Верстати для лазерного різання – Вичерпний посібник з пристроїв лазерного різання

Лазерні різаки, які колись вважалися високотехнологічним рішенням, зарезервованим для спеціалістів, сьогодні стали невід'ємною частиною багатьох галузей промисловості. Лазерне різання листів, труб і профілів наразі використовується як у малих майстернях, так і у великих виробничих цехах. До недавнього часу ринок був заповнений різаками на основі технологій CO2 та YAG, але їх все частіше замінюють волоконні лазерні різаки. Ці сучасні машини забезпечують кращі робочі параметри, вищу ефективність, енергозбереження та надійність, революціонізуючи процес лазерного різання.

Як працює волоконний лазерний різак?

Лазерний різак використовує твердотільний лазер, накачуваний напівпровідниковими діодами, як джерело світла. Це дуже цікаве рішення, в якому активним середовищем є оптичне волокно, що складається з трьох шарів:

• зовнішній шар: полімерна оболонка волокна має найнижчий показник заломлення, що запобігає випромінюванню лазерного випромінювання назовні.

• внутрішня оболонка: накачувальне покриття виготовлене з матеріалу з вищим показником заломлення, ніж зовнішній шар. Внутрішня оболонка поводиться як дзеркало, що оточує ядро, а багаторазове відбиття променя від країв шару змушує світло неодноразово повертатися до ядра. Це створює резонатор, який генерує та підсилює світловий промінь.

• ядро: внутрішній шар, легований рідкоземельними елементами, має найвищий показник заломлення і відповідає за поширення сигналу.

Волоконний лазер генерує світловий промінь високої щільності енергії і передає його через оптичне волокно до ріжучої головки. Тут промінь фокусується лінзою, вбудованою в головку, на поверхню оброблюваної деталі, а ділянка, що піддається ультратонкій фокальній точці, плавиться і випаровується.

Промінь волоконного лазера можна сфокусувати навіть до 1/10 діаметра точки, отриманої за допомогою CO2-лазера. Менший діаметр, а також набагато вища яскравість світла дозволяють волоконним лазерам досягати набагато вищої щільності енергії - навіть у 100 разів вищої, ніж у випадку CO2-лазерів. Це забезпечує точне різання матеріалу і дозволяє отримати надзвичайно чисті, гладкі краї з дуже вузьким різальним зазором.

Ключові особливості та можливості лазерних різаків

Лазерні різаки можна розділити на різні групи залежно від форми та типу оброблюваного матеріалу, потужності лазера та ступеня автоматизації роботи. Ринок пропонує великі машини зі столами для різання та обрізки великих листів або різання довгих труб і профілів, а також дешевші компактні пристрої. Останні, завдяки своєму компактному, закритому корпусу та можливості переміщення джерела в інше приміщення, можуть займати дуже мало місця у виробничому цеху.

Елементи, оброблені у волоконних різаках, можуть бути виготовлені з різних матеріалів, таких як: нержавіюча сталь, м'яка сталь, титан, алюміній та тканини, дерево, папір, пластик та керамічні матеріали, а сам матеріал може бути різної товщини. Тому важливою характеристикою волоконного різака є його потужність. Наразі на ринку доступні лазерні різаки з потужністю від 1 кВт до понад 20 кВт, але через вартість найпопулярнішими є пристрої з потужністю до 6 кВт.

Через високу швидкість різання волоконних лазерів важливими елементами різаків є системи, що дозволяють автоматизувати завантаження та розвантаження матеріалів і виготовлених деталей. При високому навантаженні такі рішення, як сховище листового металу, автоматична система завантаження труб і профілів або інтелектуальна система палетизації, дозволяють підвищити ефективність, мінімізувати витрати на лазерне різання та покращити конкурентоспроможність і прибутки компанії.

Багато виробників пропонують пристрої з спеціальними операційними системами та програмним забезпеченням, що дозволяє проектувати деталі та їх оптимальне розміщення на листовому металі, а також програмувати різак і контролювати сам пристрій та його операторів.

Існують також волоконні різаки, оснащені системами Wi-Fi зв'язку, що дозволяють дистанційно керувати пристроєм, що перекладається на краще використання самої машини та вищу ефективність виробництва.

