4 أنواع من قواطع الليزر: يجب أن تتعرف عليها

قواطع الليزر هي فئة من أدوات الآلات المُتحكم بها رقميًا، تتميز بالكفاءة والمرونة. تُستخدم في جميع الصناعات تقريبًا لتحقيق إنتاجية عالية، ودقة في القطع، والنقش، والوسم، بدءًا من قطع الورق والكرتون للاستخدام المنزلي، وصولًا إلى بناء السفن والهندسة الثقيلة. تُطبق هذه الآلات إشعاعات ليزر مُوَازية ومُركزة بدقة لثقب أو نقش المواد، بدقة مُتحكم بها باستخدام الحاسب الآلي وإنتاجية عالية. هناك عدة أنواع من الليزر تُستخدم عادةً في القطع بالليزر، ولكل منها خصائص وتطبيقات مُحددة تجعلها مُناسبة لقطاعات سوقية مُحددة.

تُستخدم أربعة أنواع رئيسية من الليزر في معدات القطع بالليزر، بنطاق واسع من القدرات، من بضعة ميغاواط إلى أكثر من 100 كيلوواط. وتجعلها أطوال موجات الانبعاث المتنوعة مناسبة لأنواع معينة من المواد. كما أن هناك عوامل تشغيلية تجعل بعض أنواع الليزر مناسبة بشكل خاص لقطاعات سوقية محدودة، دون وجود حل شامل.

4 أنواع شائعة من قواطع الليزر

قاطع ألياف الليزر

قواطع الليزر الليفي تُستخدم بشكل أساسي لقطع ونقش الأجزاء المعدنية. وتتميز بمزايا عديدة مقارنةً بأنواع الليزر الأخرى، مما يجعلها خيارًا مثاليًا في التطبيقات الصناعية.

اشتُقّ اسم ليزرات الألياف من الألياف الضوئية المُشَبَّبة كيميائيًا والمُستخدَمة لتحفيز الليزر وتوصيل الطاقة إلى نقطة القطع. يبدأ مصدر الليزر بليزر تمهيدي، عادةً ما يكون من نوع الصمام الثنائي، والذي يحقن شعاعًا منخفض الطاقة في الألياف. ثم يُضخَّم هذا الشعاع داخل الألياف الضوئية المُشَبَّبة بعناصر أرضية نادرة مثل الإيتربيوم (Yb) أو الإربيوم (Er). تُحفِّز عملية التشويب الألياف على العمل كوسط كسب، مما يُضخِّم شعاع الليزر من خلال إثارات/انبعاثات متتالية.

تُصدر ليزرات الألياف طولًا موجيًا في طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة، يبلغ حوالي 1.06 ميكرومتر. تمتص المعادن هذا الطول الموجي تمامًا، مما يجعلها مناسبة بشكل خاص لقطع ونقش هذه الفئة من المواد، حتى المعادن العاكسة "المشكلة". 

من أهم مزايا ليزرات الألياف جودة شعاعها الاستثنائية. تُحدد جودة الشعاع هذه قدرة الليزر على تطبيق إشعاع عالي التركيز، ما يُتيح مسار قطع أصغر وأكثر دقة، وطاقة نوعية أعلى (طاقة لكل وحدة مساحة). كما يُؤدي هذا إلى تباعد شعاعي أقل، مما يسمح بفتحات أقل مع زيادة سمك الهدف.

تشتهر ليزرات الألياف بتوفير سرعات قطع وإنتاجية أعلى، مما يُسهم في خفض استهلاك الطاقة مقارنةً بأنواع الليزر الأخرى. وتُعدّ ليزرات الألياف مُحسّنة بشكل عام لقطع المعادن، بما في ذلك: الفولاذ المقاوم للصدأ، والفولاذ الكربوني، والألمنيوم، والنحاس، والنحاس الأصفر، وسبائك مُختلفة. لكنها ليست بنفس الفعالية في قطع المواد غير المعدنية، مثل الخشب، والأكريليك، والبلاستيك، والتي يُمكن قطعها بفعالية أكبر باستخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون. كما يُمكن ليزرات الألياف ذات مستويات الطاقة الأعلى معالجة المعادن السميكة بفعالية أكبر.

