Pjovimo lazeriu projektavimo principas yra sistemingas proceso pagrindas, pagrįstas optikos, termodinamikos ir medžiagų mokslo sankirta. Jo esmė – tikslus medžiagų pašalinimas ir formavimas, sąveikaujant su medžiaga valdomam didelio-energijos-tankio lazerio spinduliui. Šio principo įgyvendinimui reikia atsižvelgti į tris dimensijas: lazerio generavimą ir perdavimą, energijos sąveikos mechanizmus ir proceso parametrų derinimą, suformuojant visą loginę grandinę nuo „energijos šaltinio“ iki „apdorojimo rezultato“.
Lazerio generavimas yra dizaino pradžios taškas. Šiuo metu pramonėje skaiduliniai lazeriai, CO₂ lazeriai ir kietojo kūno lazeriai pasižymi skirtingomis spindulių charakteristikomis dėl stiprinimo terpės ir sužadinimo metodų skirtumų: skaiduliniuose lazeriuose kaip stiprinimo terpė naudojamos retosios -žemės- legiruotos optinės skaidulos ir pasiekiamas aukštas elektro-optinės konversijos efektyvumas (iki 30 nepertraukiamo siurblio išvesties arba daugiau impulsų). spinduliai artimoje -infraraudonųjų spindulių juostoje (apie 1070 nm), pasižymintys tokiais pranašumais kaip puiki pluošto kokybė (M² arti 1), kompaktiška struktūra ir nereikalaujantis priežiūros{9}}; CO₂ lazeriai naudoja CO₂ dujų mišinį kaip stiprinimo terpę ir generuoja tolimosios{10}}infraraudonosios juostos (10,6 μm) spindulį per išlydžio sužadinimą, nors elektro-optinis efektyvumas yra palyginti mažas (apie 10 %), tačiau nemetalinių plokščių medžiagų sugerties greitis yra didesnis ir storesnis; Kietojo kūno{15}}lazeriai (pvz., Nd:YAG) naudoja kristalus kaip stiprinimo terpę ir gali generuoti trumpo-impulso arba ultratrumpo{17}}impulsinius lazerius, tinkamus mikro{18}}apdirbimo scenarijams. Lazerio pasirinkimas turi būti pagrįstas visapusiškai įvertinus medžiagos bangos ilgio sugerties charakteristikas (pvz., varis ir aliuminis turi didelį atspindį 10,6 μm CO₂ lazeriams, todėl jie labiau tinka pluoštiniams lazeriams), reikiamą apdorojimo storį ir tikslumą. Tai yra pagrindinis „energijos šaltinio pritaikymo“ principo įgyvendinimas projektuojant.
Lazerio perdavimas ir fokusavimas yra labai svarbūs norint tiksliai tiekti energiją. Spindulį iš lazerio rezonansinės ertmės reikia perduoti į apdorojimo galvutę per optinius elementus, tokius kaip kolimuojantys veidrodžiai ir atspindintys veidrodžiai. Tada fokusuojantis veidrodis (dažniausiai išgaubtas lęšis) suartina besiskiriantį spindulį į vietą, kurios skersmuo nuo dešimčių iki šimtų mikrometrų. Ryšys tarp taško skersmens (d), židinio nuotolio (f) ir krintančio pluošto skersmens (D) atitinka objektyvo vaizdavimo formulę (d≈f·θ, kur θ yra pluošto divergencijos kampas), tiesiogiai nustatant energijos tankį (E=P/(πd²/4), kur P yra lazerio galia)-kuo mažesnis taško dydis, tuo lengviau pasiekti didesnį energijos tankį. didelio- tikslumo pjovimas. Projektuojant reikia pasirinkti židinio nuotolį pagal apdorojimo plotą ir tikslumo reikalavimus (dėl trumpo židinio nuotolio susidaro nedidelė fokusavimo vieta, bet mažas fokusavimo gylis, tinka tiksliai pjaustyti plonas plokštes; dideli židinio nuotoliai turi didelį fokusavimo gylį, tinka stabiliam storų plokščių apdorojimui). Dinaminio fokusavimo technologija (pvz., automatinis židinio taško padėties reguliavimas išilgai apdorojimo galvutės Z-ašies, kad būtų galima sekti plokštės paviršiaus bangavimus) naudojama energijos susilpnėjimui, kurį sukelia plokštės nelygumai, kompensuoti, užtikrinant energijos vienodumą veikimo srityje.