Ключові технічні параметри волоконних лазерних різаків

Лінії поділу волоконних різаків відповідають параметрам самих пристроїв. У випадку різаків зі столами та пристроїв, що ріжуть листи в рулонах, це розмір робочої зони, а у волоконних різаках для труб і профілів - довжина різання труб та їх діаметр.

Для волоконних лазерних різаків параметром, звичайно, є потужність лазерного джерела, яка відповідає за максимальну товщину різаного листа.

Іншими параметрами є точність позиціонування ріжучої головки та точність зміни її положення, а також максимальна швидкість подачі головки.

Основні елементи волоконних різаків

Волоконні різаки - це передові системи, що пропонують високу ефективність і якість різання, що випливає не тільки з самої технології волоконного лазерного різання, але й з використання передових рішень і підсистем машини:

• Лазерне джерело є основним елементом, відповідальним за роботу та метод різання волоконним різаком. Волоконні лазери:

  • Пропонують високу щільність потужності та швидке різання завдяки меншій фокальній точці лазерного променя.

  • Мають у кілька разів більше поглинання завдяки коротшій довжині хвилі.
    Завдяки високій щільності потужності та високому поглинанню вони значно підвищують ефективність і швидкість різання.

  • Мають дуже тривалий термін служби. Орієнтовний термін служби стандартного волоконного лазера становить 100 000 годин, що відповідає приблизно 45 рокам використання.

  • Є дуже енергоефективними та енергозберігаючими. Їхня енергоефективність у три рази вища, ніж у CO2-лазерів, що означає, що вони споживають менше енергії під час роботи, ніж CO2-лазер у режимі очікування.

• Система передачі променя - світловий промінь, згенерований у джерелі, передається до ріжучої головки через волоконно-оптичну систему. Це надійне і практично безремонтне рішення, яке усунуло багато рухомих частин машини, таких як оптичні дзеркала, вакуумні насоси, вентилятори або фільтри, що використовуються в інших типах лазерів. З цієї причини немає запланованої заміни лазерних витратних матеріалів протягом згаданого періоду 100 000 годин роботи джерела.

• Головка є ріжучим елементом волоконного різака. Вона складається з сопла, фокусуючої лінзи та системи відстеження фокусу. Деякі різаки також оснащені системами камер для моніторингу роботи головки в реальному часі. Головка рухається вздовж запрограмованого шляху різання з точністю та швидкістю, які є одними з основних параметрів різака. При програмуванні процесу різання також необхідно встановити висоту головки відповідно до типу матеріалу, що ріжеться, та його товщини.

• Лінза - якість лазерної лінзи безпосередньо відповідає за вихідну потужність лазера та ефективність всієї машини, а високоякісні лінзи без оптичних забруднень дозволяють різати матеріали дійсно потужними лазерами. Лінза також є найчастіше використовуваним компонентом лазерних різаків, а також найбільш чутливим.

• Система охолодження має два основні завдання. Перше - охолодження лазерного генератора, який перетворює електричну енергію в світлову, і в якому решта енергії перетворюється в тепло. Друге - видалення надлишкового тепла та забезпечення рівномірної роботи лазера. Крім того, система охолодження забезпечує стабільну роботу системи передачі променя, запобігає деформації та розтріскуванню лінзи, спричиненим надмірною температурою. Волоконні різаки використовують повітряні або водяні системи охолодження.

• Система ЧПУ - система управління відповідає за роботу всіх модулів лазерного різака, таких як системи завантаження та розвантаження, системи налаштування листів, труб і профілів. Однак її найважливішим завданням є контроль вихідної потужності лазера та контроль подачі ріжучої головки по осях X, Y та Z. Система ЧПУ дозволяє встановлювати ріжучу головку як вертикально, так і під кутом. А після оснащення різака додатковим плечем також можливе 3D-різання та обрізка. Крім того, система ЧПУ відповідає за стабільність і швидкість роботи волоконного різака, а її розширені функції можуть ефективно покращити точність і якість різання.

