Binnen de wereld van het fiberlasersnijden speelt de spotgrootte een cruciale rol bij het behalen van optimale resultaten: van nauwkeurigheid tot efficiëntie, het beïnvloedt diverse aspecten van het lasersnijproces aanzienlijk.
Wat is Spot Size?
Voordat we ingaan op de redenen waarom spotgrootte zo belangrijk is, moeten we eerst vaststellen wat spotgrootte is. Spotgrootte verwijst naar de diameter van de laserstraal op het focuspunt. Met andere woorden, het is het gebied waar de energie van de laser wordt geconcentreerd op het materiaaloppervlak. Een deel van die energie wordt geabsorbeerd door het materiaal, wat leidt tot plaatselijk smelten. Bij het lasersnijden van metalen met een vezellaser wordt hogedrukgas uit een snijkop gebruikt om het vloeibare metaal weg te drijven, waardoor een snede ontstaat wanneer de straal over het onderdeel beweegt, waarbij de 'kerfbreedte' een functie is van de spotgrootte.
Wat beïnvloedt de grootte van de spot?
De spotgrootte wordt beïnvloed door verschillende parameters, waaronder de lasergolflengte, de grootte van de straal bij de lens en de brandpuntsafstand van de focuslens, die allemaal een diepgaand effect hebben op het snijproces. Langere golflengtes leiden tot grotere spotgroottes voor identieke optische opstellingen. Ytterbium fiber lasers met een golflengte van 1070 nm hebben kleinere spotgroottes danCO2 lasers die werken bij langere golflengtes rond 10.600 nm en leiden tot overeenkomstige grotere spotgroottes.
Bij gebruik van bundelafgifte via vezels kan de spotgrootte worden berekend op basis van de diameter van de vezel en de brandpuntsafstand van de collimator (beide bepalen de grootte van de bundel bij het scherpstelobjectief) en de brandpuntsafstand van het scherpstelobjectief (zie afbeelding 1). Het vergroten van de brandpuntsafstand van het focusseerobjectief leidt tot grotere vlekgroottes, terwijl het vergroten van de bundelgrootte bij de lens leidt tot kleinere vlekgroottes (zolang de bundel bij de lens binnen een grootte wordt gehouden die diffractiebeperking mogelijk maakt).
Figuur 1: Berekening van de grootte van de spot voor levering met fiberbundel
Snijnauwkeurigheid: Kleiner is beter
Kleinere puntgroottes bij lasersnijden zorgen voor een grotere nauwkeurigheid en resolutie doordat de laserenergie in een kleiner gebied wordt gefocust, waardoor het materiaal nauwkeuriger kan worden verwijderd. Dit maakt de realisatie van ingewikkelde ontwerpen, fijnere details en nauwere toleranties mogelijk. Bovendien maken de kleinere kerven als gevolg van de smallere spotmaten het mogelijk om onderdelen dichter bij elkaar te plaatsen, waardoor het materiaalgebruik wordt geoptimaliseerd en afval in het productieproces wordt geminimaliseerd.
Snijsnelheid en kwaliteit: De balans vinden
In de zoektocht naar de perfecte balans tussen snijsnelheid en kwaliteit wordt de interactie tussen laserparameters cruciaal. De energiedichtheid speelt een cruciale rol, waarbij kleinere spotgroottes de consolidatie van laserenergie in een kleiner gebied mogelijk maken. Dit maakt het mogelijk om dezelfde energiedichtheid te bereiken met lasers met een lager vermogen.
De relatie tussen de spotgrootte en de materiaaldikte is echter ingewikkeld. Hoewel er een minimale energiedichtheid nodig is om over de hele materiaaldikte te smelten, moet de spotgrootte groot genoeg zijn om het gesmolten materiaal efficiënt te kunnen afvoeren. Naarmate de materiaaldikte toeneemt, zijn grotere spotgroottes nodig om de snijkwaliteit en -snelheid te behouden. Bovendien hangt de optimale spotgrootte ook af van materiaaleigenschappen zoals thermische geleidbaarheid en viscositeit.
De focusdiepte, gecorreleerd met de spotgrootte, vraagt ook aandacht. Kleinere spotgroottes zijn gecorreleerd met een kortere focusdiepte, die meestal gedefinieerd wordt als de afstand vanaf de straaltaille waarop het bundeloppervlak verdubbelt. Bij afstanden groter dan de focusdiepte zal de snijkwaliteit beïnvloed worden. Het vinden van het delicate evenwicht tussen spotgrootte, energiedichtheid en focusdiepte is dus noodzakelijk om de gewenste snijresultaten te behalen zonder concessies te doen aan snelheid of kwaliteit.
Een balans vinden voor optimaal lasersnijden
Al met al moeten fabrikanten een balans vinden. Voor dikkere materialen kan een grotere puntgrootte de voorkeur hebben om de snijkwaliteit en -snelheid te behouden. Voor ingewikkeld werk of dunne materialen hebben kleinere spots echter de voorkeur. Fabrikanten kiezen meestal een optimale bundelafgifteconfiguratie die resulteert in een puntgrootte die het meest geschikt is voor het beschikbare laservermogen en de te snijden materialen en diktes, met als doel de perfecte balans te vinden tussen nauwkeurigheid, snijkwaliteit en doorvoersnelheid.
