Принцип работы лазерного станка

Лазерная резка представляет собой обработку металла или другого материала направленным потоком энергии высокой мощности. Принцип напоминает традиционную механическую резку, однако вместо металлического резака здесь используется лазерный луч. Такая технология позволяет работать даже с очень тонким листовым металлом, разрезать его на фрагменты сложной формы, создавать изящные детали с художественным оформлением. Рассмотрим подробнее, как работает лазерный станок и из чего он состоит.

Устройство лазерного станка

Устройство и принцип работы лазерного станка – результат продолжительной работы десятков ученых. Впервые идею принудительного излучения миру подарил Альберт Эйнштейн в 1916 году, позднее Джозеф Вебер разработал первый квантовый усилитель. В 1960 году Теодор Майман сконструировал первый лазерный генератор с рубиновым стержнем – этот агрегат дал начало новой технологии резки материалов, которая и сегодня остается одной из самых эффективных.

Чтобы понять, как работает лазерный станок по металлу, нужно разобраться в его устройстве. Такой агрегат состоит из следующих основных компонентов:

• Горизонтальный координатный стол, на котором размещается заготовка из металла или другого материала;
• Лазерный источник. Это излучатель, с помощью которого генерируется поток световой энергии малого диаметра и высокой мощности. Ее достаточно для нагревания поверхности до температуры плавления и испарения металла;
• Оптическая система. Она используется для фокусировки лазерного излучения с помощью поворотных линз и его подачи в заданном направлении;
• ЧПУ-управление. Все выполняемые станком действия контролируются программой: компьютер запускает перемещение подвижной головки по заданным линиям, в результате лазер двигается в нужном направлении и разрезает материал;
• Система подачи газа. Специальная газовая смесь подается через сопло и выдувает расплавленный металл из места реза, в результате края становятся ровными;
• Координатное устройство. Оно обеспечивает перемещение головки в заданном направлении. Конструкция включает в себя электромотор, привод и исполнительный механизм.

Лазерные станки могут комплектоваться воздушным или водяным охлаждением – такая система позволяет избежать перегрева головки и продлевает срок работы станка. Для крупных промышленных станков самым эффективным устройством охлаждения является водяной чиллер.

Особенности эксплуатации лазерного станка

Лазерный станок требует точной настройки оптической системы – ее называют юстировкой. Если лазерный луч не будет точно попадать на зеркала, энергия начнет рассеиваться – в результате материал не прорежется, станок будет расходовать больше энергии с меньшей эффективностью. Кроме того, при неправильном попадании луча на поверхность, края могут оказаться неровными или начнут обгорать. Проверить правильность юстировки можно нажатием кнопки Pulse: если на материале остается пятно не идеально круглой формы, значит станку требуется настройка.

Настройка оборудования

Настройку оборудования необходимо проводить при первых признаках ухудшения качества реза. Проверку желательно выполнять после каждого включения станка перед началом работы – она занимает не больше 5-7 минут. Зеркала настраиваются поворотами регулировочных винтов: нужно добиться: чтобы луч приходил точно в середину каждого зеркала.

Чтобы проверить правильность фокусировки, на сопло наклеивается прозрачный скотч. След от луча должен получиться идеально круглым и отверстие должно располагаться точно по центру сопла. Точная настройка может потребовать времени, но результат полностью оправдает затраты.

Требования к материалам

Принцип работы лазерного станка по металлу остается достаточно энергозатратным, поэтому чаще всего такое оборудование используется для разрезания тонколистовых заготовок. Чем толще материал, тем больше энергии нужно для его обработки. К материалам для лазерной резки предъявляется еще несколько важных требований:

• Поверхность должна быть ровной без заломов, царапин и других дефектов. На поверхности металла не должно быть следов коррозии – потребуется тщательная предварительная зачистка.
• Размер технологических полей должен составлять не менее 10 мм.
• Листовой металл должен быть предварительно разглажен – его нельзя скручивать в рулоны.
• Если на металлической поверхности была антикоррозийная смазка, ее нужно предварительно удалить – это повысит качество обработки материала лазером.

