Как работает лазерная резка: разбираемся в технологии

Лазерная резка против плазменной – что лучше

Плазменная резка и технология лазерной резки металла в спб постоянно конкурируют друг с другом. При определенных условиях они могут быть взаимозаменяемыми, но есть моменты, в которых целесообразнее выбрать одну из них.

В задачах, где качество деталей имеет первоочередное значение, лазерная технология будет предпочтительней. Она позволяет получить точный перпендикулярный рез, таким образом, кромки деталей будут лучше.

Нагрев при лазерной обработке локален, в результате удается избежать деформации изделий, так как зона термического воздействия маленькая. Еще одним плюсом является точность получаемых деталей, особенно при формировании отверстий и фигур сложной конструкции.

Схема лазерной резки металла.

Основным преимуществом данной технологии является высокая производительность. Особенно это касается работы с листовым материалом толщиной до шести миллиметров. В таком случае обеспечивается высокая скорость обработки и хорошая точность.

Лазерная обработка не оставляет на тонколистовом металле окалин или других дефектов. Это позволяет отправлять полученные детали в использование или передавать на следующие технологические этапы производства без дополнительной обработки.

Для металлов толщиной 20-40 миллиметров лазерная резка применяется редко, а при больших толщинах она не используется.

Плазменная, по сравнению с лазерной резкой, позволяет обрабатывать более широкий спектр материалов по толщине. В этом случае также обеспечивается достаточно хорошее качество работы.

Особенно эффективной такая технология оказывается в работе с медью, легированными и углеродистыми сталями, алюминием и сплавами на его основе. Следует учитывать, что этот метод имеет некоторые ограничения по толщине металлов, к которым он применим.

Плазменной резке характерна конусность поверхности реза от трех до десяти градусов. Формирование отверстий в материалах большой толщины может привести к отличию верхнего и нижнего радиусов. Так в металле толщиной 20 мм радиусы отверстий могут отличаться на 1мм.

Итак, однозначно сказать, что лучше: плазменная или лазерная резка нельзя. Как видно из приведенного выше описания, обе технологии хорошо справляются только с материалами небольшой толщины.

В случае обработки металлов толщиной более шести миллиметров более выгодным будет плазменный метод. Он обеспечит высокую скорость работы и экономичность в плане энергетических затрат.

Действие лазерного резака.

В то же время, качество резов, полученных на тонколистовом металле с помощью лазерной резки, существенно выше. Так что в случае необходимости получения деталей сложной формы она будет предпочтительней.

Кроме того лазерное оборудование позволяет решать более широкий спектр задач. С его использованием можно выполнять разметку, маркировку, формировать отверстия и т.д. Что касается срока службы лазерных агрегатов, то они несравнимо больше, чем у плазменных.

Существенным критерием также является стоимость оборудования. Аппараты для плазменной резки стоят дешевле. Однако необходимо учитывать и другие критерии, такие как стоимость расходных материалов, а также срок службы. В итоге может получиться, что лазерное оборудование выйдет дешевле.

Что касается расходных материалов, то для обоих методов применяется воздух и кислород. Кроме того необходимо рассчитывать затраты на электроэнергию. В плазменном методе к расходным элементам относится сопло, электрод, рассекающее кольцо. В лазерном – линзы, сопла, фильтры.

В итоге сравнивая все параметры, можно сделать вывод, что работать с тонкими деталями выгоднее лазерной резкой, а с более толстыми – плазменной. Расходы при эксплуатации оборудования будут зависеть от многих факторов, поэтому в каждом конкретном случае они могут существенно отличаться друг от друга.

Преимущества и недостатки лазерной резки

У обработки материалов лазером есть ряд сильных и слабых сторон.

Преимущества:

1. Зависимо от мощности выбранного оборудования, можно разделять листы большой толщины.
2. Резка металла лазером выполняется без соприкосновения рабочей части с поверхностью изделия. Это исключает механические повреждения материала.
3. Высокая скорость проведения технологического процесса.
4. Если установка для лазерной резки комплектуется ЧПУ, можно добиться высоких показателей точности, производительности.
5. Выделение минимального количества отходов.
6. Возможность создавать резы разных размеров, формы.

Недостатки:

1. Установка расходует много электроэнергии.
2. Простые модели не могут разделять листы шириной свыше 20 мм.

Лазерная резка в инертном газе

Данный вид лазерной резки применяется в тех случаях, когда необходимо избежать возможного окисления кромок металла. Эта технология подходит для резки нержавеющей стали, алюминия или титана. В связи с тем, что отсутствует дополнительный источник нагрева, эффективность резки в инертном газе значительно ниже, чем при лазерно-кислородной резке.

Характерные особенности лазерной резки в инертном газе.

• при такой резке в качестве инертного газа обычно выступает азот, а при резке титана — аргон.
• резка в инертном газе требует применения фокусирующих линз повышенной толщины, поскольку давление режущего газа достигает от 10 атм и выше.
• формирующаяся в процессе резки сверхзвуковая струя режущего газа выдувает капли расплавленного металла из зоны реза.
• излучение фокусируется строго на нижней поверхности листа.
• расстояние между срезом сопла и поверхностью металла минимально и составляет 0,5 — 1 мм.
• лазерная резка в инертном газе предусматривает применение сопла, имеющего большой диаметр, достигающий до 3 мм.
• скорость лазерной резки в инертном газе относительно низка.

Технология лазерной резки металла

Воздействие лазерного излучения на металл при разрезании характеризуется общими положениями, связанными с поглощением и отражением излучения, распространением поглощенной энергии по объему материала за счет теплопроводности и др., а также рядом специфических особенностей.

В области воздействия лазерного луча металл нагревается до первой температуры разрушения – плавления. С дальнейшим поглощением излучения происходит расплавление металла, и фазовая граница плавления перемещается в глубь материала. В то же время энергетическое воздействие лазерного луча приводит к дальнейшему увеличению температуры, достигающей второй температуры разрушения – кипения, при которой металл начинает активно испаряться.

Таким образом, возможны два механизма лазерной резки – плавлением и испарением. Однако последний механизм требует высоких энергозатрат и осуществим лишь для достаточно тонкого металла. Поэтому на практике резку выполняют плавлением. При этом в целях существенного сокращения затрат энергии, повышения толщины обрабатываемого металла и скорости разрезания применяется вспомогательный газ, вдуваемый в зону реза для удаления продуктов разрушения металла. Обычно в качестве вспомогательного газа используется кислород, воздух, инертный газ или азот. Такая резка называется газолазерной.

Например, кислород при газолазерной резке выполняет тройную функцию:

• вначале содействует предварительному окислению металла и снижает его способность отражать лазерное излучение;
• затем металл воспламеняется и горит в струе кислорода, в результате выделяется дополнительная теплота, усиливающая действие лазерного излучения;
• кислородная струя сдувает и уносит из области резки расплавленный металл и продукты его сгорания, обеспечивая одновременный приток газа непосредственно к фронту реакции горения.

В зависимости от свойств разрезаемого металла применяются два механизма газолазерной резки. При первом значительный вклад в общий тепловой баланс вносит теплота реакции горения металла. Такой механизм резки обычно используется для материалов, подверженных воспламенению и горению ниже точки плавления и образующих жидкотекучие оксиды. Примерами могут служить низкоуглеродистая сталь и титан.

При втором механизме резки материал не горит, а плавится, и струя газа удаляет жидкий металл из области реза. Данный механизм применяется для металлов и сплавов с низким тепловым эффектом реакции горения, а также для тех, у которых при взаимодействии с кислородом образуются тугоплавкие оксиды. Например, легированные и высокоуглеродистые стали, алюминий, медь и др.

