După cum s-a indicat în introducere, prelucrarea cu laser poate înlocui metodele de îndepărtare mecanică în multe aplicații industriale. Faptul că prelucrarea cu laser este un proces termic fără contact, permite prelucrarea materialelor dificil de prelucrat; totuși, densitățile de putere introduse pe suprafața piesei de prelucrat sunt mari și pot duce la temperaturi ridicate și la descompunerea materialului. Absorbția de către un material depinde însă de lungimea de undă a fasciculului laser (Fig. 2).

De la inventarea laserului s-a făcut o dezvoltare constantă pentru scurtarea timpilor de impuls, vizând diferite procese de prelucrare cu laser. După cum este indicat în Fig. 3, diferitele aplicații au necesitat un tip diferit de surse laser, în ceea ce privește durata impulsului și densitatea puterii.

În general, prelucrarea cu laser poate fi împărțită în procese uni-, bi- și tri-dimensionale, așa cum se poate observa în Fig. 4. Aceste categorii pot fi identificate prin examinarea formei și cinematicii frontului de eroziune, și anume, în regiunea piesei de prelucrat unde are loc îndepărtarea materialului.

În cazul unui proces uni-dimensional (găurire), fasciculul laser este relativ staționar față de piesa de prelucrat. Frontul de eroziune, situat în fundul găurii, se propagă în direcția sursei linie pentru a îndepărta materialul. În cazul unui proces bi-dimensional (tăiere și canelare), fasciculul laser este în mișcare relativă față de piesa de prelucrat. Îndepărtarea materialului are loc atunci când sursa linie este într-o direcție perpendiculară pe linie, formând astfel o suprafață bidimensională. Frontul de eroziune este situat la marginea anterioară a sursei linie. La canelare, un fascicul laser nu taie prin întreaga piesă de prelucrat. Procesul de canelare prezintă caracteristici complicate, cum ar fi transferul de căldură tri-dimensional, două faze ale materialului, o limită în mișcare, o sursă de căldură distribuită în spațiu etc. Pentru prelucrarea tri-dimensională, se folosesc două sau mai multe fascicule laser și fiecare fascicul formează o suprafață prin mișcare relativă cu piesa de prelucrat. Frontul de eroziune al fiecărei suprafețe se găsește la marginea anterioară a fiecărui fascicul laser. Când suprafețele se intersectează, volumul tridimensional, delimitat de suprafețe, este îndepărtat. Cerințele crescute, impuse produselor tehnice, duc la utilizarea materialelor performante. Prelucrarea acestui tip de materiale cu ajutorul unui fascicul laser, în timpul prelucrării, deschide o gamă complet nouă de opțiuni de tăiere eficiente. Prelucrarea asistată cu laser (Laser-assisted machining = LAM) este un proces de tăiere hibrid în timpul căruia un fascicul laser este utilizat pentru încălzirea și înmuierea locală a piesei de prelucrat în fața sculei de tăiere. Încălzire localizată, direct în fața sculei de tăiere și reducerea derivată a rezistenței materialului, are ca rezultat creșterea semnificativă a prelucrabilității materialului. Creșterea temperaturii în zona de forfecare reduce puterea de curgere a piesei de prelucrat și întărirea prin lucru care provoacă deformarea plastică a materialelor greu de prelucrat. Aliajele pe bază de titan, nichel și cobalt pot fi deja prelucrate mai ușor și pot fi de o calitate superioară. Beneficiile acestui proces includ reducerea forțelor de așchiere/energia specifică de tăiere, durata de viață mai lungă a sculei, o mai bună integritate a suprafeței și productivitate ridicată.

În ultimii ani, laserele, cu calitatea lor excelentă a fasciculului, obțin avantaje și îmbunătățiri vizibile în ceea ce privește precizia înaltă și prelucrarea materialelor la microscală. Pe lângă calitatea excelentă a fasciculului, există mai multe avantaje ale tehnologiei laser, cum ar fi dimensiunea compactă a instalației, eficiența ridicată a laserului și prețul moderat al sistemului. Au fost dezvoltate aplicații tipice ale microprelucrării cu laser, incluzând găurirea, tăierea, structurarea, îndepărtarea materialului lateral, precum și marcarea.

Cele trei probleme majore în toate procesele de prelucrare cu laser menționate mai sus sunt:
• Rata de îndepărtare a materialului
• Acuratețe dimensională
• Calitatea suprafeței

Viteza de îndepărtare a materialului este guvernată în fiecare caz de viteza de propagare a frontului de eroziune. În găurirea cu laser (un proces uni-dimensional), rata de îndepărtare a materialului este determinată de viteza frontului de eroziune atunci când se deplasează către fascicul. În tăierea cu laser (un proces bi-dimensional), viteza de scanare determină viteza cu care suprafața tăiată crește în piesa de prelucrat. În prelucrarea cu laser tri-dimensională, suprafețele bi-dimensionale produse de două fascicule laser definesc un volum tri-dimensional al materialului care trebuie îndepărtat. Viteza cu care se propagă aceste două suprafețe determină timpul necesar pentru îndepărtarea volumului dat al unui material. Acuratețea dimensională este determinată în special de conicitatea găurii în găurirea cu laser, geometria tăieturii în tăierea cu laser și forma canelurii în prelucrarea tri-dimensională. Calitatea suprafeței tuturor proceselor de prelucrare cu laser este legată de factori precum rugozitatea suprafeței, formarea de zgură și zona afectată de căldură.

