การใช้แสงเลเซอร์ในงานตัดถือได้ว่าไม่ใช่เรื่องใหม่อะไรเพราะมีการนำมาใช้ในอุตสาหกรรมนานแล้ว โดยเทคนิคดั้งเดิมมีการใช้แก๊สปกคลุมรอยตัดขณะตัดด้วยแสงเลเซอร์ แต่วิธีการดังกล่าวมีข้อจำกัดคือ แสงไม่สามารถตัดวัสดุหนา ๆ ได้เนื่องจากลำแสงที่บานออกเรื่อย ๆ ทำให้การควบคุมขนาดรอยตัดลึกลงไปทำได้ลำบากโดยเฉพาะวัสดุที่มีความหนามากกว่า 1 mm รวมทั้งการใช้แสงเลเซอร์ตัดจะเกิดความร้อนสูง และมีเศษจากการตัดกลับเข้าไปติดอยู่บริเวณรอยตัดทำให้รอยตัดสกปรกและไม่เรียบคม ดังนั้นหลังการตัดจึงต้องการกระบวนการทำความสะอาดรอยตัดอีกที เรียกว่าการทำ "Post-treatment"

แต่ด้วยข้อดีหลาย ๆ อย่างของการตัดด้วยแสงเลเซอร์เช่น มีความยืดหยุ่นสูงมากในการแปรค่าความเร็วตัด และสามารถเจาะรูขนาดเล็กมากได้ จึงทำให้นักวิจัยและพัฒนาพยายามลดข้อจำกัดและ ข้อเสียของการตัดด้วยแสงเลเซอร์ลง โดยในปี ค.ศ.1993 ทีมงานนักวิทยาศาสตร์แห่งศูนย์วิจัยและพัฒนาทางด้านออปติกในสวิตเซอร์แลนด์ ( Institute of Applied Optics of the Swiss Federal Institute of Technology) ประสบความสำเร็จในการนำลำน้ำเล็ก ๆ (Micro Water-jet) เข้ามาใช้ร่วมกับแสงเลเซอร์ทำให้ขีดความสามารถในการตัดเพิ่มขึ้นมาก โดยสามารถตัดวัสดุที่หนาขึ้นได้และมีการกำจัดเศษตัดที่ดีมากทำให้รอยตัดมีความเรียบคมและสะอาด

หลักการดังกล่าวเป็นการนำเทคนิคของแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ชนิด Pulsed Fiber Laser ที่มีไฟเบอร์ออปติกชนิดพิเศษนำแสงพลังงานสูงที่มีลักษณะลำแสงตรงมากผ่านเข้าไปในลำน้ำบาง ๆ (มีเส้นผ่านศูนย์กลางของลำน้ำ 30-60 mm)  ดังรูปที่ 1 ทำให้แสงเลเซอร์ไปตัดชิ้นงาน ณ ตำแหน่งที่ลำน้ำพุ่งไป โดยไฟเบอร์เลเซอร์ชนิดนี้เป็นที่รู้จักกันดีในแง่ของความกะทัดรัดและให้คุณภาพแสงเลเซอร์ที่ดีเยี่ยม รวมทั้งแสงที่ได้ยังมีความเสถียรสูงมาก ส่วนลำน้ำเล็ก ๆ ดังกล่าว หรือ Micro Water-jet สร้างได้โดยการปั๊มน้ำเข้าไปไว้ในห้องเก็บแรงดัน (Pressurized Chamber) ที่รับแรงดันได้ถึง 50-500 barsแล้วอัดน้ำให้ผ่านหัวฉีด (Nozzle) ที่ทำจากเพชร (Diamond) หรือหัวฉีดที่ทำจาก Sapphire คุณภาพดี จะเกิดไมโครเจ็ทดังรูป โดยเจ็ทที่ได้มีค่าความดันคงที่ ขณะที่แสงวิ่งผ่านเจ็ทแสงจะเกิดการหักเหภายในเจ็ทเนื่องจากค่า Refractive Index ที่ต่างกันระหว่างเจ็ทและอากาศ  ดังนั้นเจ็ทจะทำหน้าที่เสมือนไฟเบอร์ออปติกชนิด Multimode Fiber ที่มีค่า NA สูงมาก ๆ ทำให้ลำแสงไม่บานออกไปเรื่อย ๆ จึงทำให้แสงสามารถตัดวัสดุได้หนาขึ้น

