01 หลักการและคุณสมบัติทางเทคนิค
หลักการพื้นฐานของ-เลเซอร์นำน้ำคือการจับคู่ลำแสงเลเซอร์เข้ากับเครื่องฉีดน้ำขนาดเล็กที่มีแรงดันสูง- และนำเลเซอร์ไปยังพื้นผิวของวัสดุผ่านเครื่องฉีดน้ำ ในระบบนี้ เลเซอร์ที่สร้างโดยแหล่งกำเนิดเลเซอร์จะผ่านชุดส่วนประกอบทางแสง (เช่น เลนส์และกระจก) ก่อนเพื่อการเทียบสีและการโฟกัส จากนั้นจึงรวมกับเครื่องฉีดน้ำแรงดันสูง-ผ่านหัวฉีดแบบพิเศษ เจ็ทน้ำจะสร้างช่องเล็กๆ ในหัวฉีด และลำแสงเลเซอร์จะถูกนำทางผ่านช่องนี้ไปยังพื้นผิวของชิ้นงาน ดังแสดงในรูปที่ 1 เนื่องจากดัชนีการหักเหของน้ำแตกต่างจากอากาศ เส้นทางการแพร่กระจายของเลเซอร์ในน้ำจึงเปลี่ยนไป ดังนั้นการออกแบบเชิงแสงที่แม่นยำจึงจำเป็นเพื่อให้มั่นใจถึงความเสถียรและการโฟกัสพลังงานของลำแสงเลเซอร์
รูปที่ 1 หลักการทางเทคนิคของเลเซอร์นำวิถีน้ำ-
ความแม่นยำสูง: เทคโนโลยีเลเซอร์นำน้ำ-สามารถบรรลุความแม่นยำในการประมวลผลระดับซับมิลลิเมตรหรือแม้แต่ไมโครเมตร- เนื่องจากเส้นผ่านศูนย์กลางของแรงดันน้ำมีขนาดเล็กมาก โดยปกติแล้วจะมีเพียงสิบถึงหลายร้อยไมโครเมตร ลำแสงเลเซอร์จึงสามารถนำทางไปยังตำแหน่งเฉพาะบนชิ้นงานได้อย่างแม่นยำสำหรับการตัดละเอียด การเจาะ หรือการแกะสลัก ประสิทธิภาพสูง: ในระหว่างการประมวลผลด้วยเลเซอร์นำน้ำ- ลำแสงเลเซอร์จะถูกส่งโดยตรงไปยังพื้นผิวชิ้นงานผ่านทางเจ็ทน้ำ ช่วยลดการสูญเสียพลังงานและการกระเจิงในอากาศ นอกจากนี้ วอเตอร์เจ็ทยังให้ความเย็นและการชะล้าง ช่วยลดอุณหภูมิพื้นผิวของชิ้นงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ และลดความร้อน-โซนที่ได้รับผลกระทบ ซึ่งจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพและคุณภาพของการประมวลผล ความเสียหายจากความร้อนลดลง: เนื่องจากเอฟเฟกต์การระบายความร้อนของเจ็ทน้ำ การประมวลผลด้วยเลเซอร์นำทาง-โซนที่ได้รับผลกระทบ (HAZ) ในน้ำ-จึงมีน้อยมาก โซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน-หมายถึงพื้นที่บนพื้นผิวและภายในชิ้นงานที่มีการเสียรูปเนื่องจากความร้อน ความเสียหาย หรือการเปลี่ยนแปลงเฟสเกิดขึ้นเนื่องจากการพาความร้อนและการแผ่รังสีในระหว่างการประมวลผลด้วยเลเซอร์ การระบายความร้อนอย่างรวดเร็วของแรงดันน้ำในการประมวลผลด้วย-เลเซอร์ด้วยน้ำจะช่วยขจัดความร้อนออกจากพื้นผิวชิ้นงานได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งช่วยลดขนาดและความลึกของความร้อน-บริเวณที่ได้รับผลกระทบ และป้องกันการเสียรูปเนื่องจากความร้อนและความเสียหายต่อวัสดุ
รูปที่ 2 (a) ภาพ SEM ของส่วนการตัดโลหะผสมไทเทเนียมโดยการตัด 'เลเซอร์แห้งแบบธรรมดา' และการตัดด้วยเลเซอร์นำน้ำ- (b) การเปรียบเทียบพื้นผิวการตัดของ CFRP ที่ได้จากเลเซอร์นำน้ำ-และการตัด 'เลเซอร์แห้งแบบธรรมดา'
02 ฟิลด์แอปพลิเคชัน