• Стіл / Поперечна балка - лазерні різаки мають дуже високі вимоги до стабільної роботи машини. Високоякісні столи, відлиті з сірого чавуну або алюмінію, забезпечують високу жорсткість, довговічність і стійкість пристрою до вібрацій і дозволяють досягти максимальної стабільності та точності процесу різання. У свою чергу, великі лазерні різаки використовують поперечні балки, які повинні характеризуватися відповідною жорсткістю, одночасно гнучкістю та міцністю, що полегшує швидку подачу ріжучої головки під час різання.

• Двигун є основним елементом, відповідальним за подачі систем волоконного різака і чиї параметри мають прямий вплив на швидкість і ефективність виробництва, а також на якість кінцевого продукту. В даний час широко використовуються крокові двигуни та сервоприводи, а тип двигуна слід вибирати відповідно до типу роботи, яку виконує різак.

• Система видалення парів і забруднень - під час процесу різання - особливо при різанні пластику - утворюються пари та пил, які можуть впливати не тільки на якість процесу різання, але й на здоров'я операторів. Тому різаки оснащені автоматичними системами видалення парів і пилу, які не тільки дбають про працівників, що обслуговують пристрої в залі, але й роблять пристрій екологічно чистим.

Прес, плазмове різання, водоструминне або лазерне різання?

Штампувальні преси є відмінним рішенням, що використовується для різання матеріалів, яке чудово працює у випадку дуже великих обсягів виробництва, пропонуючи найнижчу собівартість виготовлення продукції. Вони вимагають додаткових інвестицій в інструменти, але дають можливість виконувати багато інших процесів, таких як формування або нарізання різьби. Традиційні револьверні преси можуть вирізати отвори та будь-які форми і є дуже економічними, хоча, знову ж таки, вони потребують додаткового інструменту. А пробивні машини, хоча і мають значно нижчу ефективність, ніж лазерні різаки, дозволяють формувати вироби, подібно до штампувальних пресів.

Іншим рішенням, яке дуже підходить для різання товстих матеріалів і для застосувань, де якість краю відрізаної деталі не є найважливішою, є системи плазмового різання та системи водоструминного різання. Однак у їхньому випадку, як і у випадку більшості методів термічного різання, оброблені метали можуть мати велику зону термічного впливу.

Пам'ятаймо також, що хоча системи плазмового різання та водоструминні системи набагато дешевші за лазерні різаки, вони набагато повільніші. Звичайно, можна підвищити ефективність обох машин, встановивши кілька головок і різаючи напівфабрикати, розташовані в стопках, але цей підхід значно знижує якість кінцевих продуктів.

Лазерні різаки є найновішим і найсучаснішим рішенням. Вони пропонують високу точність, якість, ефективність, надійність і гнучкість, і саме тому вони послідовно витісняють старіші технології, що використовуються в промисловості протягом кількох десятиліть.

Чому варто інвестувати в лазерний різак?

Компанія, яка наразі не має власного лазерного різака, зазвичай передає роботу одному або кільком субпідрядникам, які мають такі можливості. Це рішення не пов'язане з високим ризиком і може працювати досить добре, за умови, що час на виконання замовлень забезпечує певну гнучкість. Тим не менш, рано чи пізно виробник все одно повинен розглянути, чи повинна його компанія виконувати лазерне різання самостійно. Щоб дізнатися, просто перевірте щомісячні рахунки за лазерне різання деталей, тому що, як сказав Генрі Форд: "Якщо вам потрібна машина, і ви її не купуєте, то в кінцевому підсумку ви виявите, що заплатили за неї, але не маєте її".

Ринок наразі пропонує багато варіантів придбання лазерних різаків. Їх можна придбати у дилерів, що спеціалізуються на продажу вживаного обладнання, або у виробників оригінальних різаків, або їхніх представників, які надають найсучасніше ріжуче обладнання та відремонтовані машини. Останні, хоча й не можуть мати параметрів нових систем, але все одно працюватимуть набагато краще, ніж інші пристрої з подібним пробігом.

Також слід пам'ятати, що лазерні різаки від визнаних виробників OEM у галузі зазвичай дорожчі, але, з іншого боку, вони пропонують кращі параметри та обладнання, що забезпечує вищу якість виробництва та надійність.