Găurire

Găurirea cu laser este un proces relativ modern, exact, neconvențional, cu o varietate de aplicații. Avantajul major al găuririi cu laser, în comparație cu metodele convenționale, este dimensiunea mică și raportul de aspect (până la 1:20) al găurii de cheie care poate fi creată. În astfel de aplicații pot fi utilizate fie surse laser continue, fie în impulsuri. Sursele de laser pulsate prezintă o serie de avantaje, cum ar fi generarea mai mică de plasmă. Găurirea cu laser implică un fascicul laser staționar, care își folosește densitatea mare de putere pentru a topi sau vaporiza material din piesa de prelucrat. Găurirea cu laser (Fig. 5) (Chrysolouris 1991) are o varietate de aplicații. Găurirea cu impulsuri cu laser, denumită și găurire cu laser cu percuție sau găurire pe centru, utilizează mai multe impulsuri pentru a crea gaura (Fig. 6)

Găurirea cu laser se bazează pe absorbția energiei laser de către materialul piesei de prelucrat și pe conversia energiei fotonice în energie termică. Când temperatura o depășește pe cea de topire și/sau vaporizare, materialul piesei de prelucrat își schimbă faza și se formează geometria găurii. Dacă iradierea laserului este menținută sub un anumit prag (de obicei cca. 10⁶ W/cm² pentru oțeluri), materialul piesei de prelucrat este topit și nu vaporizat (Salonitis et al. 2007). În acest caz, orificiul se formează datorită ejectării materialului topit cu ajutorul unui jet de gaz de asistență (LIA 2001). Pentru valorile de iradiere laser peste valoarea de prag, materialul este îndepărtat în principal din cauza vaporizării.

Găurire cu mono-impuls

Găurirea mono-impuls (shot) abordează producția de mare viteză de găuri oarbe sau traversante și oferă rapoarte de aspect de obicei sub 15:1. Însă, randamentul mare de producție este un compromis cu toleranțe, în general peste 10 %, în comparație cu cele ale trepanării. Pentru multe aplicații, în care timpul ciclului este mai important decât calitatea, acest lucru este acceptabil. Un exemplu de găurire mono-impuls se găsește în industria auto, unde găurirea cu laser este utilizată pentru crearea unei linii directoare scrise pentru ruperea (crăparea) unei biele a motoarelor diesel. Scrierea, de fapt, forează găuri oarbe suficient de aproape pentru a crea o crestătură. O altă aplicație de găurire mono-impuls în industria auto este în fabricarea filtrelor.

Găurire cu percuție

Găurirea cu percuție oferă impulsuri laser succesive în același loc și reprezintă cel mai bun compromis între randament și calitatea găurii. Procesul a devenit standard pentru crearea găurilor de răcire în paletele turbinei cu profil aerodinamic. Găurirea cu percuție cu laser este favorizată față de găurirea convențională și celelalte tehnici de găurire cu laser, deoarece este de departe cea mai rapidă tehnică. Însă, încă dezvăluie unele dezavantaje. Un dezavantaj comun este formarea unui strat reformat, care este material resolidificat rămas la peretele găurii. În mod normal, unele materiale resolidificate pot fi găsite și la intrarea și la ieșirea din gaură, cazuri în care se numește stropire și, respectiv, zgură. Un alt dezavantaj este conicitatea. Acesta din urmă se referă la scăderea diametrului găurii odată cu creșterea adâncimii. În zilele noastre, conicitatea nu mai este considerată un dezavantaj; totuși, este necesar controlul unghiului de conicitate și al reproductibilității. Ocazional, gaura rezultată în urma unui proces de găurire cu percuție cu laser prezintă barreling sau o creștere locală a diametrului găurii.

Trepanarea

Găurirea trepanată cu laser este o metodă utilizată pentru a îndepărta un miez cilindric sau un disc circular de pe un substrat. Trepanarea este tehnica standard pentru găuri cu diametre aproximative de 500 μm, de exemplu, găuri în paletele turbinei. Este în esență un proces de găurire cu percuție, urmat de o procedură de tăiere. Aplicarea impulsurilor de nanosecunde la trepanare poate crește calitatea găurii. Însă, dezavantajele găuririi cu percuție încă rămân. Trepanarea permite găurirea de găuri mari și modelate în plus la avantajul consistenței. Trepanarea reduce, de asemenea, conicitatea găurilor. Spre deosebire de găurirea cu laser cu percuție, poziția fasciculului sau a substratului este mutată împreună cu o „suprapunere” predeterminată a fasciculului laser pentru a obține calitatea dorită a muchiei și randamentul de producție. Găurirea cu laser cu trepanare cu suprapunere mai mică poate crește randamentul, dar produce o calitate a marginilor mai zimțate. Pe de altă parte, o suprapunere mai mare creează o rezoluție mai fină a găurilor și o calitate a marginilor. Găurirea cu laser prin metoda trepanării poate produce, de asemenea, găuri de ieșire proporțional mai mari prin „înclinarea” fasciculului laser într-o gaură de intrare deja forată.

Găurire elicoidală

O tehnică relativ nouă, numită găurire elicoidală, folosește împărțirea procesului într-o multitudine de etape de ablație pentru a îmbunătăți acuratețea. Spre deosebire de trepanare, găurirea elicoidală ajunge la străpungere numai după multe rotații de spirală care descriu traseul frontului de ablație. Găurirea elicoidală are următoarele efecte favorabile asupra acurateței de găurire: mai multă abatere de la geometria circulară poate fi redusă decât poate la trepanare; sarcina pe pereții opuși este minimizată; și, cel mai important, straturile reformate, așa cum se observă în găurirea cu percuție, folosind lasere de nanosecunde, pot fi reduse foarte mult sau complet evitate. Calea fasciculului nu se limitează la geometria circulară. Cu sisteme optice adecvate, cum ar fi scanere sau prin mișcarea piesei de prelucrat, se poate forma orice formă. Aceasta înseamnă că găurirea elicoidală poate fi aplicată la microprelucrarea cu laser atunci când sunt necesare acuratețe ridicată și calitate ridicată a prelucrării. Găurirea elicoidal este o tehnică care este eficientă atunci când diametrul elicoidal este aproape de diametrul focal al fasciculului laser.

În principiu, găurirea cu laser este guvernată de un bilanț energetic (Fig. 5) între energia iradiată de la fasciculul laser și căldura de conducție în piesa de prelucrat, pierderile de energie în mediu și energia necesară pentru o schimbare de fază a piesei de prelucrat. (Salonita et al. 2007).

