LASEROVÉ ŘEZENÍ: Z PRVNÍCH PRINCIPŮ DO STAVU UMĚNÍ

Abstraktní

  Tento článek představuje přehled tématu řezání laserem. Zahrnuté předměty zahrnují; Laserové interakce, různé typy laserů, technický a komerční růst řezání laserem a současný stav techniky.

První zásady

  Většina laserových řezů se provádí pomocí lasery CO2 nebo Nd: YAG. Obecné principy řezání jsou podobné u obou typů laserů, i když CO2 z laserů dominuje na trhu z důvodů, které budou popsány později v příspěvku.

  Základní mechanismus řezání laserem je velmi jednoduchý a lze jej shrnout následovně:

  1. Vysílací paprsek s vysokou intenzitou infračerveného světla je generován laserem.

  2. Tento paprsek je zaměřen na povrch obrobku pomocí čočky.

  3. Zaostřený paprsek zahřívá materiál a vytváří velmi lokalizovanou taveninu (obecně menší než 0,5 mm) v celé hloubce listu.

  4. Roztavený materiál se odvádí z oblasti stlačeným proudem plynu, který působí koaxiálně s laserovým paprskem, jak je znázorněno na obr. 1. (Pozn. U některých materiálů může tento plynový paprsek urychlit řezací proces chemickou i fyzickou činností. Například uhlík nebo měkké oceli jsou obecně řezané proudem čistého kyslíku. Oxidační proces iniciovaný laserovým ohřevem vytváří vlastní teplo, což značně zvyšuje účinnost procesu.)

  5. Tato lokalizovaná oblast odstraňování materiálu se pohybuje po povrchu listu a vytváří tak řez. Pohyb je dosažen manipulací zaostřeného laserového bodu (CNC zrcadly) nebo mechanickým přesunem listu na tabuli CNC X-Y. K dispozici jsou také "hybridní" systémy, kde se materiál pohybuje v jedné ose a laserová skvrna se pohybuje v druhé. Plně robotické systémy jsou k dispozici pro profilování trojrozměrných tvarů. Nd: YAG lasery mohou používat spíše optické vlákna než zrcadla, ale tato volba není k dispozici pro CO2 s delší vlnovou délkou.

  Obrázek 1. Schéma řezání laserem. Držák objektivu nebo trysku (nebo obojí) lze nastavit zleva doprava nebo do a z roviny náčrtu. To umožňuje centralizaci zaostřeného paprsku pomocí trysky. Rovněž lze nastavit vertikální vzdálenost mezi tryskou a objektivem.

  Než se přesunete k podrobnějšímu popisu procesu řezání, je nyní vhodný čas, abyste shrnuli výhody laserového řezání.

  A. Proces snižuje vysokou rychlost v porovnání s jinými metodami profilování. Například 1500W CO2 laser řeší 2mm silnou měkkou ocel při 7,5mmin-1. Stejný stroj vyřízne 5 mm hrubý akrylový plech při ~ 12 min-1.

  B. Ve většině případů (např. Výše ​​uvedené dva příklady) budou řezané díly okamžitě po řezání připraveny k provozu bez jakéhokoliv následného čištění.

  C. Šířka řezu (šíře kerf) je velmi úzká (typicky 0,1 až 1,0 mm). Velmi detailní práce lze provést bez omezení minimálního vnitřního poloměru uloženého frézami a podobnými mechanickými metodami.

  D. Proces může být plně řízen CNC. Toto, kombinované s nedostatečnou potřebou složitých uspořádání, znamená, že změna úlohy z řezné součásti "A" z oceli na řeznou složku "B" z polymeru může být provedena v sekundách. (Poznámka Nd: YAG lasery nemohou řezat většinu plastů, protože jsou transparentní pro Nd: YAG laserové světlo).

  E. Ačkoli řezání laserem je tepelný proces, skutečná plocha vyhřívaná laserem je velmi malá a většina tohoto ohřátého materiálu se během řezání odstraní. Proto je tepelný příkon k objemu materiálu velmi nízký, tepelně ovlivněné zóny jsou minimalizovány a tepelné zkreslení je obecně vyloučeno.

