Nguyên lý thiết kế của cắt laser là một khung quy trình có hệ thống được xây dựng trên sự giao thoa giữa quang học, nhiệt động lực học và khoa học vật liệu. Cốt lõi của nó là loại bỏ và tạo hình vật liệu một cách chính xác thông qua sự tương tác của chùm tia laser mật độ-năng lượng{2}}cao có thể điều khiển được với vật liệu. Việc thực hiện nguyên tắc này đòi hỏi phải xem xét ba chiều: tạo và truyền tia laser, cơ chế tương tác năng lượng và khớp tham số quy trình, tạo thành một chuỗi logic hoàn chỉnh từ "nguồn năng lượng" đến "kết quả xử lý".
Thế hệ laser là điểm khởi đầu của thiết kế. Trong các ứng dụng công nghiệp hiện nay, laser sợi quang, laser CO₂ và laser trạng thái rắn-thể hiện các đặc điểm chùm tia khác nhau do sự khác biệt trong môi trường khuếch đại và phương pháp kích thích: Laser sợi quang sử dụng sợi quang pha tạp-đất-hiếm làm môi trường khuếch đại và đạt được hiệu suất chuyển đổi quang-điện cao (lên tới 30% trở lên) thông qua bơm bán dẫn, xuất ra các chùm tia liên tục hoặc xung trong dải-hồng ngoại gần (khoảng 1070nm), với các ưu điểm như chất lượng chùm tia tuyệt vời (M² gần bằng 1), cấu trúc nhỏ gọn và khả năng vận hành-không cần bảo trì; Laser CO₂ sử dụng hỗn hợp khí CO₂ làm môi trường khuếch đại và tạo ra chùm tia hồng ngoại xa (10,6μm) thông qua kích thích phóng điện, mặc dù hiệu suất quang điện-tương đối thấp (khoảng 10%), nhưng tốc độ hấp thụ của vật liệu phi kim loại và tấm kim loại dày cao hơn; Laser trạng thái rắn{15}}(chẳng hạn như Nd:YAG) sử dụng tinh thể làm môi trường khuếch đại và có thể tạo ra laser xung-ngắn hoặc xung siêu ngắn{17}}, phù hợp với các kịch bản gia công vi mô. Việc lựa chọn tia laser phải dựa trên việc xem xét toàn diện các đặc tính hấp thụ của vật liệu đối với bước sóng (ví dụ: đồng và nhôm có độ phản xạ cao đối với laser CO₂ 10,6μm, khiến chúng phù hợp hơn với laser sợi quang), độ dày xử lý cần thiết và độ chính xác. Đây là hiện thân cốt lõi của nguyên tắc “khả năng thích ứng nguồn năng lượng” trong thiết kế.
Việc truyền và lấy nét bằng laser rất quan trọng để cung cấp năng lượng chính xác. Đầu ra chùm tia từ khoang cộng hưởng laser cần được truyền đến đầu xử lý thông qua các bộ phận quang học như gương chuẩn trực và gương phản xạ. Sau đó, một gương hội tụ (thường là thấu kính lồi) hội tụ chùm tia phân kỳ vào một điểm có đường kính từ hàng chục đến hàng trăm micromet. Mối quan hệ giữa đường kính điểm (d), tiêu cự (f) và đường kính chùm tia tới (D) tuân theo công thức tạo ảnh thấu kính (d≈f·θ, trong đó θ là góc phân kỳ chùm tia), xác định trực tiếp mật độ năng lượng (E=P/(πd²/4), trong đó P là công suất laser)-kích thước điểm càng nhỏ thì mật độ năng lượng càng cao và càng dễ dàng đạt được độ chính xác-cao. Thiết kế yêu cầu lựa chọn độ dài tiêu cự dựa trên khu vực xử lý và yêu cầu độ chính xác (tiêu cự ngắn dẫn đến điểm lấy nét nhỏ nhưng độ sâu tiêu cự nông, phù hợp để cắt chính xác các tấm mỏng; tiêu cự dài có độ sâu tiêu cự lớn, phù hợp để xử lý ổn định các tấm dày). Công nghệ lấy nét động (chẳng hạn như tự động điều chỉnh vị trí tiêu điểm dọc theo trục Z- của đầu xử lý để theo sự nhấp nhô trên bề mặt của tấm) được sử dụng để bù đắp cho sự suy giảm năng lượng do không đồng đều trong tấm, đảm bảo tính đồng nhất năng lượng trong vùng hoạt động.