تتميز ليزرات الألياف بتصميم أنيق وبسيط ومتين، وحالة شبه صلبة. هذا يُقلل من متطلبات الصيانة مقارنةً بتصنيفات الليزر الأخرى. كما أن غياب المرايا وبعض المكونات البؤرية الأكثر دقة يُقلل من مشاكل المحاذاة، ويُحسّن جودة الشعاع، ويطيل عمره الافتراضي. بعض الطُرز قادرة على توفير عشرات الآلاف من ساعات الاستخدام، قبل أن تتطلب صيانة كبيرة.

تُعد ليزرات الألياف، من نواحٍ عديدة، الخيار الأمثل لمهام قطع/إزالة المعادن والنقش عليها. ومن العوامل المحورية التي تُعزز جدواها التجارية: إنتاجية عالية، ودقة فائقة، وسهولة تشغيل. و كفاءة الطاقة، وانخفاض تكاليف الصيانة. تجعلها إمكانياتها أداةً مفضلةً في مختلف الصناعات، بما في ذلك: السيارات، والفضاء، والإلكترونيات، والتصنيع، حيث تُعدّ معالجة المعادن بدقة وكفاءة أمرًا بالغ الأهمية.

ليزر ثاني أكسيد الكربون

على الرغم من كونها أقدم الأجهزة المُستغلة تجاريًا، لا تزال ليزرات ثاني أكسيد الكربون تُستخدم على نطاق واسع في هذا القطاع. تتميز هذه الليزرات بانخفاض نفقات رأس المال (مع ارتفاع نفقات التشغيل) ودرجة عالية من تنوع المواد وقابلية تطبيقها. وهي مناسبة بشكل خاص لمعالجة المواد غير المعدنية بدقة وكفاءة متوسطة. كما تُعتبر فعّالة في العديد من تطبيقات قطع المعادن. يُعد طيف الامتصاص غير مناسب لمعالجة المعادن، ولكن هناك حلول بديلة شائعة الاستخدام تُسهّل تحسين الأداء.

ليزر ثاني أكسيد الكربون (CO2) هو جهاز إثارة غازي يستخدم مزيجًا من ثاني أكسيد الكربون (CO2) والنيتروجين (N2) والهيليوم (He) لإنتاج شعاع الليزر في تسلسل طاقة متتالي. يتكون مصدر الليزر عادةً من أنبوب وميض زينون أو ما شابه، والذي يُثار بتفريغ كهربائي لبدء عملية الانبعاث المحفز. تتميز هذه العملية بثلاثة انتقالات طاقة مميزة، آخرها فقط يتضمن انبعاث فوتون. ترتفع جزيئات النيتروجين (N2) إلى مستوى طاقة أعلى، ثم تنتقل إلى جزيئات ثاني أكسيد الكربون (CO2)، التي تُصدر فوتونات عندما تفقد طاقة الاستئصال الخاصة بها عند اصطدامها بذرات الهيليوم.

يُصدر هذا النوع من الأشعة ما يقارب 10.6 ميكرومتر، في طيف الأشعة تحت الحمراء البعيدة. تمتص المواد العضوية، مثل الخشب والبلاستيك والجلد والأقمشة المختلفة والورق وبعض المركبات غير المعدنية، هذا الطول الموجي بقوة، مما يُنتج قطعًا عالي الكفاءة والنظافة والدقة.

تتميز هذه الأجهزة بجودة شعاع أقل مقارنةً بليزرات الألياف، مما يعني أن شعاع الليزر أقل تركيزًا. ويعود ذلك إلى التعقيد البصري النسبي للأجهزة، وهو أمر جوهري أيضًا في نظام انبعاث الغاز. ومع ذلك، فقد حسّنت التطورات في تقنية ليزر ثاني أكسيد الكربون جودة الشعاع على مدى عمر الخدمة الطويل لهذه التقنية. عادةً ما يُولّد الشعاع حجم بقعة أكبر وتباعدًا أعلى من الأنظمة الأخرى، مما قد يؤثر بشكل ملحوظ على دقة القطع.

