เครื่องตัดโลหะด้วยเลเซอร์ที่ให้ความเร็วในการตัดสูงถึง 130 ม./นาที

เครื่องตัดโลหะด้วยเลเซอร์ความเร็วสูงทำงานที่ประสิทธิภาพ 130 ม./นาที ได้อย่างไร

หลักฟิสิกส์เบื้องหลังการตัดด้วยเลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษ

การตัดด้วยเลเซอร์ความเร็วสูงขั้นสูงในปัจจุบันขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของพลังงานโฟตอนิกที่เหมาะสมอย่างยิ่ง ซึ่งในเครื่องจักรรุ่นใหม่มักมีค่าเกิน 25 กิโลวัตต์ต่อตารางมิลลิเมตร เมื่อพลังงานเข้มข้นนี้กระทบกับโลหะ จะทำให้โลหะระเหิดไปทันทีที่สัมผัส ส่งผลให้เกิดการกระจายความร้อนไปยังบริเวณใกล้เคียงน้อยมาก การทำงานที่ความเร็วประมาณ 130 เมตรต่อนาที หมายความว่าลำเลเซอร์จะสัมผัสกับวัสดุเพียง 0.5 มิลลิวินาทีต่อทุกๆ 1 มิลลิเมตร ซึ่งต้องอาศัยระบบควบคุมตำแหน่งที่แม่นยำอย่างยิ่ง โดยทั่วไปต้องมีความแม่นยำไม่เกิน 2 ไมครอน ระบบล่าสุดใช้ลำแสงรูปแบบเกาส์เซียน (Gaussian) ร่วมกับจุดโฟกัสที่มีขนาดเล็กกว่า 30 ไมครอน เพื่อรวมพลังงานทั้งหมดลงในพื้นที่เล็กๆ เหล่านี้ ทำให้สามารถตัดได้อย่างสะอาดคมชัดในระดับที่เคยเป็นไปไม่ได้ด้วยเลเซอร์แบบดั้งเดิม แต่กลับเป็นมาตรฐานของการตัดด้วยพลาสมาจนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้

เทคโนโลยีหลักที่ทำให้เกิดความเร็ว 130 ม./นาที ในการตัดโลหะด้วยเลเซอร์

นวัตกรรมสี่ประการที่รวมตัวกันเพื่อรองรับประสิทธิภาพที่ 130 ม./นาที:

1. ระบบส่งถ่ายลำแสง ใช้แบริ่งแม่เหล็กไร้แรงเสียดทานเพื่อให้ได้อัตราเร่ง 5G
2. ออปติกส์แบบปรับตัว ชดเชยการเบี่ยงเบนของเลนส์จากความร้อนที่ระดับพลังงานหลายกิโลวัตต์
3. หัวพ่นก๊าซแบบไดนามิก รักษาความดันช่วยที่ 20 บาร์ ด้วยความคงที่ ±0.5%
4. การติดตามรอยต่อแบบเรียลไทม์ แก้ไขการเบี่ยงเบนของเส้นทางที่อัตราการสุ่มตัวอย่าง 10 กิโลเฮิรตซ์

เทคโนโลยีเหล่านี้ช่วยลดเวลาที่ไม่ได้ทำการตัดลง 78% เมื่อเทียบกับระบบแบบเดิม โดยระบบป้องกันการชนสามารถตอบสนองต่อการเปลี่ยนตำแหน่งของวัสดุได้ในเวลา <2 มิลลิวินาที

