从微型打印到 3D 打印，性能和多功能性的增长
Laser Mechanism 的 FiberWeld HR 是一个坚固的头，带有直接冷却的反射光学元件，最大限度地减少高功率生产焊接应用的焦点偏移。您不必看得太远就能找到光纤激光器在生产应用中增长的原因。在每瓦价格、光束质量、耗电量和所需的可维护性方面，光纤激光器通常在成本方面得分最低，在性能方面得分很高。应用不断从最基本的激光机对准扩展到传统的切割、焊接、钻孔和打标。较新的增长应用包括一些明显的应用，如 3D 打印和一些不太明显但同样有吸引力的应用，如表面 te修整。所需的激光功率范围从简单的激光指示器到将在 Fabtech 2016 上广泛展出的 6 kW 和 8 kW 激光器。如何应用激光器取决于激光器供应商和系统集成商的工程独创性，并与终端合作用户提出正确的问题并获得正确的答案。以下是一些关于问答的想法。
将正确的激光器与正确的传输系统相匹配
Laser Mechanisms Inc.（密歇根州诺维）设计和制造激光束传输组件和关节臂系统适用于各种类型的激光和工业应用，包括切割、焊接、钻孔、划线和表面处理等工艺。在 FABTECH，Laser Mechanisms 将展示其最新的高功率光纤传输激光器，功率从 6 kW 到 30 kW。 “高功率光纤、盘式激光器和直接二极管激光器的典型应用包括用于快速切割厚平板和高功率焊缝的切割机过程，”光纤系统经理 Tom Kugler 说。 “我们提供标准产品和定制设计的激光解决方案，并销售给系统集成商并直接销售给最终用户。”
Laser Mechanisms 在其标准产品线中的新增产品包括 FiberWeld HR 和 FiberCut HR 系列，用于焊接和切割。这些新产品可用于 6 kW 及更高功率范围的平板床身切割机和大功率焊接机。 “头部使用反射光学器件而不是透射透镜，使我们能够以更高的功率运行，同时热焦点偏移要低得多，”Kugler 说。 “当透镜被激光束加热时，焦点会发生偏移。它是可管理的，但可能会导致任何污染碎片的问题，例如。我们的高功率反射光学装置可以轻松使用 20 kW 以上的激光功率。焦移一般小于镜头焦移的10%，焦移速度快不到一秒。”
要设计成功的激光传输系统，需要某些基本信息。 “对于激光切割，我们想知道是什么类型，2D 平板切割还是 3D 切割，有或没有机器人或五轴机器。什么激光功率和类型或波长，材料的种类，不锈钢或低碳钢，以及厚度或厚度。根据我们得到的反馈，我们将推荐最合适的标准产品或定制解决方案。通常，同一台激光器可以切割所有这些材料。真正改变的是所用气体的类型、激光的功率水平，以及我们将激光焦点相对于材料表面定位的位置。
激光纹理的应用与模制表面或 f 上吸引人的图案一样多种多样医疗器械的功能性把手。照片由 GF Machining Solutions 提供“对于通常使用不锈钢、铝或钛进行的高压惰性气体切割，我们通常会运行超过 200 psi [1.38 MPa] 的气压，并且我们将推动焦点深入材料。如果我们切割低碳钢，气压可能仅在 7 到 15 psi [1 bar] 之间，我们将把注意力集中在表面附近或表面上方的不同位置，”Kugler 说。 “在微观领域，光纤激光器正在切割许多小于 25 µm 切口宽度的特征和非常精细的焊接，所有这些都是用光纤和盘式激光器完成的。典型应用包括用于医疗设备的激光器，例如支架和焊接用于医疗植入物的非常小的部件、用于微电子、电池和燃料电池的小型铜部件。”
在汽车行业，机器人交付的激光系统是用于高速钢、热冲压件的 3D 切割ped 硼钢，以及那些因硬度和韧性而需要激光切割的钢。 “我们还可以轻松切割铝材，我们的刀头用于切割铝制车身。焊接至 6 毫米熔深是典型的，但我们可以更深入地焊接至 10 毫米熔深的汽车变速箱。我们还焊接燃料喷射器和其他小型医疗部件，焊缝熔深可能仅为 1 毫米或半毫米或 0.1 毫米，具体取决于部件的尺寸和所需的强度，”Kugler 说。 “对于航空航天应用来说，钻涡轮叶片和轮叶是最常见的应用，孔的直径约为 0.4-0.6 毫米，与表面的角度低至 20°，深度可达 20 毫米。”
Femto 激光器为医疗器械提供表面纹理根据 GF Machining Solutions（伊利诺伊州林肯郡）业务开发总监 Gisbert Ledvon 的说法，表面纹理已成为医疗器械和模具产品设计的一个重要方面). “表面纹理不仅提供了改善物品物理外观的方法，而且还增加了物品的表面抓地力。通过表面纹理，制造商可以制造出吸收更少液体和/或碎屑的医疗工具，标记植入物以进行跟踪，并添加有助于植入物接受的纹理。激光纹理加工还可间接用于医疗部件模具的生产。”
对于这些应用，激光纹理加工的最新发展是飞秒激光器和双激光系统。 “Femto 冷激光器可以创建完美的尖角和边缘，因为它们可以生成完全无毛刺的表面。当在显微镜下观察切割表面时，甚至无法检测到毛刺。这种新型激光器开辟了用于医疗应用的各种新材料，包括陶瓷和宝石——例如蓝宝石、各种聚合物和玻璃，”Ledvon 说。飞秒激光器能够切割更复杂的 p比以前的激光技术更明显，因为激光束更小，可以在零件中创建更小的细节。更复杂的切割能力提升了激光纹理加工在最小医疗应用中的优势。
