Лазерно рязане на метални плочи: Пълно ръководство за основите

Нова ера на прецизно производство

В условията на съвременната индустрия, способността за трансформиране на суровини в сложни, функционални части със скорост и прецизност е от първостепенно значение. В основата на тази способност се крие категория технологии, известни като субтрактивно производство, при които материалът се отстранява селективно от по-голямо парче, за да се постигне крайна форма. От традиционното фрезоване и струговане до усъвършенствани компютърно контролирани процеси, субтрактивните методи са изградили нашия свят.

Сред тези технологии, лазерното рязане на ламарина се очертава като крайъгълен камък в индустриалното производство. То представлява значителен скок напред, предлагайки несравнима прецизност, скорост и свобода на дизайна. Този процес използва силно концентриран светлинен лъч за рязане, гравиране или маркиране на ламарина, превръщайки цифровите дизайни във физически компоненти с микроскопична точност. Неговото индустриално значение не може да бъде надценено; то е двигателят зад производството на части в аерокосмическата, автомобилната, строителната, електрониката и безброй други сектори.

Тази статия предоставя цялостно проучване на лазерното рязане на ламарина, от основните му принципи и историческо развитие до практическите дизайнерски съображения и поглед към бъдещето. Независимо дали сте инженер, дизайнер, собственик на бизнес или просто се интересувате от съвременното производство, това ръководство ще ви запознае с основите на тази трансформираща технология.

Какво е лазерно рязане на ламарина ?

Производството на листов метал е процес на създаване на части и конструкции от плоски метални листове. Това включва набор от техники като огъване, сгъване, заваряване и, най-важното, изрязване на първоначалния плосък шаблон. Връзката между производството на листов метал и лазерното рязане е симбиотична; лазерното рязане предоставя идеалния метод за създаване на прецизни, сложни 2D профили, които след това се оформят в 3D структури.

Принцип на работа: Светлината като режещ инструмент

В основата си лазерното рязане работи чрез насочване на изхода на мощен лазер, най-често чрез оптика, върху материала, който ще се реже. Процесът се развива в поредица от контролирани събития:

1. Генериране на лазерен лъч: Лазерен резонатор (източникът) генерира мощен, монохроматичен и кохерентен светлