* Cắt kim loại bằng tia sáng laser

Kỹ sư Bùi Tiến Đạt, nhân viên trực máy duy nhất, cho biết máy đang cắt những tấm thép chịu mài mòn 65Ge, có độ dày 3mm, thành các tấm lót đáy cối trộn cho trạm trộn bê tông tự động. Từ trước tới nay, để cắt những tấm lót này, các doanh nghiệp gia công cơ khí ở Việt Nam thường dùng máy phay và sửa nguội. Tuy nhiên, tốc độ cắt của máy phay chậm hơn rất nhiều, chỉ khoảng 0,15m/phút so với 2,5m/phút của máy laser. Một ưu điểm nữa của máy laser là giúp tiết kiệm vật liệu bởi phần mềm sẽ tự động tính toán sao cho thu được nhiều tấm lót nhất từ một tấm phôi rộng 2m2.

Khi máy hoạt động, lúc thì bàn máy (màu xanh) và đầu cắt cùng chuyển động, lúc thì bàn máy đứng im trong khi đầu cắt chuyển động hoặc ngược lại. Ở nhiệt độ cực cao lên tới hàng triệu độ C, tia laser làm vật liệu nóng chảy tức thời (đối với thép carbon hoặc vật liệu siêu cứng) hoặc bốc hơi (đối với vật liệu mỏng). Đứng cạnh máy, mắt thường không thể nhìn thấy tia laser bởi bước sóng của nó chỉ là 10,6 micromet. Thoáng một cái là máy đã cắt xong một tấm lót và sau đó bàn máy và đầu cắt lại dịch chuyển để cắt tiếp tấm lót thứ hai. Khi toàn bộ tấm phôi được cắt song, nhân viên trực máy mới nhấc các tấm lót ra khỏi bàn máy.

    *  Trên đường chế tạo máy cắt bằng tia laser

Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) là một chùm tia sáng có bước sóng xác định đối với mỗi loại hoạt chất phát tia và có tính định hướng rất cao. Có thể dùng hệ thống quang học để điều khiển hướng đi của laser, tập trung năng lượng tia tại một vùng diện tích nhỏ. Ở đó, với mức độ tập trung năng lượng rất cao, laser có thể gia công vật liệu như hàn, cắt, khắc, khoan…

Ở các nước công nghiệp tiên tiến, cắt bằng tia laser trong công nghiệp tương đối phổ thông bởi kỹ thuật này có thể gia công nhiều loại vật liệu, đặc biệt là những loại khó gia công bằng các phương pháp truyền thống (phay, dập) như vật liệu siêu cứng, chi tiết siêu mỏng, chi tiết có mạch cắt cực nhỏ (<0,2mm), vv… Chất lượng gia công (không cần sửa nguội do độ chính xác cao), năng suất cao do tốc độ gia công nhanh, giá thành hợp lý đã tạo cho phương pháp có những lợi thế cạnh tranh cao so với gia công truyền thống vật liệu. Tuy nhiên, tại Việt Nam, cắt bằng tia laser còn rất mới lạ, chưa được ứng dụng trong công nghiệp.

Chính vì vậy, từ năm 2002, các chuyên gia tại IMI do TS Đỗ Văn Vũ, Phó Viện trưởng, đã bắt tay vào nghiên cứu với mục tiêu làm chủ công nghệ và chế tạo thiết bị cắt bằng laser. Theo quan điểm của nhóm nghiên cứu, mặc dù trong công nghiệp có thể ứng dụng các loại laser khác nhau để gia công vật liệu như laser rắn (laser rubi, thuỷ tinh), laser khí (CO, CO2) và laser lỏng (laser chelate hữu cơ – đất hiếm) nhưng nhóm đã quyết định chọn laser CO2. Nguyên nhân là chi phí đầu tư cho laser CO2 và laser rắn (Nd-YAG) tương đương song chi phí gia công của laser CO2 thấp hơn đáng kể so với Nd-YAG. Ngoài nguồn laser CO2, các bộ phận khác của hệ thiết bị còn gồm hệ thống dẫn tia laser từ nguồn tới đầu cắt, máy cơ sở (bàn máy, thân máy) và hệ điều khiển.

Với thiết bị cắt laser CO2 đầu tiên, nhóm nghiên cứu đã nhập nguồn laser và bộ điều khiển CNC của CHLB Đức, tự thiết kế và chế tạo đa phần máy cơ sở và hệ thống dẫn tia. Thêm vào đó, họ còn thực hiện tích hợp điều khiển công suất với định vị chùm tia gia công. Cũng trong khuôn khổ của đề tài nghiên cứu cấp Nhà nước này, một phần mềm CAD/CAM Ver1.0 đã được nhóm xây dựng để gia công vật liệu dạng tấm. Một loạt các thí nghiệm được tiến hành nhằm xây dựng cơ sở dữ liệu gia công thích hợp cho các loại vật liệu khác nhau. Theo kỹ sư Đạt, để cắt một vật liệu nào đó dưới dạng phôi tấm, ban đầu họ phải thiết kế hình dạng chi tiết gia công với sự trợ giúp của máy tính và tạo mã nguồn. Sau đó, mã nguồn được nhập vào bộ điều khiển và vật liệu gia công được đưa lên bàn máy. Cuối cùng, máy sẽ tự động gia công chi tiết.

Các thành viên trong nhóm cho biết con đường làm chủ một thiết bị sản xuất cần tiến hành từng bước, trước tiên làm chủ công nghệ và tiếp theo là thiết bị. Mục tiêu trong thời gian tới của IMI là chế tạo toàn bộ máy cắt laser CO2. Hiện nay các chuyên gia của Viện IMI đang lập kế hoạch hợp tác với Viện nghiên cứu ứng dụng công nghệ, nơi đã nghiên cứu chế tạo được nhiều loại nguồn laser, để phát triển nguồn laser công nghiệp. Các nguồn laser do Viện ứng dụng công nghệ sản xuất hiện nay thường là công suất nhỏ (< 500W), sử dụng rất hiệu quả trong y tế. Việc nghiên cứu chế tạo nguồn laser công suất lớn cũng là một thách thức và là mục tiêu của Viện nghiên cứu và ứng dụng công nghệ. Sự hợp tác của hai Viện sẽ tạo nên những thiết bị gia công laser mang thương hiệu Việt Nam trong tương lai gần.

Thiết bị cắt laser CO2 của Viện Máy và Dụng cụ Công nghiệp hiện chủ yếu được dùng cho công tác nghiên cứu thí nghiệm và tập trung chủ yếu vào cắt các loại vật liệu mà phương pháp truyền thống không thể cắt được. Ngoài ra, IMI cũng đã và sẽ phục vụ các cá nhân, cơ sở trong nước nếu có nhu cầu cắt bằng laser. Theo TS Võ Thị Ry, Giám đốc Trung tâm nghiên cứu các công nghệ đặc biệt của IMI, trong tương lai, giá thành cắt bằng tia laser ở Việt Nam sẽ hạ hơn rất nhiều nếu trong nước tự sản xuất được khí sạch cho nguồn laser. Hiện giá thành cắt các vật liệu như thép dụng cụ hay inox là 3,5 triệu đồng/ca máy. Trong khi đó, giá thành cắt đối với máy phay là 800.000 đồng/ca máy. Tính tương đối thì giá thành cắt bằng tia laser không cao hơn là mấy bởi năng suất cao hơn, tốc độ cắt nhanh hơn, chính xác hơn và lại tiết kiệm được vật liệu.