Лазерная резка: техники, типы и применение

Существует несколько вариантов использования лазерной резки — термической техники — в промышленном производстве. Даже самые сложные по форме металлические листы могут быть быстро выгравированы и разрезаны лазерными станками с выдающимися результатами.

Лазерный резак — это устройство, создающее 2D-компоненты для промышленного и любительского использования путем резки различных плит или листов материалов с помощью высокоэнергетического сфокусированного лазерного луча. Распространенные материалы: сталь, дерево и некоторые полимеры.

Помимо описания различий между разными методами лазерной резки, в этом обзоре мы рассмотрим, что такое лазерная резка, ее применение, типы, материалы и принцип работы, а также преимущества и недостатки.

Что такое лазерная резка?

Лазерная резка — метод резки материалов с помощью высокомощного лазера, управляемого компьютерным числовым управлением (ЧПУ) через оптику. Этот метод широко используется для резки материалов, включая металлы, пластики, керамику, дерево, текстиль и бумагу, в различных секторах: автомобилестроении, авиации, электронике и медицине.

С помощью коаксиального газового потока сфокусированный лазерный луч используется для плавления материала в конкретной точке и образования среза. Газ не влияет на сам лазерный луч, но может эффективно сжигать, плавить или испарять объекты. Получившиеся отходы можно сдуть, гарантируя высокое качество конечного края. Лазерная резка также может использоваться для гравировки и сварки.

Три основных метода лазерной резки: неодимовые (Nd) лазеры, CO₂-лазеры и неодимово-итрий-алюминий-гранатовые (Nd:YAG) лазеры. Производительность лазера может зависеть от его типа. Точность, точность, меньше загрязнений и более простое закрепление детали — некоторые преимущества лазерной резки. В частности, волоконные лазеры известны своими исключительными возможностями точной резки. Способность волоконных лазеров обеспечивать постоянное качество луча на больших расстояниях — одно из главных преимуществ; это позволяет равномерную резку по разным материалам и толщинам. Эта равномерность снижает потребность в дополнительной обработке и улучшает качество края.

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation («Лазер») — аббревиатура, относящаяся к физике генерации лазерного света. Хотя базовые принципы физики лазера остаются теми же, эта технология часто используется тремя способами: Nd:YAG, CO2 и волоконные.

Общие виды использования лазерной резки

• Резка листового металла — распространенная техника для резки плит и листов разных материалов.
• Гравировка: наносит элегантные деревянные маркировки или серийные номера почти на любой материал.
• Лазерная сварка: с помощью лазерного луча металлы или термопласты могут быть точно соединены.
• Резка труб: этот метод режет сложные профили на полых деталях с использованием вращающейся оси.

Типы лазерной резки

В лазерной резке часто используются три вида лазеров. В отличие от твердотельных волоконных и Nd, CO2-лазеры используют CO2 вместе с различными инертными газами в качестве лазирующей среды. Кристалл служит лазирующей средой в YAG-лазерах. Все эти лазеры работают по существенно одной и той же предыстории.

Nd:YAG/Nd:YVO лазеры

В Nd:YAG лазере используется неодимово-добавленный итрий-алюминий-гранатовый кристалл (Y₃Al₅O₁₂). Некоторые итриевые ионы (±1%) заменяются Nd³⁺ ионами за счет легирования. Два зеркала, одно полностью отражающее и одно полупрозрачное, расположены между этим кристаллом. Набор лазерных диодов или ксенон/криптон вспышка служит источником накачки фотонов. Источник накачки в Nd:YAG кристаллах предоставляет фотоны, повышающие уровень энергии неодимовых ионов. После отражения между зеркалами ионы распадаются, испуская серию фотонов, которые объединяются в когерентный лазерный луч. Линза на режущей голове используется для фокусировки луча когерентного высокоинтенсивного света с частотой 1064 нм после его направления зеркалами.

Неодимово-добавленные ванадиевые кристаллы (YVO₄) используются в Nd:YVO лазерах, работающих аналогично Nd:YAG. Однако Nd:YVO лазеры могут производить больше импульсов в секунду, имеют лучшую стабильность мощности и выделяют меньше тепла. Nd:YAG лазеры идеальны для маркировки и гравировки, так как они предлагают более высокую плотность мощности и лучшее качество луча, чем волоконные лазеры. Nd:YAG лазеры, с другой стороны, имеют однозначные энергетические эффективности и значительно более высокие эксплуатационные затраты.