 

Назначение и применение лазерной резки

Особенно широкое применение лазерная резка имеет в создании сувенирной бизнес-продукции. Еще ее применяют при оформлении лайтбоксов, объемных и светящихся букв, украшающие рекламные вывески, витрины магазинов, входы в торговые залы и входные группы торговых центров.

Лазерная резка помогает создавать большое количество POS-материалов разного назначения. Среди них кармашки для рекламных листовок, ростовые фигуры, выносные штендеры, трафареты и наклейки, коробочки для чеков, холдеры для размещения мелких товаров в прикассовой зоне и другие виды продукции, используемые в торгово-выставочных комплексах.

Другие примеры популярных способов применения лазерной резки:

• украшение сувениров и подарков;
• нанесение надписей на кабинетные таблички, вывески и шильды;
• декоративное оформление промопродукции;
• оформление стоек рецепции, уголков покупателя, стендов (нанесение букв, логотипа и пр.);
• создание уникальной рекламной продукции из акрила.

Лазерная резка оргстекла

Технология лазерной резки особенно часто используется в отношении оргстекла, поскольку это наиболее простой и точный способ обработки такого материала. Из оргстекла создают сувенирную и наградную продукцию, POS-материалы и наружную рекламу. Особое распространение на оргстекле получила лазерная гравировка. Это не резка материала, а его поверхностное оплавление, которое и позволяет получать видимые рисунки и создавать рельефные изображения.

Не меньшее распространение получили акрилайты – тонкие световые панели из оргстекла. Их тоже изготавливают с помощью лазерной резки. Акрилайт может быть многослойным, состоять из нескольких стекол с разной гравировкой. Подсвечивая слои в определенной последовательности, можно сделать изделие динамичным, «живым». Благодаря анимации акрилайт привлекает больше внимания, поэтому реклама оказывается более эффективной.

Лазерная резка кожи и картона

Кожа и картон очень распространены в рекламной сфере, особенно для изготовления изделий с изогнутым контуром и сложными декоративными элементами. Возможности лазерной резки позволяют без проблем создать самый замысловатый дизайн. Можно резать абсолютно разные виды кожи: натуральную, замшу, нубук, велюр, кожзаменители. Особенно часто из них изготавливают обложки для ежедневников и книг, кошельки, корочки для документов.

Из картона с помощью лазерной резки можно создавать:

• коробки и другую упаковочную продукцию;
• визитки, открытки, полиграфию;
• трафареты, поделки, детские книжки;
• конструкторы и модели;
• промышленные вставки и прокладки;
• элементы декора и оформления интерьера.

Существуют разные виды картона, и лазерное оборудование настраивают под каждый сорт материала, что позволяет добиться высокого качества готовой продукции.

Типы лазеров

Лазер, как правило, состоит из трех основных узлов:

• источника энергии (механизма или системы накачки);
• активного (рабочего) тела, которое подвергается «накачке», что приводит к его вынужденному излучению;
• оптического резонатора (системы зеркал), обеспечивающего усиление вынужденного излучения активного тела.

Для резки обычно применяются следующие типы лазеров:

• твердотельные и
• газовые – с продольной либо поперечной прокачкой газа, щелевые, а также газодинамические.

В осветительной камере твердотельного лазера размещаются лампа накачки и активное тело, представляющее собой стержень из рубина, неодимового стекла (Nd-Glass) или алюмо-иттриевого граната, легированного иттербием (Yb-YAG) либо неодимом (Nd-YAG). Лампа накачки создает мощные световые вспышки для возбуждения атомов активного тела. По торцам стержня расположены зеркала – частично прозрачное (полупрозрачное) и отражающее. Лазерный луч усиливается в результате многократных отражений внутри активного тела и выходит через частично прозрачное зеркало.

