Dasar-Dasar Pemotongan Laser dan Sistem Pemrosesannya —Peralatan Pemotong Laser

II. Komposisi Peralatan Pemotong Laser

2.1 Komponen dan Prinsip Kerja Mesin Pemotong Laser

Mesin pemotong laser terdiri dari pemancar laser, kepala pemotong, rakitan transmisi sinar, meja kerja mesin perkakas, sistem kontrol numerik (NC), komputer (perangkat keras dan perangkat lunak), pendingin, tabung gas pelindung, pengumpul debu, dan pengering udara.

Generator Laser

Generator laser adalah perangkat yang menghasilkan sumber cahaya laser. Untuk aplikasi pemotongan laser, sebagian besar mesin menggunakan laser gas CO₂ yang memiliki efisiensi konversi elektro-optik tinggi dan daya keluaran tinggi, kecuali dalam beberapa kasus di mana laser solid-state YAG digunakan. Tidak semua laser cocok untuk pemotongan, karena pemotongan laser memberlakukan persyaratan ketat pada kualitas pancaran cahaya.
Kepala Pemotong

Komponen utamanya terdiri dari nozzle, lensa fokus, dan sistem pelacakan fokus.

Perangkat penggerak kepala pemotong digunakan untuk menggerakkan kepala pemotong agar bergerak sepanjang sumbu Z sesuai dengan program yang telah ditentukan. Perangkat ini terdiri dari motor servo dan bagian transmisi seperti sekrup ulir atau roda gigi.

(1) Nosel: Ada tiga jenis nosel utama: tipe paralel, tipe konvergen, dan tipe kerucut.

(2) Lensa Fokus: Untuk melakukan pemotongan menggunakan energi sinar laser, sinar asli yang dipancarkan oleh laser harus difokuskan melalui lensa untuk membentuk titik cahaya dengan kepadatan energi tinggi. Lensa dengan panjang fokus sedang dan panjang cocok untuk pemotongan pelat tebal dan memiliki persyaratan yang lebih rendah untuk stabilitas jarak sistem pelacakan. Lensa dengan panjang fokus pendek hanya cocok untuk memotong pelat tipis di bawah 3 mm; lensa ini memiliki persyaratan yang ketat untuk stabilitas jarak sistem pelacakan tetapi dapat secara signifikan mengurangi daya keluaran laser yang dibutuhkan.

(3) Sistem Pelacakan: Sistem pelacakan fokus pada mesin pemotong laser umumnya terdiri dari kepala pemotong fokus dan sistem sensor pelacakan. Kepala pemotong mengintegrasikan fungsi pemandu dan pemfokusan sinar, pendinginan air, peniupan gas, dan penyesuaian mekanis.

Sensor terdiri dari elemen penginderaan dan unit kontrol penguatan. Sistem pelacakan sangat bervariasi tergantung pada jenis elemen penginderaan. Ada dua jenis utama yang tersedia: satu adalah sistem pelacakan sensor kapasitif, juga dikenal sebagai sistem pelacakan tanpa kontak; yang lainnya adalah sistem pelacakan sensor induktif, juga disebut sebagai sistem pelacakan kontak.
Rakitan Transmisi Sinar

Jalur Optik Eksternal: Cermin reflektif digunakan untuk mengarahkan sinar laser ke arah yang diinginkan. Untuk mencegah kerusakan pada jalur sinar, semua cermin reflektif dilindungi oleh pelindung, dan gas pelindung bertekanan positif yang bersih dimasukkan untuk menjaga agar cermin tetap bebas dari kontaminasi. Lensa berkinerja tinggi dapat memfokuskan sinar yang tidak menyebar ke titik yang sangat kecil. Lensa dengan panjang fokus 5,0 inci umumnya digunakan, sedangkan lensa 7,5 inci hanya berlaku untuk memotong material yang lebih tebal dari 12 mm.
Meja Kerja Mesin Perkakas