Волоконные лазеры

Легированный волоконно-оптический кабель служит лазирующей средой в волоконных лазерах. Фотоны накачиваются в один конец кварцевого или борсиликатного стекловолоконного филамента для создания волоконного лазерного луча. Эти фотоны следуют по волоконному филаменту, пока не достигнут области, легированной редкоземельными элементами. Неодим, итрий, эрбий или тулий — примеры типичных элементов. Когда стимулируются фотонами, каждый из этих редкоземельных элементов генерирует лазер с уникальной длиной волны. Брегговы решетки волокон затем используются для усиления света. Аналогично полностью и полупрозрачным зеркалам в Nd:YAG и CO2 лазерах, эти решетки отражают свет туда-сюда, создавая каскад фотонов. Свет может проходить через решетку как высокоинтенсивный когерентный луч, как только интенсивность превышает определенный порог. Как и другие лазеры, волоконный лазер использует газ для облегчения резки или сдувания расплавленного материала из пути луча. Обычно более короткие длины волн волоконных лазеров приводят к повышенному поглощению, делая их идеальными для отражающих материалов и производящими меньше тепла при резке. Например, волоконная режущая головка может быть легко подключена к 6-осевому робот-манипулятору благодаря гибкости волоконно-оптического кабеля, устраняя необходимость во множестве зеркал для направления луча, необходимых для CO₂ или Nd:YAG лазера. Электрическая эффективность волоконных лазеров выше, чем у CO₂ лазеров. Поэтому отражающие материалы и хорошо поглощающие тепло материалы, такие как медь или золото, идеально подходят для резки волоконными лазерами.

CO₂ лазеры

Компоненты CO₂ (углекислого газа) лазера — трубка, заполненная CO₂, гелием и азотом. Гелий и азот добавляются для повышения эффективности лазера. Азот служит кратковременным энергозапасом, который может передаваться молекуле CO₂ при выделении фотона. В свою очередь, после того как молекула CO₂ выделяет фотон, гелий использует кинетическую передачу энергии для отвода остаточной энергии, позволяя ему поглотить энергию от молекулы азота. Трубка имеет полностью отражающее зеркало на одном конце. На другом конце зеркало лишь частично отражает. Газ в трубке ионизируется сильным электрическим полем, возбуждающим электроны молекул CO₂ до более высокого энергетического состояния, производя фотон и свет. Возбужденное состояние атома выделяет фотон, когда фотон проходит рядом с ним. Затем, когда достаточно фотонов собралось, чтобы протечь через полупрозрачное зеркало, эти фотоны отскакивают от двух зеркал. Трубка охлаждается газом или жидкостью низкой температуры, потому что поддержание низкой температуры внутри трубки критично для максимальной эффективности. В некоторых системах газ рециклируется для снижения эксплуатационных расходов. CO₂ лазеры — хорошие универсальные лазеры с длиной волны 10600 нм, которые могут резать листовые и плитовые металлы, а также множество других материалов. Однако материалы с высоким теплопоглощением и высокой отражательностью трудны для CO₂ лазеров.

Процесс лазерной резки

Обычно хорошая линза используется для фокусировки лазерного луча на рабочей зоне. Размер фокусного пятна напрямую связан с качеством луча. Обычно самый узкий участок сфокусированного луча имеет ширину менее 0,0125 дюйма (0,32 мм). Ширины среза до 0,004 дюйма (0,10 мм) достижимы в зависимости от толщины материала. Каждый разрез начинается с прокола, чтобы лезвие могло начать не от края. Высокомощный импульсный лазерный луч часто используется для пробивания, что занимает 5–15 секунд для материалов вроде 0,5-дюймовой (13 мм) нержавеющей стали. Параллельные когерентные световые лучи лазерного источника обычно имеют диаметр 0,06–0,08 дюйма (1,5–2,0 мм). Для генерации экстремально мощного лазерного луча этот луч часто фокусируется и усиливается линзой или зеркалом до очень маленькой области около 0,001 дюйма (0,025 мм). Направление поляризации луча должно корректироваться по мере его движения по краю контурной заготовки для обеспечения чистейшей отделки при контурной резке. Фокусное расстояние для резки листового металла обычно 1,5–3 дюйма (38–76 мм). По сравнению с механической резкой, лазерная резка имеет преимущества более простого закрепления детали и меньшего загрязнения заготовки, так как нет режущего ребра, которое могло бы загрязнить материал. Поскольку лазерный луч не изнашивается в процессе, точность может быть улучшена. Кроме того, поскольку лазерные системы имеют только малую зону термического воздействия, есть меньший риск деформации резаемого материала. Также определенные материалы невозможно или крайне трудно резать традиционными методах. Хотя большинство промышленных лазеров не могут резать толстый металл, который может плазма, лазерная резка металлов имеет преимущество большей точности и меньшего потребления энергии при резке листового металла. Хотя их капитальные затраты значительно выше, чем у плазменных резаков, способных резать толстые материалы вроде стальных листов, более новые лазерные станки, работающие на более высокой мощности (6000 Вт по сравнению с 1500 Вт ранних лазерных резаков), приближаются к плазменным станкам по способности резать толстые материалы.