激光焊镍-遵循 Prima Power Laserdyne 工程师为满足机身和航空发动机应用的严格要求而制定的指导方针，基于航空航天合金既可行又实用。除了飞秒/冷激光器外，激光领域的另一项重大技术突破毛化是五轴双激光系统的发展。双激光系统是一种可以在几秒钟内自动将其激光源从一种类型更改为另一种类型的系统。这使制造商能够加工更多种类的材料terials 在一台机器上比单激光系统。这种增加的多功能性意味着制造商可以使用一台激光纹理机执行比以前更多的工作。
“使用单激光系统，操作员可以通过改变激光功率设置来控制激光强度，从而提供一定程度的控制，但改变为不同类型激光的能力完全提供了对激光纹理化过程的更实质性控制，”Ledvon 说。 “激光源之间的快速变化对于那些经常改变零件需求和设计的医疗车间尤为重要。这些商店依靠灵活的设备来快速响应客户的需求。”
随着激光纹理的使用不断增长，五轴机器运动进一步改进了它。凭借五轴功能，制造商显着提高了生产率，因为这种加工过程戏剧性地大大减少了在零件生产周期中手动操作工件的需要。激光纹理技术还可以对圆形进行底切，这意味着可以在不翻转零件的情况下加工球体的底面。必要设置的减少也消除了成品零件的堆叠错误。
“激光纹理的当前限制是激光场的大小，它仅与激光透镜一样宽。一旦在该区域内完成纹理化，机器必须重新调整以将未纹理化的表面放置在镜头下方。然而，自动激光定位新技术即将出现并将消除这一障碍。这种尖端技术将使激光能够沿着加工表面移动，而无需停止和重新定位。自动调整可以使激光纹理加工过程比目前快 20% 到 30%，”Ledvon 说。
GF Machining 提供模块化工件夹持系统和自动化，以进一步提高激光毛化的生产率。过程自动化使激光纹理加工成为高产量环境中更可行的加工过程，因为自动化提高了机器的生产能力。此外，模块化工件夹持系统可以轻松地将激光纹理加工与制造商可能已经使用的其他工艺相结合。生产零件可以安装在带有参考系统的托盘上，该参考系统可以跨多个加工过程传输，并且无需在步骤之间重新参考零件，从而大大减少了设置时间。
“在制造的设计方面，激光纹理为创新和专有纹理和图案提供更大的法律保护打开了大门。此外，激光纹理可用于防止假冒零件。通过零件程序，用户可以在纳米尺度上创建独特的纹理代码。业内专家预测纳米级纹理最终将用于医疗元件溯源性。在这些情况下，制造商会创建一种肉眼不可见的独特图案来标记零件并识别他们生产的零件，”Ledvon 说。
快速灵活地 3D 打印金属零件
作为一个动态增长的行业，3D 打印/增材制造技术的出现对激光产生了重要影响，激光是该过程中使用的主要热源。 Trumpf Inc.（康涅狄格州法明顿）推出了 TruPrint 1000，这是激光金属熔化 (LMF) 领域的最新解决方案，能够逐层构建组件，从而扩大了其在增材制造领域的技术产品范围。它还继续开发其激光金属沉积 (LMD) 工艺，该工艺能够为现有零件增加体积和结构/特征。 Trumpf 不断改进其 15 年前建立的工艺，并提供完整的工业 3D 打印套件，包括激光束源、机器 powder、服务和应用咨询。新的 TruPrint 1000 根据 CAD 程序直接提供的数据，使用激光和金属粉末来构建任何所需的组件。 LMF 系统使用晶粒尺寸小至 20 µm 的金属粉末逐层制造组件。增材制造技术非常适用于几何形状复杂的零件，例如具有内部通道和中空空间的零件，也适用于经济地制造单个零件或小批量生产。紧凑的 LMF 装置非常适合车间、医疗或牙科客户或研发环境。它可以生成最大直径为 100 毫米、高度为 100 毫米的零件。带有触摸屏控制的用户界面可让操作员直观地了解流程的各个阶段。所有组件，包括激光器、光学器件、工艺外壳、过滤器单元和控制柜，都集成在 TruPrint 1000 的紧凑外壳中。
供应缸、构造室和溢流接收器都在外壳内对齐。供应圆筒包含不锈钢、铝或任何粉末形式的可焊接材料。在构建过程中，将一层金属粉末应用于基板，然后使用 200 W 激光将几何形状的横截面熔合到基板上。曝光后，将印版降下并涂上下一层粉末。重复此过程，直到零件完成。整个过程在外壳内进行，保护气体覆盖，氧气含量为 0.1%，以实现最高零件质量。
为了以高沉积速率应用大量金属，Trumpf 继续开发其LMD 技术，非常适合为现有零件添加体积和结构/特征。在 LMD 系统中，激光在部件表面形成熔池并熔化粉末（同时同轴施加）以形成所需的形状。应用多层使用户能够在任何方向扩展表单。由于能够以高达 500 cc/小时的速度添加材料，该过程比传统制造更经济。此外，可以将复杂的结构添加到现有部件中，从而允许设计在需要时增加特性和强度的通用基础结构。根据应用的具体情况，制造商可以选择大型 TruLaser Cell 7040 或带有新 LMD 封装的更紧凑的 TruLaser Cell 3000。
激光焊接航空航天合金的改进工艺
Prima Power Laserdyne（明尼苏达州尚普林）推出了用于激光焊接镍基航空航天合金的改进工艺参数，以满足严格的机身和航空发动机要求。按照 Laserdyne 应用工程师制定的指南，在许多常见的镍基航空航天合金中，高质量的对接和搭接焊缝是可能且实用的.