กรณีศึกษา: การผลิตชิ้นส่วนยานยนต์ด้วยความเร็วสูงสุดเป็นประวัติการณ์

ผู้ผลิตชิ้นส่วนยานยนต์รายใหญ่รายหนึ่งเพิ่งได้รับผลลัพธ์ที่น่าประทับใจหลังเปลี่ยนมาใช้การตัดด้วยเลเซอร์ที่ความเร็ว 130 เมตรต่อนาทีสำหรับแผ่นเปล่าของประตูรถ พวกเขาติดตั้งระบบโดยใช้เลเซอร์ไฟเบอร์กำลัง 6 กิโลวัตต์ ซึ่งสามารถตัดเหล็กชุบสังกะสีที่มีความหนา 1.5 มิลลิเมตร ได้ที่ความเร็วประมาณ 127 เมตรต่อนาที โดยคงความแปรปรวนของความกว้างในการตัดไว้ต่ำกว่า 15 ไมครอน สิ่งที่โดดเด่นที่สุดคือแนวทางใหม่นี้ทำให้ไม่จำเป็นต้องมีขั้นตอนตกแต่งขอบ (deburring) เพิ่มเติมอีกต่อไป ซึ่งเดิมใช้เวลานานมาก เวลาในการผลิตจริงต่อชิ้นงานลดลงอย่างมาก จากเดิม 8.2 วินาที เหลือเพียง 5.1 วินาทีเท่านั้น หากมองในภาพรวม ในช่วงเวลา 12 เดือน บริษัทสามารถผลิตชิ้นส่วนเพิ่มขึ้นเกือบ 2.8 ล้านชิ้น ในสถานที่เดิมที่ดำเนินการอยู่ โดยไม่จำเป็นต้องขยายพื้นที่โรงงานเพิ่มเติม และที่น่าสนใจยิ่งกว่านั้น ต้นทุนพลังงานต่อหน่วยลดลงประมาณ 15% ซึ่งอาจดูขัดแย้งในแง่สามัญสำนึก เนื่องจากความเร็วในการประมวลผลที่สูงขึ้น

กำลังเลเซอร์ไฟเบอร์และผลกระทบโดยตรงต่อความเร็วในการตัด

เครื่องตัดโลหะด้วยเลเซอร์รุ่นใหม่ใช้เลเซอร์ไฟเบอร์กำลังสูงพิเศษ (6 กิโลวัตต์–30 กิโลวัตต์) เพื่อให้ได้ความเร็วในการตัดที่สูงยิ่งกว่าเดิมอย่างไม่เคยมีมาก่อน พร้อมคงความแม่นยำไว้ เครื่องจักรเหล่านี้สามารถแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นแสงที่สอดคล้องกันได้มีประสิทธิภาพถึง 40% สูงกว่าเลเซอร์ CO₂ แบบดั้งเดิมถึงสามเท่า ทำให้ประมวลผลได้เร็วกว่าและลดค่าใช้จ่ายด้านพลังงานลง (SLTL 2023)

เลเซอร์ไฟเบอร์กำลังสูงพิเศษ (6 กิโลวัตต์–30 กิโลวัตต์) ในการประยุกต์ใช้งานตัดโลหะ

เลเซอร์ไฟเบอร์พลังงานสูงในอุตสาหกรรม สามารถทํางานได้ดีมาก กับวัสดุที่หนาถึง 25 มิลลิเมตร เมื่อมีการประมวลผลอย่างรวดเร็ว ลองดูว่าเกิดอะไรขึ้นกับระบบ 30kW ที่ตัดเหล็กไร้ขัด 12 มิลลิเมตร ด้วยความเร็วประมาณ 12.8 เมตรต่อนาที นั่นเร็วกว่าแบบเดิมๆ 15kW รวมกันถึง 6 เท่าครึ่ง จากการทดสอบมาตรฐานของอุตสาหกรรม ที่เปลี่ยนเกมส์จริงๆ ก็มาจาก ระบบเหล่านี้สามารถเจาะวัสดุได้เร็วขึ้นมาก ตัวอย่างเช่น เมื่อทํางานกับเหล็กอ่อน 3 มิลลิเมตร เวลาเจาะจะลดลงเพียง 0.8 วินาที ความเร็วแบบนี้ทําให้มันเป็นไปได้ที่จะผลิตอะไหล่รถยนต์ในปริมาณมาก โดยที่ส่วนประกอบแต่ละส่วนต้องผลิตภายในเวลาประมาณครึ่งนาที

ความหนาของวัสดุ	ความเร็ว 6kW	ความเร็ว 20kW	ความเร็ว 30kW
เหล็กอ่อน 3 มิลลิเมตร	24ม./นาที	85m/мин	130m/min
อลูมิเนียม 6 มม.	8.2 ม./นาที	18.5 ม./นาที	22ม./นาที

