Лазерная резка повышает мощность

Волоконные лазеры для резки не только доминируют на рынке, но и улучшают их качество. Повышенная мощность, скорость и возможности лазера позволяют создавать новые приложения.

Внедрение комплексной системы лазерной резки — задача не для слабонервных. По словам Дастина Диля, менеджера по продукции лазерного подразделения Amada America Inc., Буэна-Парк, Калифорния, помимо финансовых затрат требования включают планирование всей системы, а не только лазера. блок и оборудование, включая загрузчики, разгрузчики, охладители и средства управления. Наконец, система должна быть интегрирована в общие циклы отчетности и обратной связи. Результатом стала система, способная обеспечить значительную рентабельность инвестиций за удивительно короткое время.

Хотя CO2-лазеры, которые представляли собой формирующую фазу лазерной резки, уступили место более новым волоконным лазерам, они все еще занимают свое место на рынке. Джефф Тил, менеджер по продажам и производству в Северной Америке в Murata Machinery USA Inc., Шарлотт, Северная Каролина, объяснил:«Современные лазеры на углекислом газе обычно используются для резки заготовок более 1 дюйма и могут обеспечить чистый рез. Кроме того, они не ограничены размером стола. Они по-прежнему играют важную роль в таких критически важных отраслях, как судостроение и оборона, но волоконный лазер, безусловно, является наиболее популярным выбором для обычных применений из листового металла».

В то время как большинство продаваемых сегодня волоконных лазеров имеют мощность от 1 до 6 кВт, более мощные конфигурации находят применение в отдельных приложениях, и их присутствие на рынке будет продолжать расти. Брендон Ди Винченцо, менеджер по продукции для лазеров и автоматизации в Bystronic Inc., Элгин, Иллинойс, прокомментировал:«Сервисные центры стали приветствовали появление более мощных устройств, которые в настоящее время имеют рабочую мощность в диапазоне от 10 до 12 кВт. По мере увеличения скорости мы увидим увеличение спроса».

Как отмечает Диль из Amada, современные волоконные лазеры обычно являются частью комплексной системы обработки. «Лазер нельзя рассматривать как автономную единицу. Это должно быть частью системы», — сказал он. «Мы работаем с нашими клиентами, чтобы «выполнить домашнюю работу», чтобы предоставить пакет, в котором все модули — загрузка, разгрузка и само устройство — спроектированы вместе. Мощность — это часть уравнения, но в зависимости от применения необходимо учитывать всю систему».

Волоконные лазеры также должны быть универсальными, способными обрабатывать различные типы материалов. Например, серия Amada ENSIS использует запатентованную технологию волоконного лазера для обработки как тонких, так и толстых материалов без смены режущей линзы или ручной настройки. Волоконный двигатель мощностью 3 кВт использует технологию Amada ENSIS, которая оптимизирует режим работы лазера и произведение параметров луча (BPP) в зависимости от толщины обрабатываемого материала. По данным Amada America, станки серии ENSIS способны выполнять высокоскоростную резку тонкого материала, что является ключевой особенностью волоконной технологии, и могут эффективно обрабатывать толстые листы.

Усовершенствования в технологии резки являются важным фактором растущей популярности волоконных лазеров. «Ранние оптоволоконные устройства имели проблемы с оставлением неровных краев, — сказал Марк Бронски, глава отдела продаж лазеров компании Trumpf Inc. в Фармингтоне, штат Коннектикут. Пластина от 5/8 до 3/4″ [15,9–19,05 мм]».

Хэнк Уайт, менеджер программных систем в MC Machinery Systems Inc. в Элк-Гроув-Виллидж, штат Иллинойс, отметил, что клиенты избирательны, когда речь идет о мощности лазера. «Несмотря на то, что мы наблюдаем рост рынка систем мощностью 8 кВт, клиенты проявляют исключительную осторожность при определении требований к мощности для своих индивидуальных приложений. Если с этой задачей справятся маломощные устройства, они останутся в этой категории, потому что более крупные устройства стоят дороже при покупке и эксплуатации и во многих случаях не могут работать быстрее».

Специальная резка

Лазерная резка с более высокой мощностью делает заметные успехи в более специализированных областях. К ним относятся 3D-приложения, обработка отверстий и обработка рулонов и труб. Марк Бэрри, вице-президент по продажам и маркетингу компании Prima Power Laserdyne LLC, Чамплин, Миннесота, прокомментировал:«Двухмерная резка требует от отрасли увеличения мощности до 6 кВт, но когда речь идет о высокой точности в таких приложениях, как сверление охлаждающих отверстий в газотурбинных двигателях, более мощные лазеры QCW (Quasi Continuous Wave) обеспечивают требуемый уровень точности».

