Carbon Dioxide (CO2) Laser Machine Design, Production and Test Studies for Marking and Cutting Processes

Öz

Since its early development, lasers had big impact in today’s technology advancement by facilitating our daily life. The manufacturing industry has taken the largest share of laser technology, and it has become a preferred technology in many manufacturing applications. Almost all material types can be processed with the laser and laser technology is widely used in industry for marking, engraving, and cutting processes. This article discusses designing and manufacturing of a low-budget CO2 laser machine, for marking, engraving, and cutting applications. All major components of the machine including resonator, optical train, cutting head and control systems have been discussed in detail for interested readers to implement a similar system. The resonator on the machine was designed and manufactured to allow repeated gas filling which is a major benefit for economical and extended service life as compared to similar commercially available systems. The machine has been described from initial material list and manufacturing process involved, all the way to the final aforementioned application examples for rubber, wood, and plastic materials. The laser machine system is currently installed in Karabuk Univesity’s manufacturing engineering department and used for undergraduate teaching and learning. Furthermore, it is sufficient capacity for use in medium-sized operations in advertising, hobby, forest products, textile, leather, and small-scale engineering works.

Anahtar Kelimeler

• Laser
• low-cost laser machine
• cutting
• marking
• CO2 laser

Proje Numarası

KBÜBAP-21-YL-058

Markalama ve Kesme İşlemleri İçin Karbondioksit (CO2) Lazer Makinesi Tasarımı, Üretimi ve Test Çalışmaları

Öz

Lazerler gelişiminden bu yana günlük hayatımızı kolaylaştırarak günümüz teknolojisindeki ilerlemede büyük bir etkiye sahip olmuştur. İmalat sanayi lazer teknolojisinden en büyük payı almış ve birçok imalat uygulamasında tercih edilen bir teknoloji haline gelmiştir. Lazerle neredeyse bütün malzeme türüne işlem yapılabilmekte ve lazer teknolojisi endüstride markalama, kazıma ve kesme işlemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu çalışma markalama, kazıma ve kesme uygulamaları için düşük bütçeli bir CO2 lazer makinesinin tasarlanmasını ve üretilmesini ele almıştır. Makinenin rezonatör, optik hareket, kesim kafası ve kontrol sistemleri dahil olmak üzere tüm ana bileşenleri, ilgili okuyucuların benzer bir sistemi uygulaması için etraflıca açıklanmıştır. Makinede bulunan rezonatör, ticari olarak mevcut benzer sistemlere kıyasla ekonomik ve uzun servis ömrüne büyük bir fayda sağlayan tekrarlı gaz dolumuna izin verecek şekilde tasarlanmış ve üretilmiştir. Üretilen makine, ilk malzeme listesinden ve ilgili üretim sürecinden kauçuk, ahşap ve plastik malzemeler için yukarıda bahsedilen son uygulama örneklerine kadar açıklanmıştır. Lazer makine sistemi şu anda Karabük Üniversitesi imalat mühendisliği bölümünde kuruludur ve lisans eğitimi ve öğretimi için kullanılmaktadır. Ayrıca makine reklam, hobi, orman ürünleri, tekstil, deri ve küçük ölçekli mühendislik işlerinde orta ölçekli işletmelerin kullanımı için yeterli kapasiteye sahiptir.  

Anahtar Kelimeler

• Lazer
• düşük bütçeli lazer makinesi
• kesme
• markalama
• CO2 lazer
• low-cost laser machine
• cutting
• marking
• CO2 laser

Destekleyen Kurum

Karabük Üniversitesi Rektörlüğü Bilimsel Araştırma ve Projeleri Koordinatörlüğü

Proje Numarası

KBÜBAP-21-YL-058

Kaynakça

1. [1] Aniszewska M., Maciak A., Zychowicz W., Zowczak W., Mühlke T., Christoph B., Lamrini S., and Sujecki, S., "Infrared laser application to wood cutting", Materials, 13(22): 5222, (2020).
2. [2] Knowles M. R. H., Rutterford G., Karnakis D., and Ferguson A., "Micro-machining of metals, ceramics and polymers using nanosecond lasers", The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 33(1–2): 95–102, (2007).
3. [3] Yurdakul M., Tükel T., İç Y. T., Ülke İ., Balcı A. ve Güneş, S., " Bir imalat firmasında en iyi ürün kalitesi için lazer ile kesim parametrelerinin eniyilenmesi", Journal of Turkish Operations Management, 6(1): 977–996, (2022).
4. [4] Yüce C., "Paslanmaz Çelik Malzemelerin Fiber Lazer ile Kesiminde Proses Parametrelerinin Optimizasyonu", Uludağ University Journal of The Faculty of Engineering, 24(2): 685–696, (2019).
5. [5] Genna S., Menna E., Rubino G., and Tagliaferri V., "Experimental investigation of industrial laser cutting: The effect of the material selection and the process parameters on the kerf quality", Applied Sciences, 10(14): 4956, (2020).
6. [6] Stepanov A., Saukkonen E., and Piili H., "Possibilities of Laser Processing of Paper Materials", Physics Procedia, 78: 138–146, (2015).
7. [7] https://elenlaser.com/co2-laser-applications, "CO2 Laser Applications", (2022).
8. [8] Nagai K. and Shimizu K., "Using a high-power fibre laser to cut concrete", Applied Sciences, 11(10): 4414, (2021).