Обслуживание и уход

Регулярное обслуживание лазерного станка продлевает срок его работы и помогает поддерживать высокое качество реза. Чтобы избежать неисправностей, необходимо проводить следующие базовые мероприятия:

• Замена воды в чиллере. Проводить чистку охлаждающей системы рекомендуется 2 раза в месяц, для ее заправки лучше выбирать дистиллированную воду. Температура жидкости не должна подниматься выше 35°С: если она превышает эту отметку, нужно приостановить работу оборудования минимум на 15 минут.
• Чистка вентилятора. В процессе эксплуатации в вытяжном вентиляторе накапливается пыль, что ухудшает его работоспособность. После отключения станка нужно отсоединить гофру, убрать пыль и мусор.
• Периодическая чистка линз. Зеркала достаточно быстро загрязняются, поэтом их нужно очищать с помощью ватной палочки и спирта. При аккуратной очистке зеркала не сдвигаются с места, поэтому не потребуется постоянно проводить настройку.
• Чистка и смазка направляющих, по которым перемещается лазерная головка. Эту работу рекомендуется проводить каждые 2 недели, она помогает обеспечить свободное перемещение без задержек. Для смазки направляющих можно использовать техническое масло или силиконовый спрей.

Периодическое обслуживание помогает поддерживать станок в исправном состоянии и не допускать ухудшения качества реза. Если он стал хуже справляться со своей задачей, необходимо как можно быстрее провести проверку и устранить причины неполадок.

Технология лазерной резки

Принцип работы станка лазерной резки основан на фокусировке излучения и его подаче на материал. Сфокусированный луч приобретает большую энергоконцентрацию, что дает возможность быстро нагревать металл до температуры плавления в заданной точки. Одна из особенностей лазерной резки – ограниченная зона воздействия. Луч нагревает очень небольшой участок и при этом не повреждает соседние зоны – в результате толщина реза будет минимальной, резко уменьшается количество отходов, по сравнению с другими способами резки металла.

Виды лазерной резки

В зависимости от способа воздействия на материал можно перечислить несколько разновидностей лазерной резки:

• Узконаправленное плавление металла. Поверхность быстро прогревается лучом лазера до высокой температуры, после чего расплавленный металл выдувается струей кислорода под давлением. Такая технология обычно применяется для тонколистовых заготовок, при большой толщине металла эффективность плавления снижается. Процесс становится слишком энергозатратным.
• Испарение (сублимационная резка). Такая технология используется для обработки очень тонких заготовок. Материал обрабатывается интенсивными сверхкороткими лазерными импульсами, в результате поверхность разогревается до испарения материала. Пары разогретого металла убираются с помощью струи аргона.
• Лазерное управляемое термораскалывание (ЛУТ). Эта технология применяется для обработки хрупких материалов, в том числе для неметаллов. Линия реза нагревается с помощью лазерного излучения, а затем обрабатывается хладагентом для резкого понижения температуры. Резкие температурные колебания создают поверхностное напряжение материала, в результате чего он раскалывается по линии реза. Процесс контролируется, что позволяет получить ровный край и минимизировать потери материала.
• Кислородная резка с лазерной поддержкой. Такая технология совмещает преимущества двух методов: сначала металл разогревается до температуры плавления, а затем на него направляется мощный поток кислорода под высоким давлением. В результате можно разрезать заготовки толщиной до 10 см. Такая технология обозначается аббревиатурой LASOX.

Выбор метода обработки поверхности зависит от типа металла, его отражающей способности, толщины заготовки и некоторых других факторов.

