Kuitulaserin ja hiilidioksidilaserin käyttö metallisten ohutlevyjen leikkauksessa

(1)

LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO Teknillinen tiedekunta

Konetekniikan osasto

BK10A0400 Kandidaatintyö ja seminaari

KUITULASERIN JA HIILIDIOKSIDILASERIN KÄYTTÖ METALLISTEN OHUTLEVYJEN LEIKKAUKSESSA

CUTTING THIN SHEETS OF METAL WITH FIBER LASER AND CARBON DIOXIDE LASER

Lappeenrannassa 10.05.2012 Ville Linnosmaa

(2)

Sisällys

SYMBOLI- JA KÄSITELUETTELO

1 Johdanto ... 4

2 2D ja 3D muotojen laserleikkaus ... 5

2.1 Lasertyöasemat ... 5

2.1.1 Työstöliikkeet ... 7

2.1.2 Taso- ja 3D-leikkaustyöasemat ... 7

3 Laserleikkaus ... 10

3.1 Kuitulaser ... 11

3.2 CO₂-laser ... 13

3.2.1 Poikittaisvirtauslaser ... 15

3.2.2 Diffuusiojäähdytetty laser, slab-laser ... 16

3.2.3 Nopean pitkittäisvirtauksen laser ... 16

3.3 Leikkausparametrit ... 18

3.3.1 Laserin teho ja säteen tehojakauma ... 19

3.3.2 Leikkauskaasuparametrit ... 21

3.3.3 Kaasusuutin ... 22

3.3.4 Ohjausparametrit ... 23

4 CO2 ja Kuitulaserin vertailu... 24

5 Johtopäätökset ... 28

6 Yhteenveto ... 29

LÄHDELUETTELO ... 30

Liite 1. Lasertyöasemien teknisiä tietoja ... 1

Liite 2. Laserlähteiden teknisiä tietoja... 1

(3)

SYMBOLI- JA KÄSITELUETTELO

CO2 Hiilidioksidi.

bar On SI-järjestelmän paineen lisäyksikkö.

N2 Typpi.

CW Jatkuva laserteho (Continous Wave).

HAZ Lämpövyöhyke (Heat Affected Zone).

TEM Transverse Electric Mode

(4)

1 JOHDANTO

Työstämisessä käytettävät laserit kehittyvät tällä hetkellä koko ajan. Laserlaitteet ovat kehittyneet viimeisen kymmenen vuoden aikana merkittävästi ja varsinkin uudempien lasereiden tehot ovat kasvaneet, säteen laatu parantunut, laserlaitteiden hinnat ovat tulleet alaspäin ja myös uusia lasereita on tullut markkinoille. Yhtä uusimmista lasereista edustaa kuitulaser ja se tullee syrjäyttämään vanhempia lasereita kehittyessään. CO₂-laser edustaa tällä hetkellä yleisimmin metallien leikkauksessa käytössä olevaa laseria suuren tehonsa sekä hyvän säteen laadun ansiosta. Kuitulaser taasen edustaa energiatehokkuutta, erinomaista säteen laatua, pienempää kokoa sekä säteen tuonnin helppoutta.

Tässä työssä vertaillaan uutta sekä vanhaa, kuitulaseria ja CO₂- eli hiilidioksidilaseria.

Työn lähtökohtana on kerätä suoraa vertailutietoa näiden kahden lasertyypin välillä ja vertailla molempien hyviä sekä huonoja puolia. Työ käsittelee laserleikkausta, painopiste ohutlevyjen tasoleikkauksessa, mutta myös 3D-muotojen leikkaus on otettu mukaan. Myös erilaiset laserleikkaustyöasemat käydään toimintaperiaatteiltaan läpi sekä perehdytään muutamaan tärkeään leikkausparametriin ja niiden vaikutuksiin laserleikkauksessa. Loppupuolella vertaillaan kuitulaserin ja hiilidioksidilaserin käyttöönottokustannuksia ensimmäisen vuoden ajalta sekä vertaillaan lasereiden leikkausominaisuuksia muutaman eri materiaalin kesken ja esitellään johtopäätökset.

(5)

2 2D JA 3D MUOTOJEN LASERLEIKKAUS

Taloudellisuus nousee tuotteiden suunnittelussa ja valmistuksessa yhä suuremmaksi kysymykseksi ja raaka-aineiden taloudellinen käyttö tulee ottaa huomioon jo suunnitteluvaiheessa. Tuotteen suunnittelussa on myös otettava huomioon mahdollisimman helppo ja nopea valmistaminen. Levyrakenteita tehtäessä on ensimmäisenä työvaiheena raaka-aineaihioiden saaminen tietyn mittaisiksi ja muotoisiksi. Tämän toteuttamiseksi on valittava tehtävään oikea työstömenetelmä.

(Keinänen & Kärkkäinen, 2009, s. 216.)

Työvaiheena leikkaus pitää sisällään kappaleiden irrottamisen arkista, kelalta tai levyaihioon tehtävien muotojen leikkaamista. On olemassa monia erilaisia leikkausmenetelmiä, jotka voidaan jaotella esimerkiksi mekaaniseen leikkaukseen ja termiseen leikkaukseen. Tässä työssä keskitytään levytuotteiden termisen leikkauksen yhteen osa-alueeseen, laserleikkaukseen.

Laserleikkausprosessi vaatii toimiakseen työaseman, joka pystyy nopeisiin kiihtyvyyksiin sekä suuriin nopeuksiin. Työaseman liikkuvien osien tarkkuus on myös hyvin tärkeä ominaisuus, koska esimerkiksi CO₂-laserissa säde tuodaan heijastamalla peilien avulla leikkauspäähän. Usein laserlaite tulee eri valmistajalta kuin työasema ja lisäksi tarvittavat oheislaitteet saattavat tulla vielä lisäksi useammalta eri toimittajalta.

Tämä saattaa vaikeuttaa halutunlaisen lasertyöaseman kokoamista. (Kujanpää &

Salminen & Vihinen, 2005, s. 92.)

2.1 Lasertyöasemat

On olemassa monenlaisia työasematyyppejä ja ne voidaan jaotella useammalla eri tavalla. Laserleikkauskoneet jaotellaan usein leikkausoptiikan liikutustavan mukaisesti.

Optiikan liikutustapoja ovat lentävä eli liikkuva optiikka, kiinteä optiikka ja näiden yhdistelmät. Yleisin laserleikkauslaitteistotyyppi on lentävän optiikan laitteisto, kuva 1.

Tavallisesti laserleikkaus tapahtuu tasossa ja leikkauskoneet ovat tasoleikkauskoneita.

Työasemilla on yhdestä kuuteen liikeakselia, joiden määrä riippuu valmistettavien tuotteiden geometriasta ja työaseman rakenteesta. Tasoleikkauskoneet ovat normaalisti 2D-koneita. Niin sanotussa 2½D-koneessa on vähintään neljä synkronissa liikkuvaa liikeakselia ja kolmiulotteisessa työstössä käytettävä työasemalla on oltava vähintään viisi liikeakselia. (Kujanpää et al. 2005, s. 94.) On olemassa myös työasema,

(6)

jossa liikutetaan työaseman tasoa eli pöytää, jolla leikattava kappale on (Ion, 2005, s.

125).

Kuva 1. Lentävän eli liikkuvan optiikan laserleikkauslaitteisto (Kujanpää et al. 2005, s.

93).

Nopea ja tarkka työstö yleensä määrittelee vaatimukset työaseman rakenteelle.

Tiukimmat vaatimukset asettavat peileillä tapahtuva säteen ohjaus, osan suuri koko ja tarkkamittaisuus sekä työstön tapahtuminen suurella nopeudella sekä kiihtyvyydellä.