 

Серийные твердотельные лазеры имеют сравнительно небольшую мощность, как правило, не превышающую 1–6 кВт. Длина волны – около 1 мкм (рубинового лазера – около 694 нм). Режим излучения может быть как непрерывным, так и импульсным.

В газовых лазерах в качестве активного тела применяется смесь газов, обычно углекислого газа, азота и гелия. В лазерах с продольной прокачкой газа смесь газов, поступающих из баллонов, прокачивается с помощью насоса через газоразрядную трубку. Электрический разряд между электродами, подключенными к источнику питания, используется для энергетического возбуждения газа. По торцам трубки размещены отражающее и полупрозрачное зеркала.

Более компактными и мощными являются лазеры с поперечной прокачкой газа. Их общая мощность может достигать 20 кВт и выше.

 

Весьма эффективны щелевые CO₂-лазеры. Они имеют еще меньшие габариты, а мощность их излучения обычно составляет 600–8000 Вт. Режим излучения – от непрерывного до частотно-импульсного.

В щелевом лазере применяется поперечная высокочастотная накачка активной среды (с частотой от десятков МГц до нескольких ГГц). Благодаря такой накачке увеличивается устойчивость и однородность горения разряда. Щель между электродами составляет 1–5 мм, что способствует эффективному отводу тепла от активной среды.

Наиболее мощные лазеры – газодинамические (100–150 кВт и выше). Газ, нагретый до температуры 1000–3000 К, протекает со сверхзвуковой скоростью через сопло Лаваля (суженный посередине канал), в результате чего он адиабатически расширяется и охлаждается в зоне оптического резонатора. При охлаждении возбужденных молекул углекислого газа происходит испускание когерентного излучения. Накачка лазера может осуществляться вспомогательным лазером или другим мощным источником энергии.

Длина волны излучения углекислотных лазеров составляет 9,4 или 10,6 мкм.

Твердотельные лазеры плохо обрабатывают неметаллы, поскольку ряд таких материалов полностью или частично прозрачен для излучения с длиной волны около 1 мкм, например, оргстекло. Лазерный луч более чувствителен к неровной поверхности обрабатываемого материала. Однако при раскрое алюминиевых сплавов, меди и латуни твердотельные лазеры имеют преимущество по сравнению с углекислотными, поскольку поглощение излучения поверхностью этих металлов значительно выше на длине волны твердотельного лазера.

Углекислотные лазеры более универсальны и применяются для обработки почти любых металлов и неметаллов. Кроме того, у них очень низкая расходимость луча, что дает возможность разместить источник излучения далеко от зоны обработки без потери качества луча.

Преимущества лазерного станка при работе с тканью

• Полная автоматизация процесса и универсальный режущий инструмент для всех операций значительно уменьшают времязатраты на раскрой.
• Бесконтактная резка исключает необходимость в фиксации исходного сырья и его смещение.
• Возможность многослойной резки с сохранением идентичности кроя на всех слоях.
• При контакте лазер оказывает термическое воздействие на любую поверхность, поэтому края тканей в месте прохождения луча имеют легкую оплавленность. Она не портит вид изделия и не требует постобработки, но при этом хорошо предохраняет срез от появления бахромы и придает ему аккуратный вид.
• Лазерный станок идеально подходит не только для кроя, но и для перфорации материалов. Толщина лазерного излучения составляет доли миллиметра, а автоматическое управление обеспечивает безукоризненную точность позиционирования луча. Сочетание этих факторов позволяет создавать сложные кружевные узоры даже на “капризных” тканях вроде нейлона или органзы.
• Аппликация – еще один метод работы с проблемными тканями, доступный только с использованием лазерных технологий. Ни один нож или ножницы не смогут вырезать сложный узор из шелка так точно и качественно, как это делает лазерный луч.

При помощи лазерной перфорации самую скучную ткань можно превратить в заготовку для авторского изделия

Отдельно стоит отметить высокую скорость движения лазера, что в сочетании с многослойной резкой и автоматизированным процессом работы существенно ускоряет производство готовой продукции.

