Мощный луч света, который разрезает любые материалы от картона до металла, можно создавать по‑разному. В любом случае в этом процессе участвует электричество и активная среда, которая генерирует свет под воздействием этого электричества. Но вот эта активная среда может быть разной. Соответственно будут отличаться и физические свойства образовавшегося луча, и, соответственно, его рабочие качества. В этой статье мы не будем вдаваться в дебри высокой физики. Во‑первых, мы сами не физики, а практики. И про теорию вам куда лучше расскажут специализированные научно‑популярные издания. А во‑вторых, мы и пишем не для студентов‑физиков, а для практиков — производственников и предпринимателей, которые заказывают для своих задач лазерную резку. Мы понимаем вас — и поэтому расскажем то, что нужно вам в первую очередь: практические различия между разными видами лазерной резки.
Газовые лазеры для резки твердых материалов
Как понятно из названия, активной средой этих лазеров является газ. Углекислый газ, CO2. Под действием мощного тока этот газ переходит в возбужденное состояние и начинает излучать свет.
Однако хаотичный газ, конечно, излучает его как попало, во все стороны — и для работы его еще потребуется собрать в луч. За это отвечает сложная система зеркал и линз. Она концентрирует луч и направляет его в нужную точку. В этом и заключается одна из проблем газовых лазеров — для работы нужно, чтобы все эти зеркала были целы, их было достаточно, и вся эта система была точно настроена. Настройщик оптических систем — дорогостоящий специалист, регулярная работа которого, естественно, закладывается в стоимость резки газовым лазером, которую оплачивает заказчик.
Впрочем, газовые лазеры всё равно пока остаются чрезвычайно распространенными — они этого достойны, за долгие годы их существования они подтвердили, что выдают качественный луч и достаточно мощны.
По мощности, правда, есть нюанс. Мощности распространенных газовых лазеров вполне достаточно для того, чтобы разрезать дерево, различные пластики, стекло, даже камень — но вот металл дается им туго. Здесь вопрос в их КПД. Даже сконцентрированный луч CO2-лазера оказывается значительно больше в диаметре, чем луч, например, волоконного лазера. Значит, та же самая энергия распределяется по большой поверхности — и, скорее всего, ее окажется недостаточно, чтобы эффективно нагревать металл до точки плавления.
Так что в металлообработке газовые лазеры использовать невыгодно.
А вот пример корпуса производства «Металл‑Кейс»:
Корпус аудиоаппаратуры с шелкографией (4 фото)
Как сделать лазерный резак в гараже
Все гениально просто, поэтому для создания такого оборудования, которое способно вырезать красивейшие узоры в прочных сталях, можно сделать из обычных подручных материалов. Для изготовления обязательно потребуется старая лазерная указка. Помимо этого, следует запастись:
- Фонариком, работающим на аккумуляторных батарейках.
- Старым DVD-ROM, из которого нам потребуется извлечь матрицу с лазерным приводом.
- Паяльник и набор отверток для закручивания.
Первым шагом будет являться разборка привода старого дисковода компьютера. Оттуда нам следует извлечь прибор. Будьте аккуратны, чтобы не повредить само устройство. Привод дисковода должен быть пишущим, а не просто читающим, дело в строении матрицы устройства. Сейчас в подробности вдаваться не будем, но просто используйте современные нерабочие модели.
После этого, вам обязательно нужно будет извлечь красненький диод, который прожигает диск во время записи на него информации. Просто взяли паяльник и распаяли крепления этого диода. Только ни в коем случае не бросайте его. Это чувствительный элемент, который при повреждениях может быстро испортиться.
При сборке самого лазерного резака следует учесть следующее:
- Куда лучше установить красный диод
- Каким образом будут запитываться элементы всей системы
- Как будут распределяться потоки электрического тока в детали.
Помните! На диод, который будет выполнять прожиг, требуется намного больше электричества, нежели на элементы указки.
Решается эта дилемма просто. Диод из указки меняется красной лампочкой из привода. Разобрать указку следует с той же аккуратностью, что и дисковод, повреждения разъемов и держателей, испортят ваш будущий лазер для резки металлов своими руками. Когда вы это сделали, можно приступать к изготовлению корпуса для самоделки.
Для этого вам потребуется фонарик и аккумуляторные батарейки, которые запитают лазерный резак. Благодаря фонарику у вас получится удобная и компактная деталь, не занимающая много места в быту. Ключевым моментом оборудования такого корпуса является правильно подобрать полярность. Удаляется защитное стекло с бывшего фонарика, чтобы оно не являлось преградой для направленного луча.