Lasertyöasemalta vaadittavia ominaisuuksia Veli Kujanpään (2005, s. 94-95) mukaan ovat:

”Runkorakenne:

o stabiili, muotoaan muuttamaton ja värähtelyjä vaimentava o tukevat perustukset.

Liikkuvat osat:

o kevyt, mutta jäykkä, muotoaan muuttamaton ja värähtelyjä vaimentava rakenne

o hyvä dynamiikka, riittävän tehokkaat moottorit, suuret kiihtyvyydet ja nopeudet

o tärinät ja värinät huomioitu

o säteenohjauspeilit pysyvät tarkasti asemassaan. Pelkkä polttopisteen

(työkalupiste) tarkkuus ei riitä.

Ohjain:

o riittävän nopea, jotta se ei hidasta työstöä

o online- ja offline -ohjelmointi-, CAD/CAM- ja simulointivalmiudet

(7)

o 5-akselinen transformaatio 3D-työskentelyyn

o käytettävät lisäakselit, esim. pyörityspöytä, integroituna ohjaimeen o laserin toimintojen ohjaus integroituna työaseman ohjaimeen

o oheislaitteiden toimintojen ohjaus integroituna työaseman ohjaimeen o riittävät mahdollisuudet laajentaa kokonaisuutta ja lisätä oheislaitteita o integroitavuus turvalaitteisiin

o taipumien ohjelmallinen kompensointi

o NC-ohjain tai PC-pohjainen ohjain. NC-ohjaimet ovat standardisoituneempia ja suljetumpia, PC-pohjaiset ratkaisut yleensä halvempia ja avoimempia tapauskohtaisille muutoksille.

Optiset ominaisuudet:

o säteen ominaisuudet mahdollisimman vakioita koko työalueella o säteen polarisointi, sovelluksen mukaan

o säteen kollimointi, mikäli raakasäteen kulkema matka kasvaa suureksi o polttopisteen korkeuden automaattinen säätö

o säde ja säteenohjauspeilit on suojattava epäpuhtauksilta ja työturvallisuusriskeiltä, tarvittaessa säteen reitti suojakaasuun (N₂).”

2.1.1 Työstöliikkeet

Suunniteltaessa työaseman hankintaa on harkittava, mitkä ulottuvuudet ja ohjelmoitavat akselit ovat tarpeellisia. Tähän vaikuttavia asioita ovat kappaleen dimensiot ja työstöliikkeen geometriat. Myös halutulla automaatiotasolla on vaikutusta valintaan. Ylimääräiset akselit nostavat hintaa tavoiteltaessa yleispätevää konetta toteuttamaan useiden erilaisten kappaleiden valmistus. Taloudellisesti kannattavampaa saattaakin olla eri muodoille, vaiheille ja tuotteille omien yksinkertaisempien erillisten työasemien hankinta. Peilejä sisältävän työaseman hankinnassa on hyvä pitää mielessä myös tehohäviöt. Jokainen peili absorboi uutena 1-3 % lasersäteen tehosta ja vanhuuttaan peileistä tulee vielä enemmän tehohäviöitä. (Kujanpää et al. 2005, s. 95.)

2.1.2 Taso- ja 3D-leikkaustyöasemat

Liikkuvan pöydän työasema on yksinkertaisin tapa ohjata leikkausprosessia. Pöytä liikkuu x-y-tasossa ja lasersäde on fokusoitu tiettyyn pisteeseen ja kappaletta liikutetaan. Lineaarimoottoreilla toteutetut liikkeet pystyvät jopa viiden g:n (n. 49 m/s²) kiihtyvyyksiin. Kiihtyvyyksiä rajoittaa pyödän massa. Laserlähteelle ei periaatteessa ole kokorajoituksia. Leikattavan kappaleen kiinnitys toteuttaa esimerkiksi luomalla

(8)

leikattavan kappaleen alle tyhjiö, joka pitää kappaleen kiinni pöydässä. (Ion, 2005, s.

125.)

Liikkuvan työkappaleen asemalla tarkoitetaan työasemaa, jossa lasersäde tuodaan leikkausoptiikalle laserista esimerkiksi yhdellä peilillä, fokusoidaan tiettyyn pisteeseen ja leikkaus tapahtuu kappaletta liikuttelemalla. Tämän tyyppinen laserleikkaustyöasema on usein yhdistetty niin sanottuun ”kombikoneeseen”, joka sisältää laserleikkausominaisuuden lisäksi perinteisen mekaanisen lävistyskoneen.

Laserleikkaamalla toteutetaan monimutkaiset ja suuret muodot. (Kujanpää et al. 2005, s. 95.)

Liikkuvan työkappaleen työasemaa voidaan käyttää esimerkiksi suurien laserlähteiden lasersovelluksissa. Leikattavien kappaleiden koot ovat suhteellisen pieniä, jotta niitä voidaan liikutella halutulla tarkkuudella. Työaseman rakenteen yksinkertaisuus sekä lasersäteen kulkuradan ollessa vakio, antaa liikkuvan kappaleen työasema suunnittelijalle mahdollisuuden minimoida peilien määrän ja eliminoida muuttuvat pituudet säteen kuljetuksessa. (Ion, 2005, s. 125.)

Liikkuvalla optiikalla savutetaan joustavuutta ja tilansäästöä. Näihin koneisiin on usein liitetty myös vaihtopöytä, jossa leikattava levy voidaan vaihtaa automaattisesti. Tällä saavutetaan leikattujen kappaleiden ja romun poisto työaseman ulkopuolella leikkausprosessia pysäyttämättä. (Kujanpää et al. 2005, s. 95.)

3D-työasemia on olemassa kahta erilaista tyyppiä, niin sanotut portaalityöasemat ja robotin käyttöön perustuvia ratkaisuja. Molemmissa on periaatteessa mahdollista käyttää CO₂- ja kuitulaseria. Erityisesti kuituoptiikan edut tulevat esille molempien työasemien käytössä. Varsinkin suurten kappaleiden leikkaamisen toteuttaminen on helpompaa kuituoptiikan ansiosta, koska CO2-laserin säteenohjausoptiikka sekä ylimääräinen optiikka vakioimaan säteen halkaisijaa ja energiajakaumaa hankaloittavat liikkeiden toteuttamista. (Kujanpää et al. 2005, s. 97.)

3D-lasertyöasema tuo muutamia lisävaatimuksia työaseman rakenteelle verrattuna tasoleikkauksessa käytettävään työasemaan. Kujanpään (2005, s. 98-99) mukaan näitä vaatimuksia ovat:

• ”3D-työstö asettaa tiukemmat vaatimukset sädeturvallisuudelle ja työasemassa on oltava myös katto.

(9)

• Työaseman on oltava jäykempi kuin tasokoneen.

• Nopea ohjaus eli CAD/CAM ja offline -ohjelmointi ovat välttämättömiä ominaisuuksia, ohjelmointi on voitava suorittaa myös opettamalla (online). Simulointi helpottaa huomattavasti työstön ohjelmointia. Työaseman akseleiden on oltava toisistaan riippumattomia, mutta niiden on toimittava synkronissa keskenään niin, että työstöliike on hallittu.

• Leikkauspään on oltava riittävän hoikka kyetäkseen esim.

viisteiden leikkaukseen ja varmistaakseen luoksepäästävyyden.

• 3D-työstöissä on huomioitava prosessipään tilavaatimukset.

• Optinen railonseuranta edellyttää ohjainta, joka sallii työstöradan korjauksen.

• Ohjaimen on kyettävä kapasitiiviseen korkeudenseurantaan myös 3D leikkauksessa eli kyettävä käytettävien akseleiden suhteessa oikein suoritettuun korjausliikkeeseen.”

