Gia công hỗ trợ bằng laser là gì? Các nghiên cứu khoa học

Định nghĩa gia công hỗ trợ bằng laser

Gia công hỗ trợ bằng laser (Laser-assisted machining – LAM) là một phương pháp gia công cơ khí hiện đại, trong đó laser được sử dụng để làm nóng cục bộ hoặc thay đổi tính chất vật liệu trong quá trình cắt, phay, tiện hoặc khoan. Phương pháp này giúp giảm lực cắt, tăng tốc độ gia công, hạn chế mài mòn dụng cụ và cải thiện chất lượng bề mặt chi tiết gia công.

Laser cung cấp năng lượng tập trung tại vùng tiếp xúc giữa dụng cụ và vật liệu, làm mềm hoặc làm thay đổi trạng thái nhiệt cục bộ. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các vật liệu khó gia công như hợp kim titan, siêu hợp kim dựa trên niken, thép cứng, và vật liệu composite. LAM trở thành một giải pháp hiệu quả cho các ứng dụng công nghiệp yêu cầu độ chính xác cao và khả năng gia công các vật liệu siêu cứng.

Ưu điểm khác của phương pháp này là khả năng điều chỉnh linh hoạt công suất laser, vị trí chiếu, và thời gian tác động, giúp kiểm soát hiệu quả quá trình gia công mà không gây biến dạng lớn cho chi tiết. Laser không chỉ làm mềm vật liệu mà còn có thể kích hoạt các hiện tượng vật lý hoặc hóa học để cải thiện chất lượng bề mặt và giảm ứng suất nhiệt trong vật liệu.

Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý cơ bản của gia công hỗ trợ bằng laser là sử dụng năng lượng laser để làm nóng cục bộ vật liệu, giảm cường độ cơ học và độ cứng tại vùng gia công. Khi vật liệu được làm nóng, lực cắt $F_c$ giảm, làm giảm tải cơ học lên dụng cụ cắt, kéo dài tuổi thọ dao và tăng tốc độ cắt.

Lực cắt trong gia công có thể được biểu diễn sơ đồ đơn giản như sau: $F_c = f(H, \sigma_y, T)$ trong đó $H$ là độ cứng của vật liệu, $\sigma_y$ là ứng suất chảy, và $T$ là nhiệt độ tại vùng gia công. Khi $T$ tăng lên do chiếu laser, $H$ và $\sigma_y$ giảm, làm giảm lực cắt và mài mòn dụng cụ.

Laser có thể được đặt đồng trục với dụng cụ cắt hoặc chiếu từ bên ngoài tùy vào hình học chi tiết và loại gia công. Vùng làm nóng cục bộ phải được kiểm soát chính xác để đảm bảo làm mềm vật liệu mà không làm thay đổi tính chất cơ học tổng thể của chi tiết xung quanh.

Nguồn: ScienceDirect – Laser-assisted Machining Principles

Ưu điểm của gia công hỗ trợ bằng laser

Gia công hỗ trợ bằng laser mang lại nhiều lợi ích so với phương pháp cơ khí truyền thống. Một trong những ưu điểm nổi bật là giảm lực cắt và mài mòn dụng cụ, giúp kéo dài tuổi thọ dao và giảm chi phí thay thế dụng cụ. Đồng thời, việc làm mềm vật liệu cục bộ cho phép gia công vật liệu siêu cứng hoặc composite dễ dàng hơn, mà các phương pháp thông thường khó xử lý.

Laser còn giúp tăng tốc độ cắt, giảm thời gian gia công, đồng thời cải thiện chất lượng bề mặt chi tiết, giảm hiện tượng nứt, vết xước và rung động trong quá trình cắt. Tính ổn định và chính xác của LAM cao hơn so với gia công cơ khí truyền thống, đặc biệt với các chi tiết nhỏ, phức tạp hoặc vật liệu có độ cứng lớn.

Bảng dưới đây tóm tắt một số ưu điểm chính của LAM:

Ưu điểm	Mô tả
Giảm lực cắt	Làm mềm vật liệu cục bộ, giảm lực tác động lên dao
Tăng tốc độ gia công	Cho phép cắt nhanh hơn mà không làm hỏng bề mặt
Giảm mài mòn dụng cụ	Dao bền hơn, chi phí thay thế giảm
Cải thiện bề mặt chi tiết	Giảm vết xước, nứt, rung động

Ứng dụng trong công nghiệp

Gia công hỗ trợ bằng laser được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là các lĩnh vực cần gia công vật liệu siêu cứng và chi tiết phức tạp. Trong hàng không vũ trụ, LAM được sử dụng để gia công cánh turbine, bộ phận động cơ phản lực làm từ siêu hợp kim. Trong ngành ô tô, phương pháp này giúp chế tạo chi tiết từ hợp kim titan và thép cứng, tăng hiệu suất sản xuất và giảm chi phí gia công.