Соотношение параметров резки для некоторых материалов:

• 2 слоя синтетической ткани – 25 м/мин;
• 2 слоя органзы – 50 м/мин;
• 5 слоев бязи – 3 м/мин;
• 3 слоя плащевки – 50 м/мин.

Как работают установки лазерного излучения

Чтобы понять, как работают установки лазерного излучения, можно вспомнить всем нам знакомый способ выжигания по дереву с помощью увеличительного стекла. В этом случае сфокусированный солнечный свет нагревает ограниченный участок поверхности, на которую направлен.

Лазерное излучение тоже является световым. Для его появления поток света пропускают через несколько оптических призм и зеркал, добиваясь появления сфокусированного узконаправленного луча. Он способен нагревать поверхность, на которую направлен, значительно быстрее и сильнее луча, сфокусированного с помощью линзы, потому что имеет намного меньшую площадь поперечного сечения и значительно бо́льшую силу потока.

Строго говоря, воздействие на поверхность оказывает поток квантов электромагнитного излучения – фотонов.

Хорошей установкой считается та, которая может точно фокусировать и сохранять стабильность лазерного луча. Обработка металла происходит в три этапа: сначала луч нагревает его до температуры плавления, затем материал закипает и начинает испаряться, а после этого рабочий орган установки начинает двигаться по заданной траектории, вырезая деталь нужной конфигурации.

При большой глубине реза для выведения расплавленного металла из рабочей зоны используют струю вспомогательного газа. Это может быть инертный газ, кислород или воздушная смесь. Установки, в которых используется вспомогательный газ, называют «газолазерными резаками».

Кислород очень удобен в качестве вспомогательного газа. Он не только выводит расплавленный металл и его оксиды из рабочей зоны, но и увеличивает скорость работы.

Это установка лазерной резки, которую использует наша компания

Основные способы раскроя металла

Производственники, в целях оптимального раскроя материала и минимизации объема отходов, стремятся подобрать оптимальный способ раскроя листового материала или проката исходя из технологий, применяемых для разделки металла на заготовки. Например, при использовании дисковых ножниц или газового резака, допустимо расположение заготовок в любом месте листа. В то время как, при раскрое на гильотинных ножницах необходимо следовать определенным ограничениям. Заготовку необходимо так размещать, что существовала возможность реализовать прямолинейные резы вдоль или поперек листа и прямых резов под углом.

Станок для резки листового металла с дисковыми ножницами

В случае необходимости обработки большой партии заготовок имеет смысл использовать комбинированный метод. Он заключается в том, что заготовки, имеющие разную форму, укладывают в прямоугольник с минимизированными размерами. Затем эти прямоугольники используют для лучшего заполнения листа. Формирования размерной последовательности. Перемещая эти формы по поверхности, получают улучшенную форму конфигурации.

Метод лучшего заполнения короткой стороны листа

Метод лучшего заполнения короткой стороны листа – это позволяет снизить количество отходов, вызываемых отсутствием кратности. Остающаяся часть листа будет несколько короче чем вдоль длинной стороны. Заготовки должны быть подобраны таким образом, чтобы их размеры позволили оптимальным образом заполнить меньшую сторону листа. Для разметки вдоль длиной стороны выполняют аналогичную работу.

Суть способа формирования размерных последовательностей заключена в следующем — заготовки располагают на листе от крупных к мелким.

На основании проведенных работ составляют карту раскроя. Затем, определяют потребное количество материалов (листа или другого проката). Кстати, это основной документ, который должен быть на рабочем месте оператора заготовительной машины.

Из плотной бумаги или картона подготавливают шаблоны

Из плотной бумаги или картона подготавливают шаблоны заготовок, которые необходимо раскроить. Шаблоны располагают на лист и путем передвижения и их совмещения между собой получают оптимальный раскрой листового материала.