การเพิ่มประสิทธิภาพความเร็วในการตัดด้วยการเพิ่มกำลังเลเซอร์

การเพิ่มกำลังงานมีความสัมพันธ์กับความเร็วในการตัดในลักษณะลอการิทึม จนกระทั่งถึงขีดจำกัดของวัสดุบางชนิด เมื่อทำงานกับโลหะแผ่นที่มีความหนาน้อยกว่า 10 มม. การเพิ่มกำลังเลเซอร์ 5 กิโลวัตต์โดยทั่วไปจะทำให้ความเร็วในการตัดเพิ่มขึ้นอย่างชัดเจนระหว่าง 25 ถึง 40 เปอร์เซ็นต์ ตามผลการศึกษาล่าสุดที่เผยแพร่โดย SME ในปี 2023 สิ่งที่น่าสนใจเกิดขึ้นเมื่อพิจารณาเครื่องจักรที่ทำงานที่ระดับพลังงานมากกว่า 15 กิโลวัตต์ ณ จุดนี้ คุณภาพของลำแสง ซึ่งวัดได้จากค่าที่เรียกว่า BPP เริ่มมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่ง เลเซอร์ที่สามารถรักษาค่าต่ำกว่า 2.5 มม. มิลลิเรเดียน จะสามารถตัดวัสดุได้เร็วกว่าประมาณ 20% เมื่อเทียบกับเลเซอร์ที่มีค่า BPP สูงกว่า ซึ่งประเด็นนี้มีความสำคัญอย่างมากสำหรับผู้ผลิตที่ต้องการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการผลิต พร้อมทั้งควบคุมต้นทุนให้ต่ำลง

ผลตอบแทนที่ลดลงเมื่อใช้กำลังงานเกิน 20 กิโลวัตต์สำหรับการประมวลผลโลหะแผ่นบาง

เมื่อทำงานกับวัสดุที่บางกว่า 3 มม. การเพิ่มกำลังไฟเกิน 20 กิโลวัตต์ จะไม่ส่งผลต่อความเร็วในการตัดมากนัก เนื่องจากลักษณะการสะสมความร้อนในวัสดุ ผลการทดสอบบางรายการแสดงให้เห็นว่า สแตนเลสหนา 1 มม. สามารถตัดได้ที่ความเร็วประมาณ 130 เมตรต่อนาที เมื่อใช้กำลังไฟ 20 กิโลวัตต์ แต่แม้จะใช้ถึง 30 กิโลวัตต์ ความเร็วก็เพิ่มขึ้นเพียงประมาณ 138 เมตรต่อนาทีเท่านั้น ซึ่งคิดเป็นการเพิ่มขึ้นเพียง 6% แต่กลับต้องใช้พลังงานเกือบสองเท่า ในปัจจุบันเทคโนโลยีเลเซอร์แบบพัลส์ขั้นสูงสามารถทำผลงานได้ดีกว่าระบบคลื่นต่อเนื่องแบบดั้งเดิมสำหรับงานแผ่นบาง โดยสามารถบรรลุความเร็วในการตัดได้ประมาณ 150 เมตรต่อนาที ที่ระดับกำลังสูงสุด 12 กิโลวัตต์ ด้วยการควบคุมช่วงเวลาของพัลส์และการปรับรอบการทำงาน (duty cycle) ให้มีประสิทธิภาพสูงสุด

สมรรถนะของเครื่องตัดโลหะด้วยเลเซอร์ตามชนิดของวัสดุ

ความเร็วในการตัดตามความหนาของวัสดุ: เหล็กหนา 0.5 มม. ถึง 25 มม.

