ઉદ્યોગમાં લેસર સિરામિક નોઝલ બે મુખ્ય હેતુઓ માટે ઉપયોગી છે. પ્રથમ, તેઓ લેસર કિરણને જ્યાં જવાનું હોય ત્યાં ચોકસાઈથી પહોંચાડવામાં મદદ કરે છે. બીજું, આ નોઝલ કટિંગ ઑપરેશન દરમિયાન ઑક્સિજન અથવા નાઇટ્રોજન જેવા સહાયક વાયુના પ્રવાહનું સંચાલન કરે છે. સિરામિક નોઝલનો સમકેન્દ્રિત આકાર કટિંગ વિસ્તારમાંથી પિગળેલી સામગ્રીને ઊડાડતા રહીને લેસર કિરણને કામગીરીની સપાટી પર ગાઢ રીતે કેન્દ્રિત રાખવામાં મદદ કરે છે. પરંપરાગત ધાતુના વિકલ્પોની સરખામણીએ, સિરામિક સામગ્રી લેસર કટિંગ પ્રક્રિયાઓમાં સામાન્ય રીતે જોવા મળતા અતિ ઉચ્ચ તાપમાનને કારણે થતા ઉષ્ણતા નુકસાન અને ઑક્સિડેશન સામે ઘણી વધુ સારી રીતે ટકી રહે છે. આનો અર્થ એ છે કે લાંબા સમય સુધી લેસર યોગ્ય રીતે ગોઠવાયેલો રહે છે અને તેની દિશા બદલાતી નથી. સિરામિક નોઝલ કટની આસપાસ સ્લેગના જમા થવાની માત્રા પણ ઘટાડે છે અને મશીનના અપસ્ટ્રીમમાં આવેલા સંવેદનશીલ ઑપ્ટિકલ ઘટકોને સુરક્ષિત રાખે છે. અનેક ઉત્પાદન કંપનીઓ દ્વારા હાલમાં કરવામાં આવેલા ક્ષેત્ર પરીક્ષણો મુજબ, સુધારેલી નોઝલ ડિઝાઇનમાં રોકાણ કરનારી કંપનીઓએ વિવિધ પ્રકારની સામગ્રી પર કટિંગ ચોકસાઈ અને ઉત્પાદન ઝડપમાં નોંધપાત્ર સુધારો જોયો છે.
નોઝલના આકાર અને કદની પ્રક્રિયા દરમિયાન સામગ્રીને કેટલી ઝડપથી કાપવામાં આવે છે અને કેટલી ઊર્જાનો ઉપયોગ થાય છે તેના પર મોટી અસર પડે છે. જ્યારે આપણે 0.8 થી 1.2 મિલિમીટરની નાની ખુલ્લી જગ્યાઓ પર ધ્યાન આપીએ, ત્યારે આ ઝડપી વાયુ ગતિ બનાવે છે જે પાતળી શીટ્સને ઝડપી, સ્વચ્છ રીતે કાપવા માટે ખૂબ જ સારી કામ કરે છે. બીજી બાજુ, જાડા ધાતુના પ્લેટ્સ સાથે કામ કરતી વખતે 2 થી 3 મિમીના મોટા છિદ્રો દબાણના સ્તરો અને હવાના કદને વધુ સારી રીતે નિયંત્રિત કરે છે. કેટલાક અભ્યાસોમાં સૂચવવામાં આવ્યું છે કે સારી નોઝલ ડિઝાઇન વાયુની ટર્બ્યુલન્સને લગભગ ત્રીસ ટકા ઘટાડી શકે છે, જેનો અર્થ ઓછી વીજળીની જરૂરિયાત છે અને તેમ છતાં 0.1 મિમીની ચોકસાઈ મેળવી શકાય છે. સેરામિક નોઝલ વધુ સારું પ્રદર્શન કરે છે કારણ કે તેમની અંદરની સપાટી વધુ સરળ હોય છે, તેથી વાયુઓ પસાર થતી વખતે ઓછો અવરોધ રહે છે. આનાથી લેસર 6 કિલોવોટથી વધુની પાવર લેવલ પર પહોંચે ત્યારે પણ સ્થિર કામગીરી જાળવવામાં મદદ મળે છે, અને આ ઘટકોને બદલવાની જરૂર પડતા પહેલાં તેમની સેવા લાંબો સમય ચાલે છે.