Cơ chế tương tác giữa năng lượng và vật chất quyết định tính chất vật lý của quá trình cắt. Khi chùm tia laser chiếu vào bề mặt vật liệu, năng lượng sẽ được hấp thụ và chuyển thành nhiệt, khiến nhiệt độ cục bộ tăng nhanh đến điểm nóng chảy hoặc thậm chí là điểm sôi (điểm nóng chảy của hầu hết các vật liệu kim loại là trên 1000 độ và điểm sôi có thể đạt tới 3000 độ). Đối với các vật liệu có độ dẫn nhiệt thấp (như thép không gỉ), nhiệt tập trung ở vùng vết, tạo điều kiện cho sự nóng chảy nhanh chóng; đối với các vật liệu có độ phản xạ cao (như nhôm và đồng) cần tăng công suất laser hoặc sử dụng chế độ xung (bằng cách vượt qua ngưỡng phản xạ với công suất cực đại) để tăng cường khả năng hấp thụ năng lượng. Kim loại nóng chảy được thổi bay khỏi vết cắt bằng khí hỗ trợ (oxy, nitơ hoặc khí nén): oxy phản ứng tỏa nhiệt với sắt (oxy hóa), cung cấp thêm năng lượng cắt, phù hợp để cắt-tốc độ cao các vật liệu dễ bị oxy hóa chẳng hạn như thép cacbon; nitơ, dưới dạng khí trơ, loại bỏ xỉ chỉ bằng động năng, tránh quá trình oxy hóa và tạo ra vết cắt bị đổi màu,-chất lượng cao, thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu chất lượng bề mặt cao, chẳng hạn như thép không gỉ và hợp kim nhôm. Thiết kế phải phù hợp với loại và áp suất của khí hỗ trợ dựa trên độ dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng và đặc tính oxy hóa của vật liệu-áp suất quá thấp sẽ dẫn đến cặn xỉ, trong khi áp suất quá cao có thể dẫn đến rãnh cắt quá rộng hoặc mất vật liệu. Cần có mô phỏng số (chẳng hạn như phân tích động lực học chất lỏng (CFD) tính toán của trường dòng khí) để tối ưu hóa cấu trúc vòi phun và hướng luồng khí nhằm đảm bảo loại bỏ xỉ hiệu quả mà không cản trở đường quang.
Thiết kế phối hợp các thông số quy trình là cốt lõi để đạt được khả năng cắt ổn định. Công suất laser (P), tốc độ cắt (v), tần số xung (f) và chu kỳ hoạt động (η) phải phù hợp: công suất xác định tổng năng lượng đầu vào trên một đơn vị thời gian, tốc độ ảnh hưởng đến thời lượng năng lượng (năng lượng trên một đơn vị chiều dài=E/v) và cả hai cùng xác định liệu vật liệu có bị nóng chảy/bốc hơi hoàn toàn hay không. Ở chế độ xung, tần số và chu kỳ nhiệm vụ điều khiển năng lượng xung-đơn (E_pulse=P × η/f) và khoảng xung để tránh tích tụ nhiệt do gia nhiệt liên tục (ví dụ: khi cắt tấm dày, tần số thấp và chu kỳ nhiệm vụ cao có thể làm giảm độ rộng của vùng bị ảnh hưởng nhiệt-). Thiết kế nên sử dụng thiết kế thử nghiệm trực giao hoặc thuật toán máy học để thiết lập cơ sở dữ liệu "thông số độ dày" vật liệu. Ví dụ: đối với thép không gỉ 304 dày 3mm, việc tối ưu hóa tổ hợp thông số thành công suất 1200W, tốc độ 2m/phút và áp suất nitơ 0,8MPa có thể đạt được chất lượng cắt-cao với độ nhám mặt cắt-ra Nhỏ hơn hoặc bằng 12,5μm.
Tóm lại, nguyên tắc thiết kế của việc cắt laze là sự kết hợp đa chiều-của "đặc điểm nguồn năng lượng, truyền dẫn đường quang, tương tác vật liệu và khớp tham số". Về cơ bản, nó biến đổi "năng lượng ánh sáng" trừu tượng thành "lực xử lý" có thể điều khiển được thông qua việc kiểm soát chính xác các đặc tính vật lý và hoạt động của vật liệu bằng tia laser, cuối cùng đạt được-việc tạo hình các đường viền phức tạp một cách hiệu quả và có độ chính xác cao. Sự phát triển liên tục của nguyên lý này (chẳng hạn như xung femto giây/pico giây trong laser cực nhanh để triệt tiêu sự khuếch tán nhiệt và tối ưu hóa-thông số thời gian thực bằng thuật toán thông minh) đang không ngừng mở rộng ranh giới ứng dụng của việc cắt laser, khiến nó trở thành công nghệ cốt lõi không thể thiếu trong sản xuất tiên tiến.
