उद्योगप्रकल्पांमध्ये लेसर सिरॅमिक नोझल्सची दोन मुख्य उद्दिष्टे असतात. प्रथम, ते लेसर किरण आवश्यक तेथे अचूकपणे पोहोचवण्यास मदत करतात. दुसरे म्हणजे, हे नोझल्स कटिंग ऑपरेशन्स दरम्यान ऑक्सिजन किंवा नायट्रोजन सारख्या सहाय्यक वायूंच्या प्रवाहाचे नियमन करतात. सिरॅमिक नोझल्सच्या संकेंद्रित आकारामुळे कटिंग क्षेत्रातून वितळलेली सामग्री फुंकून बाहेर काढताना लेसर किरण कामगारावर घनिष्ठपणे केंद्रित राहतो. पारंपारिक धातू पर्यायांच्या तुलनेत, लेसर कटिंग प्रक्रियेमध्ये सामान्यतः आढळणाऱ्या अत्यंत तापमानाला उघडे असताना सिरॅमिक सामग्री उष्णतेमुळे होणाऱ्या नुकसान आणि ऑक्सिडेशनला खूप चांगल्या प्रकारे तोंड देतात. याचा अर्थ असा की लेसर वेळीच योग्यरित्या रेषेत राहतो आणि मार्गभ्रष्ट होत नाही. सिरॅमिक नोझल्स कट्सभोवती जमा होणाऱ्या स्लॅगच्या प्रमाणात कमी करतात आणि यंत्रातील वरच्या स्तरावरील संवेदनशील ऑप्टिकल घटकांचे संरक्षण करतात. अनेक उत्पादन फर्मांनी केलेल्या अलीकडील फील्ड चाचण्यांनुसार, सुधारित नोझल डिझाइनमध्ये गुंतवणूक करणाऱ्या कंपन्यांना विविध प्रकारच्या सामग्रीवर कटिंग अचूकता आणि उत्पादन गती या दोन्हीमध्ये लक्षणीय सुधारणा दिसून आली.
नोझल्सचे आकार आणि आकारमान यांचा प्रक्रियेदरम्यान साहित्य किती वेगाने कट करते आणि किती ऊर्जा वापरली जाते यावर मोठा परिणाम होतो. जेव्हा आपण 0.8 ते 1.2 मिलीमीटर दरम्यानच्या छोट्या छिद्रांकडे पाहतो, तेव्हा त्यामुळे वायूचे वेगवान प्रवाह निर्माण होतो जे पातळ शीट्समध्ये वेगवान आणि स्वच्छ कटिंगसाठी उत्तम कार्य करते. दुसरीकडे, 2 ते 3 मिमी इतकी मोठी छिद्रे जाड धातूच्या प्लेट्सशी व्यवहार करताना दबाव पातळी आणि वायूचे आकारमान यांचे चांगले नियंत्रण करतात. काही अभ्यासांमध्ये असे दिसून आले आहे की चांगल्या नोझल डिझाइनमुळे वायूच्या अस्थिरतेत जवळजवळ तीस टक्के कपात होऊ शकते, ज्यामुळे कमी विद्युत ऊर्जेची गरज भासते आणि तरीही 0.1 मिमी अचूकतेपर्यंत चांगले परिणाम मिळतात. सेरॅमिक नोझल्सची कामगिरी चांगली असते कारण त्यांच्या आतील पृष्ठभाग निर्बाध असतात, त्यामुळे वायू त्यांच्यातून जाताना कमी विरोध निर्माण होतो. यामुळे 6 किलोवॅट्सपेक्षा जास्त शक्तीपर्यंत लेझर पोहोचले तरीही स्थिर कार्य टिकवून ठेवण्यास मदत होते आणि त्यामुळे या घटकांचे आयुष्य वाढते आणि त्यांची बदलण्याची गरज कमी वेळात भासत नाही.
सिरॅमिक नोझल्स तीन महत्त्वाच्या गुणधर्मांद्वारे सहाय्यक वायूच्या प्रभावावर सुधारणा करतात:
गणना द्रव गतिशास्त्र (CFD) सिम्युलेशन्स दाखवतात की स्टील प्रकारांपेक्षा सिरॅमिक नोझल्स कटिंग फ्रंटवर 15% जास्त वायू घनता प्रदान करतात, ज्यामुळे उच्च गतीच्या अनुप्रयोगांमध्ये स्वच्छ धार आणि सुधारित प्रदर्शन मिळते.
