फाइबर लेजर कटिंग मशीन कैसे काम करती है?

लेजर बीम उत्पादन और फाइबर ऑप्टिक एम्प्लीफिकेशन

फाइबर लेजर लेजर बीम को कैसे उत्पन्न और निर्देशित करता है

फाइबर लेजर कटर विशेष पंप लेजर का उपयोग करके बिजली को प्रकाश की तीव्र किरणों में बदलकर काम करते हैं। यह प्रकाश दुर्लभ पृथ्वी सामग्री, अधिकांशतः इटर्बियम से डोप किए गए ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से गुजरता है। जब प्रकाश कण (फोटॉन) फाइबर के कोर क्षेत्र के भीतर उत्तेजित इलेक्ट्रॉनों से मिलते हैं, तो एक दिलचस्प घटना होती है। इस पारस्परिक क्रिया के कारण उत्प्रेरित उत्सर्जन होता है, जहाँ प्रत्येक फोटॉन एक श्रृंखला प्रतिक्रिया में और अधिक फोटॉन उत्पन्न करता है। इस प्रक्रिया से प्रकाश कई गुना अधिक शक्तिशाली हो जाता है, कभी-कभी 1000 गुना से भी अधिक चमकीला, फिर भी किरण पूरे समय फोकस और सुसंगत बनी रहती है। परिणामस्वरूप एक शक्तिशाली कटिंग उपकरण प्राप्त होता है जो इतनी अधिक तीव्रता के बावजूद सटीकता बनाए रखता है।

पंप लेजर डायोड और प्रकाश उत्पादन

आधुनिक प्रणाली 11–20 पंप डायोड 1–10 किलोवाट के औद्योगिक शक्ति स्तर प्राप्त करने के लिए एकल फाइबर चैनल में। ये डायोड ऐरे 45–50% वॉल-प्लग दक्षता तक पहुँचते हैं, जो CO लेज़र (laser-welder.net) की तुलना में तीन गुना अधिक है, जिससे निरंतर संचालन के लिए इन्हें अत्यधिक ऊर्जा-कुशल बनाता है।

ऑप्टिकल फाइबर की संरचना: कोर और क्लैडिंग

दोहरी-परत फाइबर डिज़ाइन प्रभावी प्रकाश संचरण को सक्षम करती है:

• कोर (8–50 µm व्यास): प्रवर्धित लेज़र प्रकाश को ले जाता है
• क्लैडिंग: कोर को घेरता है और भटके हुए फोटॉन को परावर्तित करता है कुल आंतरिक परावर्तन के माध्यम से
  यह विन्यास 100 मीटर से अधिक की दूरी तक स्थिर बीम डिलीवरी की अनुमति देते हुए सिग्नल हानि को 0.1 डीबी/किमी से कम तक कम कर देता है।

बीम प्रवर्धन के लिए फाइबर ब्रैग ग्रेटिंग्स

दर्पण जैसा फाइबर ब्रैग ग्रेटिंग्स डोप किए गए फाइबर के प्रत्येक सिरे पर अंकित ऑप्टिकल अनुनादी गुहा का निर्माण करते हैं जो:

1. संकीर्ण तरंगदैर्ध्य बैंड (1,070 नैनोमीटर ±3 नैनोमीटर) का चयन करता है
2. शक्ति घनत्व को 10–10 वाट/सेमी² तक बढ़ाता है
3. पुंज अपसरण को 0.5 मिलीरेडियन से कम तक सीमित रखता है

यह सटीक प्रवर्धन फाइबर लेजर को दो सेकंड से भी कम समय में ±0.05 मिमी की शुद्धता के साथ 30-मिमी स्टेनलेस स्टील में छेद करने में सक्षम बनाता है।

फाइबर लेजर कटिंग मशीन के मुख्य घटक

आधुनिक फाइबर लेजर कटिंग मशीन धातु निर्माण में माइक्रॉन-स्तरीय परिशुद्धता प्रदान करने के लिए चार प्रमुख उप-प्रणालियों को एकीकृत करती हैं:

फाइबर लेजर स्रोत और बीम उत्पादन इकाई

इस प्रणाली का मूल घटक दुर्लभ मृदा से युक्त फाइबर पर निर्भर करता है, जिसमें आमतौर पर इटर्बियम या एर्बियम सामग्री होती है। उत्तेजित होने पर, ये फाइबर लगभग 1,060 से 1,070 नैनोमीटर की तरंग दैर्ध्य सीमा के भीतर संचालित एक संगत लेजर किरण उत्पन्न करते हैं। यह पारंपरिक गैस लेजर से अलग कैसे है, यह इसके कार्यप्रणाली में निहित है। भारी गैस कक्षों पर निर्भर रहने के बजाय, ठोस-अवस्था डिज़ाइन प्रकाश को लचीली फाइबर ऑप्टिक केबल के माध्यम से भेजता है। इससे न केवल बहुत छोटे स्थापन की संभावना होती है, बल्कि दशकों से उपयोग में आ रही पुरानी CO2 लेजर प्रणालियों की तुलना में लगभग 30 प्रतिशत बेहतर ऊर्जा दक्षता भी प्राप्त होती है।

लेजर कटिंग हेड, फोकसिंग लेंस और नोजल प्रणाली

कटिंग हेड में विशेष लेंस होते हैं जो बहुत शुद्ध फ्यूज्ड सिलिका की सामग्री से बने होते हैं, जो लेजर बीम को 0.1 मिमी से भी छोटे आकार में केंद्रित करते हैं। इसमें एक समकेंद्रित नोजल प्रणाली भी होती है जो नाइट्रोजन जैसी सहायक गैसों (जिसकी शुद्धता लगभग 99.95% होनी चाहिए) को 15 से 20 बार के दबाव के बीच में उड़ेलती है। इससे कटे हुए क्षेत्र से ऑक्सीजन को दूर रखते हुए गलित सामग्री को बाहर धकेलने में मदद मिलती है, जिससे साफ-सुथरे किनारे प्राप्त होते हैं जिनकी सभी को अपेक्षा होती है। ऑपरेटर वास्तव में पाते हैं कि यह व्यवस्था तब सबसे अच्छा काम करती है जब वे उपयोग की जा रही सामग्री के प्रकार के आधार पर गैस दबाव को समायोजित करते हैं।

परिशुद्ध नियंत्रण और स्वचालन में सीएनसी प्रणालियों की भूमिका

सीएनसी प्रणाली मूल रूप से उन सीएडी डिज़ाइन को लेती हैं और उन्हें वास्तविक गति पथ में बदल देती हैं, लगभग 0.03 मिमी के भीतर पुनरावृत्ति प्राप्त करते हुए। इन उन्नत मशीनों में नियंत्रक लेजर शक्ति जैसी चीजों को लगातार समायोजित करते रहते हैं जो 500 वाट से लेकर 30 किलोवाट तक की सीमा में हो सकती है, कटिंग हेड की गति (कभी-कभी 200 मीटर प्रति मिनट तक तेज) को समायोजित करते हैं, और जटिल पांच-अक्ष गतियों के दौरान गैस दबाव को नियंत्रित करते हैं। इससे बहुत जटिल आकृतियों को बिना ज्यादा मानव हस्तक्षेप के बनाना संभव हो जाता है। जो आश्चर्यजनक है वह यह है कि बड़ी सामग्री की चादरों के साथ काम करते हुए भी, ये प्रणाली प्रति वर्ग मीटर 0.05 मिमी की सहनशीलता के भीतर सतह को समतल बनाए रखने में सक्षम होती हैं। उच्च गुणवत्ता वाले भागों के निर्माण में इस तरह की स्थिरता बहुत बड़ा अंतर लाती है।

शीतलन प्रणाली और मशीन फ्रेम की स्थिरता

सटीकता के लिए तापीय स्थिरता की आवश्यकता होती है: पानी के चिलर लेजर डायोड को 25°C±2°C के भीतर रखते हैं, जो लंबे समय तक संचालन के दौरान प्रदर्शन में अस्थिरता को रोकता है। मशीन का फ्रेम, जो अक्सर ग्रेनाइट आधार और रैखिक गाइड के साथ बनाया जाता है, कंपन को 5 µm से कम पर दबा देता है, जो 1,500 mm/s से अधिक की ट्रैवर्स गति पर निरंतर कटौती का समर्थन करता है।