Последующим действием является запитка самого диода. Для этого вам необходимо подключить его к зарядке аккумуляторной батареи, соблюдая полярность. В завершении проконтролировать:
- Надежность фиксации устройства в зажимах и фиксаторах;
- Полярность устройства;
- Направленность луча.
Читать также: Как припаять металл к металлу паяльником
Неточности докрутить, а когда все готово можно поздравить себя с успешной завершенной работой. Резак готов к использованию. Единственное, что нужно помнить — его мощность намного меньше, чем мощность производственного аналога, поэтому слишком толстый металл ему не под силу.
Осторожно! Мощности прибора достаточно, чтобы навредить вашему здоровью, поэтому будьте осторожны во время управления и старайтесь не запихивать пальцы под луч.
Кристальные лазеры для резки металла
Активной средой таких лазеров является кристалл. Чаще всего используются кристаллы:
- Nd:YAG (алюмо‑иттриевый гранат, легированный ионами неодима),
- Nd:YVO (иттриевый ваданат, легированный ионами ниодима).
Кристалл не светится сам по себе, он только «разгоняет» направленный в него свет из системы накачки. Система накачки — это:
- импульсные лампы — устаревший вариант, который в основном уступил место новому технологическому уровню, но кое‑где еще может использоваться,
- диоды — современный вариант, на котором работает большинство выпускаемых сейчас лазеров на кристаллах.
Такой лазер уже вполне способен эффективно справляться с металлами.
Однако без нюансов не обошлось и здесь. Даже современные диоды накачки создают сложности экономического характера. Они, с одной стороны, сравнительно быстро приходят в негодность и их нужно заменять. Уместный срок службы диодов накачки — от 8 до 15 тысяч часов работы. С другой стороны, эти диоды — вещь дорогая. И, естественно, стоимость их износа закономерно ложится, опять же, на плечи заказчика лазерной резки — производственникам приходится включать расходы на будущую покупку новых диодов в стоимость выполняемых сейчас заказов.
Вот что мы предлагаем:
Производство корпусов для промышленного оборудования
Основной принцип лазерной резки
Лазерный луч (так называемый лазер) – это когерентное монохроматическое вынужденное излучение узкой направленности, инициатором которого в активной среде выступает внешний энергетический фактор (электрический, оптический, химический и т. д.). В основе этого физического явления лежит способность веществ излучать волны определенной длины.
Фотонное излучение происходит в момент столкновения атома с другим когерентным (идентичным) фотоном, который не поглощается в процессе. Фотоны, которые при этом становятся «лишними», и образуют лазерный луч.
Принцип лазерной резки заключается в том, что излучение оказывает тепловое воздействие на обрабатываемые материалы. В процессе обработки происходит нагревание металла до температуры плавления, а затем до температуры кипения, достигнув которой материал начинает испаряться. В связи с высокой энергозатратностью, такая обработка подходит для металлов небольшой толщины.
Работа с относительно толстыми листами выполняется при температуре плавления. Для облегчения процесса применяют подаваемый в зону обработки газ. Чаще всего пользуются азотом, гелием, аргоном, кислородом или воздухом. Задача газа заключается в удалении из области резки расплавленного материала и продуктов сгорания, поддержании горения металла и охлаждении прилегающих зон. Самым эффективным газом, используемым в процессе обработки, является кислород, позволяющий повысить скорость и глубину реза.
Благодаря высокой концентрации энергии лазерный луч проникает в материал обрабатываемой детали. За счет его воздействия в зоне резки происходит расплавление, испарение, воспламенение или другие процессы, меняющие структуру металла и вызывающие его исчезновение.
Лазерная резка схожа с обычной механической, но вместо режущего инструмента используется луч лазера, а также нет отходов, которые при механической обработке представляют собой металлическую стружку, а при работе с лазером они просто испаряются.
Срез металла при лазерной обработке очень тонкий, к тому же сама область реза очень мала (включая минимальную деформацию и температурную нагрузку на прилегающие зоны). Благодаря этим особенностям резка лазером является наиболее высококачественным способом обработки металлов. К тому же принцип лазерной резки позволяет использовать ее в работе практически с любыми материалами, независимо от конструкционных особенностей, формы и размера (включая бумагу, резину, полиэтилен и др., которые в силу мягкости или малой толщины не могут быть обработаны фрезой).
Прежде чем перейти к описанию принципа лазерной резки, поговорим об установках для работы с лазером, состоящих из трех основных частей:
- Рабочей (активной) среды, создающей лазерное излучение.