Распространенные материалы для лазерной резки

Разнообразные материалы могут быть разрезаны лазерными резаками. Ниже список некоторых наиболее часто резаемых материалов:

Фельтр

Фельтр — недорогой неканвасный ткань, трудный для ручной резки, но легко резаемый лазером. Коврики, декоративные накладки и одежда могут быть сделаны из фелютра. Рекомендуется использовать 95–100% шерстяной фелют, так как синтетический фелют, часто состоящий из акрила, режется очень плохо.

Кожа

Кошельки, ремни и обувь делаются из кожи — прочного натурального материала. Кожа имеет высокую воспринимаемую ценность и легко лазерно резается и гравируется, особенно для изготовления кастомизированных лазерных изделий. Искусственная кожа — термин для фальшивой кожи. Некоторые из них могут содержать ПВХ, который при лазерной резке выделяет коррозионные дымы.

Пробка

Кора пробкового дуба дает пробку — мягкий древесный материал, часто используемый для досок для булавок, основок подставок под стаканы и стельок. Пробку довольно легко лазерно резать и гравировать.

Оргалит

Оргалит — более прочный и долговечный вариант МДФ (средней плотности древесноволокнистой плиты), будучи более плотным. Клей используется для соединения древесных волокон. Этот клеи испаряется при резке, выделяя вредные газы, требующие вытяжки. Поскольку оргалит гомогенен, резка и гравировка надежны.

Дерево

CO2 лазеры с относительно невысокой мощностью (150–800 Вт) легко режут дерево. Однако, так как лазерная резка дерева производит дым, вытяжка необходима. Из-за структуры волокон натуральные породы могут иметь неравномерную отделку при резке или гравировке. И твердые, и мягкие породы можно лазерно резать.

Латунь

Медь, цинк и несколько других второстепенных легирующих металлов образуют латунь. Латунь имеет низкое трение, электрическую проводимость и коррозионную стойкость. Электрические применения и низкотрение втулки — частые использование.

Алюминий

Разнообразие алюминиевых сплавов с различными легирующими компонентами и применениями коллективно называется алюминием. Благодаря благоприятному соотношению прочности к весу алюминий часто используется в авиации. При плавлении алюминий отражает, что затрудняет его резку. Хотя алюминий может быть разрезан CO2 лазером, волоконный лазер — наиболее эффективный инструмент для резки алюминия.

Нержавеющая сталь

Хром и/или никель — основные легирующие элементы в нержавеющей стали, классифицируемой как стальной сплав. Большое разнообразие веществ не может повредить нержавеющие стали. Любой метод лазерной резки легко режет нержавеющую сталь. Но для резки нержавеющей стали волоконные лазеры работают лучше.

Мягкая сталь или углеродистая сталь

Широкий спектр сталей с разными концентрациями углерода как основного легирующего элемента называется «углеродистой сталью». Другой вид углеродистой стали с содержанием углерода менее 0,3% — мягкая сталь. Сталь становится сильнее, чем больше углерода в ней. Высокомощные лазеры могут резать плиты толщиной 20–25 мм.

ПММА или акрил

Хотя акрил создает чистый край резки, летучие пары, которые он выделяет, требуют вытяжки. Чтобы закрепить край резки, газовое давление нужно отрегулировать, чтобы одновременно сдувать пары и охлаждать его. Когда край резки все еще расплавлен, слишком высокое воздушное давление заставит его изогнуться. Акрил иногда называют по химическому названию полиметилметакрилат или торговым именем Perspex®.

Как работает лазерная резка?

В лазерной резке используется высокомощный лазер, а луч или материал направляются оптикой и компьютерным числовым управлением (ЧПУ). Техника обычно следует ЧПУ или G-коду дизайна для резки на материале с использованием системы контроля движения. Сфокусированный лазерный луч производит превосходный отшлифованный край реза за счет сжигания, плавления, испарения или сдува газовой струей. Электрические разряды или лампы внутри закрытого контейнера стимулируют лазирующие материалы для производства лазерного луча. Частичное зеркало используется для отражения лазирующего материала внутри, усиливая его, пока его энергия не станет достаточной для выхода в виде потока когерентного монохроматичного света. Зеркала или волоконная оптика фокусируют этот свет на рабочей зоне, направляя луч через линзу, усиливающую его. Диаметр лазерного луча в его самой узкой точке обычно менее 0,0125 дюйма (0,32 мм), однако в зависимости от толщины материала ширины среза до 0,004 дюйма (0,10 мм) выполнимы. Процедура пробивания используется, когда процесс лазерной резки должен начаться где-то не на краю материала. В этом методе высокоинтенсивный импульсный лазер создает отверстие в материале; например, на прожог листа нержавеющей стали толщиной 0,5 дюйма (13 мм) уходит 5–15 секунд.