घटक	कार्य	प्रदर्शन मीट्रिक
लेजर स्रोत	उच्च-तीव्रता वाली बीम उत्पन्न करता है	98% वॉल-प्लग दक्षता
कटिंग हेड	बीम को केंद्रित करता है और गैस प्रवाह का प्रबंधन करता है	0.08 mm फोकल स्पॉट व्यास
CNC नियंत्रक	कटिंग पैटर्न को निष्पादित करता है	0.01° घूर्णन सटीकता
थर्मल स्थिरीकरण उपकरण	संचालन तापमान बनाए रखता है	±0.5°C सहिष्णुता

यह एकीकृत वास्तुकला 3×2 मीटर के विस्तृत कार्य क्षेत्र में 0.1 मिमी/मीटर की स्थिति सटीकता बनाए रखते हुए 40 मिमी मोटाई तक की धातुओं के सटीक वाष्पीकरण का समर्थन करती है।

धातु प्रसंस्करण में संगलन और वाष्पीकरण की प्रक्रिया

फाइबर लेज़र 1,070 एनएम तरंगदैर्ध्य के आसपास इन्फ्रारेड प्रकाश उत्पन्न करते हैं, जो जिस सामग्री पर वे काम कर रहे होते हैं उसे बहुत अधिक ऊष्मा स्थानांतरित करता है। जब यह प्रकाश धातु से टकराता है, तो धातु की संरचना में उपस्थित इलेक्ट्रॉन द्वारा इसे अवशोषित कर लिया जाता है, जिससे तापमान उस सीमा से भी अधिक बढ़ जाता है जिसे अधिकांश इस्पात सहन कर सकते हैं (आमतौर पर 1,400 और 1,650 डिग्री सेल्सियस के बीच)। तापमान में तेजी से वृद्धि से सामग्री को काटने के लिए पिघलने और वाष्पीकरण दोनों प्रभाव उत्पन्न होते हैं, जिससे हम जिसे कर्फ कहते हैं वह बनता है। लगभग 6 मिलीमीटर मोटाई से कम की पतली चादरों के लिए, यह प्रक्रिया कीहोल मोड नामक कुछ ऐसे तरीके में काम करती है जहाँ लेज़र किरण सीधे धातु को वाष्प में बदल देती है। हालाँकि मोटी सामग्री के साथ, निर्माता आमतौर पर मेल्ट-एंड-ब्लो के रूप में जाने जाने वाले एक अलग दृष्टिकोण का उपयोग करते हैं। इस विधि में कटिंग ऑपरेशन के दौरान कितनी सामग्री निकाली जाती है, इसे प्रबंधित करने के लिए निरंतर तरंग संचालन का उपयोग किया जाता है।

सहायक गैसों की भूमिका: ऑक्सीजन, नाइट्रोजन और संपीड़ित वायु

सहायक गैसें मुख्य रूप से तीन कार्यों के माध्यम से कट की गुणवत्ता और गति में सुधार करती हैं: गलित सामग्री को बाहर निकालना, ऊष्मा-प्रभावित क्षेत्र (HAZ) को ठंडा करना, और ऑक्सीकरण को नियंत्रित करना।

गैस का प्रकार	कटिंग प्रक्रिया पर प्रभाव	के लिए सबसे अच्छा
ऑक्सीजन	ऊष्माक्षेपी प्रतिक्रिया ऊष्मा जोड़ती है, जिससे गति में 30% तक की वृद्धि होती है	माइल्ड स्टील >3मिमी
नाइट्रोजन	अक्रिय शील्डिंग ऑक्सीकरण को रोकती है, जिससे बर्र-मुक्त किनारे प्राप्त होते हैं	स्टेनलेस स्टील, एल्यूमिनियम
संपीड़ित वायु	गैर-महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों के लिए आर्थिक विकल्प	पतली शीट धातुएं (<2मिमी)