- Источника энергии (системы накачки), благодаря которому возникает электромагнитное излучение.
- Оптического резонатора, представляющего собой систему зеркал, которые усиливают излучение.
Возникновение лазерного луча можно описать следующим образом – за счет источника энергии активная среда (к примеру, рубиновый кристалл) из внешней среды получает фотоны, имеющие определенной энергию. Проникая в активную среду, фотоны вырывают из ее атомов аналогичные частицы, однако сами в процессе не поглощаются.
VT-metall предлагает услуги:
Активная среда дополнительно насыщается за счет действия оптического резонатора (например, двух параллельно расположенных зеркал), благодаря чему имеющие одинаковую энергию фотоны многократно сталкиваются с атомами, тем самым порождая новые фотоны. Одно из зеркал оптического резонатора делают полупрозрачным, позволяющим пропускать фотоны в направлении оптической оси (в виде узконаправленного луча).
Лазерная резка металлов обладает следующими преимуществами:
- Поскольку режущий элемент не вступает в механический контакт с разрезаемой поверхностью, возможно обрабатывать легкодеформируемые или хрупкие материалы.
- Принцип лазерной резки позволяет работать с металлами, имеющими различную толщину. У стальных заготовок она может варьироваться от 0,2 до 30 мм, у алюминиевых сплавов – от 0,2 до 20 мм, у медных и латунных деталей – от 0,2 до 15 мм.
- Лазерная резка отличается высокой скоростью.
- Этот способ позволяет работать с заготовками, имеющими любую конфигурацию.
- Благодаря лазерной резке детали имеют чистые кромки, а отходы практически отсутствуют.
- Резка отличается высокой точностью – до 0,1 мм.
- Плотная раскладка заготовок на листе обеспечивает более экономичный расход листового металла.
Этот способ обработки имеет и определенные недостатки, в первую очередь речь идет о высоком потреблении энергии, а также об использовании дорогостоящего оборудования.
Волоконные лазеры для резки металла
Самая современная на данный момент технология генерации лазера среди широко используемых в промышленности. Они так же, как и кристальные, относятся к группе твердотельных. Активной средой таких лазеров является специальное стекловолокно. Оно, опять же, не светится само по себе, первоначальный луч в него посылает сравнительно слабый «затравочный» лазер. Но уже в волокне, в которое поступает электроэнергия, этот луч «разгоняется» до огромной мощности — и вырывается наружу тонким пучком.
- Разница по интенсивности излучения с газовыми лазерами может достигать 100 раз — при той же самой мощности излучения. Благодаря этому можно делать более точные, ювелирные разрезы — и благодаря этому же можно резать такие стойкие материалы, как металл.
- В отличие от газовых и кристальных лазеров, волоконные практически не требуют специального обслуживания. Никаких особенных настроек. Просто режь — и всё. Естественно, это сказывается на расходах, освобождая заказчика резки от дополнительных наценок внутри стоимости лазерной резки.
- В отличие от кристальных лазеров, волоконный спокойно служит не 8 и не 15 тысяч часов, а все 25. И это также сказывается на структуре стоимости резки и издержках заказчика.
А вот пример корпуса производства «Металл‑Кейс»:
Нержавеющие кронштейны с радиусной гибкой (7 фото)
Не только резка заготовок большой толщины, но также сокращение времени
Не нужно быть экспертом в технологии резки волоконным лазером, чтобы знать, что если с помощью лазера мощностью 4 кВт можно разрезать пластину толщиной 6 мм, то с помощью лазера мощностью 8 кВт ее можно разрезать еще быстрее. А теперь подумайте, что можно сделать с помощью станка для лазерной резки на 12 кВт. А как насчет 15 кВт?
Такие мощности доступны сегодня производителям изделий из металла, но было бы неправильно сосредоточиваться исключительно на резке толстого металла с помощью этих новых мощных волоконных лазеров. Станки мощностью 10, 12 и даже 15 кВт могут делать гораздо больше, чем просто резать толстые заготовки, даже если это первое, что приходит в голову изготовителю изделий из металла, когда он говорит об этих мощных станках. Реальность такова, что подавляющее большинство компаний по производству металлопродукции обрабатывают металл толщиной 6 мм или меньше. Есть не так много производств, где требуется лазерная резка очень толстого металла специального назначения для чего-то вроде ядерных реакторов. Таких областей применения не так много.
Максимальное использование времени на смену заготовки
Конечно, время обработки заготовки на станке для резки волоконным лазером во многом зависит от способности системы загружать листы и выгружать вырезанные детали и каркасы. Изготовитель не получит преимущества по времени производственного цикла, если ему придется ждать несколько минут, пока не произойдет замена заготовки.
