توضیح تجهیزات لیزری صنعتی و عملکرد‌های آنها

تجهیزات لیزری صنعتی از پرتوهای لیزر بسیار متمرکز و پرانرژی برای انجام عملیات‌های مختلف بر روی مواد استفاده می‌کنند. این فناوری به دلیل دقت، سرعت، اتوماسیون پذیری، و قابلیت تکرارپذیری بالا، جایگاه ویژه‌ای در صنایع مختلف پیدا کرده است. در زیر به تفصیل به انواع، عملکردها و کاربردهای اصلی آنها می‌پردازیم:

۱. انواع اصلی تجهیزات لیزری صنعتی بر اساس منبع لیزر

• لیزرهای حالت جامد (Solid-State Lasers):

  • لیزرهای فیبری (Fiber Lasers): رایج‌ترین و پرکاربردترین نوع در صنعت (مخصوصاً برش و جوشکاری فلزات). پرتو توسط فیبرهای نوری هدایت می‌شود. مزایا: بازدهی بالا، طول عمر طولانی، نگهداری آسان، کیفیت پرتو عالی.

  • لیزرهای دیسکی (Disk Lasers): مشابه فیبری، اما از یک دیسک نازک به عنوان محیط فعال استفاده می‌کنند. برای جوشکاری عمیق و برش فلزات ضخیم مناسب‌اند.

  • لیزرهای Nd:YAG: قدیمی‌تر، اما هنوز در برخی کاربردهای حکاکی، جوشکاری و سوراخکاری استفاده می‌شود.

• لیزرهای گازی (Gas Lasers):

  • لیزرهای CO₂: قدیمی‌ها و هنوز پرکاربرد، مخصوصاً برای برش، حکاکی و ماشینکاری مواد غیرفلزی مانند چوب، پلاستیک، شیشه، پارچه، لاستیک، اکریلیک. طول موج ۱۰.۶ میکرون را ساطع می‌کنند که توسط این مواد به خوبی جذب می‌شود.

• لیزرهای دیودی (Diode Lasers): بازدهی الکتریکی بسیار بالا دارند. هم به عنوان منبع پمپ برای لیزرهای دیگر استفاده می‌شوند و هم مستقیماً در کاربردهایی مانند جوشکاری، سخت‌کاری سطحی، لحیم‌کاری و برخی عملیات‌های حرارتی به کار می‌روند.

۲. عملکرد‌های اصلی و کاربردهای تجهیزات لیزری صنعتی

• ۱. برش لیزری (Laser Cutting):

  • عملکرد: ذوب، سوزاندن یا تبخیر ماده در امتداد یک مسیر از پیش تعریف شده توسط پرتو لیزر متمرکز. گاز کمکی (معمولاً اکسیژن برای فلزات آهنی، نیتروژن برای فلزات غیرآهنی و غیرفلزات) برای دفع مواد مذاب استفاده می‌شود.

  • مزایا: لبه‌های تمیز و صاف، حداقل منطقه تأثیر حرارتی (HAZ)، دقت بسیار بالا (±۰.۱mm یا بهتر)، قابلیت برش اشکال پیچیده، سرعت بالا، عدم نیاز به قالب‌های فیزیکی.

  • کاربردها:

    • فلزات (فولاد نرم، فولاد ضدزنگ، آلومینیوم، مس، برنج) در صنایع خودروسازی، هوافضا، ساخت قالب، مبلمان فلزی، ساخت و ساز.

    • غیرفلزات (چوب، ام دی اف، پلکسی گلاس، پارچه، چرم، لاستیک، فوم) در صنایع تبلیغات، دکوراسیون، مد و پوشاک، بسته‌بندی، الکترونیک.

• ۲. حکاکی و نشانه‌گذاری لیزری (Laser Engraving & Marking):

  • عملکرد: ایجاد طرح‌های دائمی (متون، لوگو، بارکد، شماره سریال، الگوها) بر روی سطح مواد با تغییر رنگ (کربونیزاسیون)، حذف لایه سطحی یا ایجاد حفره‌های ریز. لیزرهای فیبری و CO₂ رایج‌ترین هستند.

  • مزایا: ماندگاری بالا، غیرقابل حذف بودن، دقت میکرونی، سرعت بالا، قابلیت حکاکی روی طیف وسیعی از مواد، عدم نیاز به جوهر یا تماس فیزیکی.

  • کاربردها: شماره‌گذاری قطعات صنعتی، بارکد و QR کد، لوگو و برندینگ، دکوراسیون و تزئینات، حکاکی هدایا، نشانه‌گذاری تجهیزات پزشکی، نشانه‌گذاری الکترونیک (PCB).

• ۳. جوشکاری لیزری (Laser Welding):

  • عملکرد: ذوب موضعی لبه‌های دو قطعه برای اتصال آنها با استفاده از حرارت متمرکز پرتو لیزر. معمولاً نیازی به ماده پرکننده (سیم جوش) نیست یا کم است.

  • مزایا: سرعت بسیار بالا، نفوذ عمیق و باریک، اعوجاج حرارتی کم، منطقه HAZ کوچک، امکان جوشکاری مواد دشوار (مثل آلومینیوم، مس، تیتانیوم)، قابلیت اتوماسیون بالا، تمیزی.