उच्च-पॉवर लेझर नोझल्समध्ये चार उन्नत सिरॅमिक्स प्रभावशाली आहेत:
| साहित्य | उष्णता वाहकता (W/MK) | कमाल कार्यरत तापमान (°C) | मुख्य फायदा |
|---|---|---|---|
| झिर्कोनिया | 2-3 | 2,300 | कमी उष्णता विस्तार |
| एल्यूमिना | 30 | 1,750 | विद्युत इन्सुलेशन |
| सिलिकॉन नायट्राइड | 15-30 | 1,400 | तापीय शॉक प्रतिरोध |
| सिलिकॉन कार्बाईड | 120 | 1,650 | अत्यंत उष्णता विखुरणे |
सिलिकॉन कार्बाइड 15kW पेक्षा जास्त असलेल्या सिस्टममध्ये प्राधान्याने वापरला जातो, कारण त्याची उष्णता वाहून नेण्याची क्षमता—अॅल्युमिनाच्या तिप्पट—सतत कार्य करताना उष्णता प्रभावीपणे पसरवण्यास अनुमती देते.
सिरॅमिक्स 2,000°C वर आकाराची स्थिरता राखतात—तांब्याच्या नोझल्सपेक्षा 300% चांगले—जे प्लास्टिक विकृतीला रोखणाऱ्या मजबूत सहसंयोजक बंधनांमुळे होते. 500 उष्णता चक्रांचे (25°C – 1,200°C) अनुकरण करणाऱ्या ताण परीक्षणांमध्ये, झिरकोनिया नोझल्स केवळ 0.02mm वाकले, तर स्टीलमध्ये 1.7mm वाकण झाले, ज्यामुळे उष्णता धक्क्यांना असलेली अतुलनीय आघाडी दर्शवली गेली.
विशेषतः त्यांच्या उच्च विकर्स हार्डनेस रेटिंग्जमुळे सेरॅमिक नोझल्सची टिकाऊपणाच्या बाबतीत काही महत्त्वाचे फायदे आहेत. अॅल्युमिनाची हार्डनेस सुमारे 1,600 HV इतकी असते, तर सिलिकॉन कार्बाइडची हार्डनेस सुमारे 2,500 HV इतकी असते, ज्यामुळे या सामग्रीची घर्षणाविरुद्ध चांगली लढाई देण्याची क्षमता आहे हे स्पष्ट होते. वास्तविक जगातील चाचण्यांमध्ये दिसून आले आहे की सामान्य धातूच्या नोझल्सच्या तुलनेत (ज्यांचा आयुर्मान 1,000 ते 3,000 तासांपर्यंत असतो) सेरॅमिक नोझल्स सामान्यत: 5,000 ते 15,000 तासांपर्यंत टिकतात. याचा अर्थ असा की केवळ तीन वर्षांतच कंपन्या बदलण्याच्या खर्चात अंदाजे 87% बचत करू शकतात, तसेच उत्पादन बंदपणात सुमारे 62% ने लक्षणीय घट होते. एक मोठा फायदा म्हणजे सेरॅमिक्सची ऑक्सिडेशनला असलेली प्रतिकारशक्ती. ऑक्सिजन-सहाय्यित कटिंग प्रक्रियेदरम्यान हे विशेषतः महत्त्वाचे ठरते, जेव्हा बहुतेक धातूची घटक फक्त थोड्या वेळासाठी उघडे राहिल्यानंतर त्वरित नाश पावतात.
सिरॅमिक नोझल्सची सुरुवातीची किंमत 3 ते 5 पट जास्त असली, तरी त्यांचा आयुर्मान 400% पर्यंत जास्त असतो, ज्यामुळे प्रति कटिंग तास 28 ते 35% बचत होते. 47 उत्पादन सुविधांवर 2025 मध्ये केलेल्या अभ्यासात आढळून आले की गुंतवणुकीचे परतावे सामान्यत: 8 ते 14 महिन्यांत मिळतात. अचूकता आणि उष्णता सहनशीलता दोन्ही आवश्यक असलेल्या उच्च मागणीच्या क्षेत्रांमध्ये तांत्रिक सिरॅमिक्स अपरिहार्य झाले आहेत.
