Leikkausparametrit

Laserleikkauksessa on useita parametreja, jotka on saatava kohdalleen onnistuneen leikkauksen saavuttamiseksi. Parametrien oikeaksi säätäminen on hankalaa, koska yhden parametrin muuttaminen vaikuttaa muiden parametrien asetuksiin ja niitäkin on säädettävä. Leikkaukseen vaikuttavat parametrit voidaan ryhmitellä William M. Steenin (2003, s. 126) mukaan seuraavasti:

Sädeparametrit:

o polttopisteen koko ja moodi o teho, pulssitettu vai jatkuva o polarisaatio

o aallonpituus

Ohjausparametrit o nopeus

o polttopisteen paikka Kaasuparametrit

o virtausnopeus

o suuttimen paikka, muoto, kohtisuoruus leikkauspintaan o kaasun koostumus

Materiaaliparametrit o absorptio

o lämmönjohtavuus

3.3.1 Laserin teho ja säteen tehojakauma

Yleisesti ottaen laserin tehon lisääminen kasvattaa leikkausnopeutta ja/tai kasvattaa leikkaussyvyyttä. Haittapuolia johtuen tehon lisäämisestä ovat mahdollisesti leikkausuran leveneminen, leikkauspinnan palaminen sekä terävien reunojen pyöristyminen. Näitä haittapuolia voidaan lieventää tai hävittää kokonaan pulssittamalla lasersädettä. Pulssittamalla sädettä saadaan tehointensiteetti pidettyä tarpeeksi korkealla, mutta se vähentää kokonaislämpövaikutusta leikattavaan kappaleeseen.

(Steen, 2003, s. 129.)

Pulssittaminen voi tapahtua monella eri tavalla. Yksinkertainen pulssitus tapahtuu laittamalla lasersäde päälle ja pois nopealla taajuudella. Sädettä voidaan myös pulssittaa siten, että syntyy niin sanottu superpulssi, joka ylittää jatkuvatoimisen säteen tehon noin 2,5 kertaisena. Tällä tavoin tapahtuva pulssitus tuo pulssittamisen edut esiin paremmin. (Kujanpää et al. 2005, s. 139-140.)

Superpulssituksen korkea huipputeho auttaa leikkaamaan materiaaleja, jotka heijastavat lasersädettä ja ovat hyvin lämpöä johtavia. Näitä materiaaleja ovat kupari, alumiini sekä kulta. Esimerkiksi alumiinin leikkaamisessa pulssittamalla voidaan leikata kaksi kertaa paksumpaa kappaletta verrattuna jatkuvatoimiseen säteeseen, mutta keskimääräinen teho pysyy samana. Tämä vähentää laserin tehon tarvetta ja näin myös energian kulutusta. (Steen, 2003, s. 129.)

Lasersäteen tehojakauma eli intensiteetti ei ole tasaisesti jakautunut lasersäteen poikkileikkauksessa. Tehon jakautumista kuvataan TEM-luvulla (Transverse Electric Mode) ja tätä kutsutaan lasersäteen moodiksi. TEM-luvun alaindekseillä ilmotetaan tehonjakauma tehohuippujen lukumäärä sekä sen symmetrisyyden. TEM00-moodilla saavutetaan yleensä paras tehotiheys. Tällä moodilla on paras fokusoitavuus ja teho on keskittynyt säteen keskelle, kuva 9. Kuvasta 9 nähdään myös TEM01*-moodi, jossa tehojakauma on jakautunut renkaan muotoiseksi. TEM₀₀-moodia käytetään useimmissa leikkaussovelluksissa, koska se on ideaalinen laserleikkaukseen korkeimman tehotiheyden ollessa säteen keskellä. Tämä moodi mahdollistaa säteen fokusoitavuuden mahdollisimman pieneksi. (Kujanpää et al. 2005, s. 36.)

Kuva 9. Tehon jakautuma TEM00 - sekä TEM 01*-moodilla (Hillebrand, 2006).

Moodi määräytyy laserin rakenteen mukaan ja siis riippuu käytettävästä laserista. Tällä ominaisuudella on suuri merkitys hiilidioksidilasereissa. Moodia on myös mahdollista muuttaa, esimerkiksi parempi moodi on saatavilla pienemmällä laserteholla. (Kujanpää et al. 2005, s. 37.)