  F. Jedná se o bezkontaktní proces, což znamená, že materiál potřebuje být jen lehce uchopen nebo jen umístěn pod nosníkem. Flexibilní nebo křehké materiály lze řezat s velkou přesností a při řezání nedeformovat, jako by byly při řezání mechanickými metodami.

  G. Vzhledem k CNC charakteru procesu mohou být součásti uspořádány tak, aby byly "hnízděny" velmi blízko sebe. Proto může být materiálový odpad snížen na minimum. V některých případech může být tato zásada prodloužena, dokud není vůbec žádný odpadní materiál mezi podobnými okraji sousedních komponent.

  H. Ačkoli jsou kapitálové náklady stroje na řezání laserem podstatné, provozní náklady jsou obecně nízké. Existuje řada průmyslových případů, kdy se velké zařízení zaplatilo za rok.

  I. Proces je mimořádně tichý ve srovnání s konkurenčními technikami, faktorem, který zlepšuje pracovní prostředí a efektivitu nebo pracovníky obsluhy.

  J. Laserové řezací stroje jsou extrémně bezpečné ve srovnání s mnoha jejich mechanickými protějšky.

  Srovnání CO2 a Nd: YAG řezání laserem.

  Lasery CO2 a Nd: YAG vytvářejí vysoce intenzivní paprsky infračerveného světla, které mohou být zaměřeny a použity pro řezání.

Mnoho méně lasery Nd: YAG se prodává jako řezací stroje ve srovnání s lasery CO2. Je to proto, že pro obecné řezné aplikace jsou lasery CO2 nejúčinnější. Nd: YAG lasery jsou preferovány pouze:

A. Pokud je v tenkém materiálu požadována velmi jemná detailní práce.

  B. Pokud jsou pravidelně řezány vysoce odrazné materiály, jako je například měď nebo slitiny stříbra,

NEBO

  C. Pokud má být optická vlákna použita k přepravě laserového paprsku na obrobek.

  I když lasery CO2 a Nd: YAG vytvářejí infračervené světlo, vlnová délka světla CO2 laseru je desetkrát větší než vlnová délka strojů Nd: YAG (10,6 mikronů a 1,06 mikronů). Protože laserové světlo Nd: YAG má kratší vlnovou délku, má tři výhody oproti CO2 laserovému světlu:

  1. Nd: YAG laserové světlo může být zaměřeno na menší místo * než CO2 laserové světlo. To znamená, že lze dosáhnout jemnější a podrobnější práce (např. Ruce okrasných hodin).

  2. Nd: YAG laserové světlo se lehce odráží kovovými povrchy. Z tohoto důvodu jsou lasery Nd: YAG vhodné pro práci na vysoce odrazivých kovů, jako je stříbro.

  3. Světlo Nd: YAG může procházet sklem (nesmí svítit CO2). To znamená, že vysoce kvalitní skleněné čočky lze použít k zaostření paprsku dolů na minimální velikost *. Také křemenné optické vlákna mohou být použity pro přenášení paprsku relativně dlouhé vzdálenosti na obrobek. To vedlo k rozsáhlému používání laserů Nd: YAG na automobilových výrobních linkách, kde je k dispozici dostatek prostoru na tratích.

  * Poznámka: Je-li použito optické vlákno, může být schopnost laserového světla Nd: YAG zaostřit až na velmi malé místo, pokud je průměrný výkon vyšší než 100 Watt. Zaostřená velikost místa po procházení optickým vláknem může být větší než CO2 laserový bod.