Badan Mesin Utama: Bagian mesin perkakas darimesin pemotong laseradalah bagian mekanis yang mewujudkan pergerakan sumbu X, Y, dan Z, termasuk platform kerja pemotongan.
Sistem Kontrol Numerik

Sistem NC mengontrol mesin perkakas untuk mencapai pergerakan sumbu X, Y, Z dan mengatur daya keluaran laser secara bersamaan.
Sistem Pendingin

Unit Pendingin: Digunakan untuk mendinginkan generator laser. Laser adalah perangkat yang mengubah energi listrik menjadi energi cahaya. Misalnya, efisiensi konversi laser gas CO₂ umumnya 20%, dengan energi yang tersisa diubah menjadi panas. Air pendingin menghilangkan panas berlebih untuk menjaga operasi normal generator laser. Unit pendingin juga mendinginkan cermin jalur optik eksternal dan lensa fokus mesin perkakas, memastikan kualitas transmisi sinar yang stabil dan secara efektif mencegah deformasi atau retak lensa akibat panas berlebih.
Tabung gas

Tabung gas meliputi tabung gas media kerja dan tabung gas bantu untuk mesin pemotong laser, yang digunakan untuk melengkapi gas industri untuk osilasi laser dan memasok gas bantu untuk kepala pemotong.
Sistem Penghapus Debu

Alat ini menyaring asap dan debu yang dihasilkan selama proses pengolahan dan melakukan penyaringan untuk memastikan emisi gas buang memenuhi standar perlindungan lingkungan.
Pengering & Filter Pendingin Udara

Alat ini memasok udara bersih dan kering ke generator laser dan jalur pancaran, menjaga pengoperasian normal jalur pancaran dan cermin reflektif.

2.2 Obor Pemotong untuk Pemotongan Laser

Diagram struktur obor pemotong untuk pemotongan laser ditunjukkan di bawah ini. Obor ini terutama terdiri dari badan obor, lensa fokus, cermin reflektif, dan nosel gas bantu. Selama pemotongan laser, obor pemotong harus memenuhi persyaratan berikut:

① Obor dapat menyemburkan aliran gas yang cukup.

② Arah pancaran gas di dalam obor harus sejajar dengan sumbu optik cermin reflektif.

③ Panjang fokus senter dapat disesuaikan dengan mudah.

④ Selama pemotongan, uap logam dan percikan dari logam yang dipotong tidak boleh merusak cermin reflektif.

Pergerakan obor pemotong diatur oleh sistem gerak NC. Terdapat tiga skenario untuk pergerakan relatif antara obor pemotong dan benda kerja:

① Obor tetap diam sementara benda kerja bergerak melalui meja kerja — terutama cocok untuk benda kerja berukuran kecil.

② Benda kerja tetap diam sementara obor bergerak.

③ Obor dan meja kerja bergerak secara bersamaan.

2.2.1 Kepala Pemotong

Kepala pemotong laser terletak di ujung sistem transmisi sinar, terdiri dari lensa fokus dan nosel pemotong.

Lensa fokus terutama diklasifikasikan berdasarkan panjang fokus. Sebagian besar peralatan pemotongan laser dilengkapi dengan beberapa kepala pemotong dengan panjang fokus yang berbeda. Mengambil contoh pemotongan laser CO₂, panjang fokus umum adalah 127 mm (5 inci) dan 190 mm (7,5 inci). Lensa dengan panjang fokus pendek menghasilkan titik fokus kecil dan kedalaman fokus pendek, yang bermanfaat untuk mengurangi lebar celah dan menghasilkan potongan yang lebih halus. Lensa dengan panjang fokus panjang menghasilkan titik fokus yang lebih besar dan kedalaman fokus yang lebih panjang. Dibandingkan dengan lensa panjang fokus pendek, lensa panjang fokus dapat memberikan berkas terfokus dengan kepadatan energi laser yang cukup untuk pemrosesan material di dekat titik fokus. Oleh karena itu, lensa panjang fokus pendek sebagian besar digunakan untuk pemotongan presisi pelat tipis, sedangkan lensa panjang fokus diperlukan untuk material yang lebih tebal untuk mendapatkan kedalaman fokus yang memadai, memastikan variasi minimal dalam diameter titik dan kepadatan daya yang cukup dalam rentang ketebalan pemotongan.