Moodilla määritetään sopiiko laser leikkaamaan paremmin ohutta materiaalia nopeasti vai sopiiko se paremmin leikkaamaan paksuja materiaaleja. Moodia voidaan muokata molempien tarpeiden mukaiseksi. Liika teho väärää moodia käyttäen saattaa vaikuttaa päinvastoin teho/leikkausnopeus suhteeseen kuin on haluttu. Väärällä moodilla leikatessa liika teho saattaa jopa hidastaa leikkausta tietyillä materiaaleilla. (Hillebrand, 2006.)

TEM_01*-moodi sopii paremmin paksujen materiaalien leikkaukseen. Sillä leikkausura jää hieman leveämmäksi kuin TEM00-moodilla ja tämä antaa polttoleikkausprosessissa hapen tunkeutua paremmin leikkausuraan ja näin happi pääsee paremmin vaikuttamaan palamisprosessissa. TEM00-moodi taasen soveltuu paremmin ohuiden materiaalien leikkaamiseen suurimman tehotiheyden ollessa keskellä säteen poikkileikkausta. (Hillebrand, 2006.)

3.3.2 Leikkauskaasuparametrit

Leikkauskaasu ei ole välttämätön uusien lasereiden erinomaisen säteenlaadun sekä korkean tehotiheyden ansiosta, jolloin sulan poistamiseen ei tarvita leikkauskaasua vaan sula poistuu railosta höyrystyneen metallin höyrynpaineen avulla (Pihlava 2010, s. 20). Tällä hetkellä käytännössä leikkauskaasuja kuitenkin käytetään metallien leikkaamisessa lähestulkoon aina. Taulukosta 1 on nähtävissä mitä kaasuja eri materiaaleilla käytetään ja millaisen lopputuloksen eri kaasuja käytettäessä saadaan.

Lasersäde tuo materiaalin lämmön ja sitä avustamaan tuodaan leikkauskohtaan leikkauskaasu. Leikkauskaasu tuodaan leikkauskohtaan suuttimen kautta. Muita komponentteja leikkauspäässä ovat fokusointilinssi, leikkauskaasun tuonti sekä suuttimen säätökomponentit. Itse leikkauskaasun tehtävä ovat (Kujanpää et al. 2005, s.

139):

Paineen ja sulaan kohdistuvan leikkausvoiman avulla materiaalin poisto railosta.

Optisten osien kuten linssin suojaaminen roiskeilta sekä metallihöyryiltä.

Inertillä kaasulla leikatessa suojata leikatut pinnat hapettumiselta.

Aktiivikaasuilla leikatessa eksotermisen prosessin käynnistäminen sekä ylläpito.

Taulukko 1. Laserleikkauksessa käytettäviä leikkauskaasuja eri materiaaleille (Kujanpää et al. 2005, s. 144).

Leikkauskaasun paine vaikuttaa hyvin paljon leikatun reunan laatuun. Käytettävän paineen mukaan voidaan leikkauspainealueet jakaa kahteen ryhmään, matalan sekä korkean paineen leikkausalueeseen. Matalan paineen leikkausalueella tarkoitetaan happileikkauksen aluetta, joka on 1-6 bar. Korkean paineen leikkausalueella paine on 10-20 bar käytettäessä leikkauskaasuna typpeä. Matalan paineen alueella happi aiheuttaa ylimääräistä palamista liian korkealla paineella, mutta taas typpeä käytettäessä korkeasta paineesta on yleensä hyötyä. Kaasun puhtaus on erittäin tärkeää. Esimerkiksi happileikkauksessa kaasun puhtaudella on suuri vaikutus leikkausnopeuteen. Taulukosta 2 voidaan todeta, että jo kahden prosentin epäpuhtaus käytettävässä kaasussa alentaa suhteellista leikkausnopeutta puoleen.

Typpileikkauksessa epäpuhtauden vaikutukset ovat nähtävissä leikkauspinnan väristä, joka muuttuu jo suhteellisen pienistä epäpuhtauksien määrästä. (Kujanpää et al. 2005, s. 144.)