द फैब्रिकेटर के 2024 उद्योग विश्लेषण में उल्लेखित अनुसार, गैस दबाव (1–20 बार) कट की गुणवत्ता को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करता है—उच्च दबाव स्लैग निष्कासन में सुधार करता है लेकिन टर्बुलेंस पैदा कर सकता है। आधुनिक सेटअप इष्टतम परिणामों के लिए ±2% दबाव स्थिरता बनाए रखने के लिए सीएनसी-नियंत्रित समानुपातिक वाल्व का उपयोग करते हैं।

साफ कटिंग में नोजल का कार्य और गैस जेट गतिशीलता

शंक्वाकार नोजल (0.8–3.0 मिमी व्यास) सहायक गैस को एक सुपरसोनिक जेट (मैक 1.2–2.4) में आकार देता है जो कर्फ से गलित धातु को कुशलता से हटा देता है। इसमें महत्वपूर्ण कारक शामिल हैं:

• स्टैंडऑफ़ दूरी : नोजल की सुरक्षा के लिए 0.5–1.5 मिमी का अंतर प्रभावी गैस कवरेज सुनिश्चित करता है
• गैस लेंस डिज़ाइन : मानक नोजल की तुलना में प्रवाह की उथल-पुथल को 62% तक कम करता है
• समकेंद्रित संरेखण : बीम और गैस धारा के बीच <0.05 मिमी संरेखण की आवश्यकता होती है

अनुकूलित नोजल डिज़ाइन लैमिनर प्रवाह में सुधार के माध्यम से कटिंग गति में 18% की वृद्धि और गैस खपत में 22% की कमी करते हैं। एकीकृत पिज़ोइलेक्ट्रिक सेंसर 50 मिसे के भीतर अवरोधों का पता लगाते हैं, जिससे संबंधित दोषों में से लगभग 93% को रोका जाता है।

बीम फोकसिंग, परिशुद्ध नियंत्रण और गुणवत्ता आश्वासन

कॉलिमेटिंग और फोकसिंग लेंस का उपयोग करके लेजर बीम को फोकस करना

संकलन लेंस इन बिखरी हुई प्रकाश किरणों को लेते हैं और लक्ष्य पर पहुँचने से पहले उन्हें लगभग समानांतर बना देते हैं। उच्च परिशुद्धता वाले फ्यूज्ड सिलिका ऑप्टिक्स फिर इस संरेखित बीम को 0.1 से 0.3 मिमी के बीच एक छोटे से बिंदु पर केंद्रित करते हैं। InTechOpen के अध्ययनों में बताया गया है कि BPP (बीम पैरामीटर उत्पाद) जैसे बीम गुणवत्ता मापदंडों के मामले में, 2 mm·mrad से कम कुछ भी कटिंग सटीकता में वास्तविक अंतर लाता है। परिणाम? स्टेनलेस स्टील की कटौती पारंपरिक CO₂ लेजर प्रणालियों की तुलना में लगभग 30% अधिक संकीर्ण हो सकती है। यह उत्पादन में बहुत महत्वपूर्ण है जहाँ प्रत्येक मिलीमीटर का अंश मायने रखता है।

नोजल संरेखण और फोकल बिंदु अनुकूलन

नोजल टिप और फोकल तल के बीच ±0.05 मिमी की स्टैंडऑफ दूरी बनाए रखने से बीम हस्तक्षेप के बिना प्रभावी ढंग से गलित सामग्री को निकाला जा सकता है। कैपेसिटिव ऊंचाई सेंसर कटिंग ऑपरेशन के दौरान वास्तविक समय में स्वतः समायोजन की अनुमति देते हैं। 2023 के वेल्डिंग परीक्षणों के अनुसार, एल्युमीनियम के प्रसंस्करण के दौरान 0.1 मिमी से अधिक का विचलन ड्रॉस निर्माण में 60% की वृद्धि कर सकता है।

