การตัดด้วยเลเซอร์ CO2 เทียบกับการตัดด้วยเลเซอร์ไฟเบอร์: การวิเคราะห์กระบวนการและต้นทุน

1. ภาพรวม
ในปัจจุบัน เลเซอร์ชนิดหลักที่ใช้งานอยู่คือ การตัด ในการประยุกต์ใช้งานคือเลเซอร์ CO2 และเลเซอร์ไฟเบอร์ เลเซอร์ CO2 จะถูกสร้างขึ้นโดยการกระตุ้นก๊าซ CO2 ภายใต้ความถี่สูงและความดันสูง ทำให้เกิดเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่น 10.6μm แสงเลเซอร์จะถูกนำทางและโฟกัสผ่านกระจกเงารีโซเนเตอร์และสะท้อนด้วยแผ่นทองแดงเพื่อทำการตัด
เลเซอร์ไฟเบอร์ใช้ไดโอดปัมพ์หลายตัวที่เรียงขนานกันเป็นแบบ multimode เป็น แหล่งกำเนิดเลเซอร์ , การสร้างเลเซอร์ยังคงอยู่ที่ 10.6μm อีกด้วย ลำแสงจะถูกเชื่อมต่อกับเส้นใยเดียวผ่านการปรับจูนเรโซเนเตอร์ ส่งผลให้เกิดเลเซอร์พลังงานสูง

2. การเปรียบเทียบระหว่างการตัดด้วยเลเซอร์ CO2 และ การตัดเลเซอร์เส้นใย กระบวนการ

(1) การเปรียบเทียบโครงสร้างของเลเซอร์
เครื่องกำเนิดเลเซอร์ CO2 มีขนาดใหญ่และใช้อากาศเป็นสื่อกลางสำหรับการส่งผ่าน เลเซอร์เคลื่อนที่ในเส้นตรงผ่านสะท้อนแสงซึ่งทำให้เกิดการลดลงของลำแสงอย่างรวดเร็วและการสูญเสียพลังงานมาก ประสิทธิภาพของการแปลงแสง-ไฟฟ้าต่ำเพียงประมาณ 10% เช่นเดียวกับที่แสดงในรูปที่ 1

เลเซอร์ไฟเบอร์ ใช้ชุดไดโอดปัมพ์หลายชุดขนานกัน เลเซอร์ถูกส่งผ่านเส้นใยแสง โดยถูกจำกัดไว้ภายในเส้นใยและเคลื่อนที่ในเส้นทาง "โค้ง" วิธีนี้ไม่ได้รับผลกระทบจากสภาพแวดล้อมภายนอกและมีประสิทธิภาพในการแปลงแสง-ไฟฟ้าสูงกว่า 25% เช่นเดียวกับที่แสดงในรูปที่ 2

รูปที่ 1 เลเซอร์ CO2
1. เครื่องกำเนิดเลเซอร์ 2. หน่วยขับเคลื่อน สะท้อนแสง 3. ทางแสง 4, 5, 6. สะท้อนแสงมุม 7. เลนส์โฟกัส

รูปที่ 2 เลเซอร์เส้นใย
1. แหล่งกำเนิดเลเซอร์ 2. 腔回เสียง 3. ระบบทำความเย็น 4. ทางแสง

(2) การเปรียบเทียบวัสดุที่ตัดได้
เลเซอร์ CO2 สามารถตัดเหล็กคาร์บอน เหล็กสแตนเลส อลูมิเนียมอัลลอย และวัสดุที่ไม่ใชโลหะ แต่ ไม่สามารถตัดทองแดงได้ ทองแดงสะท้อนคลื่นความยาว 10.6μm ได้ดีมากและสะท้อนลำแสงส่วนใหญ่โดยไม่ดูดซับ ซึ่งอาจทำให้แหล่งกำเนิดเลเซอร์เสียหายจากการสะท้อนกลับ

