The third dimension

หัวตัดเฉือนจะหมุนวนชิ้นงานโดยมีการเคลื่อนไหวที่ขรุขระตามที่แม่นยำ พร้อมกับเสียงฟู่ ใยแมงมุม ลำแสงสีฟ้าทะลุผ่านแผ่นอลูมิเนียมอย่างง่ายดาย เรากำลังยืนอยู่หน้าเครื่องแมชชีนนิ่งเซ็นเตอร์ที่ติดตั้งเลเซอร์ 3 มิติในการผลิตของ Touratech

เมื่อหัวตัดเฉือนซึ่งมีขนาดไม่ใหญ่ไปกว่ากระป๋องมากนัก กลับมาที่ตำแหน่งเริ่มต้น Marc Holder จะเปิดประตูของ Machining Center

ในฐานะวิศวกรกระบวนการ Holder ได้รับความไว้วางใจให้ปรับปรุงกระบวนการผลิตทั้งหมดที่ Touratech ให้เหมาะสมอย่างต่อเนื่อง ชิ้นส่วนอะลูมิเนียมกลายเป็นฝาของเคส ZEGA

ภายในเวลาไม่ถึงหนึ่งนาทีครึ่ง เลเซอร์ 3 มิติได้ตัดวัสดุส่วนเกินที่เหลือจากกระบวนการดึงลึกออก และเจาะรูจำนวนมาก เลเซอร์ นั่นฟังดูคล้ายกับนิยายวิทยาศาสตร์นิดหน่อย

แต่แสงที่รวมกันยังเป็นเพื่อนที่คงที่ในชีวิตประจำวันของเรา พอยน์เตอร์เลเซอร์ เครื่องเล่นดีวีดี เครื่องพิมพ์เลเซอร์ หรือสแกนเนอร์ที่จุดชำระเงินในซุปเปอร์มาร์เก็ต การใช้เลเซอร์ส่งผลกระทบต่อชีวิตเกือบทุกด้าน


โปรแกรม CAD นำเสนอข้อมูลสามมิติของชิ้นงาน

เลเซอร์ - มีอะไรอยู่เบื้องหลัง

แต่แม้ว่าคุณจะพบมันเกือบทุกรอบ แต่ก็ยังขาดความชัดเจนว่าจริงๆ แล้วเลเซอร์คืออะไร คำหยาบคาย "เกี่ยวข้องกับแสง" มักเป็นคำตอบสำหรับคำถามเกี่ยวกับหลักการของเลเซอร์ และนั่นก็ไม่ผิดนัก เพราะเลเซอร์ตัวย่อย่อมาจาก Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation อย่างน้อยก็ครอบคลุมถึงหลักการพื้นฐาน เรามาดูรายละเอียดกันดีกว่า โครงสร้างเลเซอร์ทุกตัวประกอบด้วยตัวกลางที่ทำงานอยู่ ซึ่งเรียกว่าปั๊มและเครื่องสะท้อนเสียง

ปั๊มจ่ายพลังงานให้กับตัวกลาง ซึ่งจะกระตุ้นอะตอมของตัวกลางให้ปล่อยแสงที่มีความยาวคลื่นจำเพาะมาก ในตัวสะท้อนเสียงซึ่งในกรณีที่ง่ายที่สุดคือกระจก 2 บานที่จัดเรียงขนานกัน แสงที่เคลื่อนที่ในแนวตั้งฉากกับกระจกจะถูกสะท้อนเสมอ แสงที่มีทิศทางต่างกันจะออกจากตัวสะท้อนเสียง สิ่งนี้จะสร้างแสงที่มีทิศทางการเคลื่อนที่สม่ำเสมอ ซึ่งเป็นเงื่อนไขเบื้องต้นสำหรับลำแสงที่มีการโฟกัสอย่างคมชัด แสงจำนวนหนึ่งสามารถปล่อยให้ตัวสะท้อนอยู่ที่รูรับแสงทางออกได้ ลำแสงเลเซอร์สามารถรวมพลังงานจำนวนมากไว้ที่จุดเล็กๆ ได้เนื่องจากมีการมัดรวมกันจำนวนมหาศาล

เลเซอร์ที่ใช้งานได้ตัวแรกได้รับการพัฒนาในปี 1960 โดยนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน Theodore Maiman ในขณะนั้น ไมมานซึ่งสนใจการวิจัยขั้นพื้นฐานเป็นหลัก กล่าวถึงสิ่งประดิษฐ์ของเขาว่าเป็น "วิธีแก้ปัญหาในการค้นหาปัญหา" ในปัจจุบัน ดังที่ได้กล่าวไปแล้วในตอนต้น พื้นที่การใช้งานเลเซอร์มีความหลากหลายอย่างมาก ในอุตสาหกรรมอีกด้วย