ความเร็วในการตัดของเครื่องตัดโลหะด้วยเลเซอร์รุ่นใหม่โดยทั่วไปจะลดลงเมื่อวัสดุมีความหนามากขึ้น ตัวอย่างเช่น เมื่อทำงานกับเหล็กกล้าอ่อนหนา 0.5 มม. เลเซอร์ไฟเบอร์กำลังมาตรฐาน 6 กิโลวัตต์สามารถทำความเร็วได้ประมาณ 130 เมตรต่อนาที โดยมีค่าความคลาดเคลื่อนที่แคบมากเพียงประมาณ ±0.1 มม. ซึ่งเร็วกว่าวิธีการตัดพลาสมาถึงประมาณ 87% ตามรายงานอุตสาหกรรมการตัดปี 2023 อย่างไรก็ตาม สิ่งต่าง ๆ เปลี่ยนแปลงไปมากเมื่อจัดการกับวัสดุที่หนากว่านั้น ที่ความหนา 25 มม. สำหรับเหล็กโครงสร้าง ความเร็วจะลดลงเหลือเพียง 18 เมตรต่อนาที เนื่องจากปัญหาความเฉื่อยทางความร้อน เพื่อรักษาระดับคุณภาพขอบที่ดีในความเร็วที่ต่ำลงนี้ ผู้ปฏิบัติงานจำเป็นต้องปรับระยะโฟกัสแบบปรับตัวได้ระหว่างการทำงาน และเมื่อกล่าวถึงวัสดุหนา ผู้ผลิตมักพบว่าจำเป็นต้องเพิ่มกำลังไฟฟ้าขึ้นระหว่าง 17 ถึง 23 เปอร์เซ็นต์ สำหรับทุกๆ มิลลิเมตรที่เพิ่มขึ้นหลังจากเกิน 10 มม. เพื่อลดปัญหาการสูญเสียความร้อน

ค่าตั้งเลเซอร์ที่เหมาะสมสำหรับเหล็กสเตนเลสและอลูมิเนียม

เมื่อทำงานกับสแตนเลสเหล็ก ผู้ปฏิบัติงานมักจำเป็นต้องตั้งค่าความดันของก๊าซไนโตรเจนที่ใช้ช่วยไว้ระหว่าง 18 ถึง 22 บาร์ เพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชัน พลังงานเลเซอร์ควรอยู่ที่ประมาณ 90 ถึง 95% ของค่าสูงสุดเมื่อตัดแผ่นที่มีความหนา 5 มม. สำหรับโลหะผสมอลูมิเนียมจะมีความน่าสนใจมากขึ้น เนื่องจากจำเป็นต้องใช้โหมดเลเซอร์แบบพัลส์ ตามงานวิจัยล่าสุดจากวารสาร Material Processing Journal ในปี 2023 การใช้เลเซอร์ที่ความถี่ประมาณ 700 เฮิรตซ์ จะช่วยลดปัญหาการสะท้อนของแสงลงได้ราว 40% เมื่อเทียบกับการใช้งานในโหมดคลื่นต่อเนื่อง (continuous wave) การตั้งตำแหน่งหัวพ่นให้ถูกต้องก็มีความสำคัญเช่นกันสำหรับวัสดุทั้งสองชนิด ระยะห่างระหว่างหัวพ่นกับชิ้นงาน (Standoff distance) ที่ต่ำกว่า 0.8 มม. จะช่วยหลีกเลี่ยงการเกิดการไหลเวียนของก๊าซที่ไม่ต้องการ และการตั้งค่านี้โดยทั่วไปจะช่วยรักษารอยตัด (kerf width) ให้แคบกว่า 0.3 มม. ซึ่งถือว่าค่อนข้างแม่นยำสำหรับการใช้งานทางอุตสาหกรรมส่วนใหญ่