สาขาการบินและอวกาศ: สาขาการบินและอวกาศมีข้อกำหนดที่สูงมากสำหรับความแม่นยำและคุณภาพในการประมวลผลวัสดุ และเทคโนโลยีเลเซอร์นำทางด้วยน้ำ-ก็ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านนี้ สามารถใช้เพื่อแปรรูปส่วนประกอบสำคัญของเครื่องยนต์การบินและอวกาศ เช่น ใบพัด จานกังหัน และห้องเผาไหม้ ซึ่งมักจะทำจากวัสดุที่แปรรูปยาก-ถึง- เช่น ซูเปอร์อัลลอยด์และโลหะผสมไทเทเนียม เลเซอร์นำน้ำ-สามารถตัดและแกะสลักวัสดุเหล่านี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในขณะเดียวกันก็รับประกันความแม่นยำในการประมวลผลและคุณภาพพื้นผิว ซึ่งจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของส่วนประกอบต่างๆ นอกจากนี้ เลเซอร์นำวิถีน้ำ-ยังสามารถใช้สำหรับการประมวลผลชิ้นส่วนโครงสร้างของยานพาหนะการบินและอวกาศ เช่น ปีกและลำตัว ทำให้สามารถตัดเฉือนรูปทรงที่ซับซ้อนและการออกแบบที่มีน้ำหนักเบาได้
สาขาเซมิคอนดักเตอร์: ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ เลเซอร์นำน้ำ-สามารถใช้เพื่อตัดวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ เช่น เวเฟอร์ซิลิคอน รวมทั้งสำหรับการบรรจุชิปและการทดสอบ เนื่องจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ต้องการความแม่นยำในการประมวลผลและคุณภาพพื้นผิวที่สูงมาก เลเซอร์นำน้ำที่มีความแม่นยำสูงและความเสียหายจากความร้อนต่ำ- ทำให้เป็นเครื่องมือในการประมวลผลในอุดมคติ พวกเขาสามารถบรรลุการตัดเวเฟอร์ซิลิคอนอย่างละเอียด หลีกเลี่ยงการแตกร้าวและความเสียหาย ซึ่งจะช่วยปรับปรุงผลผลิตและประสิทธิภาพของชิป นอกจากนี้ เลเซอร์นำน้ำ-สามารถใช้กับอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ในการประมวลผลระดับไมโคร- ได้ เช่น การสร้างส่วนประกอบไมโครอิเล็กทรอนิกส์และการแกะสลักวงจรขนาดเล็ก ซึ่งให้ความแม่นยำในการตัดเฉือนที่ระดับไมโครมิเตอร์หรือแม้แต่นาโนเมตร
สนามพลังงานใหม่: ในภาคพลังงานใหม่ น้ำ-เลเซอร์นำทางสามารถนำมาใช้ในการประมวลผลส่วนประกอบสำคัญของอุปกรณ์พลังงานใหม่ เช่น แผงโซลาร์เซลล์และเซลล์เชื้อเพลิง ตัวอย่างเช่น ในการผลิตแผงโซลาร์เซลล์ เลเซอร์นำน้ำ-สามารถใช้เพื่อตัดแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนและกัดลวดลายอิเล็กโทรดบนพื้นผิวของเซลล์แสงอาทิตย์ ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงไฟฟ้าโซลาร์เซลล์และประสิทธิภาพของแผง ในการผลิตเซลล์เชื้อเพลิง เลเซอร์นำน้ำ-สามารถประมวลผลส่วนประกอบต่างๆ เช่น ชุดอิเล็กโทรดเมมเบรนและเพลตไบโพลาร์ ซึ่งช่วยให้สามารถตัดและแกะสลักที่มีความแม่นยำสูง-ได้ ซึ่งจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของเซลล์เชื้อเพลิง
รูปที่ 3 การใช้น้ำ-เลเซอร์นำทาง
03 ความท้าทายและปัญหาที่ต้องเผชิญกับน้ำ-เลเซอร์นำทาง
ความเสถียรของวอเตอร์เจ็ท: ในระหว่าง-การประมวลผลด้วยเลเซอร์ที่มีน้ำนำทาง กระแสน้ำที่ไหลด้วยความเร็วสูง-อาจไม่เสถียร ซึ่งอาจส่งผลต่อคุณภาพของการประมวลผล ตัวอย่างเช่น ในระหว่างการตัด ความผันผวนของกระแสน้ำอาจทำให้เกิดการเบี่ยงเบนในแนวการตัดหรือเพิ่มความหยาบของพื้นผิว ซึ่งส่งผลต่อความแม่นยำในการตัดเฉือนและคุณภาพพื้นผิว เพื่อให้มั่นใจถึงความเสถียรของแรงดันน้ำ จำเป็นต้องปรับระบบควบคุมแรงดันน้ำให้เหมาะสม เพื่อให้สามารถรักษาสถานะที่เสถียรตลอดกระบวนการ
เลเซอร์-ประสิทธิภาพการเชื่อมต่อน้ำ: ประสิทธิภาพการเชื่อมต่อระหว่างลำแสงเลเซอร์และเจ็ทน้ำส่งผลโดยตรงต่อผลการประมวลผล หากประสิทธิภาพการเชื่อมต่อต่ำ การสูญเสียพลังงานเลเซอร์ในวอเตอร์เจ็ทจะเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ประสิทธิภาพและคุณภาพการประมวลผลลดลง
