Penempatan Laser dalam CNC (vs. Milling/Turning/EDM)
Ciri-ciri Utama Laser
- Tanpa sentuhan, daya potong rendah: Mesra untuk plat nipis, struktur mikro, dan komponen mudah berubah bentuk.
- Pemprosesan haba: HAZ (Heat-Affected Zone), terbentuk sisa/serbuk pinggir, dan perubahan warna boleh berlaku → perlu kawalan parameter dan gas.
- Ultrashort pulse (ps/fs) dapat mengecilkan HAZ ke tahap minimum.
- Keupayaan geometri:
- 2D/3D pemotongan, lubang mikro, pengerasan permukaan, overlay/metal cladding, kimpalan, penandaan, dan additive manufacturing (LPBF, DED).
- Untuk pengeluaran material dalam ruang dalam/deep cavities → milling atau EDM lebih sesuai.
- Kitaran pengeluaran:
- Pemotongan plat nipis/pipa & penandaan cepat;
- Pemotongan plat tebal atau logam reflektif tinggi kurang efisien;
- Kualiti permukaan tinggi masih memerlukan pemprosesan mekanikal tambahan.
Jenis Laser dan Kegunaan
- Fiber laser (~1.06 μm) → utama untuk pemotongan/logam/kimpalan/penandaan; efisien & penyelenggaraan rendah.
- CO₂ (10.6 μm) → bukan logam (kay, akrilik, kertas, kulit); logam memerlukan salutan atau kuasa tinggi.
- Green/Blue (~532/450 nm) → logam reflektif tinggi seperti tembaga, emas, aluminium; sesuai untuk kimpalan & pemotongan nipis.
- Ps/fs Ultrashort pulse → kaca, seramik, sapphire, SiC; mikro-pemprosesan dan penandaan tepat, hampir tiada HAZ.
Proses Utama dan Aplikasi CNC
Pemotongan (2D/3D/Pipa)
- Plat logam, penyangga, prototaip kecil; 5-axis atau robot + galvanometer untuk permukaan 3D.
- Strategi kritikal: single/trepan perforation, lead-in/out, micro-joint, pengurangan kuasa di sudut, sinkronisasi kelajuan.
Lubang mikro/slot
- Nozzle, lubang turbo, mesh, alat perubatan; kawalan nadi ns/ps untuk mengelak peleburan semula.
Kimpalan (konduktif/Keyhole)
- Plat nipis stainless/aluminium/tembaga; galvanometer + wobble untuk kurangkan pori dan toleransi jurang.
Rawatan permukaan
- Quenching (hardening tempatan), alloying/cladding untuk lapisan tahan haus (shaft, tepi mold).
Penandaan/Traceability (DPM)
- Kod bar, QR, nombor siri pada logam/plastik → mudah integrasi MES/PLM.
Additive Manufacturing & Hybrid
- LPBF → topologi bebas;
- DED → tambah material di CNC, kemudian milling untuk kemasan/repair/fungsi bertingkat.
Integrasi dengan CNC
Konfigurasi mesin
- Laser berdiri sendiri (plat/pipa line)
- CNC komposit (spindle + kepala laser)
- Robot/5-axis + galvanometer
- Hybrid DED + CNC
Kawalan & komunikasi
- G/M code mengawal ON/OFF & kuasa; controller keluarkan PWM/analog/digital → laser; sinkron dengan servo/acceleration.
Contoh kod (indikatif)
G0 X10 Y10 Z2
M62 P1 ; Laser ON (atau M3)
S1200 ; Kuasa/frekuensi
G1 F6000 X80 Y10
G1 X80 Y60
M63 P1 ; Laser OFF (atau M5)
Optik & fokus: AFC, gap nozzle, kamera coaxial untuk alignment.
CAM/Path: Lead-in/out, perforation, micro-joint, corner power reduction, layer sorting, nesting.
Fixturing & alignment: Pin定位, vacuum/magnetic, kompensasi visual.