Energia fasciculului incident are o distribuție spațială a intensității, care în găurirea cu laser este de obicei o distribuție gaussiană produsă de un laser care operează într-un mod TEM00. Raza fasciculului focalizat este de obicei specificată ca distanța dintre centrul fasciculului și un punct, unde intensitatea este redusă de la valoarea sa maximă la centrul fasciculului cu un factor de e² (Fig. 7); diametrul mediu al găurii forate poate fi mai mic decât diametrul fasciculului din cauza diferitelor efecte de pierdere de căldură. Aceste pierderi de căldură, în primul rând prin conducție prin interiorul piesei de prelucrat și pierderile în mediu, deturnează energia fasciculului de la procesul real de forare a găurii.

Găurirea cu laser are mai multe avantaje față de metodele mecanice:

• Datorită naturii termice a procesului de găurire cu laser, se pot face găuri pe materiale precum ceramică, metale durificate și compozite care sunt dificil de prelucrat prin metode convenționale (Chryssolouris și Salonitis 2011).
• Acuratețe mai mare și dimensiuni mai mici pot fi obținute prin găurire cu laser decât prin metodele convenționale de găurire. În funcție de lentila de focalizare utilizată, se pot realiza diametre ale orificiilor între 0,001 in (0,018 mm) și 0,050 in (1,3 mm). Prin selectarea corectă a valorilor puterii fasciculului, a caracteristicilor impulsului fasciculului, a lentilei de focalizare și a timpului de interacțiune, poate fi obținută geometria găurii dorită.
• Pot fi obținute viteze mari de găurire într-un mediu de producție prin utilizarea unei surse cu fascicul pulsat. Prin coordonarea mișcărilor piesei de prelucrat cu perioada de impuls, pot fi atinse rate de găurire de peste 100 de găuri pe secundă. Controlul variabilelor de proces permite modificarea rapidă a diametrelor găurilor și a modelelor de găuri în proces, eliminând astfel nevoia de schimbare a sculei.
• Laserul permite găurile să fie găurite la unghiuri mari de incidență pe suprafață (până la 80^o). Găurirea cu unghiuri mici este dificil de realizat mecanic din cauza deformărilor sculei.

Există limitări ale găuririi cu laser în unele cazuri; totuși:

• Găurile cu diametre în trepte nu pot fi găurite cu laser.
• Din cauza instabilităților în procesul de găurire cu laser, controlul adâncimii în forajul unei găuri oarbe este dificil. Însă, monitorizarea continuă a modului fasciculului și reglarea puterii fasciculului pot oferi beneficii substanțiale atunci când, sub forma unui controler, sunt încorporate în sistemul de găurire cu laser (Stournaras et al. 2010).
• Pentru găuri adânci, efectele divergenței fasciculului pot deveni inacceptabile. Acest lucru poate fi compensat prin utilizarea unei lentile cu distanță focală mai mare sau prin mutarea continuă a punctului focal de la suprafața piesei de prelucrat la un punct din interiorul piesei de prelucrat.

Canelare

În timpul canelării cu laser (Fig. 8), un fascicul laser este scanat peste suprafața piesei de prelucrat, ducând la creșterea temperaturii acesteia, peste punctul de topire al materialului, într-o regiune mică în apropierea punctului fasciculului (Stournaras și colab. 2009a). În cazurile în care fluxul de căldură furnizat de parametrii procesului este semnificativ, poate apărea și vaporizarea materialului. Un jet de gaz este aplicat coaxial sau off-axial împreună cu fasciculul laser pentru a îndepărta materialul topit și a produce canelura. În cazul jetului de gaz coaxial, procesul are ca rezultat concentrarea materialului topit la frontul de eroziune, care nu poate fi îndepărtat eficient, din cauza prezenței fundului de canelură. Pentru ca stratul topit să fie minimizat, se recomandă utilizarea unui jet de gaz off-axial. Canelarea cu laser este foarte asemănătoare cu marcarea cu laser, numai cu excepția celui din urmă, unde adâncimile canelurilor sunt de obicei foarte mici și raporturile lor față de lățimile corespunzătoare sunt apropiate de unu. Canelarea cu laser este întâlnită în diverse aplicații de fabricație, cum ar fi crearea de micro-canale pentru sistemele de răcire și crearea de fante pentru asamblare, în timp ce în forma de marcare cu laser, poate fi utilizată în scopul de a marca identificarea pieselor. Mecanismul canelării cu laser are loc și în aplicarea prelucrării cu laser 3D (strunjire, frezare). În prelucrarea cu laser 3D, de obicei, mai mult de două fascicule laser sunt utilizate pentru îndepărtarea unui volum de material, care este produs prin intersecția a două caneluri oarbe (Tsoukantas et al. 2002).

În timpul canelării cu laser, trebuie luați în considerare câțiva parametri ai procesului. Cei dominanți includ puterea laserului, diametrul fasciculului laser pe suprafața piesei de prelucrat, viteza de scanare laser, tipul de gaz, presiunea gazului, secțiunea transversală a duzei și direcția jetului de gaz în raport cu axa fasciculului. Procesul de canelare cu laser a fost investigat de un număr de cercetători. Canelarea cu laser și marcarea cu laser au următoarele avantaje față de tehnicile convenționale:

• Laserele pot fi folosite pentru a scrie sau marca modele de identificare permanente pe piesele metalice sau ceramice. ID-urile marcate cu laser pot rezista la cantități mai mari de uzură decât cele marcate cu alte metode.
• Deoarece laserele pot fi focalizate într-un loc mic, ele sunt ideale pentru aplicațiile de microprelucrare pentru a repara componentele integrate defecte care altfel ar fi casate.