เลเซอร์ไฟเบอร์สามารถตัดเหล็กคาร์บอน เหล็กสแตนเลส อลูมิเนียมอัลลอย และ ทองแดง แต่ ไม่สามารถตัดวัสดุที่ไม่ใช่โลหะได้ เช่น ไม้ พลาสติก และหนัง นอกจากนี้ยังไม่สามารถตัดวัสดุที่มีชั้นเคลือบผิว เช่น สเตนเลสเคลือบหรือแผ่นเหล็กกันสนิมพิเศษได้

(3) การเปรียบเทียบสมรรถนะการตัด
ประสิทธิภาพในการตัดรวมถึงความเร็วในการตัด ความสามารถในการเจาะ และคุณภาพของขอบที่ตัด ซึ่งเป็นตัวชี้วัดสำคัญในการประเมินเครื่องตัดเลเซอร์

เลเซอร์ไฟเบอร์มีความโดดเด่นในการตัดแผ่นบาง โดยเฉพาะแผ่นที่มีความหนาต่ำกว่า 3 มม. ซึ่งสามารถตัดได้เร็วกว่าถึง 4 เท่า เมื่อเทียบกับเลเซอร์ CO2 ที่ความหนา 6 มม. เลเซอร์ทั้งสองชนิดทำงานคล้ายคลึงกัน ซึ่งเป็นจุดเปลี่ยนที่ข้อได้เปรียบของพวกมันสลับกัน สำหรับวัสดุที่หนากว่า 6 มม. เลเซอร์ CO2 จะเริ่มแสดงข้อได้เปรียบ แม้ว่าความแตกต่างจะไม่มากนัก (ดูแผนภูมิที่ 3 สำหรับความเร็วในการตัดบนวัสดุต่างๆ)

ก่อนการตัด เลเซอร์จะต้องเจาะวัสดุก่อนเสมอ เลเซอร์ไฟเบอร์มักใช้เวลานานกว่าเลเซอร์ CO2 ในการเจาะ เช่น เมื่อใช้เลเซอร์ 3kW ตัดเหล็กคาร์บอนหนา 8 มม. เลเซอร์ CO2 จะเร็วกว่าประมาณ 1 วินาทีต่อรู และเร็วกว่า 2 วินาทีสำหรับความหนา 10 มม. หากเจาะมากกว่า 2000 ครั้งต่อวัน จะทำให้มีความแตกต่างของเวลาประมาณ 6000 วินาที หรือประมาณ 1.7 ชั่วโมง ต่อวัน

คุณภาพของขอบมักถูกประเมินจากความขรุขระและความตั้งฉาก สำหรับแผ่นเหล็กที่มีความหนาต่ำกว่า 3 มม. การตัดด้วยเลเซอร์ไฟเบอร์จะมีคุณภาพของขอบแย่กว่าการตัดด้วยเลเซอร์ CO2 เล็กน้อย เมื่อความหนาเพิ่มขึ้น ความแตกต่างจะชัดเจนมากขึ้น สำหรับแผ่นสแตนเลสที่หนา 3 มม. ขึ้นไป ขอบจากการตัดด้วยเลเซอร์ไฟเบอร์จะดูเป็นด้าน ในขณะที่การตัดด้วย CO2 จะเงา สำหรับเหล็กคาร์บอนหนา 16 มม. ความตั้งฉากของขอบจากการตัดด้วยเลเซอร์ไฟเบอร์อยู่ระหว่าง 0.4–0.5 มม. ในขณะที่ CO2 สามารถทำได้ที่ 0.1 มม.
นอกจากนี้ เนื่องจากความถี่ต่ำและความหนาแน่นพลังงานสูงของเลเซอร์ไฟเบอร์ การเจาะรูเล็กๆ ในเหล็กคาร์บอนอาจทำให้เกิดความร้อนสูงเกินไป