  Krátká vlnová délka Nd: YAG laserové světlo má také jednu hlavní nevýhodu:

  1 Většina organických materiálů (například plastů, výrobků na bázi dřeva, kůže, přírodních kaučuků apod.) Je transparentní pro laserové světlo Nd: YAG. Z tohoto důvodu nemohou být řezány lasery Nd: YAG. Pokud je výkon laseru nízký nebo je velikost zaostřeného místa příliš velká, světlo prochází materiálem, aniž by bylo nutné ho ohřívat natolik, aby jej bylo možné vyříznout. Pokud se zvýší intenzita laserového paprsku, zvýšením výkonu nebo zmenšením velikosti bodů bude materiál nakonec reagovat lokalizovanou explozí, která může způsobit slzu nebo otvor.

  Situace s anorganickými nekovy (např. Keramika, brýle, uhlík apod.) Je poměrně složitá. CO2 mohou být použity k řezání velké části těchto materiálů, ale stroje Nd: YAG mohou opět narazit na problémy s průhledností materiálů (to platí například pro sklo a křemen). Jedním z příkladů úspěchu pro oba typy laserů je profilování keramických substrátů pro elektronický průmysl. V některých případech mohou anorganické plnidla, které se používají k barvení nebo tvrdnutí plastů, je vhodná pro řezání Nd: YAG. Obecně se však řezání polymerů provádí pouze lasery s CO2.

  V souhrnu mohou být lasery Nd: YAG použity k řezání jemných detailů nebo mohou být použity s optickým vláknem, v takovém případě nebudou jemné detaily možné (vyjma řezání fólií nebo tenkých masek při nižším výkonu). Jsou zvláště vhodné pro řezání slitin s vysokou odrazivostí, ale nemohou omezit mnoho nekovů.

Na druhou stranu, CO2 lasery jsou obvykle levnější výrobní cestou, a proto jsou podporovány pro obecné technické účely. CO2 lasery mají také tu výhodu, že mohou řezat širší škálu materiálů od kovů po polymery a dřevo.

Řezné mechanismy

  Řezací mechanismy mohou laserové řezané materiály různými mechanismy, které jsou popsány níže. Podkapitola každého řezacího mechanismu obsahuje zmínku o skupinách řezaných materiálů a o tom, které z laserů se jedná.

  Střihání taveniny nebo řezání fúzí (většina kovů a termoplastů - lasery CO2 a Nd: YAG)

  Obrázek 2 Tavenina 1. Většina organických materiálů

  Obrázek 2 je schéma procesu střihání taveniny nebo řezání fúzí. (Také označováno jako "řezání inertním plynem"). [1] V tomto případě se soustředěný laserový paprsek taví obrobek a tavenina se vytáhne ze spodní části řezu mechanickým působením trysky řezného plynu. Materiály, které jsou tímto způsobem řezány, zahrnují většinu těch, které mohou být roztaveny, tj. Kovy a termoplasty. Pro laserové řezání těchto materiálů úspěšně potřebujeme zvolit náš typ řezného plynu a tlak pečlivě.

  Typ řezného plynu se volí v závislosti na reaktivní povaze řezaného materiálu, tj.

  Roztavené termoplasty chemicky nereagují s dusíkem nebo kyslíkem a stlačený vzduch může být použit jako řezací plyn.

  Roztavená nerezová ocel reaguje s kyslíkem, ale ne s dusíkem, a proto se v tomto případě používá dusík.

  Roztavený titan reaguje s kyslíkem nebo dusíkem a proto se jako řezací plyn používá argon (který je chemicky inertní).

  Tlak použitého plynu také závisí na řezaných materiálech, tj. Odstranění roztaveného polymeru z řezné zóny (při řezání například z nylonu) nevyžaduje vysokotlaký plynový paprsek, a tak může přívodní tlak k řezné hlavě být v rozmezí 2-6 barů. Roztavená nerezová ocel na druhé straně vyžaduje podstatně větší mechanický tlak, aby se odstranila z oblasti řezu, takže použité tlaky dodávek budou v rozmezí 8 až 14 bar (požadovaný tlak se zvyšuje s tloušťkou oceli).

  Chemické degradační řezání (termosetové polymery a dřevěné výrobky - CO2 lasery)

  Termosetové plasty a výrobky z dřeva nejsou řezány mechanizmem třením taveniny z jednoduchého důvodu, že nemohou tát. V tomto případě laser spálí obrobek, čímž redukuje plast nebo dřevo na kouř vyrobený z uhlíku a dalších složek původního materiálu.

