雷射切割及3D列印之應用
2014-11-10 發佈 | 作者:[2014自動化總覽] 雷射知識網

<雷射切割及3D列印之應用>

 

雷射有各種不同的應用,小至數毫瓦的雷射簡報筆到大至進行核融合研究用的雷射系統,都是雷射的重要應用,今年(2014年)預計產值為93.3億美金,根據Laser focus world相關的產業報導分類來看,雷射光源應用的領域涵蓋通訊、光儲存、材料加工、微影應用、醫療美容、科學研究及軍事、儀器及感測器、娛樂及顯示器和雷射列印.其中材料加工為其中主要的應用,正好這也是目前我國產業界比較有機會參與接觸的一塊。

 

然而使用雷射進行材料加工與傳統的工具機金屬加工有極大不同,傳統的工具機基本上是利用切削或沖壓等接觸性的方式來進行工件加工,所以對於作業人員的危險較大且製造過程中產生的噪音十分擾人,所以基於工安及敦親睦鄰的考量.較不容易直接透過延長操作時數的方式彈性增加產量。此外傳統的機械加工機台像沖床設備需要模具來進行工件的加工,因為製做模具的成本較高,所以更有不易生產少量及特殊產品的問題。而雷射加工機因為是非接觸性加工方式,雷射加工因為沒有加工刀具與工件接觸摩擦接觸的狀況,所以加工過程中產生的噪音便小了很多,再者雷射加工設備除了移動平台式或機械手臂式的加工方法外,還有利用鏡片掃描雷射光點進行大面積加工的可能,因此轉動鏡片所需的能源相較起移動沉重的模具的能源少了許多,所以雷射加工被寄望成為機械製造上產生更少污染及損耗但又能進行更複雜更快加工程序的綠色生產方式。

 

以工具機產業應用雷射的角度來看,雷射加工的第一個關鍵在於如何選擇一隻適當的雷射光源,市場上常見的雷射光源相關的名詞有二氧化碳雷射、半導體雷射、光纖雷射、二極體泵浦固態雷射、YAG雷射、飛秒雷射、皮秒雷射、Q開關雷射等五花八門的名詞.往往讓想要進入開發雷射加工機的產業界朋友,感到挫折及裹足不前.因此我們先將這些名詞匯總整理成表一

 

表一、各種雷射名詞分類

分類方式

名詞

雷射增益介質(名稱,物理狀態,形狀等等)

二氧化碳雷射、半導體雷射、光纖雷射、YAG雷射、氣體雷射、固態雷射、disk雷射…等。

雷射架構

Q開關雷射、鎖模雷射、二極體泵浦固態雷射…等

雷射脈沖特性

飛秒雷射、皮秒雷射、連續式雷射…等

    然而這些名詞歸咎到最後需要注意的規格只有雷射的波長、脈衝寬度、功率、雷射模態等物理上的特性。雖然很多產品以運用某種雷射做為產品廣告的焦點,但是歸根究柢只要能夠產生規格上相同的雷射光束,不論用什麼方式產生的雷射都會產生一致的結果。因此在設計新的雷射加工機時,光源的選擇要根據加工的工作原理為依歸。舉例來說,雷射切割的基本原理就是利用大量的熱量,將加工物件燒熔進而進行切割,所以雷射的平均功率大小就會是最關鍵的參數。但是更重要的部分是如何設計出可以利用雷射加工非接觸特性的機台。舉例來說,彈簧華司的製作方式大致上還是以沖壓的方式製成,但是有沒有可能利用雷射加工機台來製作彈簧華司的方式呢?這裡要介紹一個1959年通過的美國專利的製作方式,根據美國專利號US2867824中描述了一個方法把一片金屬先彎成螺旋狀的結構(圖一),然後再利用刀具把螺旋狀結構切開便可以變成彈簧華司。以現在的供應鏈來看,採購各式各樣的彈簧都不是十分困難的狀況,假如結合雷射切割機及此專利的構想,便可以幾乎在無聲的狀態下大量製造彈簧華司。

圖一、美國專利號US2867824中所提出之製作彈簧華司的製程。

 

而雷射燒結技術SLS (Selective Laser Sintering)是最新流行的3D列印機台中重要的製造原理,因為雷射燒結技術是比較接近可用成品的製造方式,但是純粹製造一台3D列印機台來說,已經需要花費許多努力來克服基本材料的特性、各元件控制…等門檻才能製造出一台可以運作的機器。此外一台3D列印機台目前造價仍高,並不容易說服後端的客戶投入資本採購機台。所以對於以雷射為基礎的3D列印機台來說,除了尋找適用於3D列印的應用之外,特別適用於少量多樣、客製化及複雜工件的生產,還要及早發展多功能的機台才能應付市場變化的方向。而多功能機台的發展除了各種不同功率雷射的使用之外,如何產生多波長的雷射工具機就變成另外一個重點。所以關於這方面的發展與學研單位合作便是很重要的機會,學術機構的需求往往十分多樣化,像我們曾與學校機構開發藍、黃、紅外光三色雷射掃描系統(圖二)。雖然此種雷射掃描系統目前在產業界應用很少,但是透過與學術機構合作的機會,提升了我們自身對於各種光學元件的掌握度,也讓學術機構透過業界的幫助已經發表了一些重要的成果,達成雙贏狀況。所以若鼓勵更多廠商與優秀的台灣研究團隊進行合作,最終可達到良性循環創造屬於台灣自己的雷射產業。

 

圖二、藍、黃、紅外光三色雷射掃描系統。(雷星光束股份有限公司)