แม้แต่เหล็กก็ละลาย

ด้วยกำลังเลเซอร์ที่เหมาะสม ลำแสงละเอียดสามารถหลอมโลหะได้ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมในปัจจุบันจึงมีการใช้เลเซอร์สำหรับการตัด การเชื่อม การบัดกรี หรือการทำเครื่องหมายที่มีความแม่นยำสูง และอื่นๆ อีกมากมาย "ความแม่นยำ ความยืดหยุ่น และประสิทธิภาพทำให้เทคโนโลยีเลเซอร์เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในการผลิตสมัยใหม่" Marc Holder อธิบาย Touratech ใช้เลเซอร์ในการแปรรูปวัสดุมานานกว่า 20 ปี ตัวอย่างเช่น รูปร่างที่แน่นอนถูกตัดออกจากอลูมิเนียมและแผ่นสแตนเลสที่มีลำแสง ท่อถูกตัดตามความยาวอย่างแม่นยำ หรือวางรูอย่างแม่นยำ

มิติใหม่ในความหมายที่แท้จริงของคำถูกเพิ่มเข้ามาด้วยการเปิดตัวเทคโนโลยีเลเซอร์ 3 มิติในปี 2013 ในขณะที่ก่อนหน้านี้สามารถทำได้เฉพาะการตัดแบบสองมิติเท่านั้น ขณะนี้สามารถประมวลผลวัตถุแข็งในเกือบทุกรูปร่างได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อผสมผสานกับไฮโดรฟอร์มซึ่งช่วยเสริมโครงสร้างการเชื่อมแบบดั้งเดิมของ Touratech ความยืดหยุ่นอันน่าทึ่งของเทคโนโลยีเลเซอร์ 3 มิติจึงเข้ามามีบทบาท

การทำไฮโดรฟอร์มมิ่งทำให้สามารถผลิตชิ้นส่วนที่มีรูปทรงเรขาคณิตสามมิติที่ซับซ้อนได้ อุปกรณ์ป้องกันเครื่องยนต์ของซีรีส์ "Rallye"
ซึ่งได้รับการปรับให้เข้ากับรูปทรงของรถอย่างแม่นยำ เป็นตัวอย่างที่ดีของสิ่งนี้ โครงสร้างโลหะแผ่นที่ขึ้นรูปอย่างประณีตเหล่านี้มีส่วนโค้ง ลูกปัด และช่อง หลังจากนำออกจากแม่พิมพ์แล้ว ไม่เพียงแต่จำเป็นต้องตัดวัสดุส่วนเกินที่ขอบออกเท่านั้น แต่ยังต้องตัดช่องเปิดและรูสำหรับยึดด้วย

ชิ้นงานได้รับการแก้ไขด้วย "ส่วนรองรับ" ที่แข็งแกร่ง ตอนนี้เลเซอร์สามารถเคลื่อนที่ไปยังจุดใดก็ได้ตามโปรแกรมการตัด

บรรลุเป้าหมายอย่างแม่นยำ

นี่คือจุดที่เลเซอร์ 3 มิติเข้ามามีบทบาทในตัวเอง หัวประมวลผลสามารถเข้าถึงทุกจุดบนชิ้นงานและทำการตัดที่แม่นยำ 
แต่หัวตัดไปถึงตำแหน่งที่ถูกต้องด้วยเลเซอร์เพื่อเริ่มทำงานได้อย่างไร ท้ายที่สุดแล้ว การผลิตที่มีประสิทธิภาพต้องใช้กระบวนการอัตโนมัติเป็นส่วนใหญ่ซึ่งรับประกันความแม่นยำและความสามารถในการทำซ้ำสูงสุด

ในการดำเนินการนี้ เราต้องทราบว่าผลิตภัณฑ์มีอยู่ในรูปแบบดิจิทัลสามมิติในโปรแกรม CAD (Computer Aided Design) แต่ละจุดได้รับการกำหนดอย่างแม่นยำในอวกาศด้วยพิกัดในทิศทาง X, Y และ Z สำหรับการประมวลผลด้วยเลเซอร์ 3 มิติ ตอนนี้เป็นเรื่องของการกำหนดต้นกำเนิดทั่วไปของชิ้นงาน และเลเซอร์

เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ จะต้องวางชิ้นงานไว้ใน Machining Center อย่างแม่นยำ และรักษาตำแหน่งไว้ในช่องว่างตลอดกระบวนการตัดทั้งหมด สิ่งนี้ต้องการการสนับสนุนที่แข็งแกร่งเนื่องจากเรียกว่าอุปกรณ์ที่ทำขึ้นเป็นพิเศษสำหรับจับชิ้นงาน ส่วนรองรับมีสามจุดซึ่งมีปลายเข้าหา นี่คือวิธีที่เครื่อง "เรียนรู้" ว่าชิ้นงานอยู่ในตำแหน่งใดและในทิศทางใด