4kW पेक्षा जास्त चालणाऱ्या सिस्टममध्ये, शिल्लक लेझर ऊर्जा आणि वितळलेली सामग्री नोझलला उष्णता हस्तांतरित करतात, ज्यामुळे तापमान 1,200°C पेक्षा जास्त होऊ शकते. नियंत्रणाशिवाय, यामुळे विकृती, घसरण आणि अस्थिर वायू प्रवाह होतो. अखंड कार्यादरम्यान अतितापामुळे नोझलचे आयुर्मान 70% पर्यंत कमी होऊ शकते, ज्यामुळे प्रभावी उष्णता व्यवस्थापनाची गरज ओळखली जाते.
त्यांच्या उष्णता ऊर्जा वाहून नेण्याच्या अंतर्निहित क्षमतेमुळे सिरॅमिक नोझल्स स्वाभाविकपणे उष्णता गमावतात, जी त्यांच्या बनावटीवर अवलंबून खूप बदलते, प्रति मीटर केल्विनला 3 ते जवळजवळ 120 W पर्यंत. उदाहरणार्थ, झिरकोनिया, हे विविध दिशांमध्ये उष्णता असमानरित्या पसरवते, मूलत: नोझलच्या टोकावर खरे काम होते त्या ठिकाणापासून उष्ण ठिकाणी दूर ढकलते, ज्यासाठी कोणत्याही प्रकारच्या जबरदस्त थंडगार प्रणालीची आवश्यकता नसते. याचा व्यवहारात असा अर्थ होतो की लेसर लांब काळ चालल्यानंतरही योग्यरित्या केंद्रित राहतो, आणि उत्पादकांना उत्पादन ओळींवर जागा घेणाऱ्या आणि खर्च वाढवणाऱ्या बल्की बाह्य थंडगार यंत्रांवर इतका अवलंबून राहावे लागत नाही.
6kW फायबर लेसरमध्ये सिलिकॉन नायट्राइड (Si₃N₄) ची तुलना तांब्याच्या नोझल्सशी करणाऱ्या 2023 च्या चाचणीत मोठ्या प्रमाणात सुधारणा दिसून आली:
ह्या गैन्समुळे दररोज उत्पादक कटिंग तासांमध्ये 19% वाढ शक्य झाली, ज्यामुळे उच्च-पॉवर सेटअपमध्ये उष्णता व्यवस्थापनासाठी सिलिकॉन नाइट्राइडची प्रभावीपणा पुष्टी होते.
सेरामिक सामग्रीच्या निवडीचा खरा अर्थ इथे आपण मिलीमीटरच्या चौरसात किती लेझर पॉवर घनता हाताळत आहोत ह्यावर अवलंबून असतो, ज्याचे मोजमाप वॅटमध्ये असते. 3 किलोवॅटपेक्षा कमी पॉवरसाठी, ज्याची उष्णता वाहकता सुमारे 35 W/mK आहे, त्या सामान्य अल्युमिनासारख्या सामग्रीने पुरेशी तरतूद होते. परंतु जेव्हा पॉवर 6 ते 10 kW पर्यंत वाढते, तेव्हा आपल्याला प्रणालीपासून उष्णता दूर करण्यासाठी चांगली सामग्री आवश्यक असते. याचा अर्थ आपण सिलिकॉन कार्बाइड (ज्याची वाहकता सुमारे 120 W/mK आहे) किंवा सिलिकॉन नायट्राइड (सुमारे 85 W/mK) यासारख्या पर्यायांचा वापर करावा लागतो. ही योग्य जुळणी करणे फरक निर्माण करते. यामुळे संपूर्ण सेटअप अतितापापासून बचावला जातो आणि स्थान निश्चितीत चुका नियंत्रित ठेवल्या जातात, जास्त काळ लागोपाठ पूर्ण क्षमतेने चालू असतानाही ती 0.01mm च्या महत्त्वाच्या सहनशीलता क्षेत्रात राहतात.
नोझल्सचे आकार कसे गॅस प्रवाहित होतात यावर आणि 40% इतक्या परिणामांमध्ये सुधारणा करण्यासारख्या कट्सच्या गुणवत्तेवर महत्त्वाची भूमिका बजावतात. अभिसरण नोझल डिझाइन्स सामान्य बेलनाकृती नोझल्सच्या तुलनेत जास्त चिकट धार तयार करतात, कधीकधी परिणामांमध्ये सुमारे 40% सुधारणा होते. 2024 मध्ये एक्स-रे इमेजिंगचा वापर करून केलेल्या अलीकडच्या संशोधनात घस्तर कोनांबद्दल एक आकर्षक गोष्ट दिसून आली. जेव्हा हे कोन 60 ते 75 अंशांच्या दरम्यान असतात, तेव्हा 15 ते 20 मीटर प्रति सेकंद वेगाने प्रवाहित होणाऱ्या गॅस प्रवाहात खूप कमी अस्थिरता असते. यामुळे 5 मिमी जाड अॅल्युमिनियम संरचनांसाठी सामान्यत: प्लस किंवा माइनस 0.1 मिमी इतक्या कर्फ रुंदीमध्ये खूप चांगली सातत्यता मिळते. सम-अक्षीय संरेखन योग्यरितीने मिळवणे देखील महत्त्वाचे आहे. जर घटक 0.05 मिमी चुकीच्या मर्यादेत असल्यास, ते दाबाच्या असंतुलनास रोखते ज्यामुळे 30 ते 50 माइक्रोमीटर मोजमापाचे त्रासदायक धार दोष निर्माण होतात.
कोएक्सियल असंरेखण बरोबर मिळवणे सुनिश्चित करते की सहाय्यक वायू 12 मीटर प्रति सेकंदापेक्षा जास्त वेगाने वितळलेल्या धातूला फेकून देऊ शकतो, ज्यामुळे नाजूक ऑप्टिकल भागांचे नुकसान होत नाही. जेव्हा अगदी थोडे असंरेखित होते, उदाहरणार्थ 0.2 मिलीमीटरपेक्षा जास्त बाजूला झुकले, तेव्हा 10 मिमी मृदु स्टीलच्या पत्र्यामध्ये ड्रॉस निर्मितीत सुमारे 70% ने वाढ होते. सर्वोत्तम परिणामासाठी, ओरिफाइसच्या आकाराशी स्टँडऑफ अंतर जुळवल्याने एक चांगली घनिष्ठ जेट स्ट्रीम तयार होते. तांब्याच्या मिश्रधातूंसह काम करताना या पद्धतीमुळे उष्णता प्रभावित क्षेत्रात सुमारे 25% ची कपात होते, जे सामग्रीच्या अखंडतेवर अवलंबून असलेल्या अनेक औद्योगिक अनुप्रयोगांसाठी खूप महत्त्वाचे आहे.
आधुनिक सीएफडी सिम्युलेशन्स 0.01 मिमी रिझोल्यूशनवर गॅस-कण अंत:क्रियांचे मॉडेलिंग 93% अचूकतेने साध्य करतात. या साधनांनी नोझल विचलन कोन 8–12° पर्यंत सुधारले आहेत, ज्यामुळे 6 केडब्ल्यू प्रणालींमध्ये 1–3 मिमी स्टेनलेस स्टीलच्या पत्र्याच्या प्रक्रियेदरम्यान नायट्रोजनचा वापर 18–22% ने कमी झाला आहे.
नवीन प्रोटोटाइपमध्ये व्हॉइस-कॉइल चालित अपर्चरचा समावेश आहे, जे गतिशीलपणे 1.5mm ते 4.0mm पर्यंत समायोजित होतात, ज्यामुळे एकाच नोझलद्वारे 0.5mm ते 25mm पर्यंतच्या सामग्रीची प्रक्रिया करता येते. मैदानी चाचण्यांमध्ये दिसून आले आहे की ही अॅडॅप्टिव्ह नोझल्स मिश्र जाडीच्या उत्पादन चालू असताना पिअरसिंग वेळ 45% ने कमी करतात आणि सहाय्यक गॅसाचा वाया 30% ने कमी करतात.