تحظى ليزرات ثاني أكسيد الكربون بقبول واسع النطاق نظرًا لتعدد استخداماتها، وانخفاض تكلفة شرائها نسبيًا، واستهلاكها العالي للطاقة لكل واط من القطع. ويمكن أن تكون أبطأ بكثير في قطع المواد المعدنية السميكة مقارنةً بليزرات الألياف. أما بالنسبة للمواد غير المعدنية، فتتميز بسرعة قطع ممتازة، مما يجعلها مناسبة للتصاميم المعقدة ومجموعة واسعة من التطبيقات. وتتطلب ليزرات ثاني أكسيد الكربون صيانة أكثر من ليزرات الألياف، نظرًا لاحتوائها على مرايا ومكونات بصرية أخرى في تصميمها. بالإضافة إلى ذلك، يتدهور مصدر الليزر الرئيسي مع مرور الوقت. لذا، فهي تحتاج إلى تنظيف دوري للنظام البصري وإعادة ضبط دقيقة للحفاظ على أدائها.

لمزيد من المعلومات، راجع دليلنا حول قواطع الليزر ثاني أكسيد الكربون.

ليزر Nd: YAG / ليزر Nd: YVO

ليزر Nd:YAG (عقيق ألومنيوم الإيتريوم المضاف إليه النيوديميوم) وليزر Nd:YVO (فانادات الإيتريوم المضاف إليه النيوديميوم) هما جهازان متشابهان في الحالة الصلبة. يُصدر كلاهما طيف الأشعة تحت الحمراء القريب، الذي يختلف حسب الوسط الذي يحدث فيه الانبعاث المُحفَّز. وهما أكثر استخدامًا في قطع ووسم المعادن، بالإضافة إلى نطاق محدود من اللافلزات.

ليزرات Nd:YAG وNd:YVO هما جهازا ليزر ذوا حالة صلبة متشابهان، مُشَوَّبَان بأيونات النيوديميوم. في ليزرات Nd:YAG، يكون وسط الليزر عبارة عن بلورات عقيق ألومنيوم الإتريوم مُشَوَّبَة بأيونات النيوديميوم. أما في ليزرات Nd:YVO، فيكون وسط الليزر عبارة عن بلورات فانادات الإتريوم المُشَوَّبَة أيضًا بأيونات النيوديميوم. عند ضخّها بصريًا (بواسطة ليزر أو مصدر تفريغ)، تُثار أيونات النيوديميوم، مما يؤدي إلى انبعاث ضوء الليزر، حيث تفقد طاقة الإثارة.

تُصدر هذه الليزرات طولًا موجيًا يبلغ 1.064 ميكرومتر، بينما تُصدر ليزرات Nd:YVO طولًا موجيًا يبلغ 1.064 ميكرومتر أو 1.34 ميكرومتر، ويختلف ذلك حسب اتجاه البلورة. تقع هذه الأطوال الموجية في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة، وتمتصها العديد من المعادن جيدًا، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات قطع المعادن والنقش والوسم. تتميز ليزرات النيوديميوم عمومًا بجودة شعاع عالية، وتباعد منخفض، وحجم بقعة صغير، مما ينتج عنه طاقة نوعية عالية.

ليزرات Nd:YAG وNd:YVO فعّالة في قطع ومعالجة المعادن، وخاصةً الصفائح الرقيقة والمواد عالية الدقة وذات القياس المنخفض. وتُستخدم هذه الليزرات بشكل أفضل في المعادن، بما في ذلك المواد الأكثر "انعكاسًا" كالفولاذ المقاوم للصدأ، والفولاذ الكربوني، والألمنيوم، والنحاس الأصفر، والنحاس الأصفر العادي. كما أنها مناسبة لقطع السيراميك، والبلاستيك، وبعض المواد المركبة، ولكنها غير مناسبة لقطع المواد غير المعدنية الأخرى. تحظى هذه الأنواع من الليزر بتقدير كبير لمتانتها ومتطلبات صيانتها المنخفضة نسبيًا، مما يُحسّن من زمن التشغيل والأداء التجاري. ويمكنها توفير آلاف الساعات من الاستخدام قبل الحاجة إلى صيانة كبيرة.

