قطع الصفائح المعدنية بالليزر: أساسيات قطع المعادن بالليزر

تُعدّ تقنيات التصنيع الطرحي عمليات نموذجية لتصنيع الأجزاء في الصناعات. ومن الأمثلة الرئيسية على هذه التقنيات قطع الصفائح المعدنية بالليزر، وهي عملية تصنيع أساسية.

تُركز هذه العملية شعاع الليزر على سطح المادة لحرقها أو تبخيرها أو صهرها، مما يُنتج في النهاية النتائج المرجوة. وبفضل دقتها المتناهية، تُسهّل هذه العملية تصنيع المكونات ذات التفاصيل المعقدة.

هذه المقالة دليل شامل يحتوي على جميع المعلومات الضرورية التي قد تحتاجها حول القطع بالليزر قبل الخوض فيه لمشروعك التصنيعي التالي.

ما هي تقنية قطع الصفائح المعدنية بالليزر؟

تُعدّ صناعة الصفائح المعدنية من أهم تقنيات التصنيع الصناعي، ولذا يُعتبر قطع الصفائح المعدنية بالليزر من أكثر الطرق شيوعًا. تعتمد هذه التقنية على استخدام شعاع ليزر عالي الطاقة لقطع صفائح معدنية رقيقة ومسطحة. وتُدار هذه العملية بواسطة أنظمة بصرية وتقنية التحكم الرقمي بالحاسوب (CNC)، مما يُفسر الدقة العالية للأجزاء المقطوعة بالليزر.

تاريخ قطع الصفائح المعدنية بالليزر

توجد تقنية القطع بالليزر منذ أكثر من 60 عامًا، حيث يعود تاريخ أول محاولة لقطع الصفائح المعدنية إلى عام 1960.

بحلول عام 1964، كولورادو₂ كانت أشعة الليزر تُستخدم بالفعل في تصنيع التفاصيل الدقيقة مثل لحام نوابض الساعات. وقد ساهمت ميزات الأتمتة والدقة العالية لقطع الليزر، مقارنةً بعمليات القطع الأخرى، في جعلها مقبولة على نطاق واسع في التصنيع الدقيق والإنتاج بكميات كبيرة.

بدأ إنتاج ليزرات الألياف في الستينيات، لكنها لم تدخل السوق التجارية إلا في أواخر الثمانينيات. وتُعتبر التسعينيات العصر الذهبي لتكنولوجيا الليزر، إذ شهدت ظهور العديد من أنواع الليزر عالية الطاقة، مثل ليزرات الحالة الصلبة التي حسّنت الكفاءة والإنتاجية بشكل كبير. وبحلول أوائل الألفية الثانية، أصبحت خدمات القطع بالليزر تقنية تصنيع شائعة الاستخدام في العديد من الصناعات، مثل صناعات السيارات والطيران.

أنواع الليزر المستخدمة في قطع الصفائح المعدنية

توجد ثلاثة أنواع مختلفة من أجهزة الليزر المستخدمة في قطع المواد في الصناعات التحويلية. يتميز كل جهاز ليزر بخصائص فريدة تميزه عن غيره. فيما يلي ملخص شامل لأنواع أجهزة الليزر الثلاثة.

ليزر الألياف

آلات قطع الألياف الليزرية تُعدّ هذه الأجهزة من أقوى أدوات القطع الدقيقة. وهي تنتمي إلى فئة ليزرات الحالة الصلبة التي تستخدم ليزرات بذرة لتضخيم الشعاع بواسطة ألياف زجاجية خاصة. وهي فعّالة في قطع المعادن والسبائك والمواد غير المعدنية كالزجاج والبلاستيك وحتى الخشب. وإلى جانب عمليات القطع البسيطة، فهي مناسبة أيضًا لنقش المعادن وتلدينها.

تتميز أشعة الليزر الليفي بشق أوسع من غيرها، مما قد يفسر قوتها العالية. كما أنها تتمتع بعمر تشغيلي طويل لا يقل عن 25000 ساعة، وبالتالي تتطلب صيانة أقل. وتنتج هذه الأشعة بعضًا من أقوى الأشعة وأكثرها استقرارًا. ومع ذلك، فهي الأنسب للمواد التي يقل سمكها عن 20 مم.

ليزر ثاني أكسيد الكربون

CO₂ تُنتج أشعة الليزر شعاع الضوء عن طريق تمرير تيار كهربائي عبر أنبوب مملوء بمزيج من الغازات. يحتوي مزيج الغازات بشكل أساسي على ثاني أكسيد الكربون وغازات خاملة - الهيليوم والنيتروجين، وهما أكثر أنواع الغازات شيوعًا في الليزر.