सीएनसी सिस्टम के माध्यम से वास्तविक समय में निगरानी और अनुकूली नियंत्रण

आधुनिक सीएनसी प्रणालियां संचालन के दौरान प्रति सेकंड लगभग 1,000 डेटा बिंदु एकत्र करती हैं। ये मापन गैस व्यवहार पैटर्न से लेकर यह तक कि ऊष्मा लेंस पर कैसे प्रभाव डालती है और मशीन किसी भी क्षण में वास्तव में कहाँ है, इस सब तक को कवर करते हैं। इस सभी जानकारी के आधार पर, प्रणाली मिलीसेकंड के भीतर 1 से 20 किलोवाट के बीच लेजर शक्ति सेटिंग्स में बदलाव कर सकती है और 0.1 मीटर प्रति मिनट से लेकर 40 मीटर प्रति मिनट तक की यात्रा की गति को समायोजित कर सकती है। परिणाम? जटिल आकृतियों और विस्तृत डिज़ाइनों पर काम करते समय भी धनात्मक या ऋणात्मक 0.1 मिलीमीटर के भीतर सहिष्णुता के साथ लगातार सटीक कटौती। चर आवृत्ति पल्स मॉड्यूलेशन को एक उदाहरण के रूप में लें। 5 मिमी मोटी पीतल की चादरों को काटने पर लागू करने पर, यह तकनीक पारंपरिक विधियों की तुलना में ऊष्मा प्रभावित क्षेत्र को लगभग आधा करने में सक्षम होती है, जो सटीक कार्य के लिए एक गेम चेंजर बन जाती है।

पूर्वानुमानित पैरामीटर ट्यूनिंग और गुणवत्ता निरीक्षण के लिए एआई एकीकरण

10,000 से अधिक कटिंग प्रोफाइल पर प्रशिक्षित मशीन लर्निंग मॉडल अब नए सामग्रियों के लिए 92% सटीकता के साथ आदर्श सेटिंग्स की भविष्यवाणी करते हैं। उच्च-रिज़ॉल्यूशन दृष्टि प्रणाली (5-μm रिज़ॉल्यूशन) को स्पेक्ट्रल विश्लेषण के साथ जोड़ने से स्वचालित निरीक्षण की तुलना में माइक्रो-दोषों की पहचान 50% तेज़ी से होती है, जिससे ऑटोमोटिव उत्पादन में स्क्रैप दर में 18% की कमी आई है (2024 प्रिसिजन मशीनिंग रिपोर्ट)।

सामग्री सुसंगतता और औद्योगिक अनुप्रयोग

फाइबर लेजर कटिंग के लिए उपयुक्त धातुएं: स्टेनलेस स्टील, एल्युमीनियम, पीतल

लगभग 1 माइक्रोमीटर पर काम करने वाले फाइबर लेज़र चमकदार धातुओं जैसे स्टेनलेस स्टील, एल्युमीनियम और पीतल पर बहुत अच्छा काम करते हैं। 2024 में हुई हालिया परख में दिखाया गया है कि ये लेज़र प्रणाली वास्तव में 3 सेंटीमीटर तक की मोटाई वाली स्टेनलेस स्टील की प्लेटों को काट सकती हैं, जबकि आयामी सटीकता लगभग एक-दसवें मिलीमीटर के भीतर बनी रहती है। इस तरह की सटीकता उन्हें इमारतों और वाहनों में आवश्यक संरचनात्मक भाग बनाने के लिए उत्कृष्ट बनाती है। जब बात आती है कार के शरीर के पैनलों में आमतौर पर पाए जाने वाले एल्युमीनियम मिश्र धातुओं की, तो फाइबर लेज़र पारंपरिक CO2 लेज़रों की तुलना में लगभग 20 से 25 प्रतिशत तेज़ी से सामग्री को संसाधित करते हैं। पतली धातु की चादरों पर काम करते समय इस गति के लाभ से ऊष्मा क्षति की समस्याओं में कमी आती है, जो ऑटोमोटिव निर्माण में गुणवत्ता बनाए रखने के लिए महत्वपूर्ण है।