Trong công nghiệp điện tử, LAM được áp dụng để khoan, cắt hoặc gia công các vật liệu composite, gốm sứ, và vật liệu bán dẫn, giúp đạt độ chính xác cao và giảm hư hỏng vật liệu. Các ứng dụng khác bao gồm chế tạo dụng cụ y sinh, thiết bị phẫu thuật, và các chi tiết chịu nhiệt cao hoặc mài mòn mạnh.

Nguồn: MDPI – Industrial Applications of Laser-assisted Machining

Phân loại gia công hỗ trợ bằng laser

Gia công hỗ trợ bằng laser có thể được phân loại dựa trên vị trí chiếu laser, mục đích gia công và cơ chế tác động nhiệt lên vật liệu. Một số loại phổ biến gồm:

• Laser trước khi cắt (Pre-heating laser): laser làm nóng vật liệu trước khi dao tiếp xúc, giảm lực cắt và tăng độ mềm cục bộ.
• Laser đồng trục với dụng cụ cắt (Coaxial laser): laser chiếu cùng hướng với dụng cụ cắt trong quá trình cắt, giúp kiểm soát nhiệt tại vùng tiếp xúc trực tiếp.
• Laser điều khiển nhiệt độ hoặc làm lạnh (Thermal management laser): sử dụng laser để điều chỉnh nhiệt độ dụng cụ hoặc chi tiết nhằm hạn chế biến dạng nhiệt và ứng suất dư.

Mỗi loại có ưu nhược điểm riêng và phù hợp với các ứng dụng khác nhau. Laser trước khi cắt thích hợp cho vật liệu siêu cứng, trong khi laser đồng trục giúp kiểm soát chính xác nhiệt tại điểm gia công. Laser điều khiển nhiệt độ thường được áp dụng cho chi tiết mỏng hoặc có cấu trúc phức tạp để tránh biến dạng.

Những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả LAM

Hiệu quả của gia công hỗ trợ bằng laser phụ thuộc vào nhiều yếu tố vật lý, thiết bị và điều kiện vận hành:

• Công suất và bước sóng laser: ảnh hưởng đến độ sâu và tốc độ làm nóng cục bộ, xác định khả năng làm mềm vật liệu.
• Tốc độ cắt và chiều sâu cắt: quyết định lực cắt, mài mòn dụng cụ và chất lượng bề mặt chi tiết.
• Tính chất vật liệu: độ dẫn nhiệt, nhiệt dung, độ cứng, độ dày chi tiết và khả năng hấp thụ năng lượng laser.
• Vị trí chiếu laser và hình học chi tiết: đồng trục hay chiếu bên, ảnh hưởng đến phân bố nhiệt và hiệu quả gia công.

Việc tối ưu hóa các yếu tố này giúp đạt hiệu suất gia công cao nhất, giảm hư hỏng chi tiết, kéo dài tuổi thọ dụng cụ và đảm bảo chất lượng bề mặt mong muốn.

Hạn chế và thách thức

Mặc dù LAM mang lại nhiều ưu điểm, phương pháp này vẫn gặp một số hạn chế và thách thức trong ứng dụng thực tế:

• Chi phí thiết bị cao: laser công suất lớn và hệ thống điều khiển chính xác có giá thành cao, đòi hỏi đầu tư lớn.
• Khó kiểm soát nhiệt độ cục bộ: nếu không kiểm soát chính xác, nhiệt lượng laser có thể gây biến dạng vật liệu hoặc thay đổi tính chất cơ học không mong muốn.
• Đòi hỏi công nghệ tích hợp: cần phối hợp chính xác giữa hệ thống laser và máy công cụ, đòi hỏi kỹ thuật viên có trình độ cao và quy trình bảo dưỡng phức tạp.
• Giới hạn về hình học chi tiết: chi tiết quá nhỏ hoặc phức tạp có thể khó chiếu laser đồng trục hiệu quả, cần thiết kế quang học đặc biệt.

Do đó, triển khai LAM đòi hỏi nghiên cứu kỹ lưỡng về vật liệu, thiết kế chi tiết và tối ưu hóa quy trình để đạt hiệu quả và độ chính xác mong muốn.

Tài liệu tham khảo

1. ScienceDirect – Laser-assisted Machining Principles
2. MDPI – Industrial Applications of Laser-assisted Machining
3. Springer – Laser-assisted Machining of Advanced Materials
4. ScienceDirect – Laser-assisted Machining Overview