9. [9] Schmidt M., Zäh M., Li L., Duflou J., Overmeyer L., and Vollertsen F., "Advances in macro-scale laser processing", CIRP Annals, 67(2): 719–742, (2018).
10. [10] Uyguntürk E., Kahraman N., Durgutlu A., ve Gülenç B., "Titanyum boruların lazer kaynak yöntemi ile birleştirilmesi ve kaynak bölgesinin karakterizasyonu", Politeknik Dergisi, 24(1): 255–262, (2021).
11. [11] Rao M., "Applications of CO2 laser in medicine", International Journal of Advances in Pharmacy, Biology and Chemistry, 2(3): 501–506, (2013).
12. [12] Çelebi A., "Deformation and microstructural analysis of fiber laser and TIG welding of thin Ti6Al4V sheet by coordinate measurement machine (CMM)", Journal of Polytechnic, 23(4): 1183–1188, (2020).
13. [13] Sezer H. K., " Short Review on Laser Texturing and Cleaning Carbon Fibre Composites for Aerospace Applications", Journal of Polytechnic, 19(4): 623–631 (2016).
14. [14] Barış M., Şimşek T., ve Akkurt A., "Co2B nanopartikülleri ile kaplanmış S235JRC karbon çelik malzemelerin farklı kesme yöntemleri ile işlenebilirlik özelliklerinin araştırılması", Politeknik Dergisi, 22 (1): 169–177, (2019).
15. [15] Wu J., Zhao J., Qiao H., Hu X., and Yang Y., "The new technologies developed from laser shock processing", Materials, 13(6): 1453, (2020).
16. [16] Yang H., Li S., Li Z., and Ji F., "Experimental and numerical study on the packing densification of metal powder with gaussian distribution", Metals, 10(11): 1401, (2020).
17. [17] Balcı A., Aycan M. F., Usta Y. ve Demir T., “Seçimli lazer ergitme ile Ti6Al4V ELI alaşımından üretilen trabeküler metal yapıların basma ve basma-kayma dayanımlarının incelenmesi”, Politeknik Dergisi, 24(3): 903–914, (2021).
18. [18] Sui S., Chen J., Zhang R., Ming X., Liu F., and Lin X., "The tensile deformation behavior of laser repaired Inconel 718 with a non-uniform microstructure", Materials Science and Engineering: A, 688: 480–487, (2017).
19. [19] Yin Z., Liu Q., Sun P., and Ding J., "Kinematic analysis and parameter measurement for multi-axis laser engraving machine tools", Machines, 9(10): 237, (2021).
20. [20] Wang Z., Xu L., and Su X., "The design and implementation of the micro laser engraving machine based on STM32", 2016 International Conference on Education, Management and Computer Science (ICEMCE, 2016), Shenyang, China, 673–638, (2016).
21. [21] Zhang Y., Feng B., and Sang S., "Design of intelligent wireless laser engraving machine", Journal of Physics: Conference Series, 2216(1): 012005, (2022).
22. [22] Leon P., Aguilar D., Maldonado F., Vargas N., and Fernandez C., "Foamy CNC laser cutting machine", 2016 IEEE International Conference On Automatica (ICA-ACCA), Curicó, Chile, 1–6, (2016).
23. [23] Genyu C., Yi W., YanBo P., and Yanyi W., "Fiber laser CNC tangential turing V-shaped concave diamond grinding wheel system based on machine vision technology", The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 104(9–12): 4077–4090, (2019).
24. [24] Kotadiya D. J., Kapopara J. M., Patel A. R., Dalwadi C. G., and Pandya D. H., "Parametric analysis of process parameter for Laser cutting process on SS-304", Materials Today: Proceedings, 5(2): 5384–5390, (2018).
25. [25] Rajaram N., Sheikh-Ahmad J., and Cheraghi S. H., "CO2 laser cut quality of 4130 steel", International Journal of Machine Tools And Manufacture, 43(4): 351–358, (2003).
26. [26] Choudhury I. A. and Chuan P. C., "Experimental evaluation of laser cut quality of glass fibre reinforced plastic composite", Optics and Lasers in Engineering, 51(10): 1125–1132, (2013).
27. [27] Sun G. F., Yao S., Wang Z. D., Shen X. T., Yan Y., Zhou R., and Ni Z. H., "Microstructure and mechanical properties of HSLA-100 steel repaired by laser metal deposition", Surface and Coatings Technology, 351: 198–211, (2018).
28. [28] Açık, C. ve Tutuş, A., “Endüstriyel ürün imalatında kullanılan bazı ahşap türlerinin CNC lazerle işlenebilme performanslarının araştırılması”, Gazi Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Dergisi, 38(1): 461-470, (2023).
29. [29] https://www.archdaily.com/943049/what-is-plexiglass-the-protective-plastic-many-are-using-to-combat-viral-spread, "What is plexiglass? The protective plastic many are using to combat viral spread", (2022).