Energijos ir medžiagos sąveikos mechanizmas lemia fizinį pjovimo proceso pobūdį. Kai lazerio spindulys apšvitina medžiagos paviršių, energija absorbuojama ir paverčiama šiluma, todėl vietinė temperatūra greitai pakyla iki lydymosi ar net virimo taško (daugumos metalinių medžiagų lydymosi temperatūra viršija 1000 laipsnių, o virimo temperatūra gali siekti 3000 laipsnių). Mažo šilumos laidumo medžiagoms (pvz., nerūdijančiam plienui) šiluma koncentruojama taško srityje, todėl greitai ištirpsta; labai atspindinčioms medžiagoms (tokioms kaip aliuminis ir varis) būtina padidinti lazerio galią arba naudoti impulsinį režimą (peržengiant atspindžio slenkstį su didžiausia galia), kad būtų padidintas energijos sugertis. Išlydytą metalą nuo plyšio nupučia pagalbinės dujos (deguonis, azotas arba suslėgtas oras): deguonis egzotermiškai reaguoja su geležimi (oksidacija), suteikdamas papildomos pjovimo energijos, tinkamas dideliu greičiu pjauti lengvai oksiduojamas medžiagas, tokias kaip anglinis plienas; azotas, kaip inertinės dujos, pašalina šlaką naudodamas tik kinetinę energiją, išvengdamas oksidacijos ir dėl to gaunamas aukštos-kokybės, pakitusios spalvos pjūvis, tinkamas naudoti, kai reikia aukštos paviršiaus kokybės, pvz., nerūdijančio plieno ir aliuminio lydinių. Konstrukcija turi atitikti pagalbinių dujų tipą ir slėgį, atsižvelgiant į medžiagos šilumos laidumą, savitąją šiluminę talpą ir oksidacijos charakteristikas -per žemas slėgis sukels šlako likučius, o dėl per didelio slėgio gali atsirasti pernelyg platus plyšys arba medžiagos nuostoliai. Norint optimizuoti purkštuko struktūrą ir oro srauto kryptį, kad būtų užtikrintas efektyvus šlako pašalinimas netrukdant optiniam keliui, reikia skaitmeninių modeliavimų (pvz., skysčių kompiuterinės dinamikos (CFD) dujų srauto lauko analizės).
Suderintas proceso parametrų projektavimas yra stabilaus pjovimo pagrindas. Lazerio galia (P), pjovimo greitis (v), impulsų dažnis (f) ir darbo ciklas (η) turi būti suderinti: galia lemia bendrą energijos įvedimą per laiko vienetą, greitis turi įtakos energijos trukmei (ilgio vienetui tenkanti energija=E/v), ir abu kartu nustato, ar medžiaga visiškai išsilydo / išgaravo. Impulsiniu režimu dažnis ir darbo ciklas valdo vieno -impulso energiją (E_impulsas=P × η/f) ir impulsų intervalą, kad būtų išvengta šilumos kaupimosi dėl nuolatinio kaitinimo (pvz., pjaunant storą plokštę, žemas dažnis ir didelis darbo ciklas gali sumažinti šilumos{8}}paveiktos zonos plotį). Projektuojant turėtų būti naudojami stačiakampiai eksperimentiniai arba mašininio mokymosi algoritmai, siekiant sukurti „medžiagos{10}}storio{11}}parametrų“ duomenų bazę. Pavyzdžiui, 3 mm storio 304 nerūdijančio plieno parametrų derinį optimizavus iki 1200 W galios, 2 m/min. greičio ir 0,8 MPa azoto slėgio, galima pasiekti aukštos -kokybės pjovimo, o skerspjūvio šiurkštumas Ra yra mažesnis arba lygus 12,5 μm.
Apibendrinant galima pasakyti, kad pjovimo lazeriu projektavimo principas yra daugialypė „energijos šaltinio charakteristikų, optinio kelio perdavimo, medžiagų sąveikos ir parametrų derinimo“ sinergija. Iš esmės jis paverčia abstrakčią „šviesos energiją“ į valdomą „apdorojimo jėgą“, tiksliai valdydamas lazerio fizines savybes ir medžiagos elgseną, galiausiai efektyviai ir tiksliai suformuodamas sudėtingus kontūrus. Nuolatinis šio principo tobulinimas (pvz., femtosekundžių / pikosekundžių impulsai itin greituose lazeriuose, siekiant slopinti šiluminę difuziją ir realaus laiko parametrų optimizavimą naudojant išmaniuosius algoritmus) nuolat plečia pjovimo lazeriu taikymo ribas, todėl tai yra nepakeičiama pagrindinė pažangios gamybos technologija.