Многие предлагаемые сегодня устройства смены поддонов были разработаны для работы с CO2-лазерами, которые работают гораздо медленнее по сравнению с волоконными лазерами. Скорее всего, они используют гидравлику, и на замену листа может потребоваться от 35 до 50 секунд.
Самые современные устройства смены поддонов основаны на сервоприводе и могут заменить поддон менее чем за 10 секунд. Если в процессе производственной операции обычно листы меняются от шести до десяти раз в час, то современное устройство смены поддонов может добавить от одного до двух часов резки в неделю, что в противном случае было бы недоступно при более медленной технологии обработки металла.
Эта автоматизация погрузки и разгрузки очень важна. Производитель, который может отрезать и снять лист или пластину и заменить их за секунды, получает от своей машины для резки с волоконным лазером максимальную производительность. В свою очередь тот, кто может резать быстрее, но все еще испытывает простои, связанные с медленным перемещением материала, простаивает лазер без причины.
Когда дело доходит до выбора технологии смены поддонов, производитель должен выбрать такую, которая может обрабатывать самые толстые и тяжелые заготовки, которые он обрабатывает. Типичная пластина толщиной 25 мм, размером 3 на 1,5 метра весит 950 кг. В большинстве цехов устройства смены поддонов мощностью в 1 тонну должно быть достаточно. Для всего, что превышает эти размеры, требуется сверхмощная система, предназначенная для работы с гораздо более тяжелыми грузами.
Конструкция волоконнооптичесого лазера и принципы его работы
Устройство создаёт одномодовое излучение с максимальными качественными и рабочими параметрами.
Диаметры волоконных излучателей микроскопические. Это позволяет максимально точно вырезать формы самой сложной геометрии в металлических листах значительной толщины и высокой твёрдости.
Луч, сформированный в оптиковолокне, рассчитан, в первую очередь, на работу с металлами. Этим определя6ется сфера его применения.
Кроме металлов, он достаточно хорошо работает по стеклу, камню, пластикам.
Устройство лазерного источника волоконного типа
Протяжённость кабеля может колебаться от 2 до 100 метров. В целях оптимизации рабочего пространства его собирают в кольцо и укладывают сверху.
Данный принцип преобразования светового в лазерное излучение на сегодня один из наиболее оптимальных. Эффективность данного процесса может достигать 90%. Процесс генерации лазера происходит без искажения фона сформированной волны и потери его мощности на всём маршруте оптического перемещения.
Система формирования лазерного луча в волоконных устройствах включает два базовых элемента:
- полупроводниковые диоды (лампа накачки);
- оптиковолоконный кабель.
Внутри него находится волокно, проводящее свет, сердцевина которого выполнена из прозрачного кварца. Последний легируется ионами редкоземельных металлов. Чаще всего, востребован иттербий.
Концы основного стержня оснащаются дифракционной (брегговской) решёткой. Это штрихи, наносимые специальным образом. На участках, где их нанесли, меняется отражательная способность. Они применяются в роли резонаторов, отражают свет, перемещающийся по волокну, поддерживают необходимую длину волны. Луч, благодаря этому, сохраняет монохромность, иные качественные характеристики.
Включение диодных ламп происходит при пуске станка. Они подпитывают энергией световод, накачивают волокно по длине. Сердцевина переходит в рабочее состояние. Активируется иттербиевое покрытие. Это приводит к генерации ионов.
Дифракционные решётки, играя роль отражающих зеркал, обеспечивают постоянное присутствие части светового потока внутри оптических волокон. Это инициирует процесс создания новых атомов.
Вторая половина формируемой световой энергии излучается вовне мощным и стабильным лучом лазера.
Выходная сторона оптического кабеля стыкуется с режущей головкой, имеющей несколько степеней подвижности. Последняя выставляется над поверхностью обрабатываемого материала. Внутри головки установлена фокусирующая линза. Она, по командам системы управления, формирует из луча пятно требуемого диаметра и подаёт его к месту выполнения реза.
Что подразумевается под быстрой резкой?
По мере увеличения уровня мощности станка для резки с волоконным лазером, эксплуатационные расходы, вероятно, вырастут. Как правило, удвоение мощности увеличивает эксплуатационные расходы лазера на 20–30%. Вот почему так важно, чтобы волоконный лазер работал с максимальной эффективностью, чтобы можно было сократить время неполного цикла и компенсировать более высокие эксплуатационные расходы (защитный газ, электричество, расходники и комплектующие для лазера). Уменьшая время цикла, производитель может уменьшить влияние переменных и постоянных затрат и повысить доходность.