Алгоритм процесса лазерной резки

Детально процесс лазерной резки заготовки состоит из следующих операций:

1. Подготовка эскиза. Определяется идея будущего изделия, разрабатывается его внешний облик. Составляется чертеж с помощью программного обеспечения в системе CAD.
2. Подготовка макета. Художественный эскиз обрабатывается программой и превращается в макет с точным определением размеров, углов и других технических деталей.
3. Подготовка машиночитаемой инструкции. Она составляется с помощью специализированного программного обеспечения, по ней станок будет проводить обработку заготовки.
4. Настройка станка. Определяется оптимальная мощность с учетом вида и толщины материала, настраивается скорость резки.
5. Установка детали на рабочий стол станка. Она надежно фиксируется, чтобы избежать смещения во время обработки.
6. Пробный пуск, изготовление тестовой детали. После изготовления проверяется ее соответствие требуемым параметрам, при необходимости в программу вносятся коррективы.
7. Запуск серийного производства изделий. После настройки программы станок подготовит требуемое количество копий.
8. Очистка станка, уборка вокруг него после завершения резки.

Обработка после резки

После завершения работы можно дополнительно обработать края заготовок. Они получаются ровными, но могут быть очень острыми, что затруднит дальнейшую работу с изделием. Края можно дополнительно отшлифовать, чтобы уменьшить остроту граней. Изделие может подвергаться дополнительной обработке, например, кислотному травлению, гравировке, покраске и не только.

Параметры качества лазерной резки металлов

Качество лазерной резки можно проконтролировать по нескольким параметрам:

• Ровность поверхности реза. Если она имеет заметный наклон в нижней части, это говорит о недостаточной мощности реза или слишком высокой скорости.
• Наличие грата (заусенцев). Если грат представляет собой капли шлака, оставшиеся от расплавленного металла, значит, нужно поднять точку фокусировки луча или увеличить давление газа для выдувания металла.
• Присутствие металлических заусенцев на нижней стороне. Это говорит о низком давлении газа или наличии в нем загрязняющих примесей.
• Выплескивание металла на верхнюю сторону. Это свидетельствует о низкой мощности лазера и недостаточно быстром плавлении.

При нормальной обработке поверхность края заготовки должна быть ровной, без скосов и грата. При обнаружении дефектов параметры работы станка нужно отрегулировать.

Виды лазерного оборудования

Ответ на вопрос, как работает станок лазерной резки металла, зависит в том числе от разновидности оборудования. Все станки действуют по общему принципу, однако процесс формирования и подачи лазерного луча определяется их техническими особенностями. Рассмотрим подробнее основные разновидности.

CO₂-лазеры

Такие станки оснащаются герметичной трубкой, на концах которой располагаются зеркала. Она заполнена углекислым газом, благодаря которому станок получил такое название. Излучение проходит через оптическую систему вперед и назад, при каждом проходе оно набирает силу из-за возбуждения активной среды. Лазерный луч из трубки с помощью зеркал подается к головке и направляется на материал.

Такие станки обладают несколькими преимуществами:

• Универсальность. CO2-лазеры могут резать металлы, пластмассу, стекло и другие материалы.
• Высокая скорость обработки заготовок. Такие станки позволяют быстро вырезать деталь заданной формы.
• Экономичность. Такое оборудование остается относительно недорогим, поэтому подходит для небольших предприятий.

Однако такие лазерные станки считаются устаревшими из-за целого ряда минусов. Они потребляют большое количество энергии и работают не со всеми материалами. Например, их нельзя использовать для резки цветных металлов с высокой отражающей способностью.

Волоконные лазеры

Это лазерные станки нового поколения: их КПД достигает 70%, что позволило существенно уменьшить энергозатраты на обработку материалов. Основными компонентами такого оборудования являются лампы накачки и оптоволокно, сердцевина которого состоит из прозрачного кварца. Центральный стержень дополнен насечкой в виде штрихов – она отвечает за обеспечение оптимальной длины волны во время обработки материала.

Длина волны у такого лазера в 10 раз меньше, чем у газовых аппаратов – это позволило увеличить точность обработки материала. Металлы обрабатываются быстрее, поверхность возле реза меньше нагревается и деформируется. Однако такие станки не рассчитаны на работу с неметаллическими материалами.

