Η αρχή σχεδιασμού της κοπής με λέιζερ είναι ένα συστηματικό πλαίσιο διαδικασίας που βασίζεται στη διασταύρωση της οπτικής, της θερμοδυναμικής και της επιστήμης των υλικών. Ο πυρήνας του είναι η ακριβής αφαίρεση και διαμόρφωση υλικών μέσω της αλληλεπίδρασης μιας ελεγχόμενης-δέσμης λέιζερ υψηλής ενέργειας-με το υλικό. Η εφαρμογή αυτής της αρχής απαιτεί την εξέταση τριών διαστάσεων: παραγωγή και μετάδοση λέιζερ, μηχανισμοί αλληλεπίδρασης ενέργειας και αντιστοίχιση παραμέτρων διεργασίας, σχηματίζοντας μια πλήρη λογική αλυσίδα από την "πηγή ενέργειας" στο "αποτέλεσμα επεξεργασίας".
Η παραγωγή λέιζερ είναι το σημείο εκκίνησης του σχεδιασμού. Στις τρέχουσες βιομηχανικές εφαρμογές, τα λέιζερ ινών, τα λέιζερ CO₂ και τα λέιζερ στερεάς κατάστασης παρουσιάζουν διαφορετικά χαρακτηριστικά δέσμης λόγω των διαφορών στα μέσα απολαβής και στις μεθόδους διέγερσης: Τα λέιζερ ινών χρησιμοποιούν σπάνιες οπτικές ίνες-διαλυμένης γης ως μέσο απολαβής και επιτυγχάνουν υψηλή ηλεκτρική συνένωση (περισσότερη έως %30) άντληση ημιαγωγών, έξοδος συνεχών ή παλμικών δεσμών στην εγγύς-υπέρυθρη ζώνη (περίπου 1070 nm), με πλεονεκτήματα όπως εξαιρετική ποιότητα δέσμης (M² κοντά στο 1), συμπαγής δομή και-χωρίς συντήρηση-. Τα λέιζερ CO2 χρησιμοποιούν ένα μείγμα αερίων CO2 ως μέσο απολαβής και δημιουργούν μια μακρινή{10}δέσμη υπέρυθρης ζώνης (10,6μm) μέσω διέγερσης εκκένωσης, αν και η ηλεκτρο{12}οπτική απόδοση είναι σχετικά χαμηλή (περίπου 10%), αλλά ο ρυθμός απορρόφησης για τα μη μεταλλικά υλικά είναι υψηλότερος{14}. Τα λέιζερ στερεάς{15}}κατάστασης (όπως το Nd:YAG) χρησιμοποιούν κρυστάλλους ως μέσο απολαβής και μπορούν να δημιουργήσουν λέιζερ βραχέων-παλμών ή υπερμικρών{17}}παλμών, κατάλληλα για σενάρια μικρο-μηχανικής κατεργασίας. Η επιλογή ενός λέιζερ πρέπει να βασίζεται σε μια συνολική θεώρηση των χαρακτηριστικών απορρόφησης του υλικού για μήκος κύματος (π.χ. ο χαλκός και το αλουμίνιο έχουν υψηλή ανακλαστικότητα έως λέιζερ CO2 10,6 μm, καθιστώντας τα πιο κατάλληλα για λέιζερ ινών), το απαιτούμενο πάχος επεξεργασίας και την ακρίβεια. Αυτή είναι η βασική ενσωμάτωση της αρχής "προσαρμοστικότητας της πηγής ενέργειας" στο σχεδιασμό.
