Понять технологию лазерной резки - подробный обзор технологии лазерной резки

Это руководство предназначено для инженеров, производителей и бизнесменов, которые изучают альтернативные варианты лазерной резки. В нем рассматривается технология лазерной резки, ее соответствующие преимущества, области применения и новые технологии.

1. Что такое лазерная резка?

Сфокусированный луч света разрезает различные материалы с высокой точностью и более эффективно, чем другие методы; примерами материалов являются пластик, дерево, текстиль и металлы.

• С помощью специальной оптики мощный лазер фокусируется на поверхности разрезаемого материала.
• Луч лазерного света обычно сужается до 0,001 дюйма (0,025 мм) в диаметре и содержит лазерную энергию, которая либо плавится, либо горит, либо испаряется в зависимости от взаимодействия в точке контакта.

По сравнению с традиционными станками современные машины способны выполнять сложные и утонченные формы, а также замысловатые конструкции, которые раньше считались невозможными при использовании традиционного оборудования. Во время работы струя газа, обычно азота или кислорода, используется для выдувания расплавленного материала, сохраняя при этом чистые края и избегая загрязнения зоны резки.

Работающий станок лазерной резки с ЧПУhttps://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/79/CNC_Laser_Cutting_Machine.jpg/500px-CNC_Laser_Cutting_Machine.jpg

2. Принципы лазерной резки

Электричество используется для фокусировки света в световой луч. В зависимости от типа используемого лазера он настраивается на определенные длины волн. Свет преобразуется в высококонцентрированное излучение, способное передать большое количество тепловой энергии, достаточное для того, чтобы расплавить, сжечь или испарить находящийся под ним материал. Плотность мощности, достигаемая в этом случае, может достигать нескольких мегаватт на квадратный сантиметр. Это позволяет работать с материалами от тонких листов до пластин толстых металлов.

• Эта линза улавливает энергию и концентрирует ее в точке диаметром менее или равным 0,32 мм, что обеспечивает исключительную мощность в точке реза.
• Такая фокусировка позволяет лазеру резать со скоростью несколько метров в минуту, в зависимости от типа и толщины материала.

Газ, такой как кислород, азот или даже сжатый воздух, подается в режущую головку под давлением от 1 до 20 бар. Этот газ выполняет множество жизненно важных функций: выдувает расплавленный материал из зоны реза, предотвращает его повторное закрепление, защищает линзу от перегрева материала, наносит потенциальный ущерб, а иногда участвует в процессе резки посредством термических экзотермических реакций. Тип используемого газа оказывает значительное влияние на качество и скорость резки - например, при резке низкоуглеродистой стали кислород повышает скорость за счет экзотермических реакций. Азот же обеспечивает чистый, без окислов рез нержавеющей стали и алюминия.

• Сложная технология CNC (Computer Numerical Control) контролирует количество осей, запрограммированных на траекторию резки. Каждая из осей движения работает с микросекундной точностью.
• Такой уровень цифрового управления обеспечивает непревзойденную точность, в данном случае в пределах ±0,1 миллиметра материала: непревзойденную повторяемость при многочисленных резах и сложных элементах, а также постоянство процесса резки при многогранных процессах резания.

Последние модели систем ЧПУ легко интегрируются с CAD/CAM-системами, позволяя создавать автоматические траектории движения инструмента, следить за выполнением задания в процессе работы и контролировать такие важные параметры, как мощность, скорость и давление вспомогательного газа. Такая точность обеспечивает возможность выполнения сложных резов без потери однородности качества при массовом производстве.

Вид крупным планом на работающий лазерный резак
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/1d/LaserCutter.jpg/500px-LaserCutter.jpg

3. Иллюстрация преимуществ и недостатков технологии лазерной резки

Преимущества

В отличие от других распространенных методов, лазерная резка обеспечивает непревзойденный уровень точности и аккуратности.