Відкрийте для себе лазерні різаки FALCON

Волоконний лазер, CO2 чи YAG?

На промисловому лазерному ринку домінують три типи рішень: старіші YAG-лазери, традиційні CO2-лазери та найновіші волоконні лазери.

YAG-лазери

YAG-лазер - це напівпровідниковий лазер, в якому активним середовищем є монокристал YAG (ітрій-алюміній-гранат) з вбудованим неодимом (Nd:YAG) або ітрієм (Yt:YAG). Ці пристрої пропонують дуже високу імпульсну потужність, необхідну для зварювання, свердління та різання металів, металів з покриттям, напівпровідників і різних сплавів, а також пластиків і кераміки. Вони також використовуються для гравіювання, маркування шляхом відпалу або гравіювання різних металів і пластиків, а також для виконання підповерхневих маркувань на прозорих матеріалах, таких як скло або акрил.

YAG-лазер може бути з'єднаний з водяним струменем, який використовується для проведення світлового променя до оброблюваної поверхні. Цей метод використовується, наприклад, для різання кремнієвих пластин. Водяний струмінь потім видаляє забруднення та охолоджує оброблюваний матеріал. Недоліком цих машин є їхня вартість, не тільки через ціну, але й тому, що вони мають короткий термін служби від 8 000 до 15 000 годин.

CO2-лазери

CO2-лазери масово використовуються в промисловості вже більше двох десятиліть. Це газові лазери, які генерують лазерний промінь, передаючи електричну енергію через резонатор, заповнений газовою сумішшю, що містить CO2. Потім пристрій використовує дзеркала для фокусування та передачі променя до головки, відповідальної за обробку матеріалу. CO2-лазери дуже ефективні, надійні, пропонують тривалий термін служби та відмінну якість променя.

Цей тип лазера найчастіше використовується для обробки дерева або паперу (та їх похідних), плексигласу та інших акрилових пластиків. Він також добре працює для обробки шкіри, тканин, шпалер і подібних матеріалів. І хоча найкращі ефекти від використання CO2-лазера отримуються при обробці неметалевих матеріалів, він також може різати та обробляти тонкі алюмінієві листи та інші кольорові метали.

Волоконні лазери

Волоконний лазер з'явився на ринку близько 2008 року. Це пристрій, який характеризується не тільки низькими експлуатаційними витратами, але й пропонує вищу швидкість різання та надійність порівняно з традиційними CO2 та YAG-лазерами.

На ранній стадії розвитку волоконна технологія дозволяла різати тільки тонкі матеріали на високих швидкостях. Однак після появи потужніших лазерів волоконні лазери досягають таких швидкостей обробки навіть для матеріалів товщиною 2 см. В результаті популярність волоконних лазерів постійно зростає, незважаючи на їхню вищу ціну.

Волоконна технологія також означає нові можливості, оскільки волоконні різаки можуть різати відбиваючі матеріали, такі як латунь або мідь, що було дуже складно з CO2-лазерами. Вони також генерують промінь з щільністю енергії в 100 разів вищою, ніж CO2-лазери з подібною потужністю джерела, що робить їх енергоефективними та забезпечує вищу швидкість обробки.

Волоконні лазери - це точні та ефективні машини, ідеально підходять для дуже різноманітних промислових застосувань, починаючи від високопотужного різання та зварювання до завдань, що вимагають меншої потужності, наприклад, у виробництві напівпровідників і фотоелектричних систем. Це модульні та масштабовані пристрої, які можна налаштувати відповідно до потреб різних процесів - від наносекундних гравірувальних машин до багатокіловатних систем для зварювання та різання.

Волоконні лазери прості у впровадженні та експлуатації. Вони також зазвичай менші та легші, ніж традиційні лазери. І оскільки CO2-лазери досить делікатні через необхідність точного налаштування дзеркал і лінз, волоконні лазери набагато міцніші завдяки використанню оптичних волокон. З тієї ж причини вони можуть працювати в багатьох різних середовищах, а менші волоконні різаки можна легко переміщувати без необхідності повторного налаштування оптичної системи.