لكنها أقل فعالية مقارنة بليزر الألياف. ثاني أكسيد الكربون₂ لا تستطيع آلات الليزر إلا تقطع هذه الأجهزة مواد غير معدنية مثل الخشب والأكريليك والبلاستيك. وفي بعض الحالات، قد تُستخدم أيضاً في قطع الصفائح المعدنية بالليزر، وخاصة الصفائح الرقيقة من الألومنيوم وبعض المعادن غير الحديدية الأخرى.

[قد ترغب في معرفة الليزر الليفي مقابل ليزر ثاني أكسيد الكربون: أيهما الأنسب لك.]

كريستال ليزرز

تتوفر قواطع الليزر البلورية بنوعين: بلورات Nd:YAG (غارنيت الألومنيوم الإيتريوم المطعّم بالنيوديميوم) وبلورات Me:YVO (أورثوفانادات الإيتريوم المطعّم بالنيوديميوم، YVO4). وكلاهما يتميز بقدرة قطع فائقة. مع ذلك، فهما باهظا الثمن نسبيًا، ويبلغ عمرهما الافتراضي نصف عمر ليزر الألياف تقريبًا، أي ما بين 8000 و15000 ساعة. وهما مناسبان لقطع المعادن المطلية وغير المطلية، والمواد غير المعدنية، والبلاستيك، وحتى السيراميك في ظروف محددة.

ثلاث عمليات لقطع الصفائح المعدنية بالليزر

تُعدّ عملية قطع الصفائح المعدنية بالليزر عملية حرارية تستخدم شعاع الليزر لقطع أجزاء من صفيحة معدنية. وهناك ثلاث طرق رئيسية لقطع الصفائح المعدنية.

قطع الانصهار بشعاع الليزر

تستخدم عملية القطع بالصهر غازًا خاملًا، غالبًا النيتروجين أو الأرجون، لدفع المادة المنصهرة من شعلة القطع. وبفضل استخدام الغاز الخامل، يُمنع تأكسد حافة القطع دون أن يتفاعل مع عملية القطع. تُناسب هذه العملية الصفائح المسطحة والرقيقة، والحالات التي تتطلب فيها المادة معايير جمالية عالية ومتطلبات معالجة لاحقة أقل.

قطع اللهب بشعاع الليزر

تستخدم عملية القطع باللهب غاز الأكسجين لطرد المادة المنصهرة، مما يُحدث تفاعلاً طارداً للحرارة، وهو ما يُفسر زيادة إجمالي الطاقة المُدخلة في العملية. تُعد هذه العملية مثالية لقطع الفولاذ الطري، بالإضافة إلى أنواع أخرى من الصفائح المعدنية والمواد القابلة للانصهار مثل السيراميك.

القطع بالتسامي باستخدام شعاع الليزر

تستخدم تقنية القطع بالتسامي الليزر لتبخير أجزاء من المادة مع تقليل الانصهار. وكما هو الحال في القطع بالصهر، تُستخدم غازات خاملة - مثل النيتروجين أو الهيليوم أو الأرجون - كغاز للقطع، مما يضمن خلو حواف القطع من المؤكسدات. ورغم بطء هذه التقنية، إلا أنها تُنتج حوافًا عالية الجودة لقطع دقيق للغاية.

مزايا قطع الصفائح المعدنية بالليزر

فيما يلي خمس مزايا أساسية لهذه التقنية التصنيعية.

قطع عالية الدقة

يُستخدم شعاع الليزر في قطع المعادن بدقة متناهية في عمليات التصنيع بالقطع الليزري. وتُعدّ دقة الليزر في صهر وتبخير المواد لا تُضاهى بالعديد من طرق القطع الأخرى. فبينما تتراوح مستويات التفاوت في بعض أدوات القطع بالقوالب بين 1 و3 ملم، تصل دقة القطع بالليزر إلى 0.003 ملم.

الاستخدام العالي للورق

تتيح قواطع الليزر إمكانية استخدام نسبة كبيرة من مواد التصنيع. هذه التقنية لا تترك مجالاً للهدر، إذ تعمل الآلة على زيادة عدد الأجزاء القابلة للاستخدام من أي صفيحة معدنية. لذلك، لا داعي للقلق بشأن توفير مواد زائدة؛ يمكنك شراء الكمية المطلوبة بالضبط مع ضمان كفايتها.

تعدد استخدامات القطع الفائقة

تتميز عمليات القطع بالليزر بمرونة وتعدد استخدامات عالية. إذ يُمكن لجهاز القطع بالليزر الواحد أداء عمليات قطع متنوعة، من القطع البسيطة إلى القطع المعقدة ذات التفاصيل الدقيقة، مروراً بالعلامات والحفر وحتى النقش. ولذلك، لا يحتاج المصنّعون إلى استبدال الأدوات بشكل دوري أثناء عملية الإنتاج.

