Объяснение лазерной резки:методы, типы и применение

Существует несколько вариантов применения термической лазерной резки в промышленном производстве. Даже металлические листы самой сложной формы можно быстро гравировать и нарезать с помощью устройств лазерной резки, обеспечивая превосходные результаты.

Лазерный резак — это устройство, которое создает двухмерные компоненты как для промышленного, так и для любительского использования, разрезая различные пластины или листы с помощью сфокусированного лазерного луча высокой энергии. Распространенными материалами являются сталь, дерево и некоторые полимеры.

Помимо описания различий между различными методами лазерной резки. В этом чтении мы узнаем, что такое лазерная резка, в ней используются, типы, материалы и как она работает. мы также поговорим о его преимуществах и недостатках.

Начнем!

Узнайте о кислородно-топливной резке из этого подробного руководства!

Лазерная резка — это метод резки материалов с использованием мощного лазера, управляемого компьютерным числовым программным управлением (ЧПУ) через оптику.

Этот метод обычно используется для резки материалов, в том числе металлов, пластмасс, керамики, дерева, текстиля и бумаги, в различных отраслях, включая автомобилестроение, аэрокосмическую промышленность, электронику и медицину.

С помощью коаксиальной газовой струи при лазерной резке используется концентрированный лазерный луч, который плавит материал в определенном месте и создает разрез. Газ не оказывает никакого влияния на сам лазерный луч, но может эффективно сжигать, плавить или испарять объекты.

Любой образовавшийся мусор можно затем сдуть, гарантируя высококачественную окончательную кромку. Травление и сварку также можно выполнять с помощью лазерной резки.

Неодимовые (Nd) лазеры, CO₂-лазеры и неодимовые лазеры на иттрий-алюминиевом гранате (Nd:YAG) являются тремя основными методами лазерной резки. На производительность лазера может влиять его тип.

Точность, аккуратность, меньшее загрязнение и простота обработки — вот некоторые преимущества лазерной резки. В частности, волоконные лазеры известны своими исключительными возможностями точной резки.

Способность волоконных лазеров обеспечивать постоянное качество луча на больших расстояниях является одним из его основных преимуществ; это позволяет осуществлять равномерную резку различных материалов и толщин. Такая однородность снижает необходимость дальнейшей обработки и повышает качество кромки.

Усиление света путем стимулированного излучения" или "Лазер" — это аббревиатура, обозначающая физику производства лазерного света. Хотя основные принципы лазерной физики остались прежними, эта технология часто используется тремя способами:Nd:YAG-лазеры, CO2 и оптоволокно.

Распространенное применение лазерной резки

• Резка листового металла — распространенный метод резки пластин и листов из различных материалов.
• Гравировка:добавляет элегантную маркировку дерева или серийный номер практически на любой материал.
• Лазерная сварка:с помощью лазерного луча можно точно соединить металлы или термопласты.
• Резание труб. Этот метод позволяет резать сложные профили полых деталей с помощью вращающейся оси.

Диаграмма

Виды лазерной резки

При лазерной резке часто используются три различных типа лазеров. В отличие от твердотельного волокна и неодима, CO2-лазеры используют CO2 вместе с различными инертными газами в качестве лазерной среды. В YAG-лазерах в качестве лазерной среды используется кристалл. Все эти различные лазеры работают по сути на одной и той же предпосылке.

Лазеры Nd:YAG/Nd:YVO

Кристалл иттрий-алюминиевого граната, легированного неодимом (Nd), (Y₃Al₅O₁₂) используется в лазере Nd:YAG. Некоторые ионы иттрия (+-1%) заменяются ионами Nd³⁺ из-за легирования.

Между этим кристаллом расположены два зеркала:одно полностью отражающее, другое полуотражающее. Источником фотонов накачки служит набор лазерных диодов или ксенон/криптоновая лампа-вспышка.

Источник накачки в кристаллах Nd:YAG генерирует фотоны, которые повышают энергетический уровень ионов неодима. После отражения между зеркалами ионы распадаются, испуская серию фотонов, которые объединяются, образуя когерентный лазерный луч.