Η μετάδοση και η εστίαση με λέιζερ είναι ζωτικής σημασίας για την ακριβή παροχή ενέργειας. Η έξοδος δέσμης από την κοιλότητα συντονισμού λέιζερ πρέπει να μεταδοθεί στην κεφαλή επεξεργασίας μέσω οπτικών στοιχείων, όπως καθρέφτες ευθυγράμμισης και ανακλαστικά κάτοπτρα. Στη συνέχεια, ένας καθρέφτης εστίασης (συνήθως ένας κυρτός φακός) συγκλίνει την αποκλίνουσα δέσμη σε ένα σημείο με διάμετρο δεκάδων έως εκατοντάδων μικρομέτρων. Η σχέση μεταξύ της διαμέτρου του σημείου (d), του εστιακού μήκους (f) και της διαμέτρου της προσπίπτουσας δέσμης (D) ακολουθεί τον τύπο απεικόνισης φακού (d≈f·θ, όπου θ είναι η γωνία απόκλισης δέσμης), προσδιορίζοντας άμεσα την ενεργειακή πυκνότητα (E=P/(πd²/4), όπου P είναι η ισχύς λέιζερ)-όσο πιο εύκολα επιτυγχάνεται το μέγεθος της κηλίδας κοπή υψηλής-ακρίβειας. Ο σχεδιασμός απαιτεί την επιλογή της εστιακής απόστασης με βάση την περιοχή επεξεργασίας και τις απαιτήσεις ακρίβειας (οι μικρές εστιακές αποστάσεις έχουν ως αποτέλεσμα ένα μικρό σημείο εστίασης αλλά μικρό βάθος εστίασης, κατάλληλο για ακριβή κοπή λεπτών πλακών. Τα μεγάλα εστιακά μήκη έχουν μεγάλο βάθος εστίασης, κατάλληλα για σταθερή επεξεργασία παχύρρευστων πλακών). Η τεχνολογία δυναμικής εστίασης (όπως η αυτόματη προσαρμογή της θέσης του εστιακού σημείου κατά μήκος του άξονα Z- της κεφαλής επεξεργασίας για να ακολουθεί τις επιφανειακές κυματώσεις της πλάκας) χρησιμοποιείται για να αντισταθμίσει την εξασθένηση ενέργειας που προκαλείται από ανομοιομορφία στην πλάκα, διασφαλίζοντας ομοιομορφία ενέργειας στην περιοχή δράσης.
Ο μηχανισμός αλληλεπίδρασης μεταξύ ενέργειας και υλικού καθορίζει τη φυσική φύση της διαδικασίας κοπής. Όταν μια δέσμη λέιζερ ακτινοβολεί την επιφάνεια του υλικού, η ενέργεια απορροφάται και μετατρέπεται σε θερμότητα, με αποτέλεσμα η τοπική θερμοκρασία να αυξάνεται γρήγορα στο σημείο τήξης ή ακόμα και στο σημείο βρασμού (το σημείο τήξης των περισσότερων μεταλλικών υλικών είναι πάνω από 1000 βαθμούς και το σημείο βρασμού μπορεί να φτάσει τους 3000 βαθμούς). Για υλικά με χαμηλή θερμική αγωγιμότητα (όπως ο ανοξείδωτος χάλυβας), η θερμότητα συγκεντρώνεται στην περιοχή του σημείου, επιτρέποντας την ταχεία τήξη. για υλικά υψηλής ανακλαστικότητας (όπως το αλουμίνιο και ο χαλκός), είναι απαραίτητο να αυξηθεί η ισχύς του λέιζερ ή να χρησιμοποιηθεί μια παλμική λειτουργία (διαπερνώντας το όριο ανάκλασης με μέγιστη ισχύ) για να ενισχυθεί η απορρόφηση ενέργειας. Το λιωμένο μέταλλο διοχετεύεται από το στόμιο με ένα βοηθητικό αέριο (οξυγόνο, άζωτο ή πεπιεσμένος αέρας): το οξυγόνο αντιδρά εξώθερμα με τον σίδηρο (οξείδωση), παρέχοντας πρόσθετη ενέργεια κοπής, κατάλληλη για κοπή υψηλής ταχύτητας υλικών που οξειδώνονται εύκολα, όπως ο ανθρακούχος χάλυβας. Το άζωτο, ως αδρανές αέριο, αφαιρεί τη σκωρία χρησιμοποιώντας μόνο κινητική ενέργεια, αποφεύγοντας την οξείδωση και καταλήγοντας σε υψηλής ποιότητας, αποχρωματισμένη κοπή, κατάλληλη για εφαρμογές που απαιτούν υψηλή ποιότητα επιφάνειας, όπως ανοξείδωτο χάλυβα και κράματα αλουμινίου. Ο σχεδιασμός πρέπει να ταιριάζει με τον τύπο και την πίεση του υποβοηθούμενου αερίου με βάση τη θερμική αγωγιμότητα του υλικού, την ειδική θερμοχωρητικότητα και τα χαρακτηριστικά οξείδωσης-πολύ χαμηλή πίεση θα έχει ως αποτέλεσμα υπολείμματα σκωρίας, ενώ η πολύ υψηλή πίεση μπορεί να οδηγήσει σε υπερβολικά μεγάλο άκρο ή απώλεια υλικού. Απαιτούνται αριθμητικές προσομοιώσεις (όπως υπολογιστική ανάλυση δυναμικής ρευστών (CFD) του πεδίου ροής αερίου) για τη βελτιστοποίηση της δομής του ακροφυσίου και της κατεύθυνσης ροής αέρα για να διασφαλιστεί η αποτελεσματική απομάκρυνση της σκωρίας χωρίς παρεμβολή στην οπτική διαδρομή.