Lensa fokus digunakan untuk memfokuskan berkas laser paralel yang mengenai obor pemotong, sehingga menghasilkan ukuran titik yang lebih kecil dan kepadatan daya yang lebih tinggi. Lensa terbuat dari bahan yang dapat mentransmisikan panjang gelombang laser. Kaca optik umumnya digunakan untuk laser solid-state, sedangkan bahan seperti ZnSe, GaAs, dan Ge digunakan untuk laser gas CO₂ (karena kaca biasa tidak transparan terhadap berkas laser CO₂), di mana ZnSe adalah yang paling banyak digunakan.

Untuk pemotongan laser, meminimalkan diameter titik fokus sangat diinginkan untuk meningkatkan kepadatan daya dan memungkinkan pemotongan kecepatan tinggi. Namun, panjang fokus lensa yang lebih pendek menghasilkan kedalaman fokus yang lebih kecil, sehingga sulit untuk mencapai permukaan potongan yang tegak lurus saat memotong pelat tebal. Selain itu, panjang fokus yang lebih pendek mengurangi jarak antara lensa dan benda kerja, meningkatkan risiko lensa terkontaminasi oleh percikan lelehan selama pemotongan dan memengaruhi operasi normal. Oleh karena itu, panjang fokus yang tepat harus ditentukan secara komprehensif berdasarkan faktor-faktor seperti ketebalan pemotongan dan persyaratan kualitas pemotongan.

2.2.2 Cermin Reflektif

Fungsi cermin reflektif adalah untuk mengubah arah pancaran sinar yang dipancarkan dari laser. Untuk sinar dari laser solid-state, cermin reflektif yang terbuat dari kaca optik dapat digunakan. Sebaliknya, cermin reflektif pada perangkat pemotong laser gas CO₂ biasanya terbuat dari tembaga atau logam dengan reflektivitas tinggi. Untuk mencegah kerusakan akibat panas berlebih dari radiasi laser selama pengoperasian, cermin reflektif biasanya didinginkan dengan air.

2.2.3 Nosel

Nosel digunakan untuk menyemprotkan gas bantu ke zona pemotongan, dan strukturnya memiliki dampak tertentu pada efisiensi dan kualitas pemotongan. Gambar 4.11 menunjukkan bentuk nosel umum untuk pemotongan laser; bentuk lubang nosel meliputi tipe silindris, kerucut, dan konvergen-divergen.

Pemilihan nosel umumnya ditentukan melalui pengujian berdasarkan material dan ketebalan benda kerja, serta tekanan gas bantu. Pemotongan laser biasanya menggunakan nosel koaksial (di mana aliran gas sejajar dengan sumbu optik). Jika aliran gas dan sinar laser tidak sejajar, percikan berlebihan kemungkinan akan terjadi selama pemotongan. Dinding bagian dalam lubang nosel harus halus untuk memastikan aliran gas yang tidak terhalang dan menghindari turbulensi yang dapat memengaruhi kualitas hasil pemotongan. Untuk memastikan stabilitas pemotongan, jarak antara ujung nosel dan permukaan benda kerja harus diminimalkan, biasanya berkisar antara 0,5 mm hingga 2,0 mm. Diameter lubang nosel harus memungkinkan sinar laser melewatinya dengan lancar, mencegah sinar menyentuh dinding bagian dalam lubang. Semakin kecil diameter lubang, semakin sulit untuk mengkolimasi sinar. Untuk tekanan gas bantu tertentu, ada rentang diameter lubang nosel yang optimal. Lubang yang terlalu kecil atau terlalu besar akan menghambat pembuangan produk lelehan dari hasil pemotongan dan memengaruhi kecepatan pemotongan.