Линза на режущей головке используется для концентрации луча когерентного света высокой интенсивности с частотой 1064 нм после того, как он был направлен на него зеркалами.

Кристаллы ванадата, легированные неодимом (YVO₄), используются в лазерах Nd:YVO, которые действуют аналогично лазерам Nd:YAG. Лазеры Nd:YVO, с другой стороны, могут производить больше импульсов в секунду, имеют лучшую стабильность мощности и излучают меньше тепла.

Лазеры Nd:YAG идеально подходят для маркировки и травления, поскольку они обеспечивают более высокую плотность мощности и лучшее качество луча, чем волоконные лазеры. С другой стороны, лазеры Nd:YAG имеют однозначную энергоэффективность и значительно более высокие эксплуатационные расходы.

Волоконные лазеры

Легированный оптоволоконный кабель служит средой генерации в волоконных лазерах. Фотоны накачиваются в один конец волоконно-оптической нити с сердцевиной из кварца или борсиликатного стекла для создания луча волоконного лазера.

Эти фотоны следуют за волоконно-оптической нитью до тех пор, пока не достигнут области дозирования редкоземельных элементов. Неодим, иттрий, эрбий или тулий являются примерами типичных элементов.

При стимуляции фотонами каждый из этих редкоземельных элементов генерирует лазер с определенной длиной волны. Затем для увеличения света используются волоконные брэгговские решетки.

Подобно отражающим и полуотражающим зеркалам, используемым в лазерах Nd:YAG и CO2, эти решетки отражают свет взад и вперед, создавая каскад фотонов.

Свет может проходить через решетку в виде когерентного пучка света высокой интенсивности, как только интенсивность превышает определенный порог. Как и другие лазеры, волоконный лазер использует газ для облегчения резки или удаления расплавленного материала с пути лазерного луча.

Обычно более короткие волны волоконных лазеров приводят к увеличению поглощения, что делает их идеальными для отражения материалов и выделения меньшего количества тепла во время резки.

Например, головка для резки волокна может быть легко подключена к 6-осевой манипулятору робота благодаря гибкости оптоволоконного кабеля, что устраняет необходимость в многочисленных зеркалах для управления лазером, что необходимо для лазера CO₂ или Nd:YAG.

Электрический КПД волоконных лазеров выше, чем у CO₂-лазеров. По этой причине отражающие материалы и материалы, которые эффективно поглощают тепло, такие как медь или золото, идеально подходят для резки волоконными лазерами.

Узнайте о лазерной обработке из этого подробного руководства!

CO₂-лазеры

Компоненты CO₂ (углекислотного) лазера представляют собой трубку, наполненную CO₂, гелием и газообразным азотом. Гелий и азот добавляются для повышения эффективности лазера. Азот служит кратковременным запасом энергии, который может быть передан молекуле CO₂ при высвобождении фотона.

Напротив, как только молекула CO₂ испускает фотон, гелий использует передачу кинетической энергии, чтобы истощить любую остаточную энергию, позволяя ему поглощать энергию молекулы азота.

На одном конце трубки имеется полностью отражающее зеркало. От зеркала на противоположном конце есть лишь частичное отражение. Газ в трубке ионизируется мощным электрическим полем, которое переводит электроны молекул CO₂ в более высокоэнергетическое состояние, создавая фотон и свет.

Возбужденное состояние атома испускает фотон, когда фотон проходит близко к нему. Затем, как только будет собрано достаточно фотонов, чтобы пройти через полуотражающее зеркало, эти фотоны отразятся от двух зеркал.

Трубка охлаждается с помощью низкотемпературного газа или жидкости, поскольку поддержание низкой температуры внутри трубки необходимо для максимальной эффективности. В некоторых системах газ перерабатывается для снижения эксплуатационных расходов.

CO₂-лазеры — это хорошие универсальные лазеры с длиной волны 10600 нм, которые могут резать листовой металл, а также множество других материалов. Однако материалы с высоким теплопоглощением и высокой отражающей способностью трудны для работы с CO₂-лазерами.