ผู้ผลิตรายแรก ๆ ที่ได้คิดค้นและผลิตเครื่องมือตัดที่ใช้นำลำน้ำเข้ามาช่วยควบคุมทิศทางของลำแสงเลเซอร์ในขณะตัด อย่างบริษัท Synova ได้จัดตั้งทีมงานนักออกแบบของบริษัทขึ้นเอง โดยมีความร่วมมือกับกลุ่มผู้เชี่ยวชาญทางด้าน fiber laser จากบริษัท IPG Photonics ร่วมกันออกแบบในครั้งนี้ โดยจุด-ประสงค์หลักที่ตั้งไว้คือเครื่องมือตัดที่จะสร้างต้องเป็นเครื่องมือที่ไม่ต้องการการบำรุงรักษา ส่วนชนิดของ fiber laser ที่ทางบริษัท Synova ใช้เป็นแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์คือ Nd: YAG เลเซอร์ ซึ่งให้แสงที่ความยาวคลื่น 1060 nm กินกำลังเฉลี่ย 100 W และปล่อยสัญญาณพัลส์ (Pulse) ในช่วงคาบ 100 ns และ 1 micros ที่อัตราความถี่ระหว่าง 20 และ 50 Hz

ทั้งนี้เครื่องมือตัดที่ใช้เทคนิคดังกล่าวยังให้ผลลัพธ์ที่น่าทึ่งอีกหลายอย่างคือคุณภาพงานตัดที่ได้จัดอยู่ในขั้นดีเยี่ยม  “Exceptional Quality” เพราะน้ำเป็นตัวสำคัญที่ช่วยลดอุณหภูมิของชิ้นงาน ณ บริเวณรอยตัดลง ทำให้พื้นที่ที่ได้รับผลกระทบจากอุณหภูมิสูงที่เรียกว่า “Heat-affected Zone” (HAZ) เล็กลง และโมเมนตัมของเจ็ทยังช่วยนำเศษตัดออกไปด้วย ทำให้ขอบตัดมีความเรียบคมและสะอาด “Clean Cut” รวมทั้งอุปกรณ์เหล่านี้ไม่ต้องการการบำรุงรักษาเลย “Maintenance-free”

การประยุกต์ใช้งานตัดหลัก ๆ คือ งานตัดแท่งโลหะ งานตัดแผ่นโลหะและวัสดุแผ่น (สามารถตัดวัสดุได้หลายชนิด) รวมทั้งวัสดุที่ทั้งแข็งและเปราะอย่างซิลิกอนเวเฟอร์ (Silicon Wafer) โดยเครื่องมือที่บริษัท Synova ออกแบบสามารถที่จะตัดซิลิกอน เวเฟอร์หนา 50 ไมครอน (mm) ที่ความเร็วตัด 200 mm/s ดังเช่นรูปที่ 2 และสามารถเจาะรูชิ้นงาน สแตนเลส (Stainless Steel) ที่หนา 50 ไมครอน (mm) ได้ 25,000 รู ใน 1 ชั่วโมง

เทคนิคการตัดแบบนี้มีใช้ทั้งในอุตสาหกรรมรถยนต์ อุปกรณ์การแพทย์ อิเล็กทรอนิกส์ เครื่องจักรกล และอุตสาหกรรมด้านพลังงานแสงอาทิตย์

ข้อมูลอ้างอิง

1. Bernold Richerzhagen John Manley Roy Housh Frank Wagne, “Water-guided lasers create clean cuts”, Laser Focus World May, 2004

2. http://www.synova.ch/