ข้อกำหนดทางเทคนิคสำหรับรูหัวฉีด: เพื่อให้แน่ใจว่าการประมวลผลด้วยเลเซอร์นำทาง-คุณภาพสูง- การออกแบบและการผลิตที่แม่นยำของรูหัวฉีดถือเป็นสิ่งสำคัญ รูหัวฉีดจำเป็นต้องมีผนังที่บางมาก ในขณะที่ยังคงความเที่ยงตรงสูงในด้านความกลมและเรียวเป็นศูนย์ เพื่อให้สามารถทนต่อแรงกระแทกจากการไหลของน้ำได้ นอกจากนี้ จะต้องรักษาความหยาบของพื้นผิวด้านในของรูให้ต่ำมาก เพื่อให้มั่นใจในความเสถียรและความสม่ำเสมอของน้ำที่พุ่งออกมา
ความสามารถในการปรับตัวต่อสิ่งแวดล้อม: อุปกรณ์แปรรูปเลเซอร์ที่ใช้น้ำ-มีข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อมในระดับสูง ตัวอย่างเช่น การทำงานของอุปกรณ์ต้องใช้แหล่งจ่ายไฟที่เสถียร น้ำสะอาด และสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิและความชื้นคงที่ ในสภาพแวดล้อมที่มีสภาวะไม่ดี เช่น อุณหภูมิผันผวนอย่างมาก ความชื้นสูง หรือแหล่งจ่ายไฟไม่เสถียร ประสิทธิภาพของอุปกรณ์อาจลดลงหรือล้มเหลวได้ นอกจากนี้ ปัจจัยต่างๆ เช่น ฝุ่นและการสั่นสะเทือนในสภาพแวดล้อมอาจรบกวนการประมวลผล ซึ่งส่งผลต่อความแม่นยำและคุณภาพของการตัดเฉือน ดังนั้นในการใช้งานจริง จำเป็นต้องมีการควบคุมและการจัดการสภาพแวดล้อมการทำงานของอุปกรณ์อย่างเข้มงวด
04 สถานะการพัฒนาปัจจุบันของอุตสาหกรรมในประเทศและต่างประเทศ
ด้วยความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีการประมวลผลด้วยเลเซอร์ที่มีความแม่นยำและความต้องการของตลาดที่เพิ่มขึ้น เทคโนโลยีการประมวลผลด้วยเลเซอร์นำน้ำ-ก็มีการพัฒนาและปรับปรุงอย่างต่อเนื่องเช่นกัน ผู้ผลิตอุปกรณ์เลเซอร์นำวิถีน้ำ-ชั้นนำที่ได้รับการยอมรับในระดับสากล ส่วนใหญ่ประกอบด้วยสองบริษัท: Synova และ Avonisys ของสวิตเซอร์แลนด์ ในปัจจุบัน ในบรรดาบริษัทอุปกรณ์แปรรูปเลเซอร์ที่มีระบบนำทางน้ำ-ในประเทศ บริษัทที่พัฒนาค่อนข้างรวดเร็ว ได้แก่ Wot Intelligent Manufacturing, Cosset และ Shanghai Lengchen Technology และอื่นๆ บริษัทอื่นๆ บางแห่งใช้แนวทางการแนะนำเทคโนโลยีจากต่างประเทศที่เกี่ยวข้องโดยตรง จากนั้นจึงประกอบและผลิตในประเทศพร้อมกับเพิ่มประสิทธิภาพผลิตภัณฑ์ของตน แม้ว่าสิ่งนี้สามารถเติมเต็มช่องว่างทางเทคโนโลยีได้อย่างรวดเร็วและลดต้นทุนและเวลาด้านการวิจัยและพัฒนาในระยะสั้น แต่ก็ยังมีปัญหาบางอย่างในระยะยาว เช่น การพึ่งพาเทคโนโลยีหลักจากต่างประเทศ การลงทุนด้านการวิจัยและพัฒนาที่ไม่สมดุล และความเสี่ยงที่ล้นเกินในห่วงโซ่อุตสาหกรรม ผู้เขียนเชื่อว่าควรสร้างวงจรเชิงบวกของ 'การแนะนำ-การดูดซึม-ที่เหนือกว่า' ข่าวดีก็คือ ขณะนี้มีบริษัทในประเทศที่สามารถจัดหาอุปกรณ์เชิงพาณิชย์ที่มีส่วนประกอบที่ผลิตในท้องถิ่น 100% ด้วยการเปลี่ยนแปลงและการยกระดับอุตสาหกรรมการผลิตของจีน เทคโนโลยี-เลเซอร์นำวิถีด้วยน้ำจะมีบทบาทสำคัญใน-การผลิตระดับไฮเอนด์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในยานพาหนะพลังงานใหม่ การบินและอวกาศ และ-การผลิตอุปกรณ์ระดับไฮเอนด์ การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีเลเซอร์นำวิถีน้ำ-จะขับเคลื่อนนวัตกรรมทางเทคโนโลยีและการอัปเกรดผลิตภัณฑ์ในอุตสาหกรรมเหล่านี้