Твердотельные лазеры

Твердотельные лазеры используют в качестве активной среды твердый материал, такой как кристалл стекла, сапфира, рубина или иттриево-алюминиевого граната. Атомы кристалла приходят в возбуждённое состояние под действием света от внешнего источника, в результате лазер генерирует поток излучения. Ключевыми преимуществами таких устройств стали высокая точность и мощность обработки поверхностей.

Преимущества лазерной резки

Работа лазерного станка по металлу позволяет быстро разрезать заготовки и получать детали сложной формы. Такой способ металлообработки стал широко востребованным благодаря нескольким ключевым преимуществам:

• Высокая точность воздействия на материал. Процесс полностью контролируется программой, что исключает ошибки из-за человеческого фактора.
• Скорость обработки. Станок позволяет быстро подготовить детали с нужными геометрическими параметрами.
• Минимальное воздействие на материал. Края реза получаются ровными, их не нужно дополнительно шлифовать и обрабатывать.
• Отсутствие механического контакта с металлом. Это уменьшает количество отходов, предотвращает появление неровностей кромки.

Где применяется лазерная резка?

Принцип лазерного станка позволил эффективно разрезать металлические заготовки различной толщины и сложности. Высокая точность такого метода обеспечила ему широкое применение во многих отраслях:

• Промышленное производство. Лазерная резка используется при подготовке различных деталей из металлических листов. Она востребована в машиностроении, станкостроении приборостроении и других производственных отраслях.
• Производство рекламных материалов. С помощью лазера вырезаются сложные профили для установки художественных рекламных конструкций. Это могут быть буквы, различные фигурные изображения для привлечения внимания.
• Автомобильная промышленность. Лазерная резка ускорила изготовление различных деталей, обеспечила им высокую точность исполнения.
• Архитектура и дизайн. С помощью такой технологии изготавливаются оригинальные дизайнерские украшения, которые могут использоваться в оформлении фасадов, интерьеров, в ландшафтном дизайне и не только.

Популярность лазерной резки в будущем будет только расти. Перечислены только некоторые направления, в которых она применяется, сфера использования метода с каждым годом становится шире.

Как выбрать лазерный станок?

Зная принцип работы лазерных станков с ЧПУ, можно подобрать подходящее оборудование для решения самых разных задач. При выборе нужно обращать внимание на технические характеристики: это мощность лазерного излучателя, скорость обработки материала, требования к точности обрабатываемых заготовок. Например, для небольшой частной мастерской достаточно лазера, работающего с невысокой скоростью, так как он будет использоваться для изготовления штучных деталей.

Разные типы станков ориентированы на выполнение разных задач. Например, волоконные лазеры подходят для обработки металлов, а СО2-лазеры больше подойдут для обработки неметаллических материалов.

Заключение

Лазерная резка – перспективный метод металлообработки, с помощью которого можно изготавливать изделия самых сложных форм. Он рассчитан преимущественно на обработку тонколистовых заготовок, однако некоторые модели могут справляться даже с толстым металлом. Правильно подобранное оборудование для резки металла позволит справиться с любой поставленной задачей.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Можно ли резать все виды металлов лазером?

Лазерные станки позволяют обрабатывать практически все виды металлов, в том числе алюминий, медь или титан. Однако цветные металлы обладают повышенной отражающей способностью — это влияет на максимальную толщину реза и требует правильного выбора станков.

Чем отличается лазерная резка от плазменной?

Такие способы резки отличаются источником теплового излучения, под действием которого расплавляется металл. В первом случае для этого используется сфокусированный луч высокой мощности, а во втором – плазменная дуга. Лазерная резка обладает более высокой точностью, однако с помощью плазменного метода можно обрабатывать более толстые заготовки.

Как продлить срок службы лазерного станка?

Чтобы лазерный станок прослужил как можно дольше, нужно соблюдать правила его эксплуатации, поддерживать оборудование в чистоте регулярно проводить техническое обслуживание. Нельзя допускать частого перегрева оборудования на производстве, поэтому нужно следить за работоспособностью системы охлаждения.