केस अध्ययन: ऑटोमोटिव निर्माण में उच्च-परिशुद्धता कटिंग

ऑटोमोटिव निर्माता 0.05 मिमी सहिष्णुता के साथ चेसिस भागों के निर्माण के लिए फाइबर लेजर कटर का उपयोग करते हैं। 2023 की एक रिपोर्ट बताती है कि उच्च-शक्ति वाले स्टील के दरवाजे के फ्रेम आकार देने में इस तकनीक के उपयोग से 18% तक सामग्री अपव्यय कम होता है। इसके अतिरिक्त, आकृति कटिंग के दौरान अनुकूली शक्ति नियंत्रण ब्रेक घटक निर्माण में 98% प्रथम बार उपज दर प्राप्त करता है।

भविष्य के रुझान: एयरोस्पेस और मेडिकल डिवाइस निर्माण अनुप्रयोग

एयरोस्पेस उद्योग में वृद्धि हो रही है क्योंकि उपग्रहों के लिए एल्युमीनियम की चादरों पर काम करने के लिए फाइबर लेज़र का उपयोग किया जा रहा है। इसी समय, चिकित्सा उपकरण निर्माण में, ये लेज़र लगभग 50 माइक्रोन तक की अद्भुत सटीकता के साथ टाइटेनियम इम्प्लांट्स को काट सकते हैं। कई इंजीनियर अब स्टेनलेस स्टील सर्जिकल उपकरणों पर छोटी-छोटी संरचनाओं को बनाते समय फाइबर लेज़र पर निर्भर रहते हैं। इससे प्राप्त फिनिश में अक्सर पश्चात् पॉलिशिंग के किसी अतिरिक्त चरण की आवश्यकता के बिना लगभग 0.8 माइक्रोन से कम की खुरदरापन औसत होती है। इन सभी लाभों के साथ, यह आश्चर्य की बात नहीं है कि उन्नत स्वच्छ ऊर्जा तकनीकों और मानव शरीर के अंदर वास्तव में अच्छी तरह से काम करने वाले चिकित्सा उपकरणों के विकास के लिए फाइबर लेज़र कटिंग इतनी महत्वपूर्ण क्यों बन गई है।

सामान्य प्रश्न

पारंपरिक CO2 लेज़र की तुलना में फाइबर लेज़र का मुख्य लाभ क्या है?

फाइबर लेज़र का मुख्य लाभ उनकी ऊर्जा दक्षता है, जो CO2 लेज़र प्रणालियों की तुलना में लगभग 30% बेहतर है। इनके उपयोग से छोटी स्थापना की आवश्यकता होती है और सटीक कटिंग क्षमता प्रदान करते हैं।

फाइबर लेज़र कटिंग में उच्च परिशुद्धता कैसे प्राप्त करते हैं?

फाइबर लेज़र उत्प्रेरित उत्सर्जन, फोकसिंग लेंस और सीएनसी प्रणालियों के माध्यम से कटिंग में उच्च परिशुद्धता प्राप्त करते हैं, जो लेज़र शक्ति, गति और गैस दबाव को नियंत्रित करते हैं। उच्च तीव्रता पर भी इस परिशुद्धता को बनाए रखा जाता है।

फाइबर लेज़र कटिंग के लिए उपयुक्त धातुएं कौन सी हैं?

फाइबर लेज़र चमकीली धातुओं जैसे स्टेनलेस स्टील, एल्युमीनियम और पीतल पर अच्छी तरह काम करते हैं, जिससे वे ऑटोमोटिव और एयरोस्पेस जैसे उद्योगों में संरचनात्मक भागों के लिए आदर्श बन जाते हैं।

सहायक गैसें लेज़र कटिंग में सुधार कैसे करती हैं?

ऑक्सीजन, नाइट्रोजन और संपीड़ित वायु जैसी सहायक गैसें पिघली हुई सामग्री को बाहर निकालने, ऊष्मा-प्रभावित क्षेत्र को ठंडा करने और ऑक्सीकरण को नियंत्रित करने में मदद करती हैं, जिससे कट की गुणवत्ता और गति में सुधार होता है।