Parameter & Kawalan Kualiti
Parameter utama:
- Laser power / pulse energy, frequency, duty cycle
- Fokus (in-focus/out-focus)
- Spot diameter
- Feed/scan speed, acceleration
- Nozzle gap, jenis/tekanan gas (O₂/N₂/Air/Ar)
- Multi-step perforation
Indikator kualiti:
- Sisa/serbuk pinggir, konikal/vertikal, HAZ, perubahan warna, Ra, dimensi, kebulatan, konsistensi lubang, pori/corner weld.
Logik pelarasan:
- Banyak sisa → naikkan gas/ubah ke N₂, tambah kelajuan atau kurangkan kuasa, fokus ke 1/3–1/2 ketebalan, periksa nozzle.
- Corner burn → turunkan kuasa & kelajuan, tambah radius path, aktifkan look-ahead.
- Copper/Brass reflektif → gunakan green/blue atau short pulse, tambah penyerapan permukaan, gas berkualiti tinggi.
- Seramik/kaca retak → ps/fs, scan berulang rendah, water cooling/support layer.
Julat bahan & ketebalan (indikatif)
- Carbon/SS: 1–20 mm (fiber 2–6 kW)
- Aluminium: 1–12 mm (high thermal conductivity → power/ nitrogen lebih tinggi)
- Copper/Brass: 0.1–6 mm (green/blue/ultrashort pulse)
- Non-metal: CO₂ (wood/acrylic/leather)
- Glass/ceramic/SiC: ps/fs micro-processing, scribing/delamination
Senario aplikasi
- Sheet metal line: casing, frame, door panel (cut + bend + tapping + coating)
- Tubular/profiles: fitness, bicycle, furniture (cut + intersection openings)
- Precision parts: turbine cooling holes, nozzle, mesh, microchannel
- Welding: battery busbar, motor/sensor housing, medical stainless tubing
- Traceability: serial/QR/DPM → MES/PLM
- Repair & additive: rail/blade cladding → CNC finishing
Pemilihan antara Laser vs Konvensional
- Gunakan Laser: plat nipis/lubang mikro, bahan mudah berubah bentuk, prototyping cepat, fleksibiliti tinggi, kimpalan low-heat input.
- Gunakan Milling/Turning: deep cavities, toleransi tinggi, surface finish ketat, removal rate besar.
- Gunakan EDM: bahan sangat keras, deep/narrow slot, heat-sensitive microfeatures.
- Hybrid: laser rough → CNC finishing; DED → CNC finishing.
Checklist Pengenalan & Pemilihan
- Tentukan keluarga bahan: material/thickness/volume/tolerance
- Tentukan proses: cutting/welding/marking/cladding/additive; perlu 5-axis/galvo?
- Pilih sumber laser: power, wavelength, pulse/continuous, beam quality (M²)
- Kepala optik: autofocus, protective lens, nozzle/gas, robot/5-axis compatible
- Kawalan/CAM: power-speed link, corner reduction, perforation table, scan strategy, nesting, DPM fonts & verification
- Peripherals: gas supply, dust/fume extraction, chiller, vision/power monitoring
- QA: surface Ra, hole Cpk, weld microstructure/airtight, mark readability >99%
- Fixturing & quick-change: pins, vision compensation
- Trial parameters: material × thickness × nozzle × gas matrix + SOP, version control
- Total cost: CapEx (laser/optics/control) + OpEx (gas/consumables/lens/electricity) + yield benefit
Keselamatan & Penyelenggaraan
- Laser Class 4: enclosure, interlock, emergency stop, goggles (wavelength), beam termination, reflection risk evaluation (copper/mirror finish).