Robottien käyttö lasertyöstössä tarvittavan liikkeen toteuttajana on jatkuvassa kasvussa. Nivelvarsirobottien käyttö on helpottunut uusien resonaattorityyppien yleistyessä markkinoilla. Kuituoptiikan ja kuitulaserin käyttö on helpottanut säteen tuomista laserpäähän. Laserlähteen ollessa tarpeeksi pieni on sen kiinnittäminen mahdollista itse nivelvarsirobottiin, sen käsivarteen. Tätä käytetään esimerkiksi alle kilowatin tehoisissa CO₂-lasersovelluksissa. Kiinnittäminen käsivarteen mahdollistaa helpon ja yksinkertaisen säteenkuljetuksen, jolloin säteenlaatu säilyy hyvänä. Toinen mahdollisuus toteuttaa CO₂-laserlähteen kiinnittäminen robottiin on kiinnittää se kolmannen nivelen yhteyteen ja tuoda säde peilejä käyttäen työstöoptiikalle. Tällainen menettely on myös mahdollista kuituoptiikkaa käyttäen. Laserlähteen sijoittaminen lähelle työstöpäätä parantaa säteenlaatua ja keventää työstöoptiikasta johtuvaa taakkaa robotin käsivarressa. (Kujanpää et al. 2005, s. 101.)

(10)

3 LASERLEIKKAUS

Teollisuuslasereita käytetään monissa erilaisissa materiaalin työstöissä. Lasereilla voidaan hitsata, leikata, merkata sekä porata. Niitä käytetään myös lämpökäsittelyyn sekä pinnoittamiseen. Materiaalikirjo on hyvin laaja. Lasereilla voidaan työstää lähes kaikkia materiaaleja. Laserleikkaus on kuitenkin yleisin käytetty lasertyöstömuoto, tarkemmin ottaen levyarkkien 2D-leikkaus. (ASM International, 2006, s.111.)

Laserleikkaus on erittäin joustava leikkauksen kantilta katsottuna. Lähestulkoon materiaali kuin materiaali on leikattavissa lasereilla oikeilla parametreilla. Samalla laserilla voidaan leikata muun muassa kangasta, puuta tai ruostumatonta terästä.

Laserin joustavuus tekee siitä erittäin varteenotettavan työstömenetelmän prototyyppien valmistamiseen sekä tuotantoon. Laserleikkauksen ollessa kosketukseton työstömenetelmä, siinä ei esiinny työkalun kulumista ja näin työkalun vaihtoa ei tarvita. Leikkaustulos on myös erittäin tarkka ja työstön jäljiltä leikkuupinta on erinomainen, joten jatkokäsittelyä, kuten jäysteenpoistoa ei tarvita. (ASM International, 2006, s.111.)

Metallien leikkauksessa materiaalinpaksuus rajoittuu yleensä ohutlevyn työstämiseen.

Laserleikkaus on ideaalinen erätuotannossa, just-in-time sekä pienistä keskisuurien tuotantoerien työstöön. (ASM International, 2006, s.111.)

Metallien laserleikkauksessa lasersäteen energia absorboituu leikattavan materiaaliin, joka lämpenee säteen vaikutuksesta sulamis- tai höyrystymispisteeseensä (Oberg et al. s. 1396). Laserleikkausprosessit jaotellaan sulattavaan leikkaukseen, polttoleikkaukseen sekä höyrystävään leikkaukseen. (Kujanpää et al. 2005, s. 134.)

Sulattavassa leikkauksessa lasersäde lämmittää leikattavan materiaalin sulamispisteen yläpuolelle ja sula puhalletaan pois inertillä kaasulla. Kaasun paine on tässä prosessia korkea, jopa 20 bar. Tällä prosessilla leikattavia materiaaleja ovat erityisesti ruostumaton teräs sekä muut runsaasti seostetut teräkset. Muita sulattavalla laserleikkauksella leikattavia materiaaleja ovat alumiinit, titaanit, monet polymeerit sekä keraamit. (Kujanpää et al. 2005, s. 135.)

(11)

Polttoleikkauksessa hapen ja materiaalin välille syntyy eksoterminen reaktio, joka tehostaa laserleikkausta tuomalla prosessiin lisää energiaa. Laser toimii tässä lämmönlähteenä, mutta aktiivikaasu eli happi voi olla myös dominoiva energianlähde kyseissä prosessissa. Leikkauspinnat hapettuvat polttoleikatessa ja tämän jälkeen leikkauspinnat ovat yleensä jälkikäsiteltävä oksidoituneen pinnan takia. Leikkaus vaatii tarkkaa kontrollia terävien nurkkien, pienien reikien sekä kapeiden kannaksien kohdilla, jotta leikattava kappale ei pala liikaa näiden piirteiden kohdalta. Tyypilliset materiaalit tälle leikkausprosessille ovat rautametallit. (Kujanpää et al. 2005, s. 134.)

Höyrystävässä leikkauksessa materiaalin poisto tapahtuu höyrystyen. Prosessi tarjoaa metallien leikkaukseen erittäin tarkan menetelmän ohuille materiaaleille.

Leikkausnopeudet ovat suhteellisen matalia verrattuna edellä mainittuihin leikkausprosesseihin. Suojakaasun tehtävänä on poistaa syntyvä höyry leikkausrailosta. Laserin on synnytettävä lasersäde, jonka tehotiheys on hyvin suuri.

(Kujanpää et al. 2005, s. 135.)

3.1 Kuitulaser

Kuitulaserissa optisen kuidun ytimeen seostettu alkuaine toimii laseroivana väliaineena eli resonaattorina (Kujanpää et al. 2005, s. 68). Alkuaineet ovat erbiumia, neodyymiä, ytterbiumia, tuliumia tai praseodyymiä (Paschotta, 2011). Yleisimmin laseroivana väliaineena käytetään lasiin seostettua ytterbiumia, jolloin aallonpituudeksi saadaan 1070 nm (IPG Photonics, 2011a).

Kuitu koostuu kahdesta kerroksesta, joista sisempi toimii laseroivana ytimenä.

Sisemmän kerroksen halkaisija voi olla luokkaa 8 m ja kuidun pituus voi olla jopa 200 m (Tonshoff & Ostendorf & Schafer, 1998). Tässä lasertyypissä säde synnytetään suoraan kuidun sisään pumppaamalla kuidun seostettua ydintä diodilaserin valolla.

Kuidun päissä on resonaattoripeilit ja itse pumppausenergia tuodaan kuidun sisään sen päästä, jolloin se läpäisee ytimen useita kertoja ja etenee kuidussa kokonaisheijastuksen avulla. Kuidun rakenne on nähtävissä kuvassa 2.

Kokonaisheijastuksen ansiosta prosessissa ei tule tehohäviötä. Syntyvä säde on pieni halkaisijaltaan sekä säteenlaatu erittäin hyvä. Laserin rakenne on modulaarinen, toisin sanoen kuitua pumpataan useammalla lasermodulilla, jolloin saavutetaan suuri teho.

(Kujanpää et al. 2005, s. 68.)

(12)

Kuva 2. Kuitulaserin kuidun rakenne (Kujanpää et al. 2005, s. 68).

On myös olemassa toinen tapa pumpata kuitua. Tässä varhaisemmassa kehitysversiossa kuitua pumpataan kohtisuorasti kuidun pituuteen nähden (Ion, 2005, s. 96.)

Tehokkaimmille kuitulasereille tarvitaan suhteellisen suuri ytimen pinta-ala, koska muuten tehotiheys kuidussa nousee liian suureksi. Toinen syy käyttää suurempaa ytimen pinta-alaa on kaksikerroksisessa kuidussa liian suuri ulompi kerros verrattuna ytimeen, jolloin pumppausvalon absorptio kuituun on heikko. Aina muutaman tuhannen neliömikrometrin kokoiseen pinta-alaan saakka on mahdollista käyttää single-mode kuitua, kun puhutaan ytimen pinta-alasta. Suuremmat pinta-alat ovat mahdollisia toteuttaa multimode tyylisillä kuiduilla, joissa ytimen pinta-ala on suurempi verrattuna ulompaan kerrokseen. (Paschotta, 2011.)