เมื่อพิจารณาแล้ว การตัดแต่ละครั้งจะไม่มีอะไรมากไปกว่าชุดของจุดในระบบพิกัดสามมิติ ระยะการตัดจะถูกบันทึกไว้ในโปรแกรมการตัดซึ่งจัดเก็บไว้ในการควบคุมของแมชชีนนิ่งเซ็นเตอร์ "

เมื่อชิ้นงานได้รับการแก้ไขบนฐานรองรับอย่างแม่นยำแล้ว เพื่อนร่วมงานที่เครื่องจักรจะต้องเลือกโปรแกรมการตัดที่เหมาะสม และระบุจำนวนชิ้นที่ต้องการ" Marc Holder อธิบาย "เลเซอร์จะทำงานอย่างเต็มที่โดยอัตโนมัติ"

โปรแกรมตัดจะให้พิกัดของเลเซอร์

มีประสิทธิภาพและยืดหยุ่น

ปัจจุบัน Touratech ใช้เลเซอร์ 3 มิติในแมชชีนนิ่งเซ็นเตอร์ที่มีห้องตัด 2 ห้อง ระบบนี้สามารถใช้งานได้อย่างยืดหยุ่นสำหรับการประมวลผลผลิตภัณฑ์ที่แตกต่างกันมากและยังสามารถปรับแต่งใหม่ได้อย่างรวดเร็วอีกด้วย

อย่างไรก็ตาม ข้อดีที่ใหญ่ที่สุดประการหนึ่งก็คือ ไม่จำเป็นต้องสร้างเครื่องมือที่ซับซ้อนและมีราคาแพง ซึ่งต่างจากวิธีการประมวลผลวัสดุอื่นๆ
แผนกก่อสร้างอุปกรณ์จับยึดจะต้องให้การสนับสนุนเท่านั้น และผู้เชี่ยวชาญในการผลิตจะเขียนโปรแกรมการตัดโดยใช้แบบจำลอง 3 มิติด้วยความช่วยเหลือของซอฟต์แวร์ CAD/CAM สิ่งนี้จะกำหนดเส้นทางของการตัด และความเร็วที่เลเซอร์จะเคลื่อนที่ไปในแต่ละพื้นที่

ความยืดหยุ่นของเลเซอร์ 3D มีอยู่ในตัวเอง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการตกแต่งชิ้นงานที่ขึ้นรูปด้วยไฮโดรฟอร์มหรือดึงลึก หากต้องการตัดการ์ดกระบอกสูบขึ้นรูปไฮโดรฟอร์มสำหรับ R 1250 GS รุ่นปัจจุบันออกจากช่องว่างที่ทำจากสเตนเลสสตีล และติดส่วนเว้าและรูทั้งหมด เลเซอร์ 3D จะใช้เวลาเพียงไม่กี่นาที

"หากไม่มีเลเซอร์ 3 มิติ เราจำเป็นต้องมีเครื่องมือกดเพิ่มเติมสำหรับการเล็ม ซึ่งต้องใช้การลงทุนมหาศาล และขั้นตอนการทำงานอื่นๆ อีกมากมายสำหรับรู" Marc Holder กล่าว โดยอธิบายแง่มุมทางเศรษฐกิจของตัวเลือกเทคโนโลยี "ผลิตภัณฑ์จำนวนมากของเราไม่สามารถทำได้ในเชิงเศรษฐกิจด้วยการออกแบบที่ซับซ้อนด้วยวิธีอื่น"

โอกาสที่ดีในอนาคต

จึงไม่น่าแปลกใจที่ Touratech เปิดแอปพลิเคชั่นใหม่ๆ สำหรับเทคโนโลยีนี้อย่างต่อเนื่อง โดยอาศัยประสบการณ์อันยาวนานที่ได้รับจากการตัดด้วยเลเซอร์ในสอง และสามมิติในช่วงหลายปีที่ผ่านมา

"เนื่องจากความยืดหยุ่น เลเซอร์จึงทำให้นักพัฒนาของเรามีโอกาสใหม่ๆ สำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีความซับซ้อนมากยิ่งขึ้น ซึ่งสามารถผลิตได้ในราคาที่แข่งขันได้" Holder กล่าวสรุป

ดังนั้นคุณจึงมั่นใจได้ว่าในอนาคตเราจะได้พบกับชิ้นส่วนต่างๆ ของมอเตอร์ไซค์ที่เกี่ยวข้องกับเลเซอร์อีกมากมาย
เลเซอร์ 3 มิติจะตัดฝากระเป๋าเดินทาง (M.) จากช่องว่างที่วาดลึก (ซ้ายสุด) ชิ้นส่วนที่เหลือจะถูกรีไซเคิล

