หลักการออกแบบของการตัดด้วยเลเซอร์เป็นกรอบกระบวนการที่เป็นระบบซึ่งสร้างขึ้นจากจุดตัดของทัศนศาสตร์ อุณหพลศาสตร์ และวัสดุศาสตร์ แกนหลักของมันคือการกำจัดและการปรับรูปร่างของวัสดุอย่างแม่นยำผ่านการโต้ตอบของลำแสงเลเซอร์ความหนาแน่น-พลังงานสูง-ที่ควบคุมได้กับวัสดุ การนำหลักการนี้ไปใช้จำเป็นต้องพิจารณาสามมิติ ได้แก่ การสร้างและการส่งผ่านเลเซอร์ กลไกปฏิสัมพันธ์ของพลังงาน และการจับคู่พารามิเตอร์ของกระบวนการ ทำให้เกิดห่วงโซ่ตรรกะที่สมบูรณ์ตั้งแต่ "แหล่งพลังงาน" ไปจนถึง "ผลการประมวลผล"
การสร้างเลเซอร์เป็นจุดเริ่มต้นของการออกแบบ ในการใช้งานทางอุตสาหกรรมในปัจจุบัน เลเซอร์ไฟเบอร์ เลเซอร์ CO₂ และเลเซอร์โซลิด-มีลักษณะลำแสงที่แตกต่างกันเนื่องจากความแตกต่างในตัวกลางเกนและวิธีการกระตุ้น: เลเซอร์ไฟเบอร์ใช้ไฟเบอร์ออปติกที่เจือด้วยดิน-ดิน-ที่หายากเป็นตัวกลางที่ได้รับและบรรลุประสิทธิภาพการแปลงออปติกไฟฟ้า-สูง (สูงถึง 30% หรือมากกว่า) ผ่านการปั๊มเซมิคอนดักเตอร์ ส่งสัญญาณเอาต์พุตแบบต่อเนื่องหรือแบบพัลซ์ในอินฟราเรดใกล้- ย่านความถี่ (ประมาณ 1070 นาโนเมตร) พร้อมข้อดี เช่น คุณภาพลำแสงที่ยอดเยี่ยม (M² ใกล้ 1) โครงสร้างที่กะทัดรัด และการทำงาน-โดยไม่ต้องบำรุงรักษา เลเซอร์ CO₂ ใช้ส่วนผสมของก๊าซ CO₂ เป็นตัวกลางที่ได้รับและสร้างลำแสงอินฟราเรดไกล- (10.6μm) ผ่านการกระตุ้นการปล่อยประจุ แม้ว่าประสิทธิภาพทางแสงไฟฟ้า-จะค่อนข้างต่ำ (ประมาณ 10%) แต่อัตราการดูดซับสำหรับวัสดุที่ไม่ใช่-โลหะและแผ่นโลหะหนาจะสูงกว่า เลเซอร์โซลิด-สถานะ (เช่น Nd:YAG) ใช้คริสตัลเป็นสื่อกลางในการขยายและสามารถสร้างเลเซอร์พัลส์-พัลส์สั้นหรือสั้นเกิน- เหมาะสำหรับสถานการณ์การตัดเฉือนระดับไมโคร- การเลือกเลเซอร์ต้องขึ้นอยู่กับการพิจารณาอย่างครอบคลุมถึงคุณลักษณะการดูดกลืนแสงของวัสดุสำหรับความยาวคลื่น (เช่น ทองแดงและอลูมิเนียมมีการสะท้อนแสงสูงถึงเลเซอร์CO₂ 10.6μm ทำให้เหมาะสำหรับเลเซอร์ไฟเบอร์) ความหนาในการประมวลผลที่ต้องการ และความแม่นยำ นี่คือรูปแบบหลักของหลักการ "ความสามารถในการปรับตัวจากแหล่งพลังงาน" ในการออกแบบ
การส่งผ่านและการโฟกัสด้วยเลเซอร์มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการส่งพลังงานที่แม่นยำ ลำแสงที่ส่งออกจากช่องเรโซแนนซ์ของเลเซอร์จะต้องถูกส่งไปยังหัวประมวลผลผ่านองค์ประกอบทางแสง เช่น กระจกปรับแนวและกระจกสะท้อนแสง จากนั้น กระจกปรับโฟกัส (โดยปกติจะเป็นเลนส์นูน) จะรวมลำแสงที่แยกออกมาเป็นจุดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางตั้งแต่สิบถึงร้อยไมโครเมตร