Преимущества лазерной резки

Лазерная резка — популярный промышленный метод. Ниже перечислены некоторые основные преимущества, способствующие широкому использованию лазерных резаков в производстве:

1. Универсальность материалов: Почти любой материал может быть обработан лазерными резаками. Максимальная толщина материала, которую может резать лазерный резак, сильно зависит от материала, мощности лазера и лазерной технологии.
2. Ограниченная пост-обработка: Детали после лазерной резки не требуют много пост-обработки. Края реза могут потребовать удаления заусенцев в некоторых случаях, например при резке металла, потому что может быть шлак, прилипший к краю.
3. Узкие разрезы: В зависимости от материала и толщины лазеры могут фокусироваться на экстремально узких пучках, позволяя экстремально малые ширины среза (до 0,1 мм).
4. Высокая точность: В отличие от других технологий, таких как ЧПУ-фрезеры, лазерные резаки не нагружают свои головы. Поэтому лазерные резаки невероятно точны и точны.
5. Высокая скорость: 2D-профили могут быть быстро вырезаны лазерными резаками. Высокую скорость можно достичь при резке гибких материалов вроде пластика.
6. Автоматизация: Много автоматизации входит в лазерные резаки. Некоторые машины могут даже выгружать детали и укладывать сырье на режущий стол с минимальной помощью людей.
7. Затраты на оснастку: Лазерные резаки не используют множество инструментов в отличие от ЧПУ-обработки. Поскольку головка лазерного резака не соприкасается с сырьем, нет износа инструмента от трения.
8. Нет закрепления детали: Зажимы и другие приспособления для закрепления не необходимы лазерным резакам для резки. Просто положите материал на режущий стол; он не сдвинется при резке.

Недостатки лазерной резки

Даже со всеми своими преимуществами, лазерная резка все еще имеет несколько недостатков, перечисленных ниже:

1. Высокое потребление электроэнергии: Лазерная резка, особенно CO2 лазерная технология, использует много электроэнергии.
2. Ограниченная толщина: Толщина, которую могут резать лазерные резаки, ограничена механикой направления лазерного луча в точку высокой интенсивности. Обычно они ограничены материалами плит и листов с максимальной толщиной 25 мм. Хотя более толстый материал может быть разрезан, обычные фабрики не делают этого часто.
3. Опасные выделения: При резке определенных материалов, таких как пластик или дерево, могут образовываться опасные продукты горения, которые нужно удалять.
4. Дорогое обслуживание: Лазерная трубка — расходный элемент, который нужно заменять, часто по высокой цене, в некоторых лазерных технологиях (например CO2).
5. Высокая начальная стоимость: Лазерные резаки требуют больших первоначальных капитальных вложений. Дешевле технологии, такие как плазменные или пламенные резаки, могут быть более подходящими в некоторых обстоятельствах.

Часто задаваемые вопросы

Что подразумевается под лазерной резкой?

Метод, известный как лазерная резка, создает край реза путем испарения материалов лазером. Хотя изначально он использовался для промышленного производства, школы, малые предприятия, архитекторы и любители все чаще его используют.

Сколько стоит лазерная резка?

Стоимость производственного времени для гравировки и лазерной резки — 1 фунт стерлингов в минуту. 30-минутная услуга будет стоить 30 фунтов, включая материалы и настройку артворка. Производственное время будет 60 фунтов, если займет один час. В зависимости от сложности и интенсивности работы, скидка может быть доступна для крупных заданий.

Какой метод лазерной резки?

В процессе лазерной резки лазерный луч фокусируется в маленькую точку с достаточной плотностью мощности для создания лазерного реза, обычно с помощью линзы (иногда вогнутого зеркала). Расстояние между линзой и фокусным пятном, или фокусное расстояние, определяет линзу.

Для чего хороша лазерная резка?

Поскольку тепло передается через стол для вырезания секций из листа материала, оно плавит и часто испаряет материал. Детали извлекаются и могут быть обработаны дальше. Среди множества применений лазерных резаков: гравировка, резка труб, лазерная сварка, резка листового металла и плит.

Почему лазер так дорог?

Эти элементы включают стоимость обслуживания и ремонта машины, стоимость сертификации и обучения техников и накладные расходы, связанные с ведением медицинского спа или клиники. 18 марта 2023 года.