استهلاك منخفض للطاقة

لا تتطلب قواطع الليزر تحريك أجزاء مختلفة من الجهاز، على عكس بعض آلات القطع الأخرى. وهذا يسمح لها بقطع قطع المواد بكفاءة عالية دون استهلاك الكثير من الطاقة. فبينما يمكن لقواطع الليزر العمل بطاقة تصل إلى 10 كيلوواط، قد تستهلك معظم العمليات الأخرى ما يصل إلى خمسة أضعاف هذه الطاقة.

ضرر طفيف أو معدوم

قد تظن أن تعرض المواد للحرارة أثناء القطع بالليزر قد يُسبب اعوجاجًا أو تشوهًا في الأجزاء، أو حتى تلفًا كاملًا. هذا غير صحيح. فالأجزاء المتأثرة بالحرارة في القطع بالليزر ضئيلة للغاية، ولا تُشكل أي تهديد لدقة أبعاد المكونات أو خصائصها بعد التصنيع.

عيوب قطع الصفائح المعدنية بالليزر

على الرغم من مزاياها العديدة، فإن تقنية قطع الصفائح المعدنية بالليزر لها بعض العيوب. دعونا نناقشها.

الحاجة إلى مشغل متخصص

لتحقيق أقصى استفادة من قواطع الليزر، قد تحتاج إلى الاستعانة بفني متخصص لتشغيلها أثناء تصنيع القطع. فالخبير، على سبيل المثال، سيكتشف بسرعة أي عطل أو إعداد غير صحيح قد يؤثر على عمليات الإنتاج أو حتى على سلامة الجهاز.

القيود المفروضة على سمك المعدن

على الرغم من أن القطع بالليزر يُجدي نفعاً مع مجموعة واسعة من المواد، بما في ذلك الصفائح المعدنية، يُنصح باستخدام طرق قطع أخرى عند التعامل مع المعادن السميكة. تُعدّ قواطع الليزر التقليدية مثالية لقطع صفائح الألومنيوم بسماكة قصوى تبلغ 15 مم والفولاذ بسماكة 6 مم.

الغازات الضارة

عندما تقوم آلات القطع بالليزر بصهر المواد وتبخيرها، فإنها تُطلق كميات كبيرة من الأبخرة الضارة عند قطع البلاستيك. لذا، من الضروري تشغيل آلات القطع بالليزر في غرفة جيدة التهوية أو بيئة عمل آمنة.

استثمار أولي مرتفع

تُعدّ تكلفة قاطع الليزر عالي الجودة مرتفعة. قد يصل سعر قاطع الليزر النموذجي إلى حوالي 1000 دولار، أي ضعف تكلفة قواطع النفث المائي أو البلازما. لذا، يتطلب العمل في مجال خدمات قطع الليزر استثمارًا أوليًا كبيرًا.

نصائح تصميمية لقطع الأجزاء بالليزر

لضمان الاستخدام الأمثل والفعّال لخدمات القطع بالليزر لأجزائك، عليك اتباع النصائح التالية لتصميم منتجاتك باستخدام هذه التقنية.

لا يمكن أن تكون تفاصيلك أصغر من سمك المعدن

يُعدّ سُمك المادة عاملاً هاماً يجب مراعاته في عمليات القطع بالليزر، إذ يرتبط ارتباطاً مباشراً بقوة الليزر. وبالتالي، كلما زاد السُمك، قلت قدرة الليزر على اختراق المادة وقطعها. مع ذلك، قد يؤدي رفع قوة الليزر أحياناً إلى زيادة احتمالية قطع هذه المادة.

تذكر الشق

يُبرز تصميم الليزر أهمية ملاحظة ما يُعرف بظاهرة "القطع المتآكل" (Kerf). وهي المادة التي تتبخر عند اصطدام شعاع الليزر بمادة القطع. ولا تقتصر هذه الظاهرة على القطع بالليزر فحسب، بل تُلاحظ أيضاً في عمليات التصنيع الأخرى التي تعتمد على الطرح. ويحدث القطع المتآكل بالليزر نتيجةً لسمك شعاع الليزر، وهو عاملٌ بالغ الأهمية يجب مراعاته أثناء مرحلة التصميم.

اختر المادة المناسبة

يُعدّ اختيار المادة المناسبة أهمّ ما يجب مراعاته قبل البدء بعملية القطع بالليزر. يعتمد اختيار المادة على الخصائص المطلوبة للمنتج النهائي. على سبيل المثال، تختلف المواد في خصائصها من حيث الصلابة والشفافية والمرونة. في رابيد دايركت، ستجدون خيارات واسعة من خدمات القطع بالليزر للصفائح المعدنية والبلاستيك والورق وغيرها.