  Tento proces je známý jako řezání chemickou degradací. Protože tento proces vyžaduje více energie než jednoduché tavení, rychlost řezání a maximální tloušťka pro termosety jsou nižší než u termoplastů, řezná hrana těchto materiálů je obecně plochá, hladká a pokrytá tenkou vrstvou uhlíku.

  Odpařování (laserové akrylátové a polyacetalové CO2)

  U kovů není myšlenka řezání laserem odpařováním vůbec atraktivní, protože odpařování spotřebovává mnohem více energie než jednoduché tavení potřebné pro řezání tavením taveniny. U některých polymerů se však provádí odpařování, protože teploty tavení a varu materiálů jsou velmi těsné. Nejčastějším materiálem, který je takto řezán, je polymethylmethakrylát, který je lépe známý jako akryl nebo jeho obchodní názvy; Perspex, Plexiglass atd.

Tento materiál je značně využíván pro značení a zobrazování a má to štěstí, že díky své kapacitě k varu při řezání laserem může být vyrobena lesklá, leštěná řezná hrana.

  Scribing (keramika - CO2 nebo Nd: YAG lasery)

  Štítek je proces, při kterém lze dosáhnout velmi rychlých řezných rychlostí na křehké tenké keramice (např. AL2O3) pro elektronický průmysl. Laser je používán v impulsním režimu k odpaření linie mělkých otvorů po povrchu listu materiálu. Materiál se následně roztáhne po těchto liniích slabosti. Ze zřejmých důvodů je proces vhodný pouze pro výrobu přímých linek.

  Oxidační řezání (měkké oceli a uhlíkové oceli - CO2 nebo Nd: YAG lasery)

  Měkká ocel a uhlíková ocel mohou být řezány procesem stříhání taveniny pomocí dusíku, ale jsou častěji řezány kyslíkem jako řezací plyn. Kyslík chemicky reaguje se železem v řezné zóně a to má pro proces řezání dvě výhody:

  1. Reakce vytváří teplo, které urychluje řezací proces a tím zlepšuje řezné rychlosti a zvyšuje maximální tloušťku, kterou lze řezat.

  2. Reakce produkuje oxidovanou taveninu, která má nízkou viskozitu a nepřilne k pevné oceli na obou stranách řezu. To znamená, že kapalina je snadno vyfouknutá z oblasti řezu a na dolním okraji řezu není zbytková tavenina (troska).

  Chemická reakce má také dvě nevýhody:

  1. Citlivost procesu se zvyšuje, pokud jde o následující parametry procesu;

  Laserový paprsek musí být přesně vycentrován na otvor v trysce řezací hlavy (viz obrázek 1).

  Laserový paprsek musí mít rozložení energie, které je axiálně symetrické.

  2. Chemická reakce zanechává na řezné hraně tenkou (~ 100 "m) kůži oxidu železa. Tato vrstva oxidu je křehká a není bezpečně připevněna k podkladové oceli. To obecně není problém, ale může se vloupat do provozu po vymalování části, přičemž barvu s ním. Z tohoto důvodu někteří zákazníci trvají na součástkách z měkké oceli pro řezání dusíkem.

Případová studie

  Je zavádějící, že si vyberete jednu součástku a pak prokážete, proč je řezání laserem preferovanou výrobní metodou. Abychom získali širší obraz, zvážili jsme typ součásti, tzn. Plochou, přibližně obdélníkovou desku s deseti otvory, třemi štěrbinami a některými okrajovými detaily. Předpokládejme, že celková velikost je 200mm x 300mm.

  Cesta k výrobě bude určena řadou faktorů:

  Typ materiálu a tloušťka, počet požadovaných součástí, požadovaná přesnost, požadovaná kvalita hran, velikost otvorů / otvorů apod.