ประสิทธิภาพความเร็วสูงบนเหล็กกล้าอ่อน เทียบกับความท้าทายในการตัดแผ่นหนา

เมื่อทำงานกับเหล็กกล้าอ่อน ประสิทธิภาพจะเพิ่มสูงขึ้นอย่างมาก ระบบมาตรฐาน 3 กิโลวัตต์สามารถตัดแผ่นหนา 1.5 มม. ได้ด้วยความเร็วประมาณ 80 เมตรต่อนาที เมื่อใช้ออกซิเจนช่วย ทำให้ชิ้นส่วนโครงถังรถยนต์เสร็จเร็วกว่าวิธีการพันซ์แบบเดิมถึงประมาณสองในสาม แต่เมื่อต้องเผชิญกับวัสดุที่หนาขึ้น งานจะซับซ้อนมากขึ้น สำหรับแผ่นเหล็กคาร์บอนหนา 40 มม. ผู้ผลิตจำเป็นต้องใช้เลเซอร์กำลัง 20 กิโลวัตต์ ซึ่งสามารถตัดได้เพียงประมาณ 1.2 เมตรต่อนาทีเท่านั้น ความกว้างของรอยตัด (kerf width) ในกรณีนี้จะขยายตัวถึง 1.2 มม. ซึ่งใหญ่กว่าการทำงานกับแผ่นโลหะบางประมาณสามเท่า และในแง่ของของเสีย การตัดแผ่นหนาโดยทั่วไปจะสร้างของเสียระหว่าง 12 ถึง 15 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับงานแปรรูปโลหะบางที่มีของเสียเพียง 3 ถึง 5 เปอร์เซ็นต์เท่านั้น ตัวเลขเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการควบคุมต้นทุนในสภาพแวดล้อมการผลิต

ก้าวข้ามขีดจำกัด: เลเซอร์กำลังสูงสำหรับการใช้งานโลหะหนัก

เลเซอร์ไฟเบอร์ 20 กิโลวัตต์ สามารถตัดเหล็กหนา 50 มม. ได้ที่ความเร็ว 0.8 เมตร/นาที ทำให้สามารถประมวลผลชิ้นส่วนสำหรับอุตสาหกรรมการต่อเรือในขั้นตอนเดียว ซึ่งก่อนหน้านี้ต้องใช้กระบวนการตัดด้วยพลาสมา 4–5 รอบ แม้ว่าจะมีระบบ 30 กิโลวัตต์อยู่แล้ว การทดสอบจริงกลับแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นอย่างจำกัด—พลังงานที่มากกว่า 20 กิโลวัตต์ จะเพิ่มความเร็วในการตัดได้เพียง 8–10% ต่อการเพิ่มขึ้นทุก 5 กิโลวัตต์ ในงานตัดโลหะหนา (รายงานการศึกษาอุตสาหกรรมหนัก ปี ค.ศ. 2023)

การผสานการตัดด้วยเลเซอร์ความเร็ว 130 เมตร/นาที เข้ากับกระบวนการทำงานผลิตในระดับอุตสาหกรรม

ขยายกำลังการผลิตด้วยเครื่องตัดโลหะด้วยเลเซอร์ที่รองรับปริมาณงานสูง

เครื่องตัดโลห้ด้วยเลเซอร์ในปัจจุบันสามารถปรับขยายการผลิตได้เนื่องจากการผสานรวมกับซอฟต์แวร์ CAD/CAM และระบบจัดการวัสดุอัตโนมัติ ตามข้อมูลจากสถาบันเทคโนโลยีการผลิต (Fabrication Tech Institute) ปี 2023 การจัดระบบนี้ช่วยลดเวลาในการเปลี่ยนกระบวนการผลิตลงประมาณ 65% ในโรงงานตัดแตะชิ้นส่วนรถยนต์ อีกหนึ่งความเปลี่ยนแปลงสำคัญคือสถานีโหลดแบบคู่ ซึ่งช่วยให้สามารถดำเนินการประมวลผลอย่างต่อเนื่อง แม้กับแผ่นโลหะที่มีความหนาถึง 130 มม. เมื่อผู้ผลิตนำเลเซอร์ชนิดไฟเบอร์มาใช้ร่วมกับระบบจัดเรียงอัตโนมัติด้วยหุ่นยนต์ โดยทั่วไปจะเห็นว่ารอบการผลิตสั้นลงประมาณ 40% การรวมกันนี้ทำงานได้ดีเป็นพิเศษในโรงงานที่จัดการกับชุดผลิตภัณฑ์สแตนเลสแบบผสมผสาน ซึ่งความยืดหยุ่นมีความสำคัญที่สุด