• Возможность применения сфокусированного луча для резки позволяет получать очень чистые края и незначительную деформацию материала, что идеально подходит для сложных конструкций и жестких допусков.
• Технология лазерной резки отличается универсальностью, поскольку может работать с материалами, состоящими из металлов, пластмасс, дерева и даже текстиля. Такая гибкость делает ее ценным инструментом во многих отраслях промышленности и различных сферах применения.
• Технология сокращает время производства, уменьшает отходы материалов и практически исключает необходимость переналадки между различными работами.
• В современных системах лазерной резки функции автоматизации приводят к снижению трудозатрат и повышению производительности. Многие из существующих сегодня систем могут работать в течение длительного времени при минимальном внимании оператора.
• Важным преимуществом является отсутствие контакта с режущим инструментом. Благодаря этому исключается износ инструмента, связанный с традиционными методами резки, поддерживается стабильное качество продукции на протяжении всего производственного цикла, а требования к техническому обслуживанию значительно ниже.

Недостатки

Лазерная резка обеспечивает точность и аккуратность, однако это недостатки метода.

• Значительные капиталовложения требуются для приобретения оборудования, программного обеспечения и других изменений в инфраструктуре здания, необходимых для создания систем качества.
• Что касается ограничений по материалам, то гибкость лазерной технологии несколько ограничена. Для работы с металлами с высокой отражательной способностью, такими как латунь и медь, требуются определенные типы лазеров, а некоторые материалы при резке могут выделять токсичные газы.
• Энергозатраты на эксплуатацию лазеров остаются довольно высокими. Стоимость эксплуатации оборудования, особенно при резке толстых материалов, высока из-за потребности в электроэнергии, связанной с операциями резки.
• Требуются специальные знания по эксплуатации и обслуживанию систем лазерной резки. Сложные техники должны хорошо разбираться в механических и программных компонентах управления.
• Зоны термического воздействия могут повлиять на чувствительные приложения. Механизм термической резки лазера может изменить структурные свойства материала на границах вблизи разреза.

4. Представление двух новых типов станков для лазерной резки

a. Станок для лазерной резки (CO2)

Станки для лазерной резки CO2 наиболее эффективны при работе с неметаллическими материалами, такими как дерево, пластик, акрил, текстиль и даже бумага. CO2-лазеры являются газовыми молекулярными лазерами и используют дополнительные газы, такие как азот, ксенон, гелий и водород, которые повышают термическую стабильность и эффективность луча.

• CO2-лазеры работают на частоте 10,6 микрометра, а это значит, что органические материалы будут легко поглощать лазеры.
• Благодаря этому лазерные станки CO2 доказали свою эффективность при резке и гравировке неметаллов с замысловатыми деталями.
• Когда лазер сфокусирован должным образом, он создает длину волны, которая минимизирует искажения, позволяя выполнять резку с мелкими деталями.
• Усовершенствованные системы CO2 используют циркулярно поляризованные лучи, которые значительно уменьшают вредные отражения и повышают эффективность резки таких металлов, как алюминий и латунь, что делает эти системы эффективными для резки отражающих металлов.
• Сужение толщины материала приводит к увеличению скорости резки до 30 метров в минуту. Качество луча обеспечивает гладкую кромку, что делает ненужными вторичные операции, такие как полировка.
• Более продвинутые системы оснащены автоматическими регуляторами высоты с емкостным датчиком, которые позволяют лазерной головке сохранять постоянное расстояние до поверхности разрезаемого материала, обеспечивая постоянную фокусировку и качество реза на неровных поверхностях.

Современные лазерные системы CO2 оснащены интуитивно понятным управлением и широкой базой данных материалов. Эти функции облегчают работу пользователей, сохраняя правильные настройки резки для различных материалов и их толщины. Системы управления, такие как программное обеспечение для лазеров Ruby®, позволяют пользователям работать от проекта до готового изделия и включают такие функции, как автофокусировка, маркировка красным светом и интегрированная диагностика системы, что еще больше повышает точность.

В последнее время появились камеры высокого разрешения, используемые для позиционирования, модульные необслуживаемые стыкуемые лазерные трубки, усовершенствованные системы охлаждения, повышающие энергоэффективность при сохранении производительности охлаждения, и другие инновации системы. Все эти разработки соответствуют сдвигам в остальной части обрабатывающей промышленности в сторону устойчивого производства, четвертой промышленной революции и промышленного Интернета вещей.

Панель управления системы лазерной резкиhttps://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/dc/Laser-and-CNC-Control.jpg/500px-Laser-and-CNC-Control.jpg

b. Станок лазерной резки (широкий формат)

Широкоформатные станки для лазерной резки специально разработаны для достижения максимальной точности.

• Благодаря усовершенствованным рабочим зонам широкоформатные станки лазерной резки соответствуют отраслевым стандартам для массового производства.
• Область резки обычно составляет от 1,5 x 3 метров до огромных платформ 4 x 20 метров, что позволяет использовать стандартные размеры промышленных листов.
• Широкоформатные машины способны работать с материалами любой толщины - от фольги до 25-миллиметровых стальных листов.

Автомобилестроение, производство тяжелого оборудования и аэрокосмическая промышленность - вот лишь некоторые из отраслей производства, в которых широкоформатные машины используются благодаря своей универсальности.

В конструкцию обычно входит “летающая оптика”, когда неподвижный материал разрезается движущейся головкой.

• Такая конфигурация позволяет быстро обрабатывать большие листы, сохраняя стабильное качество луча по всей зоне резки.
• Вертикальные подъемные портальные системы оснащены линейными двигателями и прецизионными рельсами, которые могут достигать ускорения до 3G, с точностью позиционирования ±0,05 мм.
• Такая конструкция устраняет проблему перемещения громоздких материалов во время резки, что, в свою очередь, снижает механическую нагрузку на компоненты и продлевает срок службы машины.
• Новые системы оснащены жесткими мостами, которые значительно снижают вибрацию при резании, гарантируя точность размеров по всей рабочей поверхности при многоосевом высокоскоростном резании.

С помощью современных систем хранения листы могут подаваться непосредственно на станину для резки после автоматического выбора и подачи необходимого листа.

В этих системах хранения может храниться до 30 тонн сырья.

Промышленная широкоформатная система лазерной резки с летающей оптикой

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c4/Industrial_4kW_laser_with_flying_optics_system.jpg/500px-Industrial_4kW_laser_with_flying_optics_system.jpg

5. Область применения лазерной резки

Станки для лазерной резки используются во многих отраслях промышленности:

• Многочисленные детали автомобиля, как эстетические, так и структурные, производятся в массовом порядке и интегрируются в различные модели и марки автомобилей. Все они в значительной степени зависят от точности лазерной резки для создания ровных и сложных деталей, например, приборных панелей.
• Эта технология широко используется в аэрокосмической промышленности для изготовления сложных деталей авиационных двигателей, элементов фюзеляжа и деталей интерьера.
• Сектор электроники полагается на прецизионную лазерную резку печатных плат и корпусов компонентов. Микропрецизионная лазерная резка позволяет изготавливать более компактные и сложные устройства с замысловатым внутренним дизайном.
• Лазерная резка широко используется при производстве хирургических инструментов и имплантируемых устройств в индустрии медицинского оборудования. Ее высокая значимость для биосовместимых материалов обусловлена способностью создавать чистые срезы с минимальной зоной термического воздействия.
• Лазеры открывают безграничные возможности для дизайна одежды и текстиля, поэтому они завоевали такую популярность в этих двух отраслях.
• Дизайнеры используют эту технологию для создания рисунков и украшений с помощью методов резки, слишком продвинутых, чтобы их можно было достичь традиционными способами.
• Нестандартные металлические фасады, декоративные панели и предварительно вырезанные элементы зданий - вот некоторые примеры использования в архитектуре. Сложные архитектурные элементы автоматически выравниваются по отношению к остальным компонентам благодаря точности и повторяемости функций лазерной резки.
• Бизнес по производству дисплеев и вывесок использует лазерную резку благодаря ее универсальности в работе с материалами. Замысловатые дисплеи возможны благодаря тому, что технология позволяет получить точные края.
• Поскольку лазерная резка позволяет создавать индивидуальные узоры, мебельная промышленность может использовать ее для декоративных инкрустаций и замысловатых соединений, максимально увеличивая стоимость изделий.
• В корпусах и внутренних компонентах бытовой электроники все чаще используется лазерная резка. С помощью лазерной резки производители могут точно выполнять последовательные вырезы для портов, кнопок и других деталей без ущерба для качества.