  Rozhodnutí bude záviset na nákladech spojených s výrobou dílů odpovídající kvality a bude vybrána nejlevnější metoda. V mnoha případech bude laserové řezání nejlevnější cestou, ale je zajímavé poskytnout několik různých příkladů výrobku, které by ukázaly, kdy bude vybrána alternativní metoda:

1. Materiál - 3 mm silný ocelový řez laserovým CO2 by byl vybrán s výjimkou následujících podmínek.

  Pokud potřebujeme více než 100000 komponent. U velké dávkové výroby mohou být počáteční náklady spojené s pevným děrováním nástrojů oprávněné.

  Pokud celkový obrys neobsahoval žádné složité profily a pouze jeden nebo dva kusy byly požadovány, plazma nebo řezání plamenem následované obráběním může být konkurentem.

Pokud tolerance velikosti otvorů nebo štěrbin musí být mnohem lepší než ± 0,1 mm typické pro komerční řezání CO2 laserem. V tomto případě může být preferováno Nd: YAG řezání laserem, CNC děrování nebo obrábění elektrickým výbojem

  2. Materiál - 15mm silný kov:

  V tomto případě by se řezání CO2 laserem obecně vybralo jako nejlevnější volbu, pokud by byl daný kov ocelí. Nicméně komerční řezání laserem nemůže být použito pro profilování hliníku nebo slitin mědi v této tloušťce a obvyklá alternativa by byla řezání abrazivním vodním paprskem.

  3. Materiál - 5 mm Titan:

  V tomto případě by mohlo být použito řezání CO2 laserem, jestliže tepelně postižená zóna vytvořená podél řezaného okraje pro finální výrobek není důležitá.

  Při životně kritických aplikacích by byla tepelně postižená zóna problematická a mohlo by být použito mechanické obrábění, brusné vodní tryskání nebo obrábění elektrickým výbojem.

  4. Materiál - 10mm polymer:

  V tomto případě by se mělo použít řezání CO2 laserem, pokud počet použitých součástí neodůvodnil použití technik vstřikování.

Stav umění

  Stav umění takového rozmanitého tématu, jako je laserové řezání, není jediným předmětem. Výkon stroje určeného pro jednu aplikaci může být velmi odlišný od výkonu univerzálnějšího typu pracoviště.

  Z tohoto důvodu je nejlépe diskutováno o stavu techniky v rámci několika okruhů:

  Práce Řezání laserem

  Od počátku laserového řezání jako průmyslový proces na počátku 70. let výrobci strojů neustále zvyšovali sílu dotčených laserů. Výkon používaný při řezání vždy zaostal za maximálními dostupnými výkony, protože laserové řezání vyžaduje vysoce kvalitní paprsek, který může být zaostřen na malé místo s axiálně symetrickou hustotou energie (tato symetrie je nezbytná, všechny směry).

  Moderní (2004) řezací stroje často používají síly mezi 3,5kW a 5,5kW, které jsou schopné velmi vysokých výrobních rychlostí. Dva důležité parametry z hlediska pracoviště jsou maximální tloušťka konkrétního materiálu, který lze řezat, a rychlost řezání. Tabulka 1 udává přibližnou maximální tloušťku, která může být řezána na 4 a 5 kW CO2 lasery.

  Tabulka 1. Přibližná maximální tloušťka materiálů pro lasery CO2.

  Řezné rychlosti

  Předmět řezných rychlostí je otevřen mnoha interpretacím a zájemci z prodeje vydali za posledních tři desetiletí spoustu zavádějících informací. V posledních letech výrobci strojů realizovali dva důležité body;

  1. Není důležité pouze lineární maximální řezná rychlost; je čas cyklu součásti.

  2. Často je lepší odbourat sílu stroje s kapacitou více kilowattů pro řezání tenčích materiálů. (Takže váš stroj o výkonu 4 kW může automaticky snížit svůj výkon na 2 kW pro řezání 2 mm silné měkké oceli).