Ytterbiumilla seostetut kuitulaserit ovat ihanteellisia laserleikkaukseen aallonpituuden, useiden kilowattien tehon, erittäin hyvän säteen laadun sekä pienen polttopisteen ansiosta. Kuitulasereilla on myös laaja dynaaminen tehoalue ja säteen fokus sekä sen paikka pysyvät vakioina vaikka lasertehoa vaihdettaisiin. Optiikkaa säätämällä saadaan myös laaja valikoima erikokoisia polttopisteitä. Näillä ominaisuuksilla saavutetaan hyvin tasainen ja laadukas leikkauksen lopputulos. (IPG Photonics, 2011a.)

Kuitulasereiden säteen laatu sekä sen moodi tuottavat pienen polttopisteen. Tähän yhdistettynä optimaalinen säteen pulssitus helpottavat monimutkaisten muotojen leikkaamista ohueen materiaaliin. Leikkaus pulssittamalla minimoi kuonan määrän leikkauspinnassa sekä jättää pienen HAZ:in leikattavaan materiaaliin. Tehotiheyden

(13)

ollessa korkea pienen polttopisteen sekä säteen moodin ansiosta, kuitulaserilla päästään korkeisiin leikkausnopeuksiin sekä ylivertaiseen leikkauspinnan laatuun, kuva 3. Tämä vähentää kappaleen jälkityöstötarvetta, jolloin kappaleen läpimenoaika tuotannossa vähenee. Korkeatehoisilla kuitulasereilla leikataan yleensä jatkuvatoimisilla (CW) lasereilla ohuita levytuotteita. Yleisimmät korkeatehoisten kuitulaserien sovellukset soveltuvat 3D-leikkaamiseen usealla teollisuuden alalla, kuten esimerkiksi autoteollisuudessa. Alumiini- sekä titaanimateriaalien leikkaamisessa kuitulasereilla voidaan leikata alkureiät niittejä varten, tätä sovelletaan esimerkiksi lentoteollisuudessa. Paksujen levymateriaalien materiaaleista sovelluksia löytyy esimerkiksi telakkateollisuudesta. (IPG Photonics, 2011a.)

Kuva 3. Hiiliteräksen leikkauspinta kuitulaserilla leikattuna (IPG Photonics, 2011b).

3.2 CO₂-laser

CO2-laser eli hiilidioksidilaser on kaasulaser, jossa laseroivana väliaineena toimii hiilidioksidikaasu ja sen aallonpituus on 10600 nm. Kaasuseos sisältää myös typpeä ja heliumia. Tyypillisesti resonaattorin kaasuseoksen koostumus on 68–85 % heliumia, 13–35 % typpeä sekä 1–9 % hiilidioksidia. Helium ja typpi avustavat hyvänlaatuisen säteen synnyttämistä ja niiden tehtävät ovat toimia herättäjänä sekä jäähdyttäjänä.

Typpi toimii herättäjänä ja avustaa sähköisen energian siirtoa hiilidioksidimolekyyliin.

Typen energiataso vastaa CO2-molekyylin ylempää viritystasoa, josta laservalon vaatima kvantti voi muodostua. Kuvassa 4 nähdään kuinka typpi siirtää

(14)

virittymisenergiansa hiilidioksidimolekyyliin. Helium toimii prosessissa jäähdyttäjänä.

Tämä kaasuseos lämpiää resonaattorissa ja kun kaasu viedään jäähdyttimeen siirtää helium lämmön lämmönvaihtimeen tehokkaasti, mutta ei häiritse varsinaista laserointia.

CO2-laserissa laseroivaa väliainetta viritetään sähkövirtaa avuksi käyttäen. Virittäminen voi tapahtua tasa- tai vaihtovirralla. Hiilidioksidilaserin hyötysuhde ei yllä kovinkaan korkealle. Teoreettinen hyötysuhde on n. 21 %. (Kujanpää et al. 2005, s. 54-55.)

Kuva 4. Elektronien viritystasot hiilidioksidimolekyylissä (Kujanpää et al. 2005, s. 55).

Toimintaperiaatteensa mukaan hiilidioksidilaserit voidaan jakaa seuraavasti (Kujanpää et al. 2005, s. 55-56):

poikittaisvirtauslaser (cross-flow)

diffuusiojäähdytetty laser (diffusion-cooled) nopean pitkittäisvirtauksen laser (fast-axial flow) hitaan pitkittäisvirtauksen laser (slow-axial flow) suljetun resonaattorin laser (sealed-off, sealed tube) TEA-laser

Kolmea viimeksi mainittua lasertyyppiä ei käytetä konepajan työstösovelluksissa, koska niiden teho on liian matala. Valtaosa näissä sovelluksissa käytettävistä lasereista on nopean pitkittäisvirtauksen, poikittaisvirtauksen tai diffuusiojäähdytettyjä lasereita.

Suuritehoiset laserit ovat poikittaisvirtaustyyppisiä lasereita ja pienitehoiset ovat

(15)

pitkittäisvirtaustyyppisiä. Pienitehoisista lasereista puhuttaessa tarkoitetaan teholtaan 1-6 kW lasereita. (Kujanpää et al. 2005, s. 55-56.)

3.2.1 Poikittaisvirtauslaser

Poikittaisvirtauslaserin periaatteena on laserkaasun kierrättäminen kohtisuorasti resonaattoriin ja säteen optiseen akseliin verrattuna. Suhteellisen suuri määrä kaasua kiertää hitaasti resonaattorin läpi sekä kuljettaa lämmön resonaattorin jälkeen lämmönvaihtimeen. Teho vahvistuu resonaattorissa, jossa säde heijastuu edestakaisin peilien välillä. Kuvasta 5 nähdään poikittaisvirtauslaserin periaate ja sen komponentit.

Poikittaisvirtauslaserin etuna on suuret saavutettavissa olevat tehot, kohtuullinen hinta ja kompakti koko. Säteenlaatu on heikompi kuin pitkittäisvirtauslaserissa. Suurimmat tehot tällä lasertyypillä saadaan moduulirakenteesta, esimerkiksi 45 kW koostuu kuudesta samantehoisesta moduulista. (Kujanpää et al. 2005, s. 57.)

Kuva 5. Poikittaisvirtauslaser. 1. lasersäde, 2. puhallin, 3. kaasun virtaussuunta, 4.

lämmönvaihdin, 5. takapeili, 6. tehonmittari, 7. taittopeili, 8. radiotaajuus RF-elektrodit, 9. ulostuloikkuna, 10. toinen ulostuloikkuna (Kujanpää, sädetyöstö luennot 2011).

(16)

3.2.2 Diffuusiojäähdytetty laser, slab-laser

Hiilidioksidilasereista uusinta sukupolvea edustavat niin sanotut slab-laserit, joissa lasersäteen synnyttäminen tapahtuu kahden laajan kuparielektrodin välissä. Lämmön poistaminen prosessista tapahtuu nopeasti elektrodien lyhyen etäisyyden ja vesijäähdytyksen ansiosta. Resonaattori rakennetaan kahdesta sylinteripeilistä ja se tuottaa erittäin hyvin fokusoitavan säteen. Kuvasta 6 nähdään diffuusiolaserin rakenne.

Tällä rakenteella on etuina kompakti rakenne ja kestävä rakenne ja alhainen kaasun kulutus. Kaasua lisätään vain tiettyinä jaksoina ja kaasun pienestä kulutuksesta kertoo yhden pienen kaasupullon riittoisuus vuodeksi. (Kujanpää et al. 2005, s. 57-58.)