  • کاربردها: صنعت خودروسازی (بدنه، باتری‌های EV)، الکترونیک (میکرو جوش‌ها)، پزشکی (ابزارآلات و ایمپلنت‌ها)، ساخت مخازن تحت فشار، صنایع دریایی و هوافضا.

• ۴. سوراخکاری لیزری (Laser Drilling):

  • عملکرد: ایجاد سوراخ‌های ریز و دقیق (حتی با قطر کمتر از ۰.۱mm) در مواد با تبخیر یا ذوب ماده. می‌تواند تک پالس یا پرسی باشد.

  • مزایا: ایجاد سوراخ‌های با نسبت ابعاد بالا (عمیق و باریک)، عدم تماس و اعوجاج مکانیکی، سرعت بالا، قابلیت سوراخکاری مواد سخت (الماس، سرامیک)، دقت موقعیت‌گذاری.

  • کاربردها: نازل‌های توربین‌های گازی، فیلترها، نازل‌های سوخت خودرو، تخته‌های مدار چاپی (PCB)، ابزارهای پزشکی، قالب‌های خنک‌کاری شده.

• ۵. عملیات حرارتی سطحی لیزری (Laser Surface Heat Treatment):

  • عملکردها:

    • سخت‌کاری سطحی (Laser Hardening): گرمایش سریع سطح فلز با لیزر و سپس سرد کردن سریع (خودبه‌خودی یا با گاز/آب) برای افزایش سختی و مقاومت به سایش در سطح، در حالی که مغز قطعه نرم باقی می‌ماند.

    • ذوب سطحی / بازپخت (Laser Surface Melting/Annealing): بهبود خواص سطحی مانند مقاومت به خوردگی یا کاهش تنش‌های پسماند.

  • مزایا: کنترل دقیق عمق و منطقه تحت تأثیر، اعوجاج کم، امکان انجام فقط روی نواحی خاص (بدون ماسک‌گیری پیچیده)، سرعت بالا.

  • کاربردها: سخت‌کاری سطوح دنده‌ها، بادامک‌ها، ابزارهای برشی، قالب‌ها، قطعات تحت سایش.

• ۶. تمیزکاری لیزری (Laser Cleaning):

  • عملکرد: حذف آلاینده‌ها (زنگ، رنگ، گریس، اکسیدها، آلودگی‌های بیولوژیکی) از سطح مواد با استفاده از انرژی لیزر. آلودگی جذب انرژی کرده و تبخیر یا تصعید می‌شود، در حالی که سطح زیرین سالم می‌ماند.

  • مزایا: غیرتماسی، غیرساینده، سازگار با محیط زیست (بدون مواد شیمیایی یا زباله‌های ساینده)، دقت بالا، امکان تمیزکاری نواحی پیچیده، حداقل آسیب به سطح زیرین.

  • کاربردها: آماده‌سازی سطح قبل از جوشکاری یا رنگ‌کاری، حذف زنگ و پوسته‌های اکسیدی، تمیزکاری آثار هنری و میراث فرهنگی، تمیزکاری تجهیزات صنعتی، حذف رنگ از هواپیماها.

۳. مزایای کلیدی تجهیزات لیزری صنعتی

• دقت و کیفیت فوق‌العاده: امکان کار با جزئیات بسیار ریز و ایجاد لبه‌های تمیز.

• سرعت بالا: افزایش بهره‌وری و کاهش زمان تولید.

• عدم تماس فیزیکی: کاهش سایش ابزار، عدم اعوجاج مکانیکی در قطعات ظریف.

• انعطاف‌پذیری: تغییر طرح و عملیات فقط با تغییر برنامه نرم‌افزاری (بدون نیاز به ابزار جدید).

• قابلیت اتوماسیون: ادغام آسان در خطوط تولید رباتیک و سیستم‌های CNC.

• صرفه‌جویی در مواد: بهینه‌سازی طرح‌های برش (Nesting) برای کاهش ضایعات.

• تکرارپذیری: تولید قطعات کاملاً یکسان در تیراژ بالا.

• کاربرد روی مواد متنوع: از فلزات سخت گرفته تا پلاستیک‌های ظریف و سرامیک.

۴. صنایع اصلی مصرف‌کننده

• خودروسازی و هوافضا

• الکترونیک و نیمه‌هادی‌ها

• پزشکی و دندانپزشکی

• ساخت قالب و ابزار

• تبلیغات و دکوراسیون

• جواهرسازی

• بسته‌بندی

• صنایع نساجی و چرم

• انرژی (تولید توربین، صفحات خورشیدی)

• میراث فرهنگی و مرمت

جمع‌بندی

تجهیزات لیزری صنعتی با بهره‌گیری از قدرت پرتوهای متمرکز نور، انقلابی در فرآیندهای ساخت و تولید ایجاد کرده‌اند. تنوع عملکردهای آنها (از برش و حکاکی دقیق تا جوشکاری عمیق و تمیزکاری غیرمخرب) و مزایای منحصر به فردشان (دقت، سرعت، انعطاف‌پذیری) باعث شده‌اند ابزاری ضروری و اغلب جایگزین برتر روش‌های سنتی در طیف وسیعی از صنایع پیشرفته باشند. انتخاب نوع لیزر (فیبر، CO₂ و ...) و دستگاه مناسب به شدت به جنس ماده، ضخامت، نوع عملیات مورد نیاز و حجم تولید بستگی دارد.