المسافات مهمة

تُعدّ المسافة بين المسارات بالغة الأهمية في القطع بالليزر لتقليل الأخطاء والحصول على أفضل النتائج الممكنة. يجب أن تكون المسافة الدنيا مساوية لسمك المادة. على سبيل المثال، في قطع الصفائح المعدنية بالليزر، إذا كان سمك الصفيحة 2 مم، فإن المسافة بين مسارين ستكون 2 مم. ويُعدّ هذا الأمر بالغ الأهمية أيضًا عند العمل على تصاميم مختلفة للصفائح المعدنية المقطوعة بالليزر.

حوّل نصك إلى نقاط ارتكاز ومنحنيات

لا تتطلب جميع عمليات الليزر قص النصوص. مع ذلك، إذا كنت بحاجة إلى تضمين نص، فيُفضّل ترك مسافات بين الأحرف وكتابتها بحجم كبير. هذا يُسهّل العملية ويضمن أفضل النتائج. أما إذا كانت الأحرف متقاربة، فقد تتداخل، مما يؤدي إلى نقش غير مقروء.

قد تساعد معرفة النصائح المذكورة أعلاه في تقليل تكاليف تصنيع الصفائح المعدنية.

بدائل للقطع بالليزر

ربما لا ترغب في استخدام القطع بالليزر ولست متأكدًا من كيفية قطع الأشكال من الصفائح المعدنية؛ فيما يلي خيارات أخرى عالية الجودة لتلبية احتياجاتك التصنيعية.

موسيقى الرقص الإلكترونية

تستخدم عملية التفريغ الكهربائي (EDM)، مثل القطع بالليزر، الطاقة الحرارية لإزالة أجزاء من المادة. وتعتمد على التفريغ الكهربائي (الشرارات) لقطع الشكل المطلوب من المادة. وبالمقارنة مع القطع بالليزر، تُنتج عملية التفريغ الكهربائي سطحًا أكثر نعومة مع منطقة أقل تأثرًا بالحرارة. كما أنها مناسبة لقطع المواد الصلبة.

الطحن باستخدام الحاسوب

تتضمن عملية الطحن باستخدام الحاسوب (CNC) استخدام قواطع دوارة عالية السرعة لتشكيل المواد. وتُعدّ عمليات الطحن فعّالة في المعادن والسبائك واللافلزات. ومثل القطع بالليزر، تُعتبر عملية تصنيع دقيقة للغاية تعتمد على الطرح. ويكمن الفرق الرئيسي بين العمليتين في أن الطحن يستخدم أدوات قطع - قواطع دوارة - لنحت أو تشكيل التصاميم، بينما يستخدم القطع بالليزر أشعة الليزر، أو صهر الليزر، أو حرق شكل التصميم.

القطع بنفث الماء

القطع بنفث الماء هو أسلوب تصنيع يتضمن استخدام الماء أو خليط من الماء والمواد الكاشطة تحت ضغط عالٍ لقطع قطعة من المواد.

فيما يلي مقارنة بين القطع بنفث الماء والقطع بالليزر.

• يمكن لقواطع الليزر نقش الأرقام أو العلامات، بينما يسمح القطع بنفث الماء بالقطع فقط.
• كلاهما مناسب لقطع مجموعة واسعة من المواد. مع ذلك، لا تستطيع قواطع الماء قطع مواد أكثر سمكًا من قواطع الليزر، حتى 50 مم.
• تتميز تقنية القطع بالليزر بمستويات تحمل أفضل وتولي اهتمامًا أكبر بالتفاصيل المعقدة، مما يجعلها الخيار الأفضل للأشكال الهندسية المعقدة.

لكمة

تستخدم عملية التثقيب مكبسًا خاصًا لقطع الشكل المطلوب من قطعة من المادة. وكغيرها من عمليات التصنيع باستخدام الحاسوب (CNC)، تُعدّ عملية التثقيب تقنية عالية الدقة لتصنيع الأجزاء، وهي مناسبة أيضًا لمجموعة واسعة من المواد. مع ذلك، لا تُعدّ عملية التثقيب مثالية لتصنيع المكونات ذات الأشكال الهندسية المعقدة.

خاتمة

القطع بالليزر تقنية تُستخدم في النماذج الأولية السريعة لقطع المواد. تناولت هذه المقالة آلية عملها، وتاريخها، وأنواعها، ومعلومات أخرى قد تكون على دراية بها. نعتقد أنك قد تعلمت معلومة أو أكثر عن القطع بالليزر. ومع ذلك، يمكنك الوثوق بنا في Krrass للحصول على أفضل منتجات القطع بالليزر.

لمعرفة المزيد عن منتجاتنا، يرجى زيارة موقعنا الإلكتروني والاشتراك فيه. قناة يوتيوب