Kuva 6. Diffuusiojäähdytetty laser. 1. lasersäde, 2. säteen muotoilu, 3. etupeili, 4.

jäähdytysvesi, 5. radiotaajuus RF-viritys, 6. jäähdytysvesi, 7. takapeili, 8. laserkaasu, 9.

RF-elektrodit (Kujanpää, sädetyöstö luennot 2011).

3.2.3 Nopean pitkittäisvirtauksen laser

Pitkittäisvirtauslasereissa laseroiva kaasuseos kiertää suurella nopeudella resonaattorin ja säteen optisen akselin suuntaisesti. Suurella virtausnopeudella saavutetaan tehokas jäähdytys. Kuvasta 7 on nähtävissä pitkittäisvirtauslaserin toimintaperiaate ja rakenteen osat. Näitä segmenttejä on mahdollista yhdistää sarjaan optisesti. Tällainen rakenne on nähtävissä kuvassa 8. Säteen moodi ja fokusoitavuus ovat tyypillisesti korkeatasoiset ja nämä laserit soveltuvat hyvin laserleikkaamiseen.

Tyypillisiä moodeja ovat TEM₀₀, TEM_01*, TEM₁₀ ja TEM₂₀. Tehon ylärajan rajaavat tarvittava kaasun virtausnopeus ja hyvän säteenlaadun aiheuttama rasitus optisille komponenteille. (Kujanpää et al. 2005, s. 56.)

(17)

Kuva 7. Pitkittäisvirtauslaser, jossa lasersäde kiertää peilien heijastamana ja samalla sitä viritetään ennen kuin lasersäde tulee ulos. 1. lasersäde, 2. ulostuloikkuna, 3. kaasu ulos, 4. tasavirta viritys, 5. tasavirta elektrodit, 6. taittopeilit, 7. kaasu sisään, 8. takapeili (Kujanpää, sädetyöstö luennot 2011).

Yhdistämällä segmenttejä saadaan nostettuja tehoja. Sarjaan yhdistämällä säilytetään myös yksittäisen segmentin ominaisuudet, joita ovat virityksen vakaus ja kaasun virtausolosuhteet. Tällä tavoin saadaan valmistettua eritehoisia laserlaitteita. (Kujanpää et al. 2005, s. 56.)

(18)

Kuva 8. Pitkittäisvirtauslaser, jossa useampi segmentti on yhdistetty suuremman tehon aikaansaamiseksi (Kujanpää et al., 2005, s. 57).

3.3 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

(19)

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.)

(20)

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.)

(21)

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).

(22)

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

(23)

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.)

(24)

4 CO2 JA KUITULASERIN VERTAILU

Kuitulaserin ja hiilidioksidilaserin vertailussa voidaan käyttää monia eri kriteerejä. Muun muassa laserin koko ja työaseman koko voidaan ottaa vertailupohjaksi. Teknisiä tietoja eri valmistajilta työasemista ja laserlähteistä on nähtävissä liitteissä 1 ja 2. Alla olevassa vertailussa on otettu muutamat kriteerit Bystronic laservalmistajan näkökulmasta. Uudempi kuitulaser on ominaisuuksiltaan hiilidioksidilaseria parempi muun muassa seuraavissa asioissa (Bystronic, 2011):

energiatehokkuus kompakti koko

yksinkertainen käyttää vähäinen ylläpidon tarve

Hiilidioksidilaserin eduiksi voidaan laskea (Lüdi & Wittwer, 2009):

halvempi hankintahinta

Energiatehokkuuden takia kuitulasereilla voidaan säästää jo energiansäästöinä kymmeniä tuhansia vuodessa. Taulukossa kolme on suuntaa-antava laskelma CO₂- ja kuitulaserin käyttöönottovuoden kustannuksista.

(25)

Taulukko 3. Käyttöönottovuoden laskelmat CO₂- sekä kuitulaserille käyttäen Laser Photonicsin tekemiä laskelmia (Laser Photonics, 2010a).

CO2-laser (3000 W) Kuitulaser (3000 W)

Luotettavuus noin 20 000 h 50 000 - 100 000 h

Energiankulutus korkea erittäin matala

Sähkönkulutus (n. 0,08 € / kWh) Laser: 54 kW Laser: 14 kW

Jäähdytin: 32 kW (arvio) Jäähdytin: 11 kW (arvio)

Laskelmat

20 h/päivä * (54+32)kW *

0,08 € / kWh * 250 päivää 20 h/päivä * (14+11)kW * 0,08 € / kWh * 250 päivää

= 33 093 € / vuosi = 9 604 € / vuosi

Huolto- ja palvelukulut 26 839 € / vuosi -

Kaasukulut: Typpi, hiilidioksidi, helium

(7,66 $/h) 7,66 $/h * 20 h/päivä * 250

päivää

-

= 29 369 € / vuosi

Käyttöönottovuoden kulut: 89 248 € 9 604 €

Terästä leikatessa polttoleikkaamalla kahden kilowatin tehoinen kuitulaser pystyy leikkaamaan samalla nopeudella kuin viiden kilowatin tehoinen hiilidioksidilaser alle 5 mm materiaalinpaksuuksilla. Yli 5 mm materiaalinpaksuuksilla 2 kW kuitulaser pystyy samaan nopeuteen samantehoisen hiilidioksidilaserin kanssa. Kuvasta 10 on nähtävissä leikkausnopeuksia kuitu- ja hiilidioksidilaseria käytettäessä eri materiaalinpaksuuksille. Leikkauspinnan laatu on molemmilla lasereilla sama. Alle 6 mm paksuuksilla erittäin hyvä ja yli 6 mm paksuuksilla hyvä. (Lüdi et al. 2009.)

(26)

Kuva 10. Nopeus-paksuus taulukko polttoleikatessa terästä kuitu- ja CO2-lasereilla (Lüdi et al. 2009).

Materiaalin ollessa alumiini, kahden kilowatin kuitulaser pystyy leikkaamaan 4 mm materiaalinpaksuuteen asti suuremmalla nopeudella kuin viiden kilowatin hiilidioksidilaser. Yli 4 mm paksuuksissa kahden kilowatin kuitulaser pystyy samaan nopeuteen kuin kahden kilowatin hiilidioksidilaser, kuva 11. Leikatun pinnan laatu on molempien lasereiden kohdalla sama. (Lüdi et al. 2009.)

Kuva 11. Nopeus-paksuus taulukko laserleikatessa alumiinia kuitu- ja CO2-lasereilla (Lüdi et al. 2009).

(27)

Kuva 12. Nopeus-paksuus taulukko laserleikatessa ruostumatonta terästä kuitu- ja CO₂-lasereilla (Lüdi et al. 2009).

Ruostumattoman teräksen kohdalla tulokset ovat samoja kuin terästä ja alumiinia laserleikatessa, erona on ainoastaan leikatun pinnan laatu. Alle 4 mm materiaalinpaksuuksilla 2 kW kuitulaserilla pystytään leikkaamaan nopeammin kuin 5 kW hiilidioksidilaserilla ja yli 4 mm paksuuksilla 2 kW tehoisilla kuitu- ja hiilidioksidilaserilla nopeudet ovat samat, kuva 12. Leikatun pinnan laatu on kuitulaserilla melko karkea ja hiilidioksidilaserilla leikattu pinta on sileämpi. Kuvasta 13 on nähtävissä ruostumattoman teräksen leikatut pinnat, materiaalinpaksuus 4 mm ja pinnankarkeus R_z ~30 m kuitulaserilla leikattuna ja R_z < 10 m hiilidioksidilaserilla leikattuna. (Lüdi et al. 2009).

Kuva 13. Leikattujen pintojen laatu. Materiaali ruostumaton teräs, paksuus 4 mm.

Ylempänä pinta leikattuna kuitulaserilla, pinnankarheus Rz ~30 m leikon alaosassa.

Alempana pinta leikattuna hiilidioksidilaserilla, pinnankarheus R_z < 10 m (Lüdi et al.