以下是 Prima Power Laserdyne 对改进过程的描述。使用 Prima Power Laserdyne 的 SmartRamp，它利用了 Laserdyne S94P 激光器和运动控制，焊缝顶部和底部的焊接尺寸（有或没有填充金属）在焊接熔合区内没有可观察到的孔隙率的情况下得到控制。集成激光和运动控制与 Laserdyne S9P 激光过程控制通过使用激光工艺参数实现无裂纹焊接，这些参数考虑了镍基航空航天合金相对较大的凝固温度范围以及脆性相在以下情况下可能形成的事实凝固速率低。
在焊接镍基航空航天合金之前，必须进行接头清洁以去除污染物。在高温下，镍合金容易因硫、磷、铅和其他低熔点物质而脆化，这些物质通常存在于日常用品中使用的材料中制造过程。典型的污染物包括油脂、油、油漆、切削液、标记蜡笔和墨水、机器润滑剂和清漆。
在焊接过程中控制热膨胀的正确夹具同样重要。镍基航空航天合金的热膨胀特性与碳钢相似。焊接时，两种材料产生的力和变形相似，需要通过适当设计的夹具来约束部件。所提供的约束可用于控制焊缝中的应力。例如，如果使用适当的夹紧力来约束焊缝附近的材料，则焊缝中产生的膨胀将导致焊缝中产生压缩力。即使没有填充金属，这种压缩力也会导致焊缝金属和焊缝顶部和底部相应的钢筋或隆起变形。
除了正确夹紧外，夹具还必须还提供对焊缝的顶部和背面进行适当的屏蔽。使用 Laserdyne 的 SmartShield 焊接喷嘴向焊缝顶部提供保护气体。通过焊缝下方夹具中的特殊凹槽向焊缝背面提供保护气体。
用于切割、钻孔和焊接的多轴激光工作单元
IPG Photonics'（牛津, MA) 多轴激光工作单元是一种经济高效的工具，可用于切割、钻孔和焊接各种金属部件、外壳和制造。多轴工作单元可配置 IPG 的高效 CW 激光器或高峰值功率 QCW 激光器，甚至可以快速处理高反射材料。
可作为手动装载系统或 IPG 设计的自动化零件处理，多轴工作单元可用于制造医疗设备、汽车部件、电气外壳或任何类似的金属结构。
机器构造和系统基于 gRanite 工作台和上部结构，具有热稳定性和机械稳定性。强力线性电机提供与加工复杂部件兼容的精密高速 X-Y 运动，具有 300 毫米行程的 Z 平台，可实现 3D 零件的加工。旋转运动可以应用于任何或每个主轴，同时还提供加工头倾斜选项。运动和激光加工系统集成在带有激光安全观察窗的 1 级激光安全外壳内。自动化由工业 CNC 控制器实现，该控制器具有基于 Windows 的自定义 HMI 和用于 G 代码和 M 代码编程的软件。
通过选择合适的 IPG 光纤，可以为焊接或切割配置多轴系统激光和加工头。对于焊接，高峰值功率 QCW 激光器与 Wobble 和 Seam Tracker 头相结合，可以灵活地处理异种金属和装配不当的零件，此外还可以提高容易出现不良现象的材料的焊接质量形成和热裂解。点焊、缝焊和气密密封的形成是典型的应用。对于零件较小的客户，Compact Multiaxis 提供了占地面积较小的低成本解决方案。通过选择合适的 IPG 加工头，这两种系统类型都可以配置用于切割、钻孔或焊接。
切割应用受益于 IPG 广泛的激光器选择。发射波长为 1 µm，光纤激光器切割金属的效率优于 CO2 替代品；更高的光束质量允许更快地切割零件或选择使用较低功率的激光器。在更高功率的 FLC-30 切割头或更高精度的微切割头之间进行选择可以进一步优化系统切割能力。