Pe de altă parte, canelarea și scrierea cu laser au următoarele dezavantaje:

• Când sunt aplicate metalelor și ceramicii, aceste procese au ca rezultat acumularea de material topit pe frontul de eroziune. Totuși, spre deosebire de tăierea cu laser, un jet de gaz coaxial nu este eficient pentru ejectarea materialului topit din cauza prezenței fundului canelurii.
• Adâncimea canelurii poate fluctua din cauza perturbărilor cauzate de modificările fasciculului laser, vibrații mecanice, impurități ale materialelor și fluctuații ale jetului de gaz. Consecvența în adâncimea canelurii poate fi menținută printr-o schemă de control în buclă închisă.

Tăiere

În procesul de tăiere cu laser, o tăietură este creată prin mișcarea relativă între fasciculul laser și suprafața piesei de prelucrat. Acest proces permite tăierea unor forme bi-dimensionale complicate pe piesa de prelucrat plată. Mecanismele fizice de îndepărtare a materialului și pierderile de energie (Fig. 9) sunt similare cu cele ale găuririi, unde energia fasciculului laser de intrare este echilibrată de căldura prin conducție, energia de topire sau vaporizare a materialului și pierderile de căldură către mediu. Totuși, datorită mișcării relative fascicul/piesă de prelucrat, frontul de eroziune al fasciculului laser și câmpul de temperatură din piesa de prelucrat sunt staționare în raport cu un sistem de coordonate care se mișcă cu fasciculul laser; prin urmare, tăierea cu laser poate fi considerată un proces termic în stare constantă. Deoarece grosimea piesei de prelucrat este egală cu adâncimea de tăiere, căldura de conducție are loc în planul piesei de prelucrat. Temperatura din interiorul piesei de prelucrat depinde de distanța frontului de eroziune și independentă de timp. Când materialul este îndepărtat prin topire, se formează un strat topit pe frontul de eroziune. Materialul topit acumulat poate fi expulzat din partea inferioară a tăieturii cu ajutorul unui jet de gaz coaxial.

Datorită caracteristicilor unice ale fasciculului laser, tăierea cu laser are mai multe avantaje:

• Pentru majoritatea materialelor industriale cu grosimi ale piesei de prelucrat de până la 10 mm, tăierea cu laser produce o rată de îndepărtare a materialului semnificativ mai mare decât o face tăierea sau forfecarea mecanică.
• Tăierea cu laser produce lățimi de tăietură, care sunt mai înguste decât cele realizabile prin tăiere mecanică. Acest lucru duce la pierderea mai mică a materialului în timpul operațiunilor de tăiere.
• Atunci când sunt cuplate cu un sistem de control al poziției cu mai multe axe ale piesei de prelucrat sau al fasciculului, formele pot fi tăiate și din piese de prelucrat curbate. Metodele mecanice convenționale pot tăia eficient doar piesele plate. Laserele pot fi aplicate la operațiunile de tundere pentru a elimina bavurile din părțile curbe.
• Pentru tăierea materialelor fibroase precum lemn, hârtie sau compozite, fasciculul laser vaporizează volumul materialului care trebuie îndepărtat, eliminând astfel reziduurile și resturile care rămân după tăierea mecanică. Acest lucru reduce atât nevoia de colectare și eliminare a deșeurilor solide, cât și pericolul pentru sănătate în mediul de lucru.

Dezavantajele tăierii cu laser în comparație cu tăierea prin metode convenționale sunt:

• Eficiența tăierii cu laser se reduce pe măsură ce grosimea piesei de prelucrat crește și depinde de tipul materialului. Piesele de prelucrat cu grosimea mai mare de 15 mm, în general, nu pot fi tăiate eficient de laserele industriale moderne. În plus, materiale precum aluminiul și oțelul inoxidabil cu reflectivitate ridicată pot fi tăiate la grosimi mai mici în comparație cu cele din oțel carbon (Stournaras et al. 2009b).
• Tăierea cu laser produce o formă conică a tăieturii, în comparație cu pereții tăiați verticali drepti realizabili prin metode convenționale. Conicitatea tăieturii rezultă din divergența fasciculului laser și devine mai pronunțată pe măsură ce grosimea piesei de prelucrat crește. Conicitatea tăieturii poate fi redusă prin ajustarea punctului focal al fasciculului laser la interiorul piesei de prelucrat în loc de suprafața piesei de prelucrat.

Prelucrare tri-dimensională

Fabricarea flexibilă necesită ca formele tri-dimensionale să fie produse într-o perioadă scurtă de timp. Deși laserele pot fi manipulate ușor și exact cu componente optice, până de curând era dificil ca formele tri-dimensionale să fie procesate și/sau produse eficient. Dezvoltarea sistemelor avansate de scanare optică în combinație cu surse laser de putere sporită, calitate și eficiență generală a deschis calea pentru așa-numita procesare a materialelor laser 3D. Termenul de procesare laser 3D a fost folosit până acum pentru descrierea unui grup de concepte diferite de procesare laser tri-dimensională. La fiecare dintre aceste concepte, aspectul 3D se referă la o manipulare diferită a unuia sau mai multor fascicule laser, astfel încât să proceseze și/sau să producă geometrii tri-dimensionale pentru efectuarea de îndepărtare a materialului, sudare sau tratare termică. Cele mai importante concepte se concentrează în principal pe prelucrarea cu laser și procesele de sudare cu laser cu încorporarea simultană a uneia sau două fascicule laser. Principalele concepte care au fost introduse până acum ca cercetare sau soluții industriale pentru prelucrarea materialelor cu laser 3D pot fi izolate în trei categorii principale:

• Prelucrare laser 3D cu două fascicule laser convergente
• Prelucrare laser 3D la distanță
• Prelucrare laser 3D cu capete laser cu 5 axe

Prelucrare cu laser 3D cu două fascicule laser convergente

Prin utilizarea a două fascicule laser convergente (Fig. 11), acest concept este capabil să producă piese cu forme similare cu cele produse prin metodele convenționale de prelucrare (Chryssolouris et al. 1988b; Chryssolouris et al. 1991). Caracteristica principală a prelucrării tri-dimensionale este procesul de canelare cu laser. Fiecare fascicul creează o tăietură sau canelură oarbă în piesa de prelucrat prin treceri singure sau multiple. Un volum de material este îndepărtat atunci când cele două caneluri produse se intersectează. Operațiile de strunjire pot fi realizate prin îndepărtarea inelului sau a spiralei (Fig. 10a, b).

Metoda de îndepărtare a inelului utilizează două fascicule perpendiculare pentru a îndepărta inelele concentrice dintr-o piesă de prelucrat, în timp ce în cea din urmă metodă, două fascicule unghiulare creează un filet continuu. În cazul frezării cu laser, două fascicule laser sunt poziționate de obicei în unghiuri oblice față de suprafața piesei de prelucrat, pentru ca pe piesa de prelucrat să fie create caneluri convergente (Fig. 11c, d). Volumul de material îndepărtat este de formă prismatică cu o secțiune transversală triunghiulară (Chryssolouris 1991, 1994; Chryssolouris et al. 1991). Tăierea de angrenare este posibilă și cu conceptul cert; însă, sunt necesare ajustări mai sofisticate ale unghiurilor relative dintre cele două fascicule laser, din cauza geometriei complexe a angrenajelor (Chryssolouris et al. 1991; Chryssolouris 1994). Prin manipularea orientării celor două fascicule, geometria așchiei îndepărtate variază în mod corespunzător în variația geometriei sculelor așchietoare în prelucrarea mecanică. Energia este consumată doar în topirea și/sau vaporizarea materialului din caneluri. Acest lucru are ca rezultat o eficiență energetică mai mare și rate de îndepărtare a materialelor comparabile cu procesele cu un singur fascicul. Problemele legate de eficiența și controlul procesului au fost investigate atât teoretic, cât și experimental.

Procesare cu laser 3D de la distanță

Principiul prelucrării laser 3D de la distanță se bazează pe implementarea surselor laser de înaltă calitate și a ansamblurilor optice care combină lentile cu distanțe focale adecvate (până la 1.600 mm) împreună cu una (Fig. 11a) sau două (Fig. 11b) oglinzi deflectoare. (Goebel et al. 2000; Tsoukantas et al. 2007). Astfel de configurații produc volume de lucru destul de mari (aproximativ 1 m³ sau mai mult) de geometrie sferică (o oglindă) sau conică (două oglinzi). În multe cazuri, astfel de sisteme de scanare implementează optica F-theta, care produc câmpuri de imagine planară.

Datorită inerției foarte scăzute a opticii de scanare, se pot obține „raporturi de lucru” mari, iar piesele de prelucrat de dimensiuni mari pot fi prelucrate în trei dimensiuni de o singură stație de prelucrare laser la distanță. Una dintre cele mai semnificative aplicații, care adoptă aspectul la distanță pentru prelucrarea cu laser, este sudarea cu laser la distanță, sudarea în gaura cheii constituind mecanismul său dominant; însă, ar putea fi folosită cu ușurință și pentru aplicații de tundere și scriere. Unghiurile dintre axa fasciculului laser și suprafața piesei de prelucrat pot ajunge la 60^o, rezultând o distorsiune a ariei spotului fasciculului de 25% (Kautek et al. 1996). În ceea ce privește aspectul monitorizării procesului, sunt necesare soluții de detectare destul de sofisticate din cauza volumelor de lucru relativ mari care trebuie acoperite. Stații portal și braț robotic, utilizate în cercetare sau la nivel industrial, constituie sistemele existente de sudare cu laser la distanţă. Stațiile portal, cu aplicații în industria auto, sunt echipate cu lasere CO2 de mare putere (>3,5 kW) și utilizează distanțe focale de 1.000–1.600 mm, rezultând volume de lucru care variază între 0,1 și 1 m³. Pe de altă parte, stațiile braț robotic integrează fascicule Nd:YAG (>4 kW) sau HPDL care pot fi ghidate către efectorul final al robotului prin fibră optică. Astfel de sisteme asigură volume de lucru mai mici, variind între 22 și 6.400 cm³. Alte procese laser, care adoptă principiul 3D de la distanță, includ majoritatea proceselor de tratament termic cu laser, cum ar fi călirea, alierea, sinterizarea etc. În principal, spoturile eliptice ale fasciculului de pe suprafața piesei de prelucrat au un efect asupra mecanismului fiecăruia dintre aceste procese, care reduc densitatea puterii, în special pentru unghiuri de incidență scăzute. Modelarea cu laser constituie un alt proces laser semnificativ care adoptă principiul 3D de la distanță. Sistemele de modelare cu laser folosesc sisteme de deflecție cu două oglinzi în combinație cu lasere Nd:YAG cu comutare-Q de aproximativ 100 W. Astfel de sisteme sunt deja disponibile comercial și au fost utilizate cu succes la fabricarea formelor și matrițelor pentru aplicații de scule rapide (Holthaus 2002).

Procesare laser 3D cu capete laser cu 5 axe

Majoritatea proceselor laser pot fi realizate în 3D prin capete laser cu 5 axe. Conceptul lor se bazează pe realizarea de ansambluri optice în combinație cu sisteme speciale de control al mișcării, care asigură deplasarea unui cap laser în cinci axe, adică trei mișcări liniare și două de rotație în jurul axelor perpendiculare (Fig. 12).

Deși astfel de capete laser pot implementa o varietate de distanțe focale, ele trebuie să fie în apropiere de materialul prelucrat, în special în cazul prelucrării cu laser, deoarece în timpul procesării trebuie aplicat un jet de gaz inert sau activ. Ca și în cazul sistemelor de procesare cu laser la distanță, cele cu cap laser cu 5 axe prezintă o flexibilitate avansată, deoarece pot aplica mai multe procese laser (de exemplu, tăiere, găurire, sudare, călire) pieselor de prelucrat destul de voluminoase de geometrie complexă cu o singură configurație. Deoarece capul laser se află în apropierea piesei de prelucrat, acesta permite implementarea unui sistem eficient și simplu de monitorizare a procesului, spre deosebire de procesarea laser de la distanță. Procesarea perpendiculară sau unghiulară este posibilă și în geometria 3D, în funcție de dorința utilizatorilor. Alte procese laser, cum ar fi placarea sau sinterizarea, nu sunt recomandate în aceste configurații din cauza naturii proceselor, care necesită o apropiere destul de îndepărtată a fasciculului de piesa de prelucrat pentru protecția opticii. Astfel de sisteme sunt disponibile comercial și prezintă un nivel destul de ridicat de automatizare.