- Fume/gas: metal fumes & VOC → local extraction & filtration; oxygen → high-pressure compliance
- Optik: bersihkan/ganti protective lens & nozzle, periksa fokus & concentricity, chiller maintenance
- Kalibrasi: power meter, M², focus shift, galvanometer scan field & scaling
FAQ Ringkas
- Tidak terpotong / sisa banyak → naikkan gas N₂, fokus ke 1/3–1/2 ketebalan, periksa nozzle, lens, tambah speed / kurangkan power
- Corner burn → activate corner power reduction & acceleration link, radius CAM
- Arc start welding → preheat/pre-wet, short wobble, start power up/slow down, copper → green/blue or dual wavelength
- Low marking readability → tambah kontras (ubah freq/line spacing), ganti font, improve camera/illumination
Contoh Aliran Halaman (Cutting/Marking)
- Design & nesting →
- Generate laser CAM (perforation/lead-in/power reduction) →
- Fixturing & alignment (vision) →
- Trial cuts & record →
- Online monitoring (temp/light/camera) →
- Deburring/cleaning →
- Dimensional/mark verification →
- Production & parameter lock
Ukiran Laser Berwarna pada Keluli Tahan Karat
Prinsip Asas
- Bukan melalui cat, tetapi dengan laser mengubah ketebalan lapisan oksida permukaan (thin-film interference) atau menghasilkan struktur mikro/nano (structural/LIPSS).
- Melalui gangguan optik (interference) atau penyebaran cahaya/kesan plasma, permukaan menampilkan warna seperti emas, biru, ungu, hijau.
- Untuk hasil yang stabil dan konsisten, diperlukan kawalan tepat pada tenaga laser, ciri nadi (pulse), strategi imbasan, dan prarawatan bahan kerja.
Sumber rujukan: MDPI, Nature
Tiga Mekanisme Utama Warna
- Gangguan Filem Nipis (Lapisan Oksida)
- Laser memanaskan permukaan keluli tahan karat dan membentuk lapisan oksida nipis (beberapa nm hingga puluhan nm).
- Ketebalan berbeza → mengganggu panjang gelombang berbeza → warna berbeza (kuning → ungu → biru).
- Kaedah industri paling biasa untuk “stain/color marking”.
- Rujukan: Scientific Direct, MDPI
- Warna Struktur (LIPSS / Mikro-Nano Struktur)
- Nadi pendek atau ketumpatan tenaga tertentu menghasilkan corak berkala pada permukaan.
- Penyebaran cahaya/resonans menghasilkan warna.
- Kelebihan: resolusi tinggi, warna stabil tanpa bergantung pada sudut pandang.
- Rujukan: PMC
- Laser-Induced Plasma / Perubahan Kimia Semula Pepejal
- Tenaga tinggi → unsur permukaan tersusun semula, keadaan oksidasi berubah, atau peleburan semula.
- Juga boleh menghasilkan warna, tetapi lebih sukar dikawal dan cenderung tidak sekata.
- Rujukan: Nature
Jenis Laser/Mod Sesuai
- MOPA / Fiber Laser dengan lebar nadi boleh laras
→ Paling sesuai, kerana dapat mengawal ketebalan oksida dengan halus, menghasilkan warna tepu.
→ Banyak digunakan dalam industri untuk penandaan warna.
→ Rujukan: support.xtool.com - Fiber Laser standard (ns)
→ Boleh menghasilkan warna (melalui lapisan oksida), tetapi julat parameter sempit, perlukan ujian teliti.
→ Rujukan: Scientific Direct - Ultrashort pulse (ps/fs)
→ Sesuai untuk menghasilkan LIPSS dan warna struktur beresolusi tinggi, stabil, HAZ sangat kecil.
→ Kos peralatan lebih tinggi.
→ Rujukan: PMC
Parameter Kritikal
- Kuasa purata / tenaga setiap nadi (fluence) → menentukan kadar pengoksidaan dan ketebalan lapisan.
- Lebar nadi & kekerapan (rep rate) → MOPA dengan nadi boleh laras sangat mempengaruhi warna.
- Secara umum: frekuensi tinggi + nadi pendek + tenaga nadi rendah = warna lebih halus.
- Kelajuan imbasan / kadar pertindihan / jarak garisan (hatch spacing) → mempengaruhi haba terkumpul.
- Kedudukan fokus (in-focus/defocus) → defocus boleh mengubah saiz spot, mempengaruhi pengoksidaan.
- Atmosfera (udara / nitrogen / gas lengai) → oksigen membantu pembentukan warna; gas lengai boleh mengehadkan atau mengubah tekstur.
- Komposisi aloi & rawatan permukaan → jenis keluli tahan karat (304, 316, 430) dan keadaan permukaan mempengaruhi hasil warna.