Волоконні лазери досить універсальні і відмінно справляються - залежно від потужності - з різноманітними процедурами обробки для багатьох матеріалів. Вони чудово виконують різання та обрізку листового металу, рулонних листів, труб і профілів, а також маркування металів шляхом відпалу, гравіювання металів і маркування пластиків. Вони дозволяють обробляти метали та неметали, і навіть скло, дерево та пластики. Вони ідеально підходять для роботи з тонкими матеріалами - для матеріалів товщиною понад 20 мм необхідно інвестувати у волоконний лазер з потужністю понад 6 кВт, що, на жаль, набагато дорожче.

Вище ми представили багато технологій різання матеріалів, які наразі доступні на ринку. Вибір правильного рішення залежить від виробничих потреб компанії та, не будемо приховувати, її фінансових можливостей. Однак ми ставимо на волоконні лазери, тому що вважаємо, що вони найбільш універсальні, точні та ефективні, і що просто важко конкурувати з якістю продуктів, виготовлених з їхньою допомогою.

Дізнайтеся про: Лазерний різак для листового металу від FALCON

Переваги волоконних лазерних різаків

Волоконні лазерні різаки набагато точніші, ніж механічні верстати, вони також більш гнучкі, енергоефективні, займають менше місця та допомагають захистити навколишнє середовище. Вони також забезпечують високу ефективність і повторюваність виробництва, а технологія лазерного різання дозволяє отримати ідеальні, гладкі краї деталей і пропустити етап кінцевої обробки.

Лазери загалом краще працюють при обробці округлих і складних форм порівняно з механічними верстатами, і додатково:

• Процес різання є безконтактним і швидким, а ультравузька фокальна точка лазерного променя означає, що зона термічного впливу та деформація оброблюваної деталі дуже малі, а її краї гладкі та чисті.

• Величезною перевагою лазерних різаків є їхня швидкість. Лазер здатний різати товсті матеріали за один прохід, тоді як інші верстати можуть вимагати кількох проходів.

• Технологія лазерного різання також означає менше витратних матеріалів і запасних частин, що особливо помітно у волоконних різаках, де лазерний промінь передається до ріжучої головки за допомогою оптоволокна. Це також означає, що у випадку волоконних лазерних різаків немає необхідності мати та замінювати різні інструменти та наконечники, що дозволяють різні типи різання. Менше запасних частин також означає нижчі витрати на технічне обслуговування та сервіс. Особливо оскільки у волоконних лазерах, направлення променя через оптоволокно усунуло багато рухомих частин.

• Різання, висікання, маркування та гравіювання, а також подача матеріалу та збір деталей значною мірою автоматизовані, що забезпечує високий ступінь контролю над виробництвом і підвищує ефективність.

• Великою перевагою лазерних різаків є їхня енергоефективність, яка у випадку волоконних лазерів досягає 30%. Це означає, що ці пристрої споживають менше енергії при роботі на повному навантаженні, забезпечують значну економію та допомагають захистити навколишнє середовище.

Матеріали, оброблені за допомогою лазерних різаків

За допомогою лазерного різака можна обробляти більшість металевих матеріалів, таких як нержавіюча сталь, вуглецева сталь, м'яка сталь, золото, срібло, титан і титанові сплави, нікелеві сплави, оцинкований листовий метал, мідь, алюміній, металеві сплави тощо, а також керамічні матеріали, пластики, текстиль, дерево і навіть папір. Тип і товщина різаного матеріалу залежать від потужності лазера та використовуваного обладнання.

• Нержавіюча сталь є матеріалом, який найчастіше використовується та обробляється виробниками в різних галузях промисловості. Це також найпопулярніший матеріал, який ріжуть волоконними лазерами.

• Вуглецева сталь - товщина лазерно-різаного або лазерно-різаного листа вуглецевої сталі може бути 25 мм і більше. Для сталі товщиною більше 25 мм слід використовувати волоконний лазер з потужністю більше 6 кВт.