Каждая отрасль, независимо от того, к какой сфере она относится, выигрывает от разнообразия благодаря точности, скорости и совместимости с материалами.

6. Тенденция будущего развития технологии лазерной резки

В области лазерной резки происходят захватывающие события, в том числе:

• Сверхбыстрые лазерные системы. Эти системы используют фемтосекундные и пикосекундные импульсы для “холодной резки”, что означает отсутствие зоны термического воздействия.
• Операции лазерной резки претерпят значительные изменения благодаря интеграции искусственного интеллекта и машинного обучения.
• Эти технологии поддерживают изменение процессов в реальном времени, предиктивное обслуживание и автоматическое выявление дефектов.
• Достижения гибридной лазерной технологии улучшают обработку высокоотражающих материалов, таких как золото, медь и латунь. Например, зеленые лазеры имеют более короткую длину волны, что обеспечивает лучшее поглощение.
• Лазерные системы нового поколения разработаны для повышения энергоэффективности без снижения производительности резки.
• В некоторых случаях механическое удаление режущей головки позволяет значительно увеличить скорость обработки. Эти области применения расширяются благодаря дистанционной лазерной резке, в которой вместо традиционных режущих головок используются системы сканеров.
• Дополнением к этому процессу является лазерная резка, использующая гибридные производственные системы. Эти интегрированные решения включают в себя формовку, сварку или 3D-печать на одной платформе.
• Системы мониторинга и эксплуатации, использующие облачные технологии, позволяют управлять оборудованием для лазерной резки из разных мест. Они позволяют отслеживать производство в режиме реального времени, оптимизировать ресурсы и поддерживать новые совместные структуры производства.
• Новые специализированные лазерные источники позволяют создавать более совершенные материалы из ранее сложных материалов, таких как композиты из углеродного волокна, керамика и полупроводниковые материалы. Специализированные лазерные источники продолжают расширяться.
• Возможности микропроцессорной обработки развиваются, чтобы удовлетворить потребности электронной и медицинской промышленности. Лазерные системы последнего поколения позволяют достичь микронных размеров деталей с непревзойденной точностью для выполнения ранее невозможных задач.

В перспективе интеграция искусственного интеллекта, новых технологий автоматизации и современных лазерных источников позволит еще больше усовершенствовать производство, повысив его точность, гибкость и экологичность при одновременном снижении необходимости автоматизации с участием человека.

Резюме

В различных отраслях промышленности лазерная резка, основанная на сфокусированной световой энергии, является принципом и основой для использования в аэрокосмической, медицинской и даже потребительской продукции. С каждым днем лазеры предлагаются для все более широкого применения и расширения своих возможностей.

Системы CO2 имеют широкий спектр применения и отлично справляются с обработкой непериферийных деталей, а широкоформатные станки обеспечивают эффективность маркировки в промышленных масштабах. Эти системы, как и все другие, использующие лазерную резку, предлагают непревзойденные преимущества скорости, точности и универсальности при сокращении отходов.

Многообещающее будущее этой технологии - результат внедрения искусственного интеллекта наряду с устойчивыми практиками и передовыми возможностями обработки материалов. Предприятия, которые всегда стремятся получить преимущество за счет непревзойденной точности и эффективности, будут использовать лазерную резку и укрепят свой фундамент в области основных производственных технологий.

Понимание этих основ - в частности, лазерной резки - может изменить производственные возможности, открыть новые рыночные возможности и обеспечить значительные конкурентные преимущества в современном производственном ландшафте с постоянно растущими требованиями.