Роберт Адельман, менеджер по лазерным продуктам в Северной Америке в BLM Group USA, Нови, штат Мичиган, отметил, что при резке труб требования к мощности выросли с 3 кВт до 5 кВт. «Все волоконные лазеры быстрее прокалывают и быстрее режут, хотя мы не используем выходную мощность, типичную для плоских листов, поскольку всегда нужно учитывать другую сторону трубы», — сказал он. «Это верно как для обычных 2D-станков, так и для 3D-модулей с углом до 45°. В зависимости от станка диаметры варьируются от 1/2 до 24 дюймов [12,7–610 мм], а более крупные станки также могут сверлить и нарезать резьбу».

LaserCoil Technologies LLC из Наполеона, штат Огайо, закупает лазеры для интеграции в операции по вырубке рулонов. Джей Финн, генеральный директор и технический директор, заявил:«Мы набираем силу, когда нам удобно работать с оптикой. В настоящее время мы используем лазер мощностью 8 кВт для систем, которые обрабатывают материал от 0,5 до 35 мм с получением желаемой кромки. Большинство наших систем имеют несколько головок и включают полные системы обработки материалов».

Автоматизация в сочетании с лазерами

С волоконными лазерами автоматизация стала реальностью. Небольшой магазин может начать с простой системы загрузки. Однако вскоре приходит осознание того, что для реализации полного потенциала требуется больше компонентов. Тогда становится очевидным, что требуется тщательное планирование и приверженность делу.

Одним из главных соображений является пространство. Для лазеров требуется выделенная зона, достаточно свободная от загрязнений и достаточно большая, чтобы обеспечить любое добавление дополнительного автоматического оборудования. Дил из Amada отметил, что разумно «оценивать доллары за квадратный фут. Прежде чем войти, ознакомьтесь с различными модульными системами, чтобы понять, как будет проходить установка. Мы редко продаем автономные лазеры. Предлагаемые нами системы ориентированы как на расширение, так и на гибкость. Учитывая скорость производства, основной задачей является управление потоком деталей, сходящих со станка».

Ди Винченцо из Bystronic согласился. «Автоматизация является важным фактором как для крупных OEM-производителей, так и для небольших магазинов, даже несмотря на то, что они различаются технологическими потребностями», — сказал он. «Например, центр обслуживания металлоконструкций в первую очередь заботится о количестве, выраженном в «тоннах на лазерном станке», тогда как мастерская ищет скорость и эффективный поток материалов». Разнообразие компонентов позволяет пользователям разрабатывать индивидуальные стратегии автоматизации, которые им подходят.

Тил из Murata Machinery отметил:«В широком смысле мы продаем три разновидности систем. Загрузчик поддонов, башня с четырьмя или восемью ящиками и система сортировки деталей. Башня поставляет запас, а система сортировки деталей продвигает отрезанные детали на следующую станцию. Двигаясь в будущее, мы видим, что гибридные лазеры с несколькими функциями становятся все более популярными». Небольшие магазины могут быть ограничены затратами. «Магазины, использующие различные материалы, могут войти в игру, запрограммировав один загрузчик поддонов», — сказал Тил. «По мере роста их бизнеса автоматизация становится непреодолимой благодаря быстрой окупаемости инвестиций».

Поскольку автоматизация резки способствует увеличению производства, необходима дальнейшая автоматизация. «Последующая обработка — это следующий рубеж, включая очистку и формовку кромок», — заявил Уайт из MC Machinery Systems. Ключом к успеху является разработка программного обеспечения, которое может объединять модули разных производителей с помощью единой программы».

Множество различных форм и конфигураций трубок требуют более специализированного подхода. «Обычно машины не могли загружать пучки нестандартных форм в трубчатые лазеры», — пояснил Адельман из BLM Group USA. «Сегодня трубчатые лазеры могут автоматически загружать пучки специальной формы, такой как «арахис». Используя специальные камеры, машина может определить ориентацию трубы, чтобы обеспечить правильный зажим, а также правильную ориентацию детали».

«Гибкость является ключевым моментом в обработке рулонов, — объясняет Финн из Laser-Coil. «Каждая система, которую мы продаем, работает в непрерывном и индексном режимах и может взаимодействовать с любым типом стекирования. Кроме того, мы разработали наши модули так, чтобы они занимали ту же площадь, что и старое механическое оборудование для высечки, чтобы упростить процесс обновления».

Барри из Prima Power Laserdyne резюмировал это так:«Если у вас будет лазерная резка, у вас будет автоматизация. Лазер — это не отдельный элемент, это компонент».

