Принципът на проектиране на лазерното рязане е систематична рамка на процеса, изградена върху пресечната точка на оптиката, термодинамиката и науката за материалите. Неговото ядро е прецизното отстраняване и оформяне на материали чрез взаимодействие на контролиран лазерен лъч с висока-енергиен-плътност с материала. Прилагането на този принцип изисква разглеждане на три измерения: лазерно генериране и предаване, механизми за енергийно взаимодействие и съвпадение на параметрите на процеса, образувайки пълна логическа верига от "източник на енергия" до "резултат от обработката".
Лазерното генериране е отправната точка на дизайна. В настоящите индустриални приложения влакнестите лазери, CO₂ лазерите и-лазерите в твърдо състояние показват различни характеристики на лъча поради разликите в усилващата среда и методите на възбуждане: влакнестите лазери използват оптични влакна с добавка на редки-земни-като усилваща среда и постигат висока ефективност на електро-оптично преобразуване (до 30% или повече) чрез полупроводниково изпомпване, извеждане непрекъснато или импулсно лъчи в близката-инфрачервена лента (приблизително 1070 nm), с предимства като отлично качество на лъча (M² близо до 1), компактна структура и-работа без поддръжка; CO₂ лазерите използват CO₂ газова смес като усилваща среда и генерират далечна{10}}инфрачервена лента (10,6 μm) лъч чрез разрядно възбуждане, въпреки че електро-оптичната ефективност е относително ниска (приблизително 10%), но степента на абсорбция за не-метални материали и дебели метални пластини е по-висока; Твърдо{15}}лазерите (като Nd:YAG) използват кристали като усилваща среда и могат да генерират къс-импулс или ултракъс{17}}импулсни лазери, подходящи за сценарии на микро-обработка. Изборът на лазер трябва да се основава на цялостно разглеждане на абсорбционните характеристики на материала за дължината на вълната (напр. медта и алуминият имат висока отразяваща способност спрямо 10,6 μm CO₂ лазери, което ги прави по-подходящи за лазери с влакна), необходимата дебелина на обработка и прецизност. Това е основното въплъщение на принципа "адаптивност на източника на енергия" в дизайна.
Лазерното предаване и фокусиране са от решаващо значение за прецизното доставяне на енергия. Изходният лъч от лазерната резонансна кухина трябва да бъде предаден към обработващата глава чрез оптични елементи като колимиращи огледала и отразяващи огледала. След това фокусиращо огледало (обикновено изпъкнала леща) събира разминаващия се лъч в петно с диаметър от десетки до стотици микрометри. Връзката между диаметъра на петното (d), фокусното разстояние (f) и диаметъра на падащия лъч (D) следва формулата за изобразяване на лещата (d≈f·θ, където θ е ъгълът на отклонение на лъча), директно определяйки енергийната плътност (E=P/(πd²/4), където P е мощността на лазера)-колкото по-малък е размерът на петното, толкова по-висока е енергийната плътност и толкова по-лесно се постига високо{6}}прецизно рязане. Дизайнът изисква избор на фокусно разстояние въз основа на областта на обработка и изискванията за точност (късите фокусни разстояния водят до малка точка на фокусиране, но плитка дълбочина на фокуса, подходяща за прецизно рязане на тънки плочи; дългите фокусни разстояния имат голяма дълбочина на фокус, подходяща за стабилна обработка на дебели плочи). Технологията за динамично фокусиране (като автоматично регулиране на позицията на фокусната точка по оста Z-на обработващата глава, за да следва вълните на повърхността на плочата) се използва за компенсиране на затихването на енергията, причинено от неравностите в плочата, осигурявайки еднаквост на енергията в зоната на действие.
Механизмът на взаимодействие между енергия и материал определя физическата природа на процеса на рязане. Когато лазерен лъч облъчи повърхността на материала, енергията се абсорбира и преобразува в топлина, което води до бързо повишаване на местната температура до точката на топене или дори до точката на кипене (точката на топене на повечето метални материали е над 1000 градуса, а точката на кипене може да достигне 3000 градуса). За материали с ниска топлопроводимост (като неръждаема стомана), топлината се концентрира в зоната на петна, което позволява бързо топене; за силно отразяващи материали (като алуминий и мед), е необходимо да се увеличи мощността на лазера или да се използва импулсен режим (чрез пробиване на прага на отражение с пикова мощност), за да се подобри поглъщането на енергия. Разтопеният метал се издухва от прореза от помощен газ (кислород, азот или сгъстен въздух): кислородът реагира екзотермично с желязото (окисление), осигурявайки допълнителна енергия при рязане, подходяща за високо-скоростно рязане на лесно окисляеми материали като въглеродна стомана; азотът, като инертен газ, премахва шлаката, използвайки само кинетична енергия, като избягва окисляването и води до високо-качествено обезцветено изрязване, подходящо за приложения, изискващи високо качество на повърхността, като неръждаема стомана и алуминиеви сплави. Конструкцията трябва да съответства на типа и налягането на помощния газ въз основа на топлопроводимостта на материала, специфичния топлинен капацитет и характеристиките на окисление-твърде ниското налягане ще доведе до остатъци от шлака, докато твърде високото налягане може да доведе до прекалено широк прорез или загуба на материал. Необходими са числени симулации (като анализ на изчислителната динамика на флуидите (CFD) на полето на газовия поток) за оптимизиране на структурата на дюзата и посоката на въздушния поток, за да се осигури ефективно отстраняване на шлаката, без да се намесва в оптичния път.
Координираният дизайн на параметрите на процеса е в основата на постигането на стабилно рязане. Мощността на лазера (P), скоростта на рязане (v), честотата на импулса (f) и работният цикъл (η) трябва да бъдат съгласувани: мощността определя общата вложена енергия за единица време, скоростта влияе върху продължителността на енергията (енергия на единица дължина=E/v) и двете заедно определят дали материалът е напълно разтопен/изпарен. В импулсен режим честотата и работният цикъл контролират енергията на единичния-импулс (E_pulse=P × η/f) и импулсния интервал, за да се избегне натрупването на топлина, причинено от непрекъснато нагряване (напр. при рязане на дебела плоча ниската честота и високият работен цикъл могат да намалят ширината на-засегнатата от топлина зона). Дизайнът трябва да използва ортогонален експериментален дизайн или алгоритми за машинно обучение, за да създаде база данни за „параметър-дебелина-на материала“. Например, за неръждаема стомана 304 с дебелина 3 mm, оптимизирането на комбинацията от параметри до 1200 W мощност, 2 m/min скорост и 0,8 MPa налягане на азота може да постигне високо-качествено рязане с грапавост на напречното-сечение Ra По-малко или равно на 12,5 μm.
В обобщение, принципът на проектиране на лазерното рязане е много{0}}измерна синергия от „характеристики на източника на енергия, предаване на оптичен път, взаимодействие на материала и съвпадение на параметри“. По същество той трансформира абстрактната „светлинна енергия“ в контролируема „обработваща сила“ чрез прецизен контрол на физическите свойства на лазера и поведението на материала, като в крайна сметка постига ефективно и високо-прецизно оформяне на сложни контури. Непрекъснатото развитие на този принцип (като фемтосекундни/пикосекундни импулси в ултрабързи лазери за потискане на топлинната дифузия и-оптимизиране на параметрите в реално време с помощта на интелигентни алгоритми) непрекъснато разширява границите на приложение на лазерното рязане, което го прави незаменима основна технология в напредналото производство.