Процесс лазерной резки

Обычно для концентрации лазерного луча на рабочей зоне используется хорошая линза. Размер концентрированного пятна напрямую связан с качеством луча. Обычно самая узкая секция концентрированного луча имеет ширину менее 0,0125 дюйма (0,32 мм).

В зависимости от толщины материала возможна ширина пропила всего 0,004 дюйма (0,10 мм). Каждый разрез начинается с прокола, поэтому лезвие может начинаться не с края, а где-то еще.

Для прокалывания часто используется мощный импульсный лазерный луч, который занимает от 5 до 15 секунд для таких материалов, как нержавеющая сталь толщиной 0,5 дюйма (13 мм).

Параллельные когерентные световые лучи лазерного источника обычно имеют диаметр от 0,06 до 0,08 дюйма (от 1,5 до 2,0 мм). Чтобы создать чрезвычайно мощный лазерный луч, этот луч часто концентрируют и усиливают с помощью линзы или зеркала до очень маленькой площади — около 0,001 дюйма (0,025 мм).

Направление поляризации луча должно быть отрегулировано по мере его огибания края контурной заготовки, чтобы обеспечить максимально чистую обработку во время контурной резки. Фокусная длина при резке листового металла обычно составляет от 1,5 до 3 дюймов (от 38 до 76 мм).

По сравнению с механической резкой, лазерная резка имеет преимущества, заключающиеся в более простом закреплении заготовки и меньшем загрязнении заготовки, поскольку нет режущей кромки, которая могла бы загрязнить материал.

Поскольку лазерный луч не изнашивается во время процедуры, точность может быть повышена. Кроме того, поскольку лазерные системы имеют лишь небольшую зону термического воздействия, существует меньшая опасность деформации разрезаемого материала.

Кроме того, некоторые материалы невозможно или чрезвычайно сложно разрезать обычными методами. Хотя большинство промышленных лазеров не могут прорезать более толстый металл, чем плазма, лазерная резка металлов имеет то преимущество, что она более точна и потребляет меньше энергии при резке листового металла.

Хотя их капитальные затраты значительно выше, чем у машин плазменной резки, которые могут резать толстые материалы, такие как стальные пластины, новые лазерные машины, работающие на более высокой мощности (6000 Вт по сравнению с 1500 Вт ранних машин лазерной резки), приближаются к плазменным машинам по своей способности резать толстые материалы.

Распространенные материалы для лазерной резки

С помощью лазерных резаков можно нарезать различные материалы. Ниже приведен список некоторых из наиболее часто нарезаемых материалов:

Узнайте о нетрадиционной обработке из этого подробного руководства!

Войлок

Фетр — это недорогой нетканый материал, который сложно разрезать вручную, но его легко разрезать лазерным резаком. Коврики, декоративные нашивки и одежда могут быть изготовлены из фетра. Рекомендуется использовать войлок из шерсти на 95–100 %, поскольку синтетический войлок, который часто состоит из акрила, очень плохо режется.

Кожа

Кошельки, ремни и обувь изготовлены из кожи — прочного натурального материала. Кожа имеет высокую воспринимаемую ценность и легко поддается лазерной резке и гравировке, особенно когда она используется для изготовления индивидуальных объектов лазерной резки.

Искусственная кожа — это термин, используемый для описания искусственной кожи. Между тем, некоторые из них могут включать ПВХ, который при лазерной резке выделяет едкие пары.

пробка

Из коры пробкового дуба получается пробка — вещество мягкой твердой древесины, которое часто используется для изготовления досок для булавок, нескользящих оснований подставок и стельок для обуви. Пробку довольно легко разрезать и гравировать лазером.

ДВП

Оргалит — более прочный и долговечный вариант, чем МДФ (древесноволокнистая плита средней плотности), но при этом он более плотный. Для соединения древесных волокон используется клей.

Этот клей испаряется во время резки. При этом выделяются вредные газы, что требует использования выхлопной системы. Поскольку оргалит однороден, резка и гравировка надежны.