• Алюміній і алюмінієві сплави, мідь і латунь є матеріалами з високим коефіцієнтом відбиття та теплопровідністю. Мідь і латунь не можна було різати старішими типами лазерів. Однак волоконні лазери чудово справляються з ними, дозволяючи різати як тонкі, так і товстіші листи та деталі з алюмінію, міді та латуні товщиною 15 мм і більше, залежно від типу сплаву та потужності лазера.

Застосування лазерних різаків

Лазерні різаки широко використовуються в автоматизованому серійному виробництві та таких галузях, як: аерокосмічна, автомобільна, санітарна, електронна. Вони також використовуються, наприклад, для виробництва ювелірних виробів, декоративних елементів, деталей або в рекламній чи фітнес-індустрії для виробництва металевих виробів. Лазерні різаки широко використовуються для різання, висікання, маркування та гравіювання листового металу та рулонного листового металу, наприклад, у промисловості сільськогосподарських машин. Лазерні різаки роблять справжній фурор у цій галузі промисловості, особливо оскільки традиційно використовувані там пробивні машини змушують використовувати багато типів пуансонів, що, в свою чергу, значно обмежує введення змін у продукти.

Лазерні різаки відмінно підходять для швидкого та точного різання труб і профілів, а також для вирізання відповідних отворів будь-якої форми в них. Крім того, краї деталей, виготовлених за допомогою лазерної технології, мають дуже високу якість і не потребують подальшої обробки.

Різаки також використовуються в меблевій промисловості, наприклад, у виробництві шаф (розподільчих, металевих шаф для документів), витяжок або металевих стільниць. Їх виробництво вимагає повторюваності, точності, ідеальної обробки і, що найважливіше, високої ефективності.

Виробництво в автомобільній промисловості означає короткі серії повторюваних елементів з високим рівнем складності, які підлягають високим вимогам до якості, а також швидке переналагодження виробництва та необхідність маркування кожної деталі.

Лазерні різаки також можуть різати та висікати вироби зі спеціальними, іноді унікальними формами на основі проектів, підготовлених у програмах CAD/CAM.

Як вибрати правильну лазерну різальну машину?

При виборі лазерного різака потрібно ретельно розглянути свої поточні та майбутні потреби, тобто визначити тип оброблюваних компонентів та їх товщину, а також тип обробки матеріалу (різання/висікання, маркування/гравіювання) і відповідно підібрати обладнання. Нижче ми підготували важливі критерії, які варто враховувати при виборі лазерного різального пристрою:

• Оброблювані матеріали - тут слід враховувати розмір, товщину та властивості оброблюваного матеріалу, оскільки вони дозволять правильно підібрати потужність лазера та розмір столу різака. Також слід враховувати тип матеріалу - на ринку доступні лазерні різаки, оснащені вежами для подачі листового металу або системами для завантаження та позиціонування труб і профілів.

• Потужність лазера - одним з найважливіших параметрів лазерних різаків є їхня потужність, оскільки вона безпосередньо відповідає товщині різаного матеріалу та швидкості самого різання.

• Програмне забезпечення - більшість лазерних різаків оснащені власними системами OEM і чудово працюють з популярними програмами CAD/CAM. Однак необхідно дізнатися, які функції пропонує це програмне забезпечення і чи може воно бути інтегроване з системами, які вже використовуються в компанії.

• Післяпродажне обслуговування - післяпродажне обслуговування повинно включати встановлення, введення в експлуатацію, використання, ремонт і технічне обслуговування машини. Також слід звернути увагу на гарантійний термін. І хоча сучасні волоконні лазери в основному не вимагають обслуговування, як і всі пристрої, вони можуть вийти з ладу. І кожна поломка означає непотрібні простої та втрати. Тому при виборі лазерного різака варто звернути увагу на сервісне обслуговування. Тим більше, що це технологічно складні пристрої і вимагають відповідних навичок сервісних працівників.

Лазерні різаки штурмують різні галузі промисловості, доводячи свою корисність у виробництві все нових і нових продуктів. І хоча це досить дорогі пристрої, ситуація радикально змінюється в момент початку роботи, оскільки фактичні витрати на різання лазерним різаком досить низькі. Особливо якщо врахувати точність, гнучкість і високу ефективність виробництва, які вони пропонують.