मागील प्रतिबिंब तेव्हा होते जेव्हा लेझर किरण तांबे किंवा अॅल्युमिनियम सारख्या अत्यंत प्रतिबिंबित धातूंवरून परावर्तित होतात आणि किरणाच्या ऊर्जेचा 15% पर्यंतचा भाग संवेदनशील ऑप्टिक्सकडे पुन्हा वळवला जातो. यामुळे फोकस लेन्स, सेन्सर आणि लेझर स्रोताला गंभीर धोका निर्माण होतो, विशेषतः 6 kW पेक्षा जास्त असलेल्या सिस्टममध्ये.
सिरॅमिक नोझल्स मागील प्रतिबिंब कमी करण्यासाठी तीन यंत्रणांद्वारे मदत करतात:
2023 मध्ये 12 ऑटोमोटिव्ह उत्पादकांवर केलेल्या अभ्यासात सिलिकॉन कार्बाइड नॉझल्समुळे तांब्याच्या तुलनेत 40% इतकी अनियोजित दुरुस्ती कमी झाल्याचे आढळून आले. 8 kW लेझरचा वापर अॅल्युमिनियम चॅसिस भागांसाठी करणाऱ्या एका सुविधेने सेरॅमिक नॉझल्सवर स्विच केल्यानंतर फोकस लेन्सच्या 63% बदलात घट झाल्याचे नमूद केले, ज्यामुळे ऑप्टिक्सच्या खर्चात दरवर्षी 18,000 डॉलर्सची बचत झाली.
अॅडव्हान्स्ड नोझल्स आता अॅल्युमिना कोरसह नॅनोस्ट्रक्चर्ड प्रतिबिंब-प्रतिरोधक (AR) कोटिंग्जचे संयोजन करतात. ही दुहेरी-थर पद्धत 99.2% बीम ट्रान्समिशन साध्य करते आणि मागील प्रतिबिंब 0.5% पेक्षा कमी ठेवते, ज्यामुळे लांब पल्ल्याच्या कटिंग चाचण्यांमध्ये अल्पसंख्यांक सिरॅमिक्सच्या तुलनेत 34% चढाओढ होते. AR कोटिंग लावणीच्या निर्मितीलाही प्रतिरोध करते, 300+ कार्यात्मक तासांपर्यंत संरक्षण टिकवून ठेवते.
सिरॅमिक नोझल्स उत्कृष्ट उष्णता प्रतिरोधकता प्रदान करतात, चांगली बीम अलाइनमेंट टिकवून ठेवतात आणि लावणीच्या निर्मिती कमी करतात, ज्यामुळे कटिंगची अचूकता आणि वेग वाढतो. त्यांचा आयुष्यमान देखील जास्त असतो आणि धातूच्या नोझल्सच्या तुलनेत कमी बदलाची आवश्यकता असते.
आकार आणि आकारमानासह लेझर नोझलच्या डिझाइनचा कटिंगचा वेग आणि कार्यक्षमता यावर प्रभाव पडतो, ज्यामुळे ऊर्जेची आवश्यकता आणि कटची गुणवत्ता प्रभावित होते. ऑप्टिमाइझ केलेल्या डिझाइनमुळे गॅस टर्ब्युलन्स कमी होऊ शकते आणि अचूकता सुधारली जाऊ शकते.
सेरॅमिक्स उत्तम उष्णता प्रतिरोधकता प्रदान करतात, उच्च तापमानावर आकारमान स्थिरता राखतात आणि घिसणे आणि ऑक्सिडेशन यांना प्रतिकार करतात, ज्यामुळे उच्च-शक्तीच्या लेझर ऑपरेशन्समध्ये धातू पर्यायांच्या तुलनेत ते अधिक टिकाऊ आणि प्रभावी बनतात.
ऑक्सिजन आणि नायट्रोजन सारख्या सहाय्यक वायूंचा वापर मऊ पडलेले सामग्री बाहेर फेकण्यासाठी आणि गाळ कमी करण्यासाठी केला जातो, ज्यामुळे कटची गुणवत्ता सुधारते. सेरॅमिक नोझल्स प्रभावी अक्षीय आंतरिक्ष राखतात, उष्णता स्थिरता राखतात आणि गुंतणे टाळतात, ज्यामुळे सहाय्यक वायूंची प्रभावीता वाढते.
EN