Taulukko 2. Kaasun puhtauden vaikutus happileikkauksessa (Kujanpää et al. 2005, s.

144).

3.3.3 Kaasusuutin

Kaasusuuttimella on kolme pääasiallista tehtävää laserleikkauksessa. Nämä tehtävät ovat (Ion, 2005, s. 360-361):

varmistaa kaasuvirtauksen sama-akselisuus (koaksiaalisuus) lasersäteen kanssa

vähentää kaasunpainetta minimoidakseen linssin liikkeet ja kohdistusvirheet vakauttaa kaasunpaine leikattavan kappaleen pinnalla minimoidakseen kaasun

aiheuttamat pyörteet sulassa.

Laserleikkauksen onnistumiseksi on tärkeää saada lasersäde sekä kaasuvirtaus tarkasti koaksiaalisesti, jotta leikkauksesta saadaan paras mahdollinen laadun kannalta ja tulos on samanlainen vaikka leikkaussuunta muuttuisi. Laserleikatessa 2- ja 3D

muotoja tämä korostuu laserpään liikkuessa, joka vaikuttaa lasersäteen ja laserpään keskinäiseen asemaan. Suutinasetuksen ollessa epäsymmetrinen, vaihtelevat leikon ominaisuudet eri suuntiin leikatessa. Jos tehojakauma ja leikkaussuutin eivät ole pyörähdyssymmetriset, niiden asentoa on kompensoitava leikkaussuunnan mukana.

Leikatessa 3D muotoja on hyvin tärkeää pitää lasersäteen leikkaavan pisteen paikkaa samana kuin leikkauskoneen ohjelmallinen työkalupiste TCP (Tool Center Point). Vain tällöin ohjaus kohdistuu suunniteltuun työkappaleen pisteeseen oikein. (Kujanpää et al.

2005, s. 138.)

3.3.4 Ohjausparametrit

Ohjausparametreista nopeus ja fokuspisteen paikka riippuvat leikattavasta materiaalista sekä sen paksuudesta. Polttoleikatessa laserilla ohuita levyjä suurin leikkausnopeus saavutetaan fokusoimalla polttopiste levyn yläpinnalle. Paksuja levyjä leikatessa piste fokusoidaan noin kolmasosan verran yläpinnan alapuolelle.

Sulattavassa leikkauksessa, inerttiä kaasua käytettäessä, optimaalinen paikka polttopisteelle on lähempänä levyn alapintaa, jolloin leikkausrailosta tulee leveämpi ja näin leikkauskaasu pääsee paremmin poistamaan sulaneen materiaalin. Näin ollen säteen halkaisijakin on suurempi inerttiä kaasua käytettäessä ja kaasusuuttimen halkaisijan on myös oltava suurempi. (Ion, 2005, s. 357.)

Kaksoisfokus optiikkaa käytettäessä optiikka keskittää osan säteestä leikattavan levyn pinnalle ja lopun osan säteestä alemmalle pinnalle. Paksumpia materiaaleja leikatessa tällä saavutetaan nopeampi leikkausnopeus, jäysteettömyys sekä säästöjä leikkauskaasun käytössä. Kaasusuuttimen halkaisija voi tällöin olla pienempi ja näin ollen kaasunkulutus pienenee. (Ion, 2005, s. 357.)

Leikkausnopeus on oltava oikea leikkauskaasun virtausnopeuden sekä tehon suhteen.

Leikkausnopeuden kasvaessa liian suureksi juovista tulee näkyvämpiä, jäystettä muodostuu todennäköisemmin sekä leikkaussyvyys pienenee. Liian pieni leikkausnopeus aiheuttaa reunojen liiallista palamista, joka aiheuttaa leikon reunan laadun huononemista sekä lämpövyöhykkeen kasvamista. Yleisesti ottaen leikkausnopeus on kääntäen verrannollinen leikattavan materiaalin paksuuteen. Myös kulmia tai teräviä muotoja leikattaessa leikkausnopeutta on vähennettävä ja samalla myös säteen tehoa on vähennettävä. (Ion, 2005, s. 357.)