Элементы управления, автоматизация и операторы

Стремление к автоматизированным системам лазерной резки поддерживается целым рядом сложных элементов управления, которые необходимо интегрировать. «Идеальная парадигма управления предполагает бесшовную интеграцию с ERP-системами, что устраняет потери в административных процессах. Решающее значение для успеха имеет полный постоянный мониторинг, а также оповещения о техническом обслуживании. Наша цель — свести к нулю незапланированные простои», — заявил Бронски из Trumpf.

Современные системы автоматизации значительно повысили статус оператора. Это особенно заметно в эволюции средств управления в интегрированных системах. Диль из Amada America прокомментировал:«Двадцать лет назад управление лазерной системой было таким же сложным, как кабина самолета. Теперь это больше похоже на iPad, предлагая интерфейс с сенсорным экраном и лучшую графику. Системы имеют улучшенную функцию редактирования и значительно улучшенную обратную связь. Оператор может удаленно отслеживать проблемы с обслуживанием, историю обслуживания и состояние аварийных сигналов для прошлых или текущих аварийных сигналов».

Ди Винченцо из Bystronic отметил возросший спрос клиентов на стандартизированные элементы управления. «Клиентам требуются совместимые элементы управления, которые могут взаимодействовать не только с системой лазерной резки, но и с другими станками и ERP-системами, обрабатывая рабочие задания и направляя данные и детали для следующей операции». Уайт согласился и заметил:«Когда дело доходит до процессора, у разных сборщиков есть свой «секретный соус». Тем не менее, стандартизация приближается, но безопасность имеет решающее значение».

Средства управления и программное обеспечение оказали огромное влияние на обработку рулонов. Программные системы могут рассчитать гнездо на основе оптимальной схемы раскроя для рулона определенной ширины, а также определить ширину рулона, обеспечивающую наилучший выход. Финн объяснил:«Окончательное гнездо зависит от процесса подачи рулонов. Передний край должен совпадать с конечным краем. Чтобы облегчить внедрение, мы разработали программное обеспечение для автоматизации раскроя и оптимизации траектории резки. Это делает его менее пугающим при использовании лазеров в вашей работе».

Системы управления и программного обеспечения также значительно продвинулись в управлении лазером. «Существенно сократилось время переналадки как для обычных, так и для сложных деталей. Теперь мы можем изменять мощность импульс за импульсом, а время отклика буквально превышает миллисекунды», — сказал Барри из Prima Power Laserdyne. «Это позволило нам достичь огромной гибкости в многоцелевых операциях. Например, мы можем не только изготовить отверстие любой формы под любым углом, но и перейти от сверления к сварке. Регулируя мощность и пульсацию, мы также можем работать с новыми материалами, включая композит с углеродной матрицей (CMC)».

Системы управления также обладают повышенной гибкостью при обработке трубчатых материалов. «Последние интегрированные системы снимают работу со станка и переносят ее на стадию планирования производства», — сказал Адельман из BLM Group USA. ориентация сварного шва на трубах) для создания всего производственного цикла, в то время как оператор-новичок может сосредоточиться на управлении загрузкой материала и упаковкой деталей. Функции управления могут создавать производственные графики и рассчитывать точное время работы и стоимость. Чтобы наши клиенты могли воспользоваться многими возможностями управления, мы проводим обучение как на нашем предприятии, так и на объектах наших клиентов».

Улучшение качества волоконных лазеров

Благодаря сочетанию характеристик мощности и управления современные волоконные лазеры продвинулись вперед в том, что касается качества. В некоторой степени это связано с пользовательским опытом и возможностями контроля при определении правильных параметров для конкретных типов материалов. «Технология потока, улучшения в использовании диодов и оптики, а также более тщательное определение смеси газов — все это сыграло свою роль», — говорит Уайт из MC Machinery Systems. «Даже с улучшениями в лазерной головке уравнение стоимости все еще присутствует, и некоторые пользователи считают, что более экономично использовать последующий процесс чистовой обработки, чем тратить усилия на регулировку лазера».

По словам Бронски из Trumpf, двумя наиболее важными факторами в контроле качества являются профилактическое обслуживание и управление материалами. «Сложность лазерных систем требует высокой степени профилактического обслуживания, и обучение абсолютно необходимо. Еще один ключевой фактор связан с материалом, задействованным в процессе. Пользователи должны проверять, что они получают, чтобы обеспечить высокое качество, иначе они потеряют производительность».