К счастью, волоконные лазеры работают быстро. Просто посмотрите, как они мчатся вверх и вниз по листу металла на выставке. К сожалению, большинство производителей не режут детали с длинными прямыми линиями. Они вырезают маленькие дырочки и необычные геометрические формы. В этой реальности производителю требуется быстрое ускорение, чтобы вовремя воспользоваться линейными скоростями машины.
Например, машина, которая ускоряется со скоростью 10 м/с2, легко уступает по производительности машине, которая ускоряется в два раза быстрее. Когда ускорение увеличивается вдвое, машине требуется половина времени и половина расстояния, чтобы достичь той же запрограммированной скорости.
Скорость, с которой станок может замедляться и ускоряться на поворотах и узких дугах, часто оказывает большее влияние на время цикла, чем мощность лазера или максимальная скорость станка. Таким образом, ускорение очень важно.
В качестве дополнительного примера рассмотрим лазерную резку алюминия толщиной 15 мм с помощью лазера мощностью 4 кВт, который может резать со скоростью около 60 метров в минуту. Если производитель вырезает линию длиной 8 см станком с минимальным ускорением, то лазер мощностью 4 кВт никогда не разгонится до своей максимальной скорости резания, прежде чем начнет замедляться. Между тем, машина с максимальным ускорением достигнет своей максимальной скорости резания на расстоянии в шести сантиметров из восьми.
При обсуждении эффективности резания также полезно учитывать скорость ускоренного хода и ускорение. Это включает движение режущей головки, когда лазер не используется, что составляет от 15 до 25 процентов движения режущей головки по каждому листу. Станки с более высокими скоростями ускоренного хода, превышающими 300 метров в минуту, требуют высокого ускорения для использования высоких скоростей ускоренного хода.
Мощные лазеры нужны всем?
Не всем производителям металла нужен мощный лазер, особенно если у вас недостаточно работы, чтобы загрузить имеющийся станок для лазерной резки. Например, если цех лазерной резки загружен только на половину рабочей смены, и не ожидается, что эта рабочая нагрузка вырастет, то оплата более мощного лазера для сокращения рабочей нагрузки до четверти смены, скорее всего, не принесет хорошей отдачи по инвестициям.
Но если производитель изделий из металла максимально использует свои текущие возможности лазерной резки и возможно хочет добавить еще одну смену, ему определенно следует обратить внимание на высокомощные лазеры. Это особенно верно, если в данный момент используется более старая лазерная технология.
Сегодняшние мощные режущие станки с волоконным лазером могут заменить два или три старых лазера. В то время как производители испытывают трудности с поиском надежных и опытных операторов на станок, можно инвестировать в быстрый и эффективный лазер и сократить количество необходимых операторов, направляя их на другие важные рабочие места в цехе.
Станки для резки с волоконным лазером будут продолжать расти в мощности, если режущая головка и технология обработки материалов смогут соответствовать этому росту мощности. Производители воспользуются преимуществом мощности, если смогут прокормить эти ненасытные режущие машины. Толстый или тонкий материал, значения не имеет.
Преимущество лазерного станка по металлу
- Чистый рез. Изделия не нуждаются в постобработке, так как лазер даёт чистую и ровную кромку. Правильно вырезанное изделие можно сразу отдавать на сварку или покраску без дополнительной обработки;
- Cкорость перемещения лазера при резке может доходить до 50 м/м, это обеспечивает высокую производительность, недостижимую при использовании любого другого оборудования;
- Точность. Диаметр луча настолько маленький, что позволяет делать сквозные отверстия тоньше волоса;
- На оптоволоконном станке можно резать заготовки со сложным контуром благодаря высокой точности позиционирования;
- Заготовки на материале можно размещать встык друг к другу, вплотную заполняя ими листовой материал. Кстати, в металлорезах Wattsan есть специальная функция Nesting, которая помогает автоматически распределять детали максимально плотно друг к другу с минимальными потерями материал;
- Лазер режет бесконтактно, поэтому вам не нужны прижимные приспособления. И это исключает механическое воздействие на материалы и повреждение их поверхности;
- Станок управляется программой, и так как, человек практически полностью исключен из производственного процесса, то во-первых риск брака сводится к минимуму, во-вторых, гарантируется полная идентичность серийной продукции. Кроме того, это сильно ускоряет раскрой металла или выпуск изделий из него.
- И ещё один пункт — это низкие затраты на расходники. Из расходников у вас только газ, защитные стекла и сопла.