2009).

(28)

5 JOHTOPÄÄTÖKSET

Näiden kahden laserin vertailussa käytetään valmistajien antamia tietoja. Valmistajilta löytyvät tiedot käsittelevät säteen laatuja, tehoja, työasemien sekä laserlähteiden fyysisiä mittoja ja energian kulutusta. Näiden lisäksi löytyy erilaista tietoja riippuen laitevalmistajasta ja suoranainen vertailu tiettyjen kuitulaserin ja hiilidioksidilaserin ominaisuuksien välillä on ajoittain hankalaa saatavilla olevan tiedon perusteella, koska suoraan toisiinsa verrattavissa olevaa tietoa ei ole valmistajien Internet-sivuilla.

Työn tavoitteina olleet suorat vertailutiedot eri valmistajilta kuitu- ja hiilidioksidilaserien käytöstä laserleikkauksessa eivät täsmää muuta kuin tietyiltä osa-alueilta. Edes lasertyöasemien ja laserlähteiden fyysisiä mittoja ei löydy kaikilta valmistajilta.

Leikkausparametreja löytyy hyvin vähän. Artikkeleista ja muista tiedotteista löytyy joitain parametreja, mutta vertailukelpoista materiaalia eri valmistajien lasereiden välillä on harmittavan vähän. Yleensä parametrit joutuu hakemaan kohdilleen yrityksen ja erehdyksen kautta ja optimointi voi olla monissa tapauksissa pitkäkin prosessi. Näitä tietoja ei sitten mielellään lahjoiteta muille, pahimmassa tapauksessa kilpailijalle.

Hiilidioksidilaseria ja kuitulaseria vertaillessa kuitulaserin käyttö on vielä ainakin toistaiseksi vähäisempää, mutta materiaalin leikkaamiselle asetetut vaatimukset kiristyvät. Laserleikkaukselta vaaditaan yhä enemmän ja itse laserilta vaaditaan parempaa säteenlaatua ja hyötysuhdetta energiankäytön suhteen. Nämä asiat puoltavat kuitulaserin käytön yleistymistä laserleikkausprosesseissa. Kuitulaserin eduiksi voidaan vielä laskea säteenkuljetus. Säteenkuljetuksen tapahtuessa kuidussa on se helpompi viedä leikattavan materiaalin pinnalle ja varsinkin 3D-sovelluksissa on se vieläkin suurempi etu kuin 2D-leikkauksessa. Hiilidioksidilaser hallitsee vielä tehokkuudellaan, mutta kuitulaserlähteet kehittyvät koko ajan ja näin ollen kuitulaser tullee menemään hiilidioksidilaserin ohi metallisten materiaalien leikkaamisessa edellä mainittujen vahvuuksiensa ansiosta, ainakin joissain määrin.

(29)

6 YHTEENVETO

Laserleikkaus ohutlevymateriaalien leikkaamisessa on erittäin joustava leikkausvaihtoehto niin yksinkertaisten kuin monimutkaisten muotojen leikkaamisessa.

Vanhaa koulukuntaa edustava hiilidioksidilaser on vielä tehokkaana, tuttuna ja turvallisena vaihtoehtona käytetyin laserleikkausmenetelmä. Aallonpituutensa ja sen absorption takia hiilidioksidilaseria voidaan pitää vielä monipuolisempana lasermenetelmänä sen laajemman materiaalikirjon takia. Kuitulaser uudempana lasermenetelmänä tuo laserleikkaukseen erittäin hyvällä säteenlaadullaan ja energiatehokkuudellaan erittäin kilpailukykyisen vaihtoehdon hiilidioksidilaserin syrjäyttämiseen metallisten materiaalien leikkaamisessa.

Hankintakustannukset ovat vielä toistaiseksi etu hiilidioksidilaserille. Kuitulaserin yleistyessä sen hankintakustannukset tulevat laskemaan. Käyttökustannukset ovat jo kuitulaserin kannalta edullisemmat ja kuidun käyttö säteentuonnissa helpottaa ja monipuolistaa kuitulaserin käyttöä laserleikkaamisessa, etenkin 3D-muotoja leikatessa.

(30)

LÄHDELUETTELO

ASM International, ASM Handbook 14B Metalworking: Sheet forming, ASM International Handbook Committee, S.L. 2006. ISBN-10: 0-87170-710-1

Bystronic. BySprint Fiber 3015. [Verkkodokumentti]. [Viitattu: 31.10.2011] Saatavilla http://www.bystronic.fi/cutting_and_bending/fi/fi/products/laser/BySprintFiber/index.php

Durma Laser Cutting Machines. [Verkkodokumentti]. [Viitattu 31.01.2012]. Saatavilla http://v1.durmazlar.com.tr/pdf_catalog/HD_HDF.pdf

Hillebrand, The Fabricator. High-powered lasers take a bite out of plate [verkkodokumentti]. [Viitattu: 2.11.2011] Saatavilla

http://www.thefabricator.com/article/lasercutting/high-powered-lasers-take-a-bite-out-of- plate

Hypertherm, HyIntensity Fiber Laser HFL015, 2011. [verkkodokumentti]. [Viitattu 31.01.1012]. Saatavilla

https://www.hypertherm.com/Xnet/library/library.jsp?download_part_number=881330

Ion, Laser Processing of Engineering Materials: Principles, Procedure and Industrial Application, Elsevier Butterworth-Heinemann, Burlington 2005. ISBN 0 7506 6079 1.

IPG Photonics 2011a. Laser Cutting with Ytterbium Lasers. [Verkkodokumentti].

[Viitattu: 31.10.2011] Saatavilla

http://www.ipgphotonics.com/apps_mat_lab_cutting.htm

IPG Photonics 2011b. Laser Cutting with Ytterbium Lasers Samples [Verkkodokumentti]. [Viitattu: 31.10.2011] Saatavilla

http://www.ipgphotonics.com/apps_matlab_cutting_samples.htm

IPG Photonics, YLM Fiber Laser Multimode 2011 series. [verkkodokumentti]. [Viitattu 31.01.2012]. Saatavilla http://www.ipgphotonics.com/Collateral/Documents/English- US/YLM_Series_MM2011_IPG.pdf

(31)

IPG Photonics, YLR Fiber Laser 2011 series. [verkkodokumentti]. [Viitattu 31.01.2012].

Saatavilla http://www.ipgphotonics.com/Collateral/Documents/English- US/YLR_MM_Series2011_IPG.pdf

IPG Photonics, YLS series. [verkkodokumentti]. [Viitattu 31.01.2012]. Saatavilla http://www.ipgphotonics.com/Collateral/Documents/English-US/HP_Brochure.pdf

Keinänen & Kärkkäinen, Konetekniikan perusteet. WSOY, Helsinki 2009, ISBN 978-951-0-32900-9

Kujanpää & Salminen & Vihinen, Lasertyöstö. Teknologiateollisuus ry, Helsinki 2005, s.373. ISBN 951-817-876-3

Kujanpää, 2011. Luentomoniste. Sädetyöstö, resonaattorin periaate. Lappeenranta.

Laser Photonics 2010a, Fiber Vs. CO₂ Comparison. [verkkodokumentti]. [Viitattu 31.01.2012] Saatavilla http://www.laserphotonics.com/products/fiber-cutting- series/fiber-vs-co2-comparison

Laser Photonics 2010b, The FLC 5x10 Fiber Laser Cutting Machine.

[verkkodokumentti]. [Viitattu 31.01.2012]. Saatavilla

http://www.laserphotonics.com/products/fiber-cutting-series/flc-5x10

Lüdi & Wittwer, 2009, Sheet metal cutting with fiber lasers. [verkkodokumentti].