Microprelucrare

Atributele de excelență ale radiației laser, combinate cu un grad ridicat de flexibilitate, prelucrare fără contact și fără uzură, posibilitatea de automatizare ridicată, precum și integrarea ușoară, permit utilizarea instrumentului laser într-un domeniu larg de procese de macroprelucrare. Prelucrarea cu laser este împărțită în micro- și macro-prelucrare. Această clasificare nu se bazează pe dimensiunea piesei de prelucrat, ci mai degrabă pe finețea impactului cauzat de unealta laser. Sistemul laser utilizat pentru micro-prelucrare utilizează în mod normal fascicule pulsate cu o putere medie cu mult sub 1 kW, în timp ce cele utilizate pentru macro-prelucrare utilizează în general fascicule laser cu undă-continuă (continuous-wave = CW) de până la câțiva kW.

Micro-prelucrarea cu laser este o tehnologie care poate produce piese la micro- și sub-microscală. Pentru astfel de aplicații, laserele cu durata de impuls în intervalul femtosecunde (FEMTOLASER) sunt utilizate pe scară largă. Ablația cu laser are loc datorită iradierii fasciculului laser asupra materialului care provoacă o combinație de sublimare, vaporizare și topire. Se caracterizează prin scale temporale și spațiale mici și o temperatură și presiune extrem de ridicată a materialului. Găurirea cu FemtoLaser (FemtoLaser = FL) utilizează impulsuri cu o durată de ordinul zecilor până la sute de femtosecunde. În ultimii ani, ablația FL a demonstrat o dezvoltare rapidă datorită avantajelor sale distincte în comparație cu cele ale laserelor cu impulsuri mai lungi (Kautek et al. 1996; Staurt et al. 1996; von der Linde și Sokolowsi 2000). Ca urmare a duratei sale extrem de scurte a pulsului, difuzia căldurii este limitată, iar zona afectată de căldură (heat-affected zone = HAZ) este destul de limitată. Această încălzire localizată ridicată, în fiecare impuls laser, are ca rezultat o îndepărtare mai mică a volumului de material și, prin urmare, rezultate de prelucrare mai precise în comparație cu cele obținute din impulsuri laser mai lungi. Procesul de ablație cu laser depinde de proprietățile fizice ale materiei solide, parametrii laserului și condițiile de mediu (Semerok și colab. 1999; Stavropoulos și Chryssolouris 2007; Stavropoulos și colab. 2010; Stavropoulos și colab. 2012). Investigațiile experimentale au relevat că odată cu FL, împreună cu craterul, coexistă o formațiune de resturi, a căror înălțime depinde de materia țintă, de energia laserului și de numărul de impulsuri către țintă. S-a constatat că diametrele craterului sunt mai mari decât cele ale fasciculului laser. S-a găsit coincidențe pe forma craterului cu distribuția intensității radiației doar la fluențe laser scăzute (1 J/cm²). Lărgirea craterului este rezultatul împrăștierii fasciculului laser în plasma din apropierea suprafeței și a acțiunii plasmei asupra formării craterului. Generarea de resturi este rezultatul nu numai al exploziei fazei lichide, ci și al recondensării particulelor de plasmă (Kelly și Miotell 1994).

Rezultatele experimentale (Nolte et al. 1999) sunt prezentate în Fig. 13. Microprocesarea cu laser este utilizată de multe sectoare industriale – semiconductori, electronică, medical, auto, aerospațial, instrumentație și comunicații.

Laserele pentru micro-prelucrare oferă o gamă largă de lungimi de undă, durată a impulsului (de la femtosecundă la microsecundă) și rate de repetiție (de la un singur impuls la megaherți). Aceste atribute permit micro-prelucrarea cu rezoluție mare în adâncime și dimensiuni laterale. Domeniul micro-prelucrării cuprinde metode de fabricație cum ar fi găurirea, tăierea, sudarea, precum și ablația și texturarea suprafeței materialului, prin care este posibil ca structuri de suprafață foarte fine din domeniul micrometric să fie realizate. Astfel de procese necesită o încălzire rapidă, topire și evaporare a materialului. Utilizarea unor durate extrem de scurte ale impulsurilor de nano- și pico- și chiar femtosecunde ajută la minimizarea efectelor termice, cum ar fi topirea și formarea bavurilor, eliminând astfel necesitatea oricăror măsuri de postprocesare. Caracteristicile tipice ale laserului, utilizate în operațiunile de micro-prelucrare în termeni de sursă, lungime de undă, durate de impuls și frecvență, sunt afișate în Tabelul 2, în timp ce Tabelul 3 clasifică aplicațiile de micro-prelucrare cu laser per sursă, aplicație și material.

Rezultatele calitative generale, evidențiind oportunitățile micro-prelucrării cu laser, sunt prezentate în paragrafele următoare. În unele cazuri este prezentat și un studiu comparativ cu macro-prelucrarea laser. Clasificarea se bazează pe materialul țintă.

Micro-prelucrarea metalelor

Micro-prelucrarea metalelor în vrac cu utilizarea laserelor cu impulsuri în nanosecunde (sau mai lungi) a fost istoric o sarcină dificilă din cauza problemelor care au de-a face cu efectele de topire în jurul locului prelucrat, materialul refulat și calitatea generală a marginilor micro-structurii. Controlul fin care a fost necesar pentru micro-structurile de precizie nu a putut fi obținut cu astfel de lasere. Recent, laserele de femtosecunde au depășit aceste probleme și micro-prelucrarea de înaltă calitate este acum posibilă (Nolte et al. 1997) într-o gamă de metale în vrac, așa cum se arată în Fig. 14.