สรุปการเปรียบเทียบกระบวนการตัดด้วยเลเซอร์ CO2 และไฟเบอร์แสดงอยู่ในตารางที่ 1

รูปที่ 3 ความเร็วในการตัดของวัสดุต่างๆ

ตารางที่ 1 การเปรียบเทียบพารามิเตอร์กระบวนการพื้นฐานระหว่างการตัดด้วยเลเซอร์ CO2 และไฟเบอร์

ตารางที่ 2: การวิเคราะห์ต้นทุนของการตัดด้วยเลเซอร์ CO₂ เทียบกับเลเซอร์ไฟเบอร์

หมายเหตุ: ค่าแรง, ค่าบริหารจัดการ และปัจจัยกำไรไม่ได้ถูกนำมาพิจารณาในวิเคราะห์ค่าใช้จ่ายดังกล่าว

3. การวิเคราะห์ต้นทุนของ CO2 เทียบกับ การตัดเลเซอร์เส้นใย

โดยใช้การตัดแผ่นเหล็กสแตนเลสหนา 5 มม. เป็นตัวอย่าง การเปรียบเทียบต้นทุนแสดงอยู่ในตารางที่ 2

จากตารางและสมมติว่าทำงานปีละ 3860 ชั่วโมง:

• การตัดด้วยเลเซอร์ CO2 : ต้นทุนการดำเนินงาน = ¥268.8/ชั่วโมง

• การตัดเลเซอร์เส้นใย : ต้นทุนการดำเนินงาน = ¥242.7/ชั่วโมง

ด้วยความเร็วในการตัดที่ 2.5 ม./นาที (CO2) และ 8.2 ม./นาที (เส้นใย):

• ต้นทุนต่อเมตรของ CO2 = ¥1.79

• ต้นทุนต่อเมตรของการตัดด้วยเลเซอร์เส้นใย = ¥0.48

4. สรุปและข้อเสนอแนะ

ทั้งเลเซอร์ CO2 และ การตัดเลเซอร์เส้นใย เทคโนโลยีต่าง ๆ มีการใช้งานที่เหมาะสมเป็นของตัวเอง
เลเซอร์ CO2 สามารถตัดเหล็กคาร์บอน เหล็กกล้าไร้สนิม และอลูมิเนียมอัลลอย รวมถึง เซมิคอนดักเตอร์ วัสดุที่ไม่ใชโลหะ และวัสดุคอมโพสิต ซึ่งทำให้มีขอบเขตการใช้งานที่กว้างขึ้น
เลเซอร์ไฟเบอร์สามารถตัดเหล็กคาร์บอน เหล็กสแตนเลส อลูมิเนียมอัลลอย และ ทองแดง —ซึ่งเลเซอร์ CO2 ทำไม่ได้—แต่พวกมัน ไม่สามารถตัดวัสดุที่ไม่ใช่โลหะได้ .

ในแง่ของต้นทุนการตัด เลเซอร์ไฟเบอร์มีความคุ้มค่ามากกว่าอย่างเห็นได้ชัด มากกว่าเลเซอร์ CO2

คำแนะนำในการเลือกใช้เลเซอร์:

1. สำหรับวัสดุที่มีความหนา ≤ 4 มม. : เลือกใช้เลเซอร์ไฟเบอร์เนื่องจากมีความเร็วและความสามารถสูงกว่า—คุ้มค่าโดยรวม

2. สำหรับวัสดุที่มีความหนา ≥ 8 มม. : เลือกใช้เลเซอร์ CO2 เนื่องจากมีประสิทธิภาพการเจาะและการตัดขอบดีกว่า—โดยเฉพาะเมื่อเลเซอร์ไฟเบอร์ไม่มีข้อได้เปรียบเรื่องความเร็วชัดเจน

3. สำหรับทองแดงหรือสเตนเลสผิวกระจก : เลือกใช้เลเซอร์ไฟเบอร์
   สำหรับสารกึ่งตัวนำ วัสดุที่ไม่ใช่โลหะ หรือวัสดุผสม : เลือกใช้เลเซอร์ CO2