ความสัมพันธ์ระหว่างเส้นผ่านศูนย์กลางลำแสง (d) ความยาวโฟกัส (f) และเส้นผ่านศูนย์กลางลำแสงตกกระทบ (D) เป็นไปตามสูตรการถ่ายภาพของเลนส์ (dµf·θ โดยที่ θ คือมุมที่แตกต่างของลำแสง) ซึ่งกำหนดความหนาแน่นของพลังงานโดยตรง (E=P/(πd²/4) โดยที่ P คือกำลังเลเซอร์)-ยิ่งขนาดลำแสงเล็กลง ความหนาแน่นของพลังงานก็จะยิ่งสูงขึ้น และยิ่งทำให้การตัดที่มีความแม่นยำสูง-ทำได้ง่ายขึ้น การออกแบบจำเป็นต้องเลือกทางยาวโฟกัสตามพื้นที่การประมวลผลและความต้องการความแม่นยำ (ทางยาวโฟกัสสั้นส่งผลให้จุดโฟกัสเล็กแต่มีระยะโฟกัสตื้น เหมาะสำหรับการตัดแผ่นบางอย่างแม่นยำ ส่วนทางยาวโฟกัสยาวมีระยะโฟกัสลึกมาก เหมาะสำหรับการประมวลผลแผ่นหนาอย่างมีเสถียรภาพ) เทคโนโลยีการโฟกัสแบบไดนามิก (เช่น การปรับตำแหน่งจุดโฟกัสโดยอัตโนมัติตามแกน Z- ของหัวประมวลผลเพื่อให้เป็นไปตามความไม่สม่ำเสมอของพื้นผิวของแผ่น) ใช้เพื่อชดเชยการลดทอนพลังงานที่เกิดจากความไม่สม่ำเสมอในแผ่น ทำให้มั่นใจถึงความสม่ำเสมอของพลังงานในพื้นที่การทำงาน
กลไกอันตรกิริยาระหว่างพลังงานและวัสดุเป็นตัวกำหนดลักษณะทางกายภาพของกระบวนการตัด เมื่อลำแสงเลเซอร์ฉายรังสีพื้นผิววัสดุ พลังงานจะถูกดูดซับและแปลงเป็นความร้อน ทำให้อุณหภูมิในท้องถิ่นเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วจนถึงจุดหลอมเหลวหรือแม้แต่จุดเดือด (จุดหลอมเหลวของวัสดุโลหะส่วนใหญ่สูงกว่า 1,000 องศา และจุดเดือดสามารถสูงถึง 3,000 องศา) สำหรับวัสดุที่มีค่าการนำความร้อนต่ำ (เช่น สแตนเลส) ความร้อนจะกระจุกตัวอยู่ในพื้นที่เฉพาะจุด ซึ่งช่วยให้เกิดการหลอมละลายอย่างรวดเร็ว สำหรับวัสดุที่มีการสะท้อนแสงสูง (เช่น อลูมิเนียมและทองแดง) จำเป็นต้องเพิ่มกำลังเลเซอร์หรือใช้โหมดพัลซิ่ง (โดยทะลุเกณฑ์การสะท้อนด้วยกำลังสูงสุด) เพื่อเพิ่มการดูดซับพลังงาน โลหะหลอมเหลวถูกเป่าออกจากรอยตัดด้วยแก๊สช่วย (ออกซิเจน ไนโตรเจน หรืออากาศอัด): ออกซิเจนทำปฏิกิริยาแบบคายความร้อนกับเหล็ก (ออกซิเดชัน) ซึ่งให้พลังงานในการตัดเพิ่มเติม เหมาะสำหรับการตัด-ด้วยความเร็วสูงของวัสดุออกซิไดซ์ได้ง่าย เช่น เหล็กกล้าคาร์บอน ไนโตรเจนในฐานะก๊าซเฉื่อย จะกำจัดตะกรันโดยใช้เพียงพลังงานจลน์เท่านั้น หลีกเลี่ยงการเกิดออกซิเดชัน และส่งผลให้มีคุณภาพสูง- การตัดมีสีเปลี่ยนไป เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการคุณภาพพื้นผิวสูง เช่น สแตนเลสและโลหะผสมอลูมิเนียม การออกแบบจะต้องตรงกับประเภทและความดันของแก๊สช่วยเหลือโดยพิจารณาจากการนำความร้อนของวัสดุ ความจุความร้อนจำเพาะ และคุณลักษณะออกซิเดชัน- ความดันที่ต่ำเกินไปจะส่งผลให้เกิดตะกรันตกค้าง ในขณะที่ความดันที่สูงเกินไปอาจทำให้เกิดรอยตัดที่กว้างเกินไปหรือการสูญเสียวัสดุ การจำลองเชิงตัวเลข (เช่น การวิเคราะห์พลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (CFD) ของสนามการไหลของก๊าซ) จำเป็นเพื่อปรับโครงสร้างหัวฉีดและทิศทางการไหลของอากาศให้เหมาะสมเพื่อให้แน่ใจว่าการกำจัดตะกรันมีประสิทธิภาพโดยไม่รบกวนเส้นทางแสง
การออกแบบพารามิเตอร์กระบวนการที่ประสานกันเป็นหัวใจสำคัญของการตัดที่มั่นคง กำลังเลเซอร์ (P) ความเร็วตัด (v) ความถี่พัลส์ (f) และรอบการทำงาน (η) จะต้องตรงกัน: กำลังจะกำหนดพลังงานที่ป้อนเข้าทั้งหมดต่อหน่วยเวลา ความเร็วส่งผลต่อระยะเวลาของพลังงาน (พลังงานต่อความยาวหน่วย=E/v) และทั้งสองอย่างรวมกันจะกำหนดว่าวัสดุละลาย/กลายเป็นไออย่างสมบูรณ์หรือไม่ ในโหมดพัลส์ ความถี่และรอบการทำงานจะควบคุม-พลังงานพัลส์เดี่ยว (E_pulse=P × η/f) และช่วงพัลส์เพื่อหลีกเลี่ยงการสะสมความร้อนที่เกิดจากการให้ความร้อนอย่างต่อเนื่อง (เช่น ในการตัดแผ่นหนา ความถี่ต่ำ และรอบการทำงานสูงสามารถลดความกว้างของโซนที่ได้รับผลกระทบ-ความร้อนได้) การออกแบบควรใช้การออกแบบการทดลองมุมฉากหรืออัลกอริธึมการเรียนรู้ของเครื่องเพื่อสร้างฐานข้อมูล "พารามิเตอร์-ความหนาวัสดุ-" ตัวอย่างเช่น สำหรับเหล็กสเตนเลส 304 หนา 3 มม. การปรับการรวมพารามิเตอร์ให้เหมาะสมเป็นกำลัง 1200W ความเร็ว 2 ม./นาที และแรงดันไนโตรเจน 0.8MPa จะทำให้ได้การตัดคุณภาพสูง-โดยมีความหยาบตามขวาง- Ra น้อยกว่าหรือเท่ากับ 12.5μm
โดยสรุป หลักการออกแบบของการตัดด้วยเลเซอร์คือการทำงานร่วมกันหลาย-มิติของ "คุณลักษณะของแหล่งพลังงาน การส่งผ่านเส้นทางแสง ปฏิกิริยาระหว่างวัสดุ และการจับคู่พารามิเตอร์" โดยพื้นฐานแล้ว มันเปลี่ยน "พลังงานแสง" แบบนามธรรมให้เป็น "กำลังในการประมวลผล" ที่ควบคุมได้ผ่านการควบคุมคุณสมบัติทางกายภาพของเลเซอร์และพฤติกรรมของวัสดุอย่างแม่นยำ เพื่อให้ได้รูปทรงที่มีประสิทธิภาพและมีความแม่นยำสูง-ของรูปทรงที่ซับซ้อนในท้ายที่สุด การพัฒนาอย่างต่อเนื่องของหลักการนี้ (เช่น พัลส์ femtosecond/picosecond ในเลเซอร์ที่เร็วมากเพื่อลดการแพร่กระจายความร้อนและการเพิ่มประสิทธิภาพพารามิเตอร์เวลาจริง-โดยใช้อัลกอริธึมอัจฉริยะ) กำลังขยายขอบเขตการใช้งานของการตัดด้วยเลเซอร์อย่างต่อเนื่อง ทำให้กลายเป็นเทคโนโลยีหลักที่ขาดไม่ได้ในการผลิตขั้นสูง