Дерево

CO2-лазеры относительно скромной мощности (150–800 Вт) легко режут древесину. Однако, поскольку при лазерной резке древесины образуется дым, необходима вытяжная система.

Из-за своей зернистой структуры натуральная древесина может иметь неровную поверхность при резке или гравировке. Возможна лазерная резка как твердых, так и хвойных пород.

Латунь

Медь, цинк и некоторые другие вторичные легирующие металлы образуют латунь. Латунь обладает минимальным трением, электропроводностью и устойчивостью к коррозии. Обычно используются электрические устройства и втулки с низким коэффициентом трения.

Алюминий

Различные алюминиевые сплавы с различными легирующими компонентами и применением вместе называются алюминием. Благодаря хорошему соотношению прочности и веса алюминий часто используется в самолетах.

В расплавленном состоянии алюминий отражает свет, что затрудняет его резку. Хотя алюминий можно резать с помощью CO2-лазера, волоконный лазер является наиболее эффективным инструментом для резки алюминия.

Нержавеющая сталь

Хром и/или никель являются основными легирующими элементами, содержащимися в нержавеющей стали, которая относится к категории стальных сплавов. Большое разнообразие веществ не может нанести вред нержавеющим сталям. Любой метод лазерной резки позволяет легко разрезать нержавеющую сталь. Но для резки нержавеющей стали лучше подходят волоконные лазеры.

Мягкая сталь или углеродистая сталь

Широкий спектр сталей с различной концентрацией углерода в качестве основного легирующего ингредиента называется «углеродистой сталью». Другой вид углеродистой стали с содержанием углерода менее 0,3% — мягкая сталь. Сталь становится прочнее, чем больше в ней углерода. Пластины толщиной от 20 до 25 мм можно разрезать с помощью мощных лазеров.

ПММА или акрил

Хотя акрил создает чистую режущую кромку, летучие пары, которые он выделяет, требуют использования выхлопной системы. Чтобы закрепить кромку среза, необходимо отрегулировать давление газа, чтобы сдувать пары и охлаждать его.

Когда кромка среза все еще расплавлена, слишком большое давление воздуха приведет к ее изгибу. Акрил иногда называют по химическому названию полиметилметакрилат или по торговому названию Perspex®.

Как работает лазерная резка?

При лазерной резке используется мощный лазер, а луч или материал управляется оптикой и числовым программным управлением (ЧПУ). Этот метод обычно основан на использовании ЧПУ или G-кода дизайна, который нужно вырезать на материале, с использованием системы управления движением.

Концентрированный лазерный луч создает превосходную поверхность кромки путем сжигания, плавления, испарения или выбрасывания газовой струи. Электрические разряды или лампы внутри закрытого контейнера стимулируют лазерные материалы генерировать лазерный луч.

Частичное зеркало используется для отражения лазерного материала внутри, усиливая его до тех пор, пока его энергия не станет достаточной, чтобы позволить ему выйти в виде потока когерентного монохроматического света. Зеркала или оптоволокно фокусируют этот свет на рабочей зоне, направляя луч через линзу, которая его усиливает.

Диаметр лазерного луча в самом узком месте обычно составляет менее 0,0125 дюйма (0,32 мм), однако в зависимости от толщины материала возможна ширина реза до 0,004 дюйма (0,10 мм).

Процедура прокалывания используется, когда процесс лазерной резки должен начинаться где-то кроме края материала. В этом методе импульсный лазер высокой интенсивности создает отверстие в материале; например, прожигание листа нержавеющей стали толщиной 0,5 дюйма (13 мм) занимает от 5 до 15 секунд.

Узнайте о станке с ЧПУ из этого подробного руководства!