- Rujukan: Scientific Direct
Proses Amali (SOP Ringkas)
- Persediaan bahan
- Tentukan jenis keluli (304/316 dll.), tahap penggilapan (mirror vs matte).
- Bersihkan minyak, cap jari (IPA/ultrasonik).
- Ujian kecil (Parameter Matrix)
- Buat grid test (paksi-X: kelajuan/kuasa, paksi-Y: frekuensi/nadi).
- Rekod warna, keseragaman, kekasaran.
- Pemilihan & pelarasan warna
- Gunakan mikroskop optik untuk menilai keseragaman.
- Laraskan hatch, pertindihan, fokus.
- Ujian kualiti & ketahanan
- Pencucian kimia, gosokan alkohol, ujian kabut garam, ujian haus (wheel), penuaan UV.
- Penetapan SOP
- Buat jadual parameter (bahan × permukaan × tetapan laser).
- Tetapkan standard pemeriksaan (ΔE, pemeriksaan visual, ujian ketahanan).
Strategi Pelarasan Praktikal
- Langkah 1: Cari julat tenaga yang boleh menghasilkan warna (scan kasar).
- Langkah 2: Buat grid halus dalam julat itu → kawal frekuensi, nadi (MOPA), kelajuan imbasan.
- Langkah 3: Gunakan pertindihan minimum untuk warna sekata (elak haba berlebihan).
- Langkah 4: Jika sasaran = warna stabil & tepu, pertimbangkan ps/fs laser untuk struktur LIPSS.
- Rujukan: PMC
Contoh Parameter (Hanya Titik Permulaan, Perlu Ujian Nyata)
MOPA Fiber Laser (20–30 W)
- Kuasa: 10–30%
- Kelajuan: 500–2000 mm/s
- Frekuensi: 200–400 kHz
- Nadi: 6–60 ns
- Hatch: 0.001–0.02 mm
Fiber Laser standard (ns)
- Kuasa: 20–60%
- Frekuensi: 20–80 kHz
- Kelajuan: 300–1500 mm/s
Ultrashort pulse (ps/fs)
- Strategi: tenaga rendah, ketumpatan imbasan tinggi.
- Menghasilkan warna melalui LIPSS.
Kualiti & Ketahanan
- Stabiliti warna: ditentukan oleh ketebalan & komposisi lapisan oksida.
- Ketahanan mekanikal: lapisan oksida sahaja agak rapuh → produk dengan geseran/luaran disyorkan ada lapisan pelindung (PVD, passivation).
- Perbezaan aloi: kandungan Ni/Cr berbeza → hasil warna dan keseragaman berbeza.
Masalah Umum & Penyelesaian
- Warna tidak stabil / tiada warna → permukaan kotor, tenaga terlalu rendah, strategi imbasan salah.
- Warna tidak sekata / tompok → kanta/nozel kotor, fokus salah, permukaan kasar.
- Over-burn / hitam / kasar → kuasa terlalu tinggi atau haba berlebihan.
- Warna tidak tahan → pertimbangkan rawatan selepas (passivation, pelindung telus).
Checklist Sebelum Produksi
- Sahkan jenis keluli tahan karat & rawatan permukaan.
- Pilih jenis laser sesuai (MOPA = multi-warna; ps/fs = warna struktur stabil).
- Buat papan ujian × matriks parameter + dokumentasi (foto, nombor warna).
- Tetapkan pemeriksaan: ΔE, ketahanan gosokan, kabut garam, rekod visual.
- SOP penyelenggaraan: pembersihan kanta, kalibrasi fokus, pemeriksaan optik, sistem ekzos.
PemprosesanLaser #PemesinanCNC #PemotonganLaser #UkiranLaser #PemprosesanKeluliTahanKarat #PembuatanKetepatan #PembuatanPintar #LaserGentian #KimpalanLaser #PemesinanMikro #PemesinanLogam #IntegrasiCNC #PemesinanAutomatik #RawatanPermukaan #PenandaanLaser #Pemesinan5Paksi #AplikasiLaser #PembuatanMaju #AutomasiIndustri #PemesinanKetepatanTinggi
詠翊科技有限公司