Диль из Amada America отметил важность смешивания газов. «Использование правильной смеси газов может улучшить качество кромки вплоть до исключения вторичных операций. Мы наблюдаем растущую популярность внутреннего производства азота с использованием фильтрации, бустерных насосов и резервуаров для хранения. Также наблюдается тенденция к контролю деталей с помощью 3D-изображений и систем машинного зрения».

Баланс скорости и качества остается основным соображением. По мере совершенствования систем усилия по поддержанию качества на высоких скоростях включали использование высокоточных линейных приводов, а не зубчатых реек, а также включение серводвигателей. Контроль в режиме реального времени имеет ключевое значение при работе с трубами и змеевиками. Сканирование теперь может обнаруживать скручивание трубчатого материала и корректировать его для компенсации. Аналогичным образом рулонный прокат можно проверять «на лету», чтобы обеспечить надлежащий контроль качества. Ди Винченцо из Bystronic резюмировал экономику качества:«Речь идет больше не о стоимости рабочей силы, а о ее скорости».

По мере совершенствования технологий лазерной резки и автоматизации производители и другие конечные пользователи будут сталкиваться с множеством вариантов выбора, которые повлияют не только на операцию резки, но, в случае OEM-производителей, на весь производственный процесс. Скорость лазера и появление более широкой автоматизации вполне могут сделать для производства то же, что сборочная линия сделала для производства автомобилей.

Взаимодействие с конечным пользователем:Hatco Corp.

Компания Hatco Corp. со штаб-квартирой в Милуоки и производственными предприятиями в Стерджен-Бей, штат Висконсин, является производителем коммерческого оборудования для общественного питания. Он производит мармиты, продуктовые мерчендайзеры, тостеры и другие продукты. Производственные партии варьируются от сотен единиц для размещения в ресторанах быстрого питания или ресторанах быстрого питания до единичных грелок, специально предназначенных для конкретного заведения. Девиз компании:"Экономичный заказ на единицу товара".

Для достижения этой цели компания постоянно расширяла и обновляла свои производственные мощности, используя новейшее оборудование и технологии.

По словам Стива Кристоферсона, вице-президента Hatco по производству, «многие производители и магазины склонны ориентироваться на детали и рассматривать отдельные детали как самоцель. В Hatco наши процессы ориентированы на продукт, и, поскольку наши сотрудники могут видеть весь процесс под одной крышей, они постоянно осведомлены о поддержании жесткого контроля запасов и эффективного производственного потока».

Опыт Hatco с лазерами уходит в далекое прошлое, и Кристоферсон вспоминает:«На медленную скорость первых лазеров было больно смотреть. Теперь, благодаря скорости и качеству, оптоволокно — это будущее».

В настоящее время Hatco использует четыре лазера Mitsubishi, три из которых CO2, а последний — волоконный лазер мощностью 4 кВт. Обрабатываемый металл включает более 100 различных размеров и калибров, от толстого листа до калибра 24 и 28 дюймов, включая нержавеющую и мягкую сталь, а также алюминий. Допуски могут быть такими жесткими, как 0,0001 дюйма (2,54 мкм). «Поскольку многие детали, которые мы производим, являются трехмерными, нам буквально нужно взять деталь и «развернуть ее», чтобы получить правильную схему резки. Мы используем динамическое размещение, чтобы оптимизировать выход сырья», — прокомментировал Кристоферсон.

Лазеры расположены в специальной части завода. FMS Mitsubishi «River» перемещает материал внутрь и наружу. «На переход к автоматизированной системе, которую мы хотели, ушел целый год, — сказал Кристоферсон. «Мы выбрали оптоволоконную систему мощностью 4 кВт как наиболее экономичную для наших целей. Работа назначается каждому из четырех лазеров в зависимости от типа и толщины материала и качества резки, которого можно достичь». Лазерная зона была спроектирована с учетом будущего расширения и расположена рядом с последующими процессами удаления заусенцев (при необходимости) и гибки.

Что касается качества, Кристоферсон отметил, что «каждый оператор — это инспектор». Сотрудники Hatco обучены нескольким производственным дисциплинам, чтобы понимать сложности процесса и иметь возможность вмешиваться в случае обнаружения каких-либо проблем. Несколько лет назад компания была куплена сотрудниками, и налицо «собственный интерес» со стороны всех.

Дэйв Ролстон, президент Hatco, ранее возглавлял инженерный отдел, и его часто можно увидеть в производственном цеху. «Мы исключительно гордимся качеством нашего оборудования и степенью автоматизации, которой мы достигли в нашей лазерной области», — прокомментировал Ролстон. "Но, в конце концов, именно мастерство и гордость наших сотрудников делают нас лучшими в своем классе".