Преимущества лазерной резки

Одним из популярных промышленных методов является лазерная резка. Некоторые из основных преимуществ, которые способствуют широкому использованию лазерных резаков в производстве, перечислены ниже:

1. Универсальные материалы. Практически любой материал можно обрабатывать лазерными резаками. Разрезаемый материал, мощность лазера и лазерная технология оказывают существенное влияние на максимальную толщину материала, которую может разрезать лазерный резак.
2. Ограниченная постобработка:детали, вырезанные лазером, не требуют длительной постобработки. Однако в некоторых ситуациях, например, при резке металла, может потребоваться зачистка кромок обреза, поскольку к кромке может прилипнуть шлак.
3. Узкие разрезы. В зависимости от материала и толщины лазеры могут фокусироваться на чрезвычайно узких лучах, что позволяет выполнять резку очень маленькой ширины (всего 0,1 мм).
4. Высокая точность:в отличие от других технологий, таких как фрезерные станки с ЧПУ, лазерные резаки не нагружают головки. Поэтому лазерные резаки невероятно точны и точны.
5. Высокая скорость:2D-профили можно быстро вырезать с помощью лазерных резаков. Высокие скорости могут быть достигнуты при резке гибких материалов, таких как пластик.
6. Автоматизация:в лазерных резаках используется большая часть автоматизации. Некоторые машины могут даже выгружать детали и укладывать сырье на режущий стол без особой помощи человека.
7. Затраты на инструменты:в отличие от обработки на станках с ЧПУ при лазерной резке не используются различные инструменты. Поскольку головка лазерной резки не соприкасается с сырьем, инструмент не изнашивается от трения.
8. Нет фиксации заготовки:для резки лазерными резаками не требуются зажимы и другие приспособления для фиксации заготовки. Просто положите материал на режущий стол; он не будет двигаться во время разрезания.

Недостатки лазерной резки

Несмотря на все свои преимущества, лазерная резка все же имеет ряд недостатков, которые подробно описаны ниже:

1. Высокое потребление электроэнергии:лазерная резка, особенно технология лазерной резки CO2, требует много электроэнергии.
2. Ограниченная толщина. Толщина, которую могут резать лазерные резаки, ограничена механикой направления лазерного луча в точку высокой интенсивности. Обычно они ограничиваются материалами, которые представляют собой пластины и листы и имеют максимальную толщину 25 мм. Хотя более толстый материал можно разрезать, обычные производственные предприятия не часто это делают.
3. Опасные пары. При резке некоторых материалов, таких как пластик или дерево, могут образовываться опасные дымы сгорания, которые необходимо выпустить.
4. Дорогое обслуживание. Лазерная трубка — это изношенный элемент, который необходимо обновлять, часто за большие деньги, в некоторых лазерных технологиях (например, CO2).
5. Высокие первоначальные затраты:лазерные резаки требуют больших первоначальных капиталовложений. Более дешевые технологии, такие как плазменные или газовые резаки, могут быть более подходящими в некоторых обстоятельствах.

Часто задаваемые вопросы

Что подразумевается под лазерной резкой?

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

Сколько стоит лазерная резка?

Стоимость производственного времени гравировки и лазерной резки составляет £1 за минуту. 30-минутная услуга будет стоить 30 фунтов стерлингов, включая расходные материалы и плату за установку произведения искусства. Время производства составило бы 60 фунтов стерлингов, если бы оно заняло один час. В зависимости от сложности и уровня интенсивности работы на более крупные работы может быть предоставлена скидка.

Какой метод лазерной резки?

В процессе лазерной резки лазерный луч фокусируется в небольшую точку с плотностью мощности, достаточной для создания лазерной резки, обычно с использованием линзы (а иногда и вогнутого зеркала). Расстояние между линзой и точкой фокусировки, или фокусное расстояние, определяет линзу.

Для чего нужна лазерная резка?

Когда тепло передается по слою для вырезания секций из листа материала, оно плавится и часто испаряет материал. Детали вынимаются и могут быть обработаны дальше. Среди множества применений лазерных резаков - гравировка, резка труб, лазерная сварка, а также резка листового металла и пластин.

Почему лазер такой дорогой?

Эти элементы включают стоимость содержания и ремонта оборудования, стоимость сертификации и обучения технических специалистов, а также накладные расходы, связанные с работой медицинского спа-центра или клиники. 18 марта 2023 г.



Объяснение кислородно-топливной резки:процесс, схема и преимущества Дифференциалы повышенного трения:как они повышают производительность, тягу и устойчивость