[Viitattu: 30.01.2012] Saatavilla

http://www.swisslaser.net/libraries.files/LuediBystronic.pdf

Oberg & Jones & Horton & Ryffel, Machinery's Handbook 28th Edition, Industrial Press Inc., New York 2008. ISBN 978-0-8311-2800-5.

Paschotta, 2011a, Fiber Lasers. Encyclopedia of Laser Physics and Technology [verkkodokumentti]. [Viitattu 26.10.2011]. Saatavilla http://www.rp-

photonics.com/fiber_lasers.html

(32)

Paschotta, 2011b, High-power Fiber Lasers and Amplifiers. Encyclopedia of Laser Physics and Technology [verkkodokumentti]. [Viitattu 25.10.2011]. Saatavilla http://www.rp-photonics.com/high_power_fiber_lasers_and_amplifiers.html

Pihlava, Ohutlevyjen etäleikkaus laserilla, Diplomityö, Lappeenranta 2010

Rofin FL Series, 2012. [verkkodokumentti]. [Viitattu 31.01.2012]. Saatavilla

http://www.rofin.com/en/products/fiber_lasers/fl_series/?PHPSESSID=9adc21c61f1616 fd5b4ae339ef7e3526

Rofin DC Series, 2012. [verkkodokumentti]. [Viitattu 31.01.2012]. Saatavilla http://www.rofin.com/index.php?id=161&L=1

Scherbakov, Luentomoniste. Fiber Lasers -Actual Status & Targets. 24.05.2005

Steen, Laser Material Processing. Springer-Verlag, Lontoo 2003. ISBN-1-85233-698-6

Technical Data BySprint. [verkkodokumentti]. [Viitattu 31.01.2012]. Saatavilla

http://www.bystronic.com/cutting_and_bending/com/en/products/laser/BySprint/BySprin t_Datasheet_en.pdf

Technical Data BySpeed Pro. [verkkodokumentti]. [Viitattu 31.01.2012]. Saatavilla http://www.bystronic.com/cutting_and_bending/com/en/products/laser/BySpeedPro/By Speed_Pro_Datasheet_En.pdf

Technical Data BySprint Fiber. [verkkodokumentti]. [Viitattu 31.01.2012]. Saatavilla http://www.bystronic.com/cutting_and_bending/com/en/products/laser/BySprintFiber/By Sprint_Fiber_Datasheet_En.pdf

Technical Data Bystar L. [verkkodokumentti]. [Viitattu 31.01.2012]. Saatavilla

http://www.bystronic.com/cutting_and_bending/com/en/products/laser/bystar_l/Bystar_

L_datasheet_En.pdf

Technical Data Bystar. [verkkodokumentti]. [Viitattu 31.01.2012]. Saatavilla

http://www.bystronic.com/cutting_and_bending/com/en/products/laser/bystar/Bystar_da tasheet_En.pdf

(33)

Technical Data BySprint Pro. [verkkodokumentti]. [Viitattu 31.01.2012]. Saatavilla http://www.bystronic.com/cutting_and_bending/com/en/products/laser/bysprint_pro/By Sprint_Pro_Datasheet_en.pdf

Technical Data ByVention. [verkkodokumentti]. [Viitattu 31.01.2012]. Saatavilla

http://www.bystronic.com/cutting_and_bending/com/en/products/laser/byvention/ByVen tion_Datasheet_EN.pdf

Technical Data Byspeed. [verkkodokumentti]. [Viitattu 31.01.2012]. Saatavilla

http://www.bystronic.com/cutting_and_bending/com/en/products/laser/byspeed/Byspee d_datasheet_En.pdf

Technical Data BySprint Fiber. [verkkodokumentti]. [Viitattu 31.01.2012]. Saatavilla http://www.bystronic.com/cutting_and_bending/com/en/products/laser/BySprintFiber/By Sprint_Fiber_Datasheet_En.pdf

Tonshoff & Ostendorf & Schafer, Fiber laser - compact source for micro-welding [verkkodokumentti]. [Viitattu 27.10.2011]. Saatavilla

http://md1.csa.com/partners/viewrecord.php?requester=gs&collection=TRD&recid=199 910551804MD

Trumpf TruCoax Lasers, 2012. [verkkodokumentti]. [Viitattu 31.01.2012]. Saatavilla http://www.trumpf-laser.com/en/products/co2-lasers/diffusion-cooled-

lasers/trucoax.html

Trumpf TruFiber Lasers, 2012. [verkkodokumentti]. [Viitattu 31.01.2012]. Saatavilla http://www.trumpf-laser.com/en/products/solid-state-lasers/fiber-lasers/trufiber.html

Trumpf TruFlow Lasers, 2012. [verkkodokumentti]. [Viitattu 31.01.2012]. Saatavilla http://www.trumpf-laser.com/en/products/co2-lasers/axial-flow-lasers/truflow-10000- w.html

Trumpf 2012, TruLaser 1030. [verkkodokumentti]. [Viitattu 31.01.2012]. Saatavilla http://www.uk.trumpf.com/products/machine-tools/products/2d-laser-cutting/laser- cutting-machines/trulaser-series-1000.html

(34)

Trumpf 2012, TruLaser 2025. [verkkodokumentti]. [Viitattu 31.01.2012]. Saatavilla http://www.uk.trumpf.com/products/machine-tools/products/2d-laser-cutting/laser- cutting-machines/trulaser-series-2000.html

Trumpf 2012, TruLaser 3030 Basic Edition. [verkkodokumentti]. [Viitattu 31.01.2012].

Saatavilla http://www.uk.trumpf.com/products/machine-tools/products/2d-laser- cutting/laser-cutting-machines/trulaser-series-3000/trulaser-3030-basic-edition.html

Trumpf 2012, TruLaser 3030 Lean Edition. [verkkodokumentti]. [Viitattu 31.01.2012].

Saatavilla http://www.uk.trumpf.com/products/machine-tools/products/2d-laser- cutting/laser-cutting-machines/trulaser-series-3000/trulaser-3030-lean-edition.html

Trumpf 2012, TruLaser 3030/3040. [verkkodokumentti]. [Viitattu 31.01.2012]. Saatavilla http://www.uk.trumpf.com/products/machine-tools/products/2d-laser-cutting/laser- cutting-machines/trulaser-series-3000/trulaser-3030-3040.html

Trumpf 2012, TruLaser 3060. [verkkodokumentti]. [Viitattu 31.01.2012]. Saatavilla http://www.uk.trumpf.com/products/machine-tools/products/2d-laser-cutting/laser- cutting-machines/trulaser-series-3000/trulaser-3060.html

Trumpf 2012,TruLaser 5030 / 5040 / 5060. [verkkodokumentti]. [Viitattu 31.01.2012].

Saatavilla http://www.uk.trumpf.com/products/machine-tools/products/2d-laser- cutting/laser-cutting-machines/trulaser-series-5000/trulaser-5030-5040-5060.html

Trumpf 2012,TruLaser 5030 Fiber. [verkkodokumentti]. [Viitattu 31.01.2012]. Saatavilla http://www.uk.trumpf.com/products/machine-tools/products/2d-laser-cutting/laser- cutting-machines/trulaser-series-5000/trulaser-5030-fiber.html

Trumpf 2012,TruLaser 7025 / 7040 Fiber. [verkkodokumentti]. [Viitattu 31.01.2012].

Saatavilla http://www.uk.trumpf.com/products/machine-tools/products/2d-laser-

cutting/laser-cutting-machines/trulaser-series-7000/trulaser-7025-fiber-7040-fiber.html

Trumpf 2012,TruLaser 7025 / 7040. [verkkodokumentti]. [Viitattu 31.01.2012].