เลเซอร์ทำงานอย่างไร

โครงสร้างพื้นฐานของเลเซอร์ประกอบด้วยองค์ประกอบสามส่วน : ตัวกลางที่ทำงานอยู่ ปั๊ม และเครื่องสะท้อนกลับ

ตัวกลางเลเซอร์อาจเป็นได้ทั้งก๊าซ (เช่น คาร์บอนไดออกไซด์) หรือของแข็ง (เช่น แก้ว ทับทิม) สำหรับการใช้งานบางประเภท ของเหลวก็ถูกนำมาใช้เช่นกัน

วัตถุประสงค์ของปั๊มคือการ "สูบ" พลังงานเข้าสู่ตัวกลาง มักใช้หลอดปล่อยก๊าซ หรือไดโอดเปล่งแสงทรงพลัง เพื่อจุดประสงค์นี้ การฉายรังสีพลังงานเข้าสู่ตัวกลางทำให้อะตอมที่อยู่ในตัวกลางเกิดความตื่นเต้น การกระตุ้น (เรารู้อยู่แล้วว่า "การกระตุ้น" ในภาษาอังกฤษซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของคำย่อเลเซอร์) หมายความว่า กล่าวง่ายๆ ก็คือ อิเล็กตรอนซึ่งโคจรรอบนิวเคลียสของอะตอมในระดับหนึ่งในรัฐที่เหลือจะถูกยกขึ้นสู่ระดับที่สูงกว่า กล่าวคือ ห่างจากนิวเคลียสโดยการจ่ายพลังงาน อย่างไรก็ตาม เนื่องจากอะตอมต้องการอยู่ในสภาพธรรมชาติ อิเล็กตรอนที่ถูกยกขึ้นจะตกลงสู่ระดับเดิมหลังจากผ่านไประยะหนึ่ง อย่างไรก็ตาม มันยังมีพลังงานมากเกินไปสำหรับระดับนี้ และส่วนเกินนี้ถูกปล่อยออกมาเป็นโฟตอน ตามที่นักฟิสิกส์เรียกว่า "อนุภาคแสง" ซึ่งมีความยาวคลื่นจำเพาะมาก ระหว่างที่เคลื่อนผ่านตัวกลางเลเซอร์ โฟตอนนี้จะกระตุ้นอะตอมอื่นด้วยความน่าจะเป็นที่แน่นอน ซึ่งอิเล็กตรอนจะปล่อยโฟตอนออกมาเมื่อพวกมันกลับสู่ระดับพลังงานเดิม ส่งผลให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่

เนื่องจากระดับพลังงานที่อิเล็กตรอนสามารถรับได้จะมีค่าเท่ากันทุกประการ โฟตอนที่ปล่อยออกมาเมื่อกลับสู่ระดับเดิมจึงมีความยาวคลื่นเท่ากัน ซึ่งสอดคล้องกับสีของแสง  ตรงกันข้ามกับหลอดไส้หรือดวงอาทิตย์ ซึ่งแต่ละดวงปล่อยสเปกตรัมกว้างที่มีความยาวคลื่นต่างกันและทำให้มีสีอ่อน เลเซอร์จึงมีสีเดียว

มาดูองค์ประกอบพื้นฐานที่สามกันก่อน นั่นก็คือ เครื่องสะท้อนเสียง ในกรณีที่ง่ายที่สุด ประกอบด้วยกระจก 2 บานที่วางขนานกัน อนุภาคแสงที่เคลื่อนที่ในแนวตั้งฉากกับกระจกจะถูกสะท้อนและยังคงอยู่ในเครื่องสะท้อนซึ่งทำให้เกิดการปล่อยมลพิษเพิ่มเติม โฟตอนที่เคลื่อนที่ไปในทิศทางอื่นจะทำให้ตัวสะท้อนกลับไม่ช้าก็เร็ว และจากนั้นก็ไม่มีบทบาทอีกต่อไป ทิศทางการเคลื่อนที่แบบขนานของอนุภาคแสงส่งผลให้เกิดการแผ่รังสีของเลเซอร์ที่รวมตัวกันอย่างมาก ซึ่งแตกต่างจากแสงธรรมดาตรงที่ไม่กระจายออกไป

กระจกเงาหนึ่งในสองกระจกมีความโปร่งใสบางส่วน ดังนั้นโฟตอนบางส่วนจึงสามารถปล่อยตัวสะท้อนกลับเป็นลำแสงที่มีความเข้มสูงรวมกันเป็นสีเดียว