การตัดด้วยเลเซอร์เทียบกับพลาสม่า: การสร้างสมดุลระหว่างความเร็ว ความแม่นยำ และความหนาของวัสดุ

เมื่อทำงานกับวัสดุที่บางกว่า 25 มม. การตัดด้วยเลเซอร์ที่ความเร็วประมาณ 130 เมตรต่อนาทีจะเหนือกว่าระบบพลาสมาอย่างชัดเจนในด้านความเร็วและความแม่นยำ เลเซอร์สามารถตัดได้เร็วกว่าวิธีพลาสมาประมาณสี่เท่า นอกจากนี้ยังให้ค่าความคลาดเคลื่อนที่แคบกว่ามาก คือโดยประมาณ ±0.1 มม. เมื่อเทียบกับพลาสมาที่อยู่ในช่วง ±0.8 มม. อย่างไรก็ตาม พลาชายังคงมีข้อได้เปรียบด้านต้นทุนเมื่อใช้กับชิ้นส่วนเหล็กโครงสร้างที่หนาเกิน 25 มม. อีกความแตกต่างสำคัญคือปริมาณของเสียจากกระบวนการตัด เลเซอร์จะสร้างรอยตัด (kerf width) ที่แคบมากเพียง 0.2 มม. ซึ่งหมายความว่าจะมีเศษวัสดุเหลือทิ้งน้อยลงระหว่าง 12% ถึง 18% เมื่อเทียบกับพลาสมาที่มีรอยตัดกว้างระหว่าง 0.8 มม. ถึง 1.5 มม. นอกจากนี้ เลเซอร์ยังก่อให้เกิดการบิดงอของวัสดุในโซนที่ได้รับความร้อน (heat affected zone) น้อยกว่าอย่างมาก ทำให้มีความสำคัญอย่างยิ่งในงานประยุกต์ที่ต้องการความละเอียดสูง เช่น โลหะผสมอลูมิเนียมเกรดอากาศยาน ที่แม้การเปลี่ยนรูปเพียงเล็กน้อยก็มีความสำคัญมาก

คำถามที่พบบ่อย

เครื่องตัดเลเซอร์รุ่นใหม่สามารถทำงานที่ความเร็วเท่าใด

เครื่องตัดโลหะด้วยเลเซอร์รุ่นใหม่สามารถทำความเร็วได้สูงถึง 130 เมตร/นาที ขึ้นอยู่กับการตั้งค่าของเครื่องและชนิดของวัสดุที่นำมาตัด

เครื่องตัดด้วยเลเซอร์รักษาระดับความแม่นยำที่ความเร็วสูงได้อย่างไร

เครื่องตัดด้วยเลเซอร์รักษาระดับความแม่นยำโดยใช้เทคโนโลยีขั้นสูง เช่น ออพติกส์แบบปรับตัวได้ การติดตามแนวตัดแบบเรียลไทม์ และระบบควบคุมตำแหน่งที่แม่นยำ

เลเซอร์ไฟเบอร์มีข้อดีอย่างไรในด้านประสิทธิภาพการใช้พลังงาน

เลเซอร์ไฟเบอร์แปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นแสงที่สอดคล้องกันได้ประมาณ 40% ซึ่งช่วยประหยัดพลังงานได้อย่างมากเมื่อเทียบกับเลเซอร์แบบดั้งเดิม

วัสดุประเภทใดบ้างที่ได้รับประโยชน์จากการตัดด้วยเลเซอร์ความเร็วสูง

วัสดุเช่น เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ เหล็กสเตนเลส และโลหะผสมอลูมิเนียม ได้รับประโยชน์จากการตัดด้วยเลเซอร์ความเร็วสูง เนื่องจากสามารถรักษาระดับความแม่นยำและลดของเสียได้

การเพิ่มกำลังเลเซอร์เกิน 20 กิโลวัตต์ มีข้อจำกัดหรือไม่

ใช่ การเพิ่มกำลังเลเซอร์เกิน 20 กิโลวัตต์ จะให้ผลตอบแทนที่จำกัดในด้านความเร็วในการตัดสำหรับแผ่นโลหะบาง และต้องใช้พลังงานมากขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