लेजर कटिंग का डिज़ाइन सिद्धांत प्रकाशिकी, थर्मोडायनामिक्स और सामग्री विज्ञान के प्रतिच्छेदन पर निर्मित एक व्यवस्थित प्रक्रिया ढांचा है। इसका मूल सामग्री के साथ नियंत्रणीय उच्च {{1}ऊर्जा {{2}घनत्व वाले लेजर बीम की बातचीत के माध्यम से सामग्री को सटीक रूप से हटाना और आकार देना है। इस सिद्धांत के कार्यान्वयन के लिए तीन आयामों पर विचार करने की आवश्यकता है: लेजर उत्पादन और संचरण, ऊर्जा संपर्क तंत्र, और प्रक्रिया पैरामीटर मिलान, "ऊर्जा स्रोत" से "प्रसंस्करण परिणाम" तक एक पूर्ण तार्किक श्रृंखला बनाना।
लेज़र जेनरेशन डिज़ाइन का प्रारंभिक बिंदु है। वर्तमान औद्योगिक अनुप्रयोगों में, फ़ाइबर लेज़र, CO₂ लेज़र, और ठोस -राज्य लेज़र लाभ मीडिया और उत्तेजना विधियों में अंतर के कारण अलग-अलग बीम विशेषताओं का प्रदर्शन करते हैं: फ़ाइबर लेज़र दुर्लभ {{2}पृथ्वी -डोप्ड ऑप्टिकल फाइबर का उपयोग लाभ माध्यम के रूप में करते हैं और सेमीकंडक्टर पंपिंग के माध्यम से उच्च इलेक्ट्रो {4}ऑप्टिक रूपांतरण दक्षता (30% या अधिक तक) प्राप्त करते हैं, निकट {{6}इन्फ्रारेड बैंड में निरंतर या स्पंदित बीम का उत्पादन करते हैं। (लगभग 1070 एनएम), उत्कृष्ट बीम गुणवत्ता (एम² 1 के करीब), कॉम्पैक्ट संरचना, और रखरखाव -मुफ़्त संचालन जैसे लाभों के साथ; CO₂ लेज़र लाभ माध्यम के रूप में CO₂ गैस मिश्रण का उपयोग करते हैं और डिस्चार्ज उत्तेजना के माध्यम से एक सुदूर अवरक्त बैंड (10.6μm) किरण उत्पन्न करते हैं, हालांकि इलेक्ट्रो {12}ऑप्टिक दक्षता अपेक्षाकृत कम (लगभग 10%) है, लेकिन गैर-धातु सामग्री और मोटी धातु प्लेटों के लिए अवशोषण दर अधिक है; सॉलिड-स्टेट लेजर (जैसे एनडी:वाईएजी) क्रिस्टल को लाभ माध्यम के रूप में उपयोग करते हैं और लघु-पल्स या अल्ट्राशॉर्ट-पल्स लेजर उत्पन्न कर सकते हैं, जो सूक्ष्म-मशीनिंग परिदृश्यों के लिए उपयुक्त हैं। लेज़र का चयन तरंग दैर्ध्य के लिए सामग्री की अवशोषण विशेषताओं (उदाहरण के लिए, तांबे और एल्यूमीनियम में 10.6μm CO₂ लेज़रों के लिए उच्च परावर्तन क्षमता होती है, जो उन्हें फाइबर लेज़रों के लिए अधिक उपयुक्त बनाती है), आवश्यक प्रसंस्करण मोटाई और परिशुद्धता के व्यापक विचार पर आधारित होना चाहिए। यह डिज़ाइन में "ऊर्जा स्रोत अनुकूलनशीलता" सिद्धांत का मूल अवतार है।
सटीक ऊर्जा वितरण के लिए लेजर ट्रांसमिशन और फोकसिंग महत्वपूर्ण हैं। लेजर गुंजयमान गुहा से बीम आउटपुट को कोलिमेटिंग दर्पण और प्रतिबिंबित दर्पण जैसे ऑप्टिकल तत्वों के माध्यम से प्रोसेसिंग हेड तक प्रेषित करने की आवश्यकता होती है। फिर, एक फोकसिंग दर्पण (आमतौर पर एक उत्तल लेंस) अपसारी किरण को दसियों से सैकड़ों माइक्रोमीटर के व्यास वाले एक स्थान में परिवर्तित करता है। स्पॉट व्यास (डी), फोकल लम्बाई (एफ), और घटना बीम व्यास (डी) के बीच का संबंध लेंस इमेजिंग फॉर्मूला (डी≈एफ·θ, जहां θ बीम विचलन कोण है) का पालन करता है, सीधे ऊर्जा घनत्व (ई =पी/(πd²/4) का निर्धारण करता है, जहां पी लेजर पावर है) -स्पॉट का आकार जितना छोटा होगा, ऊर्जा घनत्व उतना अधिक होगा, और उच्च परिशुद्धता काटने को प्राप्त करना उतना ही आसान होगा। डिज़ाइन को प्रसंस्करण क्षेत्र और सटीक आवश्यकताओं के आधार पर फोकल लंबाई का चयन करने की आवश्यकता होती है (छोटी फोकल लंबाई के परिणामस्वरूप फोकसिंग स्पॉट छोटा होता है लेकिन फोकस की उथली गहराई, पतली प्लेटों की सटीक कटिंग के लिए उपयुक्त होती है; लंबी फोकल लंबाई में फोकस की बड़ी गहराई होती है, जो मोटी प्लेटों के स्थिर प्रसंस्करण के लिए उपयुक्त होती है)। डायनेमिक फोकसिंग तकनीक (जैसे कि प्लेट की सतह के उतार-चढ़ाव का पालन करने के लिए प्रोसेसिंग हेड के Z - अक्ष के साथ फोकल बिंदु स्थिति को स्वचालित रूप से समायोजित करना) का उपयोग प्लेट में असमानता के कारण होने वाली ऊर्जा क्षीणन की भरपाई के लिए किया जाता है, जिससे क्रिया क्षेत्र में ऊर्जा एकरूपता सुनिश्चित होती है।
ऊर्जा और सामग्री के बीच परस्पर क्रिया तंत्र काटने की प्रक्रिया की भौतिक प्रकृति को निर्धारित करता है। जब एक लेजर किरण सामग्री की सतह को विकिरणित करती है, तो ऊर्जा अवशोषित हो जाती है और गर्मी में परिवर्तित हो जाती है, जिससे स्थानीय तापमान तेजी से पिघलने बिंदु या यहां तक कि क्वथनांक तक बढ़ जाता है (अधिकांश धातु सामग्री का पिघलने बिंदु 1000 डिग्री से ऊपर है, और क्वथनांक 3000 डिग्री तक पहुंच सकता है)। कम तापीय चालकता वाली सामग्रियों (जैसे स्टेनलेस स्टील) के लिए, गर्मी स्पॉट क्षेत्र में केंद्रित होती है, जिससे तेजी से पिघलने में मदद मिलती है; अत्यधिक परावर्तक सामग्रियों (जैसे एल्यूमीनियम और तांबे) के लिए, ऊर्जा अवशोषण को बढ़ाने के लिए लेजर शक्ति को बढ़ाना या स्पंदित मोड (चरम शक्ति के साथ प्रतिबिंब सीमा को तोड़कर) का उपयोग करना आवश्यक है। पिघली हुई धातु को एक सहायक गैस (ऑक्सीजन, नाइट्रोजन, या संपीड़ित हवा) द्वारा केर्फ़ से उड़ा दिया जाता है: ऑक्सीजन लोहे (ऑक्सीकरण) के साथ ऊष्माक्षेपी रूप से प्रतिक्रिया करती है, अतिरिक्त काटने वाली ऊर्जा प्रदान करती है, जो कार्बन स्टील जैसी आसानी से ऑक्सीकृत सामग्री को उच्च गति से काटने के लिए उपयुक्त है; नाइट्रोजन, एक अक्रिय गैस के रूप में, केवल गतिज ऊर्जा का उपयोग करके स्लैग को हटाती है, ऑक्सीकरण से बचती है और परिणामस्वरूप उच्च गुणवत्ता वाला, फीका पड़ा हुआ कट प्राप्त होता है, जो स्टेनलेस स्टील और एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं जैसे उच्च सतह गुणवत्ता की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है। डिज़ाइन को सामग्री की तापीय चालकता, विशिष्ट ताप क्षमता और ऑक्सीकरण विशेषताओं के आधार पर सहायक गैस के प्रकार और दबाव से मेल खाना चाहिए। बहुत कम दबाव के परिणामस्वरूप स्लैग अवशेष होंगे, जबकि बहुत अधिक दबाव के कारण अत्यधिक चौड़ा केर्फ़ या सामग्री का नुकसान हो सकता है। ऑप्टिकल पथ में हस्तक्षेप किए बिना कुशल स्लैग हटाने को सुनिश्चित करने के लिए नोजल संरचना और वायु प्रवाह दिशा को अनुकूलित करने के लिए संख्यात्मक सिमुलेशन (जैसे गैस प्रवाह क्षेत्र का कम्प्यूटेशनल तरल गतिशीलता (सीएफडी) विश्लेषण) की आवश्यकता होती है।
प्रक्रिया मापदंडों का समन्वित डिजाइन स्थिर कटिंग प्राप्त करने का मूल है। लेजर पावर (पी), काटने की गति (वी), पल्स फ्रीक्वेंसी (एफ), और कर्तव्य चक्र (η) का मिलान होना चाहिए: पावर प्रति यूनिट समय में कुल ऊर्जा इनपुट निर्धारित करती है, गति ऊर्जा की अवधि को प्रभावित करती है (ऊर्जा प्रति यूनिट लंबाई=ई/वी), और दोनों मिलकर यह निर्धारित करते हैं कि सामग्री पूरी तरह से पिघल/वाष्पीकृत है या नहीं। स्पंदित मोड में, आवृत्ति और कर्तव्य चक्र निरंतर हीटिंग के कारण होने वाले गर्मी संचय से बचने के लिए एकल पल्स ऊर्जा (ई_पल्स=पी × η/एफ) और पल्स अंतराल को नियंत्रित करते हैं (उदाहरण के लिए, मोटी प्लेट काटने में, कम आवृत्ति और उच्च कर्तव्य चक्र गर्मी प्रभावित क्षेत्र की चौड़ाई को कम कर सकते हैं)। डिज़ाइन को "सामग्री-मोटाई-पैरामीटर" डेटाबेस स्थापित करने के लिए ऑर्थोगोनल प्रयोगात्मक डिज़ाइन या मशीन लर्निंग एल्गोरिदम का उपयोग करना चाहिए। उदाहरण के लिए, 3 मिमी मोटे 304 स्टेनलेस स्टील के लिए, पैरामीटर संयोजन को 1200W पावर, 2m/मिनट की गति और 0.8MPa नाइट्रोजन दबाव के लिए अनुकूलित करने से 12.5μm से कम या उसके बराबर क्रॉस-सेक्शनल खुरदरापन के साथ उच्च -} गुणवत्ता वाली कटिंग प्राप्त की जा सकती है।
संक्षेप में, लेजर कटिंग का डिज़ाइन सिद्धांत "ऊर्जा स्रोत विशेषताओं, ऑप्टिकल पथ संचरण, सामग्री इंटरैक्शन और पैरामीटर मिलान" का एक बहु-आयामी तालमेल है। अनिवार्य रूप से, यह लेज़र भौतिक गुणों और सामग्री व्यवहार के सटीक नियंत्रण के माध्यम से अमूर्त "प्रकाश ऊर्जा" को नियंत्रणीय "प्रसंस्करण बल" में बदल देता है, अंततः जटिल आकृतियों के कुशल और उच्च परिशुद्धता को प्राप्त करता है। इस सिद्धांत का निरंतर विकास (जैसे कि थर्मल प्रसार और बुद्धिमान एल्गोरिदम का उपयोग करके वास्तविक समय पैरामीटर अनुकूलन को दबाने के लिए अल्ट्राफास्ट लेजर में फेमटोसेकंड/पिकोसेकंड पल्स) लगातार लेजर कटिंग की अनुप्रयोग सीमाओं का विस्तार कर रहा है, जिससे यह उन्नत विनिर्माण में एक अनिवार्य कोर तकनीक बन गई है।