ليزرات الثنائي المباشر

ليزرات الثنائي المباشر (أو ببساطة الثنائي) هي نوع من تقنيات الليزر التي تستخدم وصلات أشباه الموصلات المفردة لتوليد ضوء الليزر. وتشهد هذه الليزرات انتشارًا متزايدًا في السوق في التطبيقات الصناعية، بما في ذلك: القطع واللحام ومعالجة الأسطح. ليزر ثنائي مباشر ليزر ثنائي يعتمد هذا النظام على وصلات أشباه الموصلات، المصنوعة عادةً من زرنيخيد الغاليوم (GaAs). عند تطبيق تيار انحياز أمامي على الصمام الثنائي، يُصدر ضوءًا بالتألق الكهربائي، دون الحاجة إلى مصدر ضوء للبدء. ثم يُوجَّه الضوء المنبعث ويُركَّز في شعاع ليزر بواسطة عناصر بصرية تُشكِّل تجويفًا رنينيًا للانبعاث المُحفَّز، مزودًا بنصف مرآة في أحد طرفيه، حيث تُصدر طاقة الليزر من خلاله.

تتوفر ليزرات الثنائيات بمجموعة من الأطوال الموجية، تختلف باختلاف مادة أشباه الموصلات، والمواد المضاف إليها، وتصميم تجويف الرنين. الأطوال الموجية الأكثر شيوعًا لليزرات الثنائيات المباشرة المستخدمة في تطبيقات القطع تقع في طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة، أي ما بين 900 و1100 نانومتر (0.9 و1.1 ميكرومتر). يمكن لأنظمة الثنائيات البديلة إصدار أشعة في نطاقي الطول الموجي الأزرق والأخضر. تختلف جودة شعاع ليزرات الثنائيات المباشرة اختلافًا كبيرًا، إلا أنها تتحسن بشكل عام مع كل جيل من الأجهزة. غالبًا ما لا تضاهي جودة الشعاع جودة ليزرات الألياف أو ليزرات ثاني أكسيد الكربون.

تتميز ليزرات الثنائيات بكفاءة طاقة ممتازة بفضل تحويل الطاقة الكهربائية إلى ضوء ليزر منخفض الفقد، مما يقلل تكاليف التشغيل إلى حد ما. ومع ذلك، فإن سرعات القطع فيها أقل عمومًا من سرعة القطع في الأجهزة التي تعتمد على ليزر الألياف أو ليزر ثاني أكسيد الكربون، عندما تكون سماكة المادة أكبر. تُعد ليزرات الثنائيات المباشرة مناسبة لقطع مجموعة متنوعة من المواد، بما في ذلك: المعادن والبلاستيك والمواد المركبة وبعض المواد غير المعدنية. كما أنها تُعتبر فعالة في القطع أو اللحام عالي السرعة للصفائح المعدنية الرقيقة، مما يجعلها مناسبة لصناعات مثل: صناعة السيارات والإلكترونيات والصفائح المعدنية. تتميز هذه الفئة من الأجهزة بأنها أبسط وأكثر متانة في التصميم من معظم أنواع الليزر الأخرى، مما يؤدي إلى عمر تشغيلي أطول ومتطلبات صيانة أقل. كما أنها أصغر حجمًا وتتطلب أجهزة مساعدة أقل، مما يعزز صيانتها وملاءمتها للتطبيقات المتنقلة.

خاتمة

هذه مجرد أمثلة قليلة، ويعتمد اختيار قاطع الليزر على عوامل مثل المواد المراد قطعها، والدقة المطلوبة، والتطبيقات المقصودة. لكل نوع من قاطعات الليزر مزايا وعيوب، لذا من المهم اختيار النوع الأنسب لاحتياجات مهمة القطع المطلوبة.