Pengaruh diameter lubang nosel terhadap kecepatan pemotongan pada daya laser dan tekanan gas bantu yang tetap ditunjukkan pada Gambar 4.12 dan 4.13. Dapat dilihat bahwa terdapat diameter lubang nosel optimal yang mencapai kecepatan pemotongan maksimum. Nilai optimal ini sekitar 1,5 mm terlepas dari apakah oksigen atau argon digunakan sebagai gas bantu.

Pengujian pemotongan laser pada paduan keras (yang sulit dipotong) menunjukkan bahwa diameter lubang nosel yang optimal sangat mendekati hasil di atas, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 4.14. Diameter lubang nosel juga memengaruhi lebar celah potong dan lebar zona yang terkena panas (HAZ). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.15, dengan peningkatan diameter lubang nosel, lebar celah potong meningkat sementara lebar HAZ menyempit. Alasan utama penyempitan HAZ adalah peningkatan efek pendinginan aliran gas bantu pada material dasar di zona pemotongan.

2.3 Parameter Peralatan Pemotong Laser

2.3.1 Peralatan Pemotong yang Digerakkan Obor

Pada peralatan pemotongan yang digerakkan oleh obor, obor pemotong dipasang pada gantry yang dapat digerakkan dan bergerak secara horizontal sepanjang balok gantry (sumbu Y). Gantry menggerakkan obor untuk bergerak sepanjang sumbu X, sementara benda kerja dip фиксиasi pada meja kerja. Karena laser dan obor pemotong diatur secara terpisah, karakteristik transmisi laser, paralelisme sepanjang arah pemindaian balok, dan stabilitas cermin reflektif semuanya terpengaruh selama proses pemotongan.

Peralatan pemotongan yang digerakkan oleh obor dapat memproses benda kerja berukuran besar. Peralatan ini membutuhkan area lantai yang relatif kecil untuk zona produksi pemotongan dan dapat dengan mudah diintegrasikan dengan peralatan lain untuk membentuk lini produksi. Namun, akurasi posisinya hanya ±0,04 mm.

Struktur tipikal peralatan pemotongan yang digerakkan oleh obor ditunjukkan pada Gambar 4.19. Mesin pemotong laser CO₂ gelombang kontinu digunakan, dengan jarak dari laser ke obor pemotong sebesar 18 m. Untuk memastikan bahwa perubahan diameter berkas pada jarak transmisi ini tidak mengganggu operasi pemotongan, kombinasi cermin osilator harus dirancang dengan cermat.

Parameter teknis utama dari peralatan pemotongan yang digerakkan oleh obor adalah sebagai berikut:

Daya Keluaran Laser: 1,5 kW (mode tunggal), 3 kW (mode ganda)
Jangkauan Obor: Sumbu X 6,2 m, Sumbu Y 2,6 m
Kecepatan Mengemudi: 0–10 m/menit (dapat disesuaikan)
Pergerakan Mengambang Sumbu Z Obor: 150 mm
Kecepatan Penyesuaian Sumbu Z Obor: 300 mm/menit
Ukuran Maksimum Pelat Baja yang Diproses: 12 mm × 2400 mm × 6000 mm
Sistem Kontrol: Mode Kontrol NC Terintegrasi