O altă dezvoltare recentă care a afectat domeniul micro-prelucrării metalelor este cea a laserelor solid-state cu rată mare de repetiție, în special laserele cu vanadat de neodim (Nd:YVO4). Durata relativ scurtă a impulsului acestor lasere (de obicei, câteva nanosecunde până la câteva zeci de nanosecunde) și ratele de repetiție de câteva zeci de kiloherți au permis dezvoltarea suficientă a proceselor robuste. Micro-prelucrarea de o calitate extrem de înaltă a fost demonstrată, de asemenea, folosind aceste sisteme cu impulsuri în nanosecunde. Figura 15 prezintă un exemplu de micro-prelucrare de înaltă precizie folosind un laser Nd:vanadat de 355 nm, care operează la 10 kHz și cu o putere medie de 6 W și o durată a impulsului de 38 ns.

Se poate observa în Fig. 15 că chiar și cu metalele din oțel inoxidabil, care sunt relativ dificil de prelucrat cu laser în bună calitate, pot fi obținute rezultate comparativ bune folosind lasere cu impulsuri de nanosecundă, cu condiția să fi fost întreprinsă o optimizare adecvată a procesului.

Micro-prelucrarea sticlei

Utilizarea microstructurilor pe bază de sticlă în discipline precum biomedicină, biochimie, dispozitive lab-on-chip, senzori și dispozitive MEMS a condus la creșterea atenției care este acordată micro-prelucrării sticlei. În aproape toate cazurile, orice deteriorare și micro-fisuri în jurul locului prelucrat cu laser ar trebui evitate, iar laserele femtosecunde s-au dovedit a fi surse excelente pentru astfel de lucrări precise de prelucrare. Figura 16 prezintă două exemple de sticlă borosilicată prelucrată cu ajutorul unui laser de femtosecundă.

Microprelucrare cu diamant/CVD

Diamantul, datorită transparenței sale într-o gamă largă de lungimi de undă, este considerat un material greu de prelucrat. La densități mari de putere, însă, diamantul este transformat în grafit, care absoarbe puterea laserului și este ulterior îndepărtat prin ablație. Prelucrarea diamantului este efectuată în prezent cu ajutorul laserelor cu impulsuri de microsecunde Nd:YAG și excimer cu impulsuri de nanosecunde. Diamantul sintetic CVD a primit multă atenție ca material atractiv pentru diferite aplicații, și anume, în aplicații optice IR, detectoare, senzori și sisteme de management termic. Gama variată de aplicații rezultă din setul de neegalat de proprietăți mecanice, termice, electrice și optice prezentate de diamante. Insă, unul dintre dezavantajele rezultate din inerția și duritatea mecanică a unui diamant este dificultatea relativă a acestuia de a fi prelucrat sau gravat convențional.
Laserele pot depăși aceste dificultăți, în timp ce diverse lasere cu impulsuri nano-milisecunde (de exemplu, laserele IR Nd:YAG) au fost folosite de câțiva ani pentru tăierea diamantelor. Pe măsură ce dispozitivele cu diamant s-au maturizat, există o serie de criterii mai stricte, deoarece laserele cu impulsuri „lungi” existente nu mai pot îndeplini calitatea necesară. Netezirea cu laser poate fi folosită pentru îndepărtarea fațetelor suprafeței și crearea unei suprafețe mai plane. Netezirea cu laser excimer UV a fost demonstrată și are ca rezultat o suprafață „netedă” de foarte bună calitate. Utilizarea netezirii cu laser femtosecunde nu grafitizează suprafața într-un mod vizibil, în timp ce testele electrice efectuate pe diamantul netezit cu laser de femtosecunde au confirmat acest lucru. Figura 17a prezintă o bucată de diamant tăiată cu fs-laser, iar netezirea cu fs-laser este prezentată în Fig. 17b.

Micro-prelucrarea cu laser este un proces destul de precis care necesită metode de simulare exacte (Stavropoulos și Chryssolouris 2006). Vizând simularea unor astfel de fenomene temporale și spațiale la scală mică, au fost dezvoltate mai multe tehnici. Dinamica moleculară (Molecular dynamics = MD) se bazează pe soluția celei de-a doua legi a lui Newton și are ca scop monitorizarea mișcării unui atom în cadrul unui sistem (Stavropoulos și Chryssolouris 2007; Stavropoulos et al. 2010). Fiecare particulă din ansamblul de N particule este tratată ca un punct de masă, interacționând prin câmpuri de forță, care la rândul lor au fost derivate din potențiale de interacțiune. MD funcționează prin soluția ecuației de mișcare a lui Newton. Prin urmare, evoluția sistemului poate fi calculată în anumiți pași de timp, unde informațiile sale totale (pozițiile particulelor, vitezele, energiile cinetică și potențială) sunt disponibile pentru fiecare pas de timp. Toate proprietățile suplimentare, cum ar fi temperatura, presiunea și funcțiile de autocorelare pot fi determinate fără parametri adiționali (Rieth 2000; Allen 2004). Procesul de reacție al unui fascicul laser cu un solid în vrac este interacțiunea dintre câmpul electromagnetic al luminii și câmpul electric al atomilor sau moleculelor materialului solid. Lumina absorbită de materialul solid poate fi împărțită în trei categorii, în funcție de nivelul energiei luminoase:

• Excitarea stării electronice a atomilor și moleculelor particulelor din rețea
• Excitarea stării de vibrație intermoleculară a moleculelor din rețea
• Excitația de vibrație intermoleculară sau interatomică a stării de rotație a moleculelor din rețea

Aplicații industriale emergente

Există o serie de candidați apăruți pentru domeniul de aplicare, care ar putea antrena tehnologia laser femtosecundă în utilizarea industrială de masă, - „aplicația ucigașă”, așa cum este adesea numită. Unele dintre sectoarele de aplicare includ (Kautek et al. 1996; Staurt et al. 1996):

