAG memiliki ambang batas kerusakan yang tinggi, yang dapat menghasilkan energi pulsa tunggal yang besar dan daya puncak yang tinggi. Dalam beberapa aplikasi pemrosesan yang membutuhkan keluaran energi tinggi secara instan, seperti pengeboran dan pengukiran dalam pada material tertentu, laser YAG dapat menyelesaikan tugas pemrosesan dengan lebih efektif, dan jangkauan aplikasinya relatif lebih luas.

Kemampuan pemrosesan material logam yang kuat: Alat ini menghasilkan laser dengan panjang gelombang 1.06μm, dengan efisiensi kopling tinggi dengan logam dan kinerja pemrosesan yang baik.

Fleksibilitas pemrosesan yang tinggi: Laser YAG dapat digabungkan dengan serat optik, dan memiliki fleksibilitas pemrosesan yang sangat tinggi seperti laser serat optik.

Harga rendah: Laser YAG adalah laser yang relatif mapan dengan kematangan teknis yang tinggi, harga yang relatif murah, dan biaya investasi awal yang rendah.

Tidak berbahaya bagi tubuh manusia: Panjang gelombang laser adalah cahaya inframerah yang tidak terlihat oleh mata manusia dan tidak membahayakan tubuh manusia.

Kelemahan laser YAG

Efisiensi konversi elektro-optik rendah: Efisiensi konversi elektro-optik laser YAG umumnya berkisar antara 1% hingga 3%, dan sebagian besar energi listrik diubah menjadi energi termal.

Efek termal yang jelas: Saat laser YAG beroperasi, gradien suhu akan dihasilkan di dalam batang laser, menyebabkan tegangan termal dan efek lensa termal. Tegangan termal dapat menyebabkan batang laser patah, memengaruhi pengoperasian laser secara normal; efek lensa termal akan mengubah karakteristik pemfokusan berkas laser, mengurangi kualitas berkas, dan membatasi daya rata-rata serta peningkatan kualitas berkas. Laser serat menggunakan serat optik tipis yang didoping dengan unsur tanah jarang sebagai media penguat, yang memiliki rasio luas permukaan terhadap volume yang besar dan pembuangan panas yang cepat, dan dapat secara efektif menghindari masalah penurunan kualitas dan efisiensi berkas yang disebabkan oleh efek termal.

Kemampuan memotong non-logam yang buruk: Seperti halnya laser serat optik, laser YAG dengan panjang gelombang 1.06μm juga tidak cocok untuk memotong material non-logam.

Saran Pembelian

Jika Anda terutama memproses material logam, laser serat optik adalah pilihan yang baik. Laser ini sangat cocok untuk memotong lembaran logam. Efisiensi konversi elektro-optiknya juga jauh lebih tinggi daripada laser CO2 dan laser YAG. Ukurannya kecil dan mudah perawatannya. Laser ini memiliki kemampuan pemrosesan yang sangat fleksibel. Terutama, biaya mesin pemotong laser serat optik telah menurun secara bertahap dalam beberapa tahun terakhir. Laser ini hampir menggantikan laser solid tradisional dan laser karbon dioksida dalam pemotongan logam.

Jika Anda terutama memproses bahan non-logam (seperti kayu, akrilik, plastik, kulit, keramik, dll.), maka laser karbon dioksida adalah satu-satunya pilihan.

Selain keunggulan biaya yang jelas, laser YAG pada dasarnya telah digantikan oleh laser serat optik di bidang pemotongan industri.