Ο συντονισμένος σχεδιασμός των παραμέτρων της διαδικασίας είναι ο πυρήνας για την επίτευξη σταθερής κοπής. Η ισχύς λέιζερ (P), η ταχύτητα κοπής (v), η συχνότητα παλμού (f) και ο κύκλος λειτουργίας (η) πρέπει να ταιριάζουν: η ισχύς καθορίζει τη συνολική εισροή ενέργειας ανά μονάδα χρόνου, η ταχύτητα επηρεάζει τη διάρκεια της ενέργειας (ενέργεια ανά μονάδα μήκους=E/v) και τα δύο μαζί καθορίζουν εάν το υλικό έχει λιώσει/εξατμισθεί πλήρως. Σε παλμική λειτουργία, η συχνότητα και ο κύκλος λειτουργίας ελέγχουν την ενέργεια ενός παλμού (E_pulse=P × η/f) και το διάστημα παλμών για να αποφευχθεί η συσσώρευση θερμότητας που προκαλείται από συνεχή θέρμανση (π.χ. σε κοπή παχιάς πλάκας, η χαμηλή συχνότητα και ο κύκλος υψηλής λειτουργίας μπορούν να μειώσουν το πλάτος της επηρεαζόμενης ζώνης θερμότητας{{8}). Ο σχεδιασμός θα πρέπει να χρησιμοποιεί ορθογώνιο πειραματικό σχεδιασμό ή αλγόριθμους μηχανικής μάθησης για τη δημιουργία μιας βάσης δεδομένων "υλικού{10}}πάχους-παραμέτρου". Για παράδειγμα, για ανοξείδωτο χάλυβα 304 πάχους 3mm, η βελτιστοποίηση του συνδυασμού παραμέτρων σε ισχύ 1200W, ταχύτητα 2m/min και πίεση αζώτου 0,8MPa μπορεί να επιτύχει κοπή υψηλής ποιότητας με τραχύτητα διατομής Ra μικρότερη ή ίση με 12,5μm.
Συνοπτικά, η αρχή σχεδιασμού της κοπής με λέιζερ είναι μια πολυδιάστατη συνέργεια των "χαρακτηριστικών της πηγής ενέργειας, της μετάδοσης οπτικής διαδρομής, της αλληλεπίδρασης υλικού και της αντιστοίχισης παραμέτρων". Ουσιαστικά, μετατρέπει την αφηρημένη «φωτεινή ενέργεια» σε ελεγχόμενη «δύναμη επεξεργασίας» μέσω ακριβούς ελέγχου των φυσικών ιδιοτήτων του λέιζερ και της συμπεριφοράς του υλικού, επιτυγχάνοντας τελικά αποτελεσματική και υψηλή{2}}διαμόρφωση περίπλοκων περιγραμμάτων. Η συνεχής εξέλιξη αυτής της αρχής (όπως οι παλμοί femtosecond/picosecond σε εξαιρετικά γρήγορα λέιζερ για την καταστολή της θερμικής διάχυσης και η βελτιστοποίηση παραμέτρων σε πραγματικό χρόνο με χρήση ευφυών αλγορίθμων) διευρύνει συνεχώς τα όρια εφαρμογής της κοπής με λέιζερ, καθιστώντας την απαραίτητη βασική τεχνολογία για την προηγμένη τεχνολογία.