સિરામિક નોઝલ ત્રણ મુખ્ય ગુણધર્મો દ્વારા સહાયક વાયુની અસરકારકતામાં વધારો કરે છે:
કમ્પ્યુટેશનલ ફ્લુઇડ ડાયનેમિક્સ (CFD) સિમ્યુલેશન દર્શાવે છે કે સ્ટીલના પ્રકારોની તુલનામાં સિરામિક નોઝલ કટિંગ ફ્રન્ટ પર 15% વધુ વાયુ ઘનતા પૂરી પાડે છે, જેના પરિણામે ધાર સાફ રહે છે અને ઉચ્ચ ઝડપની એપ્લિકેશનમાં પ્રદર્શન સુધરે છે.
ઉચ્ચ-પાવર લેસર નોઝલ્સમાં ચાર ઉન્નત સિરામિક્સ પ્રભાવશાળી છે:
| સામગ્રી | ઉષ્મા વાહકતા (W/MK) | મહત્તમ કાર્યકારી તાપમાન (°C) | મુખ્ય લાભ |
|---|---|---|---|
| ઝિરકોનિયા | 2-3 | 2,300 | ઓછું ઉષ્મીય પ્રસરણ |
| એલ્યુમિના | 30 | 1,750 | વિદ્યુત ઇન્સ્યુલેશન |
| સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ | 15-30 | 1,400 | ઉષ્મીય આઘાત પ્રતિકાર |
| સિલિકન કાર્બાઇડ | 120 | 1,650 | અતિશય ઉષ્મા વિસરણ |
15kW થી વધુની સિસ્ટમોમાં સિલિકોન કાર્બાઇડને પસંદ કરવામાં આવે છે કારણ કે તેની ઉત્કૃષ્ટ ઉષ્મા વાહકતા—એલ્યુમિના કરતાં ત્રણ ગણી—જે ચાલુ ઓપરેશન દરમિયાન કાર્યક્ષમ રીતે ઉષ્માનું વિસરણ કરવાની મંજૂરી આપે છે.
સિરામિક્સ 2,000°C થી વધુના તાપમાને પણ પરિમાણાત્મક સ્થિરતા જાળવે છે—તાંબાના નોઝલ્સ કરતાં 300% વધુ સારું—જે પ્લાસ્ટિક ડિફોર્મેશનને અટકાવવા માટે મજબૂત સહસંયોજક બંધનોને કારણે છે. 500 ઉષ્મા ચક્રોનું (25°C – 1,200°C) અનુકરણ કરતાં તણાવ પરીક્ષણોમાં, સ્ટીલની સરખામણીમાં 1.7mm ની સામે ઝિરકોનિયા નોઝલ્સ માત્ર 0.02mm વાંકાં થયાં, જે ઉષ્મા આઘાત સામે અસાધારણ પ્રતિકારનું પ્રદર્શન કરે છે.