• Dispozitive biomedicale: utilizează lasere femtosecunde pentru fabricarea de stenturi sau operații oculare. Se crede că acest lucru are beneficii uriașe în ceea ce privește precizia, deteriorarea zonei înconjurătoare și recuperarea pacientului.
• Structurarea suprafeței: netezirea suprafeței fără influența termică a substratului sau pentru prelucrarea selectivă a dispozitivelor multistrat fără a afecta anumite straturi.
• Micro-optică: prelucrarea micro-lentilelor sau a elementelor optice difractive în materiale optice cu un finisaj de suprafață ridicat.
• Dispozitive fotonice: prelucrarea ghidurilor de undă optice în sticlă vrac sau silice pentru circuite fotonice de unde luminoase și alte dispozitive de telecomunicații.
• Micro-prelucrare: găurirea duzelor injectoare diesel sau alte prelucrări de metale groase. Trebuie remarcat, totuși, că această aplicație specială a fost promovată de mulți ani fără a fi avansată în mod semnificativ, în timp ce acum este posibil ca laserele în nanosecunde să ofere o calitate suficientă de prelucrare, potrivită pentru producția de duze de injecție.

Procese de fabricație asistate

Fabricarea asistată cu laser (LAM) este un proces de tăiere hibrid în timpul căruia un fascicul laser este utilizat pentru încălzirea locală și înmuierea piesei de prelucrat în fața sculei de tăiere. Creșterea temperaturii în zona de forfecare reduce puterea de curgere a piesei de prelucrat și întărirea prin lucru, ceea ce face deformarea plastică a materialelor dificil de prelucrat în timpul prelucrării. Tehnologia de așchiere/prelucrare la cald nu este nouă. Generațiile anterioare ale acestei tehnologii au folosit surse de căldură de grad-scăzut. Odată cu dezvoltarea unor scule mai rezistente la căldură și mai greu de tăiat, împreună cu lasere rentabile, prelucrarea la cald a devenit din ce în ce mai importantă. LAM are unele avantaje moștenite, cum ar fi ratele crescute de îndepărtare a materialului, reducerea vibrațiilor, defectarea sculei, scăderea forțelor de tăiere și uzura sculei și, mai important, LAM permite prelucrarea materialelor de lucru fragile fără fisurare extinsă (Chryssolouris et al. 1997). Pe de altă parte, impactul său termic asupra materialului este principalul dezavantaj al acestui proces. Sursa de energie laser este utilizată pentru înmuierea materialului piesei de prelucrat atunci când este combinată cu procese convenționale de prelucrare, cum ar fi strunjirea, modelarea și șlefuirea. Procesele de prelucrare hibridă dezvoltate cu procese convenționale de prelucrare laser și non-laser sunt prezentate în Fig. 18.

La strunjirea asistată cu laser, sursa de căldură laser este focalizată pe secțiunea neprelucrată a piesei de prelucrat, direct în fața sculei de tăiere. Adăugarea de căldură înmoaie stratul de suprafață al materialelor greu de strunjit, astfel că deformarea ductilă are loc mai degrabă decât deformarea fragilă în timpul tăierii. Acest proces produce o rată de îndepărtare mai mare, menținând în același timp calitatea suprafeței piesei de prelucrat și acuratețea dimensională (). Clasele de materiale de lucru care sunt potrivite pentru aplicarea tehnologiei LAM includ:

• Materiale dure și casante, cum ar fi ceramica
• Materiale rezistente la căldură, cum ar fi aliajele de nichel
• Materiale cu constituenți abrazivi, cum ar fi aliajele de aluminiu cu conținut ridicat de siliciu,
• Materiale înclinate la întărire prin deformare semnificativă, cum ar fi oțelurile inoxidabile austenitice

Klocke și Zaboklicki (1998) au confirmat fezabilitatea tăierii nitrurii de siliciu sinterizate prin LAM. Pentru temperaturile piesei de prelucrat în intervalul de 100^o F, s-a observat că formarea așchiilor se realizează predominant prin deformare plastică ductilă, rezultând suprafețe prelucrate de o calitate similară cu cea obținută în șlefuirea cu diamant. Pe baza analizei microscopice electronice a așchiilor obținute, Lei și colab. (2000) au dedus că deformarea plastică a nitrurii de siliciu în zona de forfecare a fost susținută de o reducere a vâscozității fazei sticloase intergranulare la temperaturi crescute ale piesei de prelucrat. Rebro et al. (2002) au dezvoltat un protocol de profil laser cu rampă dublă pentru LAM ceramicii pentru a preveni fracturarea termică a piesei de prelucrat.

LAM-ul unui compozit cu matrice metalică de aluminiu armat cu alumină a fost studiat de Wang și colab. (2002), care au raportat că laserul a ajutat la reducerea forțelor de tăiere și a uzurii sculei cu carbură cu 30–50%, respectiv 20–30%. Westkaemper (1995) a raportat în continuare un proces de șlefuire asistat de laser a cărui rată de îndepărtare a depozitului în șlefuirea continuă a nitrurii de siliciu presată la cald a fost crescută cu un factor de 6 fără efecte adverse asupra calității suprafeței prelucrate. Hibridizarea prelucrării cu laser prin procese de prelucrare neconvenționale s-a dovedit, de asemenea, a fi avantajoasă pentru îmbunătățirea calității prelucrărilor orientate către produse la microscară. Prelucrarea cu fascicul laser asistată cu ultrasunete (Ultrasonic-assisted laser beam machining = UALBM), prelucrarea electrochimică asistată cu laser (laser-assisted electrochemical machining = LAECM), prelucrarea cu electro-descărcare asistată cu laser (laser-assisted electro-discharge machining = LAEDM) și gravarea asistată cu laser (laser-assisted etching = LAE) sunt exemple de procese de prelucrare hibridă cu laser.