Понимание лазерных резальных станков: как они работают

Лазер — это высококонцентрированный пучок света на одной длине волны. На каждой длине волны различные материалы поглощают, отражают и пропускают этот свет в разной степени.

Лазерный пучок — колонна сверхинтенсивного света одной длины волны (цвета). В типичном CO₂ лазере длина волны находится в инфракрасной части спектра, поэтому она невидима для глаза. Диаметр пучка около 3/4 дюйма при движении от лазерного резонатора (создающего пучок) через оптические пути станка. Он может отражаться в разных направлениях несколькими зеркалами («beam benders») перед финальной фокусировкой на листе. Сфокусированный пучок проходит через насадку сопла непосредственно перед попаданием на лист. Через то же отверстие сопла проходит сжатый газ — кислород или азот.

Высокая плотность мощности вызывает быстрый нагрев, плавление и частичное или полное испарение материала. При резке мягкой стали тепло лазерного пучка достаточно для запуска типичного «окси-топливного» процесса горения, и режущим газом будет чистый кислород, как в окисленном факеле. При резке нержавейки или алюминия лазерный пучок просто плавит материал, и высокодавленный азот выдувает расплавленный металл из реза.

На CNC лазерном резальном станке лазерная резальная голова движется над металлической плитой в форме желаемой детали, таким образом вырезая деталь из листа. Емкостная система контроля высоты поддерживает очень точную дистанцию между концом сопла и резаемой плитой. Это расстояние важно, потому что определяет, где фокальная точка относительно поверхности листа. Качество реза может меняться при поднятии или опускании фокальной точки: чуть выше поверхности, на поверхности или чуть ниже.

Лазерный резальный станок работает фокусировкой пучка лазерного света на кусок материала. Лазерный свет настолько высокомощен, что при фокусировке он поднимает температуру материала в малой области пучка достаточно высоко для плавления или испарения. Часто используется вспомогательный газ для помощи в удалении расплавленного материала из зоны реза. Это особенно верно для резки металлов или толстых листов, например фанеры.

Для резки фигур лазерная голова перемещается с помощью портала для позиционирования пучка над новым материалом, вызывая линию реза вместо мелкой дырочки. Типы систем движения: зубчатые рейки и шестерни, шариковые винты, линейные моторы. Линейные моторы — самые дорогие, но быстрее и точнее. Зубчатые рейки дают почти такую же скорость и точность за более низкую цену. Некоторые небольшие хоббийные лазеры могут использовать зубчатые ремни и шаговые двигатели. Во всех случаях система с сервоприводами и энкодерной обратной связью значительно повышает точность резки, как и жесткий рама, изолированная от вибраций.

Для лазерной резки важно выбрать длину волны, которая сильно поглощается в обрабатываемом материале.

Когда лазерная энергия направлена на поверхность материала, материал поглощает столько энергии, что быстро нагревается выше температуры плавления до температуры деградации.

При температуре деградации материал разрушается и распадается. Часто при этом выделяются дым или газы.

Край реза может нагреться до более низкого уровня и фактически расплавиться и перекристаллизоваться. Это можно использовать как своего рода механизм уплотнения, полезный для волокнистых материалов, например, для предотвращения распускания.

При лазерной резке хорошей идеей может быть наклон лазера так, чтобы дым от процесса не осаждался сажей на лазерной оптике. Кроме того, при резке (или сварке) высокорефлективных поверхностей важно предотвратить отражение лазерного пучка от поверхности обратно в лазерную оптику, что может их повредить.