2.3.2 Peralatan Pemotong yang Digerakkan Meja XY

Pada peralatan pemotongan yang digerakkan meja XY, obor pemotong dipasang pada rangka, dan benda kerja diletakkan di atas meja pemotong. Meja pemotong bergerak sepanjang sumbu X dan Y sesuai dengan perintah NC, dengan kecepatan penggerak yang dapat disesuaikan, biasanya berkisar antara 0–1 m/menit atau 0–5 m/menit. Karena obor pemotong tetap diam relatif terhadap benda kerja, hal ini meminimalkan dampak pada penyelarasan dan pemusatan sinar laser selama proses pemotongan, sehingga memastikan kinerja pemotongan yang seragam dan stabil. Jika dilengkapi dengan meja pemotong berukuran kecil yang memiliki presisi mekanis tinggi, mesin ini mencapai akurasi pemosisian ±0,01 mm danpresisi pemotongan yang sangat baik, sehingga sangat cocok untuk pemotongan presisi komponen kecil. Selain itu, tersedia meja potong yang lebih besar dengan langkah sumbu X 2300–2400 mm dan langkah sumbu Y 1200–1300 mm untuk memproses benda kerja berukuran besar.

Parameter teknis utama dari peralatan pemotongan yang digerakkan meja XY adalah sebagai berikut:

Sumber Laser: Laser gas CO₂ (tipe tabung lurus semi-tertutup)
Catu Daya Laser: Tegangan masukan 200 VAC; Tegangan keluaran 0–30 kV; Arus keluaran maksimum 100 mA
Daya Keluaran Laser: 550 W
Pergerakan Meja Pemotong: Sumbu X 2300 mm, Sumbu Y 1300 mm
Kecepatan Penggerak Meja Pemotong (Dapat disesuaikan secara bertahap): 0,4–5,0 m/menit, 0,2–2,5 m/menit, 0,1–1,3 m/menit, 0,05–0,6 m/menit
Pergerakan Mengambang Sumbu Z Obor: 180 mm
Ukuran Maksimum Pelat yang Diproses: 6 mm × 1300 mm × 2300 mm
Sistem Kontrol: Mode Kontrol Numerik (NC)

2.3.3 Peralatan Pemotong Penggerak Ganda (Obor & Meja)

Peralatan pemotong penggerak ganda (obor & meja) berada di antara mesin pemotong penggerak obor dan penggerak meja XY dalam hal desain. Obor pemotong dipasang pada gantry dan bergerak horizontal sepanjang balok gantry (sumbu Y), sementara meja pemotong digerakkan secara longitudinal. Desain hibrida ini menggabungkan keunggulan presisi pemotongan tinggi dan efisiensi hemat ruang. Dengan akurasi pemosisian ±0,01 mm dan rentang kecepatan pemotongan yang dapat disesuaikan 0–20 m/menit, ini adalah salah satu mesin pemotong yang paling banyak digunakan di pasaran. Model yang lebih besar dari mesin ini menawarkan langkah sumbu Y 2000 mm dan langkah sumbu X 6000 mm, memungkinkan pemotongan benda kerja berukuran besar.

Osilator laser dipasang pada gantry di samping obor pemotong. Konfigurasi ini memberikan presisi luar biasa saat memotong lubang melingkar. Mesin ini juga memiliki efisiensi produksi yang tinggi: dapat memotong 46 lubang melingkar (diameter 10 mm) per menit pada pelat baja setebal 1 mm.

2.3.4 Peralatan Pemotong Terintegrasi

Dalam sebuahmesin pemotong terintegrasiSumber laser dipasang pada rangka dan bergerak memanjang bersamanya, sementara obor pemotong terintegrasi dengan mekanisme penggeraknya untuk bergerak horizontal sepanjang balok rangka. Mesin ini menggunakan kontrol numerik untuk memotong berbagai komponen berbentuk. Untuk mengkompensasi variasi panjang jalur optik yang disebabkan oleh pergerakan horizontal obor pemotong, biasanya dilengkapi modul penyesuaian panjang jalur optik. Modul ini memastikan berkas laser yang homogen di dalam area pemotongan dan menjaga kualitas permukaan pemotongan yang konsisten.

Waktu posting: 17 Desember 2025

Dasar-Dasar Pemotongan Laser dan Sistem Pemrosesannya — Peralatan Pemotongan Laser