  Za účelem maximalizace výroby se výrobci strojů nedávno soustředili na strojní zrychlení a rychlosti pohybu mezi sebou. Zlepšení v těchto oblastech a souvisejících tématech, jako jsou časy piercingu a rychlosti zatahování hlavy, způsobily, že rychlost řezání laserem je pouze malou složkou v komplikovaném výpočtu pro odhad časových cyklů součástek. V dnešní době je jediným přesným způsobem porovnání výkonu dvou strojů provedení zkoušek na skutečných součástech. Tabulka 2 však uvádí některé typické řezné rychlosti.

Tabulka 2. Typické rychlosti řezání laserem pro přímé tratě dlouhé několik set milimetrů s výkonem přibližně 5 kW. (Průměrné hodnoty vypočítané z toho, které poskytly společnosti Bystronic a Trumpf)

  Odborné aplikace

  Žádný přehled o stavu techniky by byl úplný bez pohledu na některé specializované aplikace. Dvě takové aplikace představují vývoj vysokorychlostního řezání a řezání tlustých řezů, který byl vyvinut v Fraunhofer Institute fy LaserTechnik v německém městě Aachen. Pečlivou kontrolou parametrů procesu byly týmy z Aachenu řezány nerezové oceli o tloušťce přesahující 40 mm. Vývoj laserového řezacího stroje pro tenkostěnnou ocel je ještě zajímavější, protože zahrnuje neobvyklý typ interakce laser-materiál v řezu pásmo. Již dříve bylo zmíněno, že při řezání kovů je obecně třeba vyhnout se odpařování, protože spotřebovává spoustu energie. Nicméně při řezání tenkých řezů vysokou rychlostí může proces odpařování napomáhat při řezání tím, že v oblasti řezu působí lokalizovaný tlak, který pomáhá vytlačovat taveninu. Použitím tohoto principu dosáhl tým Aachen rychlosti řezání přesahující 145 m / min pro tloušťku ocelového plechu 0,23 mm [2].

  Jedním z posledních oblastí pokroku, který se stal v posledních dvou až třech letech velmi populární, je vývoj laserových řezacích strojů. Nyní jsou k dispozici stroje, které mohou zpracovávat trubky téměř jakéhokoli průřezu, s průměry až do několika stovek milimetrů. Příchod takových strojů povzbudil nové postoje k návrhu. Namísto vytvoření dvou podpěrných nožiček a křížového kusu ze tří kusů může být celá sestava laserem vyříznutá z jedné délky trubky a jednoduše ohnuta do tvaru před svařováním - viz obrázek 3.

  Obrázek 3. Speciálně konstruovaný profil pro výrobu zakřivených ohybů

  Také mohou být použity spoje pro řezání dřeva a drážky pro pomoc při konečném svařování nebo výrobě, viz obrázek 4.

  Obr. 4. Konstrukce pro řezání laserem může zahrnovat použití spojek pro pero a drážku. (Vzorek s laskavým svolením BLM: Adige)

  Další oblastí nedávného zájmu je růst laserumikro obrábění. Tato oblast aplikace se stávástále populárnější v elektronice a biomedicíněpole. Zapojené lasery obvykle potřebují mít menšízaměřených bodů, než je možné pomocí infračerveného CO2 astandardní lasery Nd: YAG. Z tohoto důvodu to jsou laseryvytvářet viditelné nebo ultrafialové světlo aproces řezání je spíše odpařením nebo ablacínež typ profilování Obrázek 3.

Závěr

  Od svých počátků na počátku sedmdesátých lét má laserové řezáníneustále se rozšiřovala, aby naplnila stále rostoucí trhpodíl. Účinnost tohoto procesu je zřetelnázřejmý v jeho široké oblasti působnosti. Je jasné žepřírůstkové vylepšení softwaru i hardwaruzajistí trvalý úspěch procesu.

Poděkování

  Autoři by rádi poděkovali laserovému řezánívýrobci strojů Bystronic, Trumpf aBLM: Adige za pomoc při tvorbě tohoto článku.Také díky Laure Adamsové pro přípravu tohoto dokumentu.