Saatavilla http://www.uk.trumpf.com/products/machine-tools/products/2d-laser- cutting/laser-cutting-machines/trulaser-series-7000/trulaser-7025-7040.html

(35)

Trumpf 2012,TruLaser 8000. [verkkodokumentti]. [Viitattu 31.01.2012]. Saatavilla http://www.uk.trumpf.com/products/machine-tools/products/2d-laser-cutting/laser- cutting-machines/trulaser-series-8000.html

Wuhan Tianqi Laser Equipments 2012, TQL-MFC High-power Fiber Laser Cutting Machine. [verkkodokumentti]. [Viitattu 31.01.2012]. Saatavilla

http://www.tqlaser.com/en/productsshow.asp?id=36&Bigclass=1&Bigname=Laser%20c utting%20machine&Smallname=

Wuhan Tianqi Laser Equipments 2012, TQL-MFC Midium Power Fiber Laser Cutting Machine. [verkkodokumentti]. [Viitattu 31.01.2012]. Saatavilla

http://www.tqlaser.com/en/productsshow.asp?id=38&Bigclass=1&Bigname=Laser%20c utting%20machine&Smallname=Fiber%20Cutting%20Machine

Wuhan Tianqi Laser Equipments 2012, TQL-MFC TQL-MFC Low Power Fiber Laser Cutting Machine. [verkkodokumentti]. [Viitattu 31.01.2012]. Saatavilla

http://www.tqlaser.com/en/productsshow.asp?id=39&Bigclass=1&Bigname=Laser%20c utting%20machine&Smallname=

(36)

Liite 1. Lasertyöasemien teknisiä tietoja

Liitteessä 1 on kerätty tietoa eri laservalmistajien tarjoamista lasertyöasemista.

Valmistajien antamien tietojen mukaan on kerätty heidän valmistamien työasemien fyysisiä mittoja, jotta voidaan määritellä tilantarve työasemaa hankittaessa. Liitteeseen 1 on myös kerätty tietoja mitä materiaalia sekä materiaalinpaksuuksia on mahdollista leikata ja millaisen laserlähteen tietyn materiaalin sekä paksuuden leikkaamiseen tarvitsee. Työskentelyalue kertoo laitevalmistajan määrittelemän suurimman alueen, jota lasertyöasemalla pystyy leikkaamaan ja näin ollen saadaan tietoon myös ohutlevymateriaalin suurin mahdollinen levykoko, jota laite pystyy käsittelemään

.

Valmistaja Max. simultaneous positioning speed [m/min]

Bystronic BySprint 3015 140

Max. Axis acceleration [m/s²]

12

Fyysiset mitat

Pituus [mm] ByLaser 2200 / ByLaser 3300 10150/10400

Leveys [mm] 7300

Korkeus [mm] 2380

Paino [kg] 12000

Työskentelyalue

X-akseli [mm] 3048

Y-akseli [mm] 1524

Z-akseli [mm] 70

Leikattavat materiaalit (ByLaser 2200) Paksuus [mm]

Hiiliteräs 15

Ruostamaton teräs 6

Alumiini 5

Hiiliteräs 20

Alumiini 8

(Technical Data BySprint, 2012.)

(37)

Bystronic BySpeed Pro 3015 169

30

Fyysiset mitat

Pituus [mm] 13500

Paino [kg] 20000

Hiiliteräs 25

Alumiini 12

Hiiliteräs 25

Alumiini 15

(Technical Data BySpeed Pro, 2012.)

Bystronic BySprint Fiber 3015 140

12

Fyysiset mitat

Pituus [mm] 10120

Paino [kg] 12000

Leikattavat materiaalit (Fiber 2000) Paksuus [mm]

Hiiliteräs 12

Alumiini 8

Kupari 3

Messinki 4

(Technical Data BySprint Fiber, 2012.)

(38)

Bystronic ByStar L 4025-65 85

3

Fyysiset mitat

Pituus [mm] 19000

Paino [kg] 32000

Hiiliteräs 25

Alumiini 12

Leikattavat materiaalit (ByLaser 5200 ARC) Paksuus [mm]

Hiiliteräs 20

Alumiini 12

Hiiliteräs 25

Alumiini 15

(Technical Data ByStar L, 2012.)

(39)

3

Fyysiset mitat

Pituus [mm] 23500

Paino [kg] 34000

Hiiliteräs 25

Alumiini 12

Hiiliteräs 20

Alumiini 12

Hiiliteräs 25

Alumiini 15

(Technical Data ByStar L, 2012.)

(40)

3

Fyysiset mitat

Pituus [mm] 35500

Paino [kg] 44000

X-akseli [mm] 12000

Hiiliteräs 25

Alumiini 12

Hiiliteräs 20

Alumiini 12

Hiiliteräs 25

Alumiini 15

(Technical Data ByStar L, 2012)

(41)

Bystronic Bystar 3015 113

4,5

Fyysiset mitat

Pituus [mm] 12900

Paino [kg] 13500

Hiiliteräs 25

Alumiini 12

Hiiliteräs 25

Alumiini 12

Hiiliteräs 25

Alumiini 15

(Technical Data ByStar, 2012.)

(42)

3

Fyysiset mitat

Pituus [mm] 16000

Paino [kg] 18300

Hiiliteräs 25

Alumiini 12

Hiiliteräs 25

Alumiini 12

Hiiliteräs 25

Alumiini 15

(43)

3

Fyysiset mitat

Pituus [mm] 14750

Paino [kg] 27000

Hiiliteräs 25

Alumiini 12

Hiiliteräs 25

Alumiini 12

Hiiliteräs 25

Alumiini 15

(44)

Bystronic BySprint Pro 3015 140

12

Fyysiset mitat

Pituus [mm] 10400

Paino [kg] 12000

Hiiliteräs 20

Alumiini 15

Hiiliteräs 20

Alumiini 15

(Technical Data BySprint Pro, 2012.)

Bystronic ByVention 3015 140

ei kerrottu

Fyysiset mitat

Pituus [mm] 6000

Leveys [mm] 6000/6400

Paino [kg] 27000

Hiiliteräs 8

Alumiini 4

Hiiliteräs 8

Alumiini 8

(Technical Data ByVention, 2012.)

(45)

Bystronic BySpeed 4020 169

30

Fyysiset mitat

Paino [kg] 26000

Leikattavat materiaalit (ByLaser 4400, 5200

ARC) Paksuus [mm]

Hiiliteräs 25

Alumiini 12

(Technical Data Byspeed, 2012.)

Durma HD 3015 131

19,62

Fyysiset mitat

Pituus [mm] 10400

Paino [kg] -

(Durma Laser Cutting Machines, 2012.)

Durma HD 4020 131

19,62

Fyysiset mitat

Pituus [mm] 12400

Paino [kg] -

(46)

Durma HD 6020 131

19,62

Fyysiset mitat

Pituus [mm] 15000

Paino [kg] -

(47)

Durma HD-F 3015 131

19,62

Fyysiset mitat

Paino [kg] -

Leikattavat materiaalit (ROFIN DC 025) Paksuus [mm]

Hiiliteräs 20

Alumiini (AlMg3) 4

Hiiliteräs 25

Alumiini (AlMg3) 8

Hiiliteräs 25

Alumiini 10

Leikattavat materiaalit (PRC STS 2000) Paksuus [mm]

Hiiliteräs 13

Alumiini (AlMg3) 5

Hiiliteräs 16

Alumiini (AlMg3) 6

Hiiliteräs 20

Alumiini (AlMg3) 10

Hiiliteräs 25

Alumiini (AlMg3) 10

(48)

Hiiliteräs 25

Alumiini (AlMg3) 12

Leikattavat materiaalit (IPG FIBER YLS 1000) Paksuus [mm]

Hiiliteräs 6

Alumiini (AlMg3) 4

Hiiliteräs 15

Alumiini (AlMg3) 8

Leikattavat materiaalit (IPG FIBER YLS3000) Paksuus [mm]

Hiiliteräs 18-20

Alumiini (AlMg3) 8-10

Hiiliteräs 18-20

Alumiini (AlMg3) 10