વિકર્સ કઠિનતાના ઉચ્ચ ગુણાંકને કારણે સેરામિક નોઝલ્સમાં ખૂબ જ ગંભીર ટકાઉપણાના ફાયદા છે. એલ્યુમિનાનો આંકડો લગભગ 1,600 HV અને સિલિકોન કાર્બાઇડનો લગભગ 2,500 HV છે, જે સમજાવે છે કે આ સામગ્રી ઘસારાનો કેટલો સારો સામનો કરી શકે છે. વાસ્તવિક પરીક્ષણો દર્શાવે છે કે સેરામિક નોઝલ્સ સામાન્ય રીતે 5,000 થી 15,000 કામગીરીના કલાક સુધી ચાલે છે, જ્યારે માનક ધાતુના નોઝલ્સ માત્ર 1,000 થી 3,000 કલાક સુધી જ ચાલે છે. આનો અર્થ એ છે કે કંપનીઓ માત્ર ત્રણ વર્ષમાં જ લગભગ 87% સુધીનો બદલાવનો ખર્ચ બચાવી શકે છે, તેમજ ઉત્પાદન બંધ હોવાનો સમય લગભગ 62% જેટલો નોંધપાત્ર ઘટાડો થાય છે. બીજો મોટો ફાયદો એ છે કે સેરામિક્સ ઑક્સિડેશન સામે કેટલા પ્રતિકારક છે. આ ઑક્સિજન-આધારિત કાપવાની પ્રક્રિયા દરમિયાન ખૂબ જ મહત્વપૂર્ણ બને છે, જ્યાં મોટાભાગના ધાતુના ઘટકો માત્ર થોડા સમય સુધીના સંપર્ક પછી તૂટવા લાગે છે.
જો કે સિરામિક નોઝલની પ્રારંભિક કિંમત 3–5 ગણી વધુ હોય છે, તેમ છતાં તેનો આયુ 400% સુધી લાંબો હોય છે, જેથી દર કટિંગ કલાકે 28–35% ની બચત થાય છે. 47 ઉત્પાદન સુવિધાઓ પર 2025માં કરવામાં આવેલા અભ્યાસમાં જણાવાયું છે કે રોકાણ પર આવકાર મળવામાં સામાન્ય રીતે 8–14 મહિનાનો સમય લાગે છે. ચોકસાઈ અને ઉષ્ણતા સહનશીલતા બંનેની માંગ ધરાવતા ઉદ્યોગોમાં ટેકનિકલ સિરામિક્સ અનિવાર્ય બની ગયા છે.
4kW કરતાં વધુની સિસ્ટમોમાં, લેસર ઉર્જાનો અવશેષ અને પિગળેલ સામગ્રી નોઝલ પર ઉષ્ણતા ટ્રાન્સફર કરે છે, જેથી તાપમાન 1,200°C ને પાર કરી શકે છે. જો તેનું નિયંત્રણ ન કરવામાં આવે, તો તે વિકૃતિ, ઘસારો અને અસ્થિર વાયુ પ્રવાહ તરફ દોરી જાય છે. ચાલુ કામગીરી દરમિયાન નોઝલનું આયુષ્ય ઊંચા તાપમાનને કારણે 70% સુધી ઘટી શકે છે, જે અસરકારક ઉષ્ણતા સંચાલનની જરૂરિયાત પર ભાર મૂકે છે.
તેમની થર્મલ ઊર્જાનું વહન કરવાની અંતર્ગત ક્ષમતાને કારણે સેરામિક નોઝલ્સ પ્રાકૃતિક રીતે ઉષ્ણતા ગુમાવે છે, જે તેમના બનાવટના પદાર્થ પર આધારિત હોય છે અને તે મીટર કેલ્વિન દીઠ 3 થી લગભગ 120 W ની વચ્ચે હોય છે. ઉદાહરણ તરીકે, ઝિરકોનિયા જુઓ, તે નોઝલના ટીપ પર ખરેખરી કામગીરી થતી જગ્યાએથી ગરમ સ્થળોને દૂર ખસેડે છે, જે કોઈપણ પ્રકારની ફોર્સ્ડ કૂલિંગ સિસ્ટમની જરૂર વગર થાય છે. આનો અર્થ એ થાય છે કે લાંબા સમય સુધી ચાલ્યા પછી પણ લેસર યોગ્ય રીતે ફોકસમાં રહે છે, અને ઉત્પાદકોને ઉત્પાદન લાઇન્સમાં જગ્યા લેતા અને ખર્ચમાં વધારો કરતા બલ્કી બાહ્ય કૂલિંગ ઉપકરણો પર આટલો આધાર રાખવાની જરૂર પડતી નથી.
6kW ફાઇબર લેસરમાં સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ (Si₃N₄) અને તાંબાના નોઝલ્સની સરખામણી કરતો 2023 નો પ્રયોગ ધારાશિ સુધારાઓ બતાવ્યા:
આ લાભોએ દૈનિક ઉત્પાદક કટિંગ કલાકોમાં 19% વધારો કરવાને સક્ષમ બનાવ્યા, જે ઉચ્ચ-પાવર ગોઠવણીમાં ઉષ્માના સંચાલનમાં સિલિકોન નાઇટ્રાઇડની અસરકારકતાની પુષ્ટિ કરે છે.
સેરામિક સામગ્રીની પસંદગી ખરેખર તે લેસર પાવર ઘનતા પર આધારિત છે, જેને વોટ્સ પ્રતિ ચોરસ મિલિમીટરમાં માપવામાં આવે છે. 3 કિલોવોટ કરતાં ઓછી પાવર એપ્લિકેશન્સ માટે, નિયમિત એલ્યુમિના જેની થર્મલ વાહકતા લગભગ 35 W/mK છે, તે બરાબર કામ કરે છે. પરંતુ જ્યારે પાવર 6 થી 10 kW ની રેન્જમાં જાય છે, ત્યારે આપણને સિસ્ટમમાંથી ઉષ્ણતાને દૂર કરવામાં વધુ સારી કામગીરી કરતી સામગ્રીની જરૂર હોય છે. તેનો અર્થ છે કે સિલિકોન કાર્બાઇડ (જેની વાહકતા લગભગ 120 W/mK છે) અથવા સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ (લગભગ 85 W/mK) જેવી વિકલ્પો પસંદ કરવા. આ યોગ્ય મેચ કરવાથી મોટો ફરક પડે છે. તે સંપૂર્ણ સેટઅપને ઓવરહીટિંગથી અટકાવે છે અને પોઝિશનિંગ ભૂલોને નિયંત્રણમાં રાખે છે, ગુણવત્તાયુક્ત 0.01mm ટોલરન્સ ઝોનમાં રહે છે, લાંબા સમય સુધી પૂર્ણ ક્ષમતા સાથે ચલાવવામાં આવે તો પણ.
નોઝલના આકારની વાયુના પ્રવાહમાં અને કાપવામાં ગુણવત્તા પર મોટી ભૂમિકા હોય છે. ધારાને સંકુચિત કરતા નોઝલની ડિઝાઇન સામાન્ય બેસિન આકારના નોઝલની તુલનાએ વધુ સરળ ધાર ઉત્પન્ન કરે છે, ક્યારેક પરિણામોમાં લગભગ 40% સુધીનો સુધારો કરે છે. 2024માં X-રે ઇમેજિંગનો ઉપયોગ કરીને થયેલા તાજેતરના સંશોધનમાં ગળાના ખૂણા વિશે રસપ્રદ માહિતી મળી હતી. જ્યારે આ ખૂણા 60 થી 75 ડિગ્રીની વચ્ચે હોય છે, ત્યારે 15 થી 20 મીટર પ્રતિ સેકન્ડની ઝડપે પ્રવાહિત થતા વાયુ પ્રવાહમાં ઘણી ઓછી ટર્બ્યુલન્સ જોવા મળે છે. આનાથી કર્ફ પહોળાઈમાં ઘણી સારી સુસંગતતા મળે છે, સામાન્ય રીતે 5 મીમી જાડા એલ્યુમિનિયમ મિશ્રધાતુઓ માટે ± 0.1 મીમીની અંદર. સમાક્ષીય ગોઠવણી યોગ્ય રીતે કરવી પણ મહત્વપૂર્ણ છે. જો ઘટકોને માત્ર 0.05 મીમીની સહનશીલતાની અંદર ગોઠવવામાં આવે, તો દબાણની અસંતુલનતા અટકી જાય છે, જે અન્યથા 30 થી 50 માઇક્રોમીટરના કંટાળાજનક ધાર ખામીઓ ઉત્પન્ન કરે છે.
કો-એક્ષિયલ ગોઠવણીને બરાબર મેળવવાથી ખાતરી થાય છે કે સહાયક વાયુ 12 મીટર પ્રતિ સેકન્ડથી વધુની ઝડપે પીગળેલ ધાતુને દૂર કરી શકે છે, જેથી તે નાજુક ઑપ્ટિકલ ભાગોને નુકસાન ન પહોંચાડે. જ્યારે ગોઠવણીમાં થોડો પણ ફેરફાર થાય, ઉદાહરણ તરીકે 0.2 મિલિમીટરથી વધુ હોય, ત્યારે 10 મિમી મૃદુ સ્ટીલની શીટમાં ડ્રોસ રચનામાં લગભગ 70% ઊંચો અચાનક વધારો જોવા મળે છે. શ્રેષ્ઠ પરિણામો મેળવવા માટે, ઓરિફિસના કદ સાથે સ્ટેન્ડઑફ અંતરને જાળવવાથી એક સારો ટાંકી જેટ પ્રવાહ બને છે. આ પદ્ધતિ તાંબાના મિશ્રધાતુઓ સાથે કામ કરતી વખતે ઉષ્ણતાથી પ્રભાવિત વિસ્તારોમાં લગભગ 25% ઘટાડો કરે છે, જે ઘણા ઔદ્યોગિક ઉપયોગો માટે મહત્વપૂર્ણ છે જ્યાં સામગ્રીની અખંડિતતા સૌથી વધુ મહત્વની હોય છે.
આધુનિક સીએફડી સિમ્યુલેશન 0.01 મિમી રિઝોલ્યુશન પર ગેસ-કણ આંતરક્રિયાનું મોડેલિંગ 93% ચોકસાઈ સાથે પૂરું પાડે છે. આવા સાધનોએ 6 kW સિસ્ટમમાં 1–3 મિમી સ્ટેનલેસ સ્ટીલની શીટની પ્રક્રિયા દરમિયાન નાઇટ્રોજનની વપરાશમાં 18–22% ઘટાડો લાવવા માટે નોઝલ વિચલન ખૂણાને 8–12° સુધી સુધાર્યો છે.
નવા પ્રોટોટાઇપમાં 1.5mm થી 4.0mm સુધી ડાયનેમિક રીતે એડજસ્ટ થઈ શકતા વૉઇસ-કૉઇલ એક્ટ્યુએટેડ એપર્ચરનો સમાવેશ થાય છે, જે એક જ નોઝલને 0.5mm થી 25mm સુધીની સામગ્રી સંભાળવાની મંજૂરી આપે છે. ફીલ્ડ ટેસ્ટ દર્શાવે છે કે આ એડેપ્ટિવ નોઝલ મિશ્ર જાડાઈના ઉત્પાદન ચક્રોમાં પિયર્સિંગ સમય 45% ઘટાડે છે અને સહાયક ગેસનો વ્યય 30% સુધી ઘટાડે છે.
જ્યારે લેસર બીમ કૉપર અથવા એલ્યુમિનિયમ જેવી ઊંચી રિફ્લેક્ટિવ ધાતુઓ પરથી પરાવર્તિત થાય છે ત્યારે બેક-રિફ્લેક્શન થાય છે, જે બીમ એનર્જીના સુધીના 15% સંવેદનશીલ ઑપ્ટિક્સ તરફ ફરીથી મોકલે છે. આનાથી ફોકસ લેન્સ, સેન્સર્સ અને લેસર સોર્સને ગંભીર જોખમ ઊભું થાય છે, ખાસ કરીને 6 kW કરતાં વધુની સિસ્ટમ્સમાં.
સિરામિક નોઝલ ત્રણ મિકેનિઝમ દ્વારા બેક રિફ્લેક્શનને ઘટાડવામાં મદદ કરે છે:
2023 માં 12 ઓટોમોટિવ ઉત્પાદકો પર કરવામાં આવેલા અભ્યાસમાં જણાવાયું હતું કે સિલિકોન કાર્બાઇડ નોઝલે બ્રાસ સરખામણીએ 40% અનિયોજિત જાળવણી ઘટાડી. 8 kW લેસરનો ઉપયોગ એલ્યુમિનિયમ ચેસિસ ભાગો માટે કરતી એક સુવિધાએ સેરામિક નોઝલ પર સ્વિચ કર્યા પછી ફોકસ લેન્સની જગ્યાએ 63% નો ઘટાડો નોંધાવ્યો, જેનાથી ઑપ્ટિક્સના ખર્ચમાં દર વર્ષે $18,000 ની બચત થઈ.
ઉન્નત નોઝલ હવે એલ્યુમિના કોરને નેનોસ્ટ્રક્ચર્ડ પ્રતિબિંબન-પ્રતિરોધક (AR) કોટિંગ સાથે જોડે છે. આ ડ્યુઅલ-લેયર અભિગમ 99.2% બીમ ટ્રાન્સમિશન પ્રાપ્ત કરે છે અને પાછા પ્રતિબિંબનને 0.5% કરતાં ઓછામાં ઘટાડે છે, જે લાંબા ગાળાના કટિંગ પરીક્ષણોમાં કોટિંગ વગરના સિરામિક કરતાં 34% વધુ કાર્યક્ષમતા દર્શાવે છે. AR કોટિંગ સ્લેગ બિલ્ડ-અપને પણ અવરોધે છે, 300+ ઑપરેશનલ કલાક સુધી રક્ષણ જાળવી રાખે છે.
સિરામિક નોઝલ ઉત્તમ ઉષ્ણતા પ્રતિરોધકતા પૂરી પાડે છે, વધુ સારી બીમ ગોઠવણી જાળવે છે અને સ્લેગ બિલ્ડ-અપ ઘટાડે છે, જેથી કટિંગની ચોકસાઈ અને ઝડપ વધે છે. તેઓ મેટલ નોઝલ કરતાં લાંબો સમય ચાલે છે અને ઓછી સંખ્યામાં બદલાવની જરૂરિયાત હોય છે.
કદ અને આકાર સહિતની લેસર નોઝલની ડિઝાઇન કટિંગની ઝડપ અને કાર્યક્ષમતાને અસર કરે છે, જે કેટલી ઊર્જાની જરૂર છે અને કટની ગુણવત્તાને પ્રભાવિત કરે છે. ઑપ્ટિમાઇઝ ડિઝાઇન ગેસ ટર્બ્યુલન્સને નોંધપાત્ર રીતે ઘટાડી શકે છે અને ચોકસાઈમાં સુધારો કરી શકે છે.
સિરામિક્સ ઉત્તમ ઉષ્ણતા પ્રતિકાર પૂરી પાડે છે, ઊંચા તાપમાને પરિમાણીય સ્થિરતા જાળવે છે અને ઘસારા અને ઑક્સિડેશનનો પ્રતિકાર કરે છે, જે તેમને ધાતુ વિકલ્પોની તુલનાએ હાઇ-પાવર લેસર ઑપરેશનમાં વધુ ટકાઉ અને અસરકારક બનાવે છે.
ઑક્સિજન અને નાઇટ્રોજન જેવા સહાયક વાયુનો ઉપયોગ પિગળેલ સામગ્રીને દૂર કરવા અને સ્લેગ ઘટાડવા માટે થાય છે, જેથી કટિંગની ગુણવત્તા વધે છે. સિરામિક નોઝલ અસરકારક સમાંતર ગોઠવણી ખાતરી આપે છે, ઉષ્ણતા સ્થિરતા જાળવે છે અને બ્લોકેજનો પ્રતિકાર કરે છે, જેથી સહાયક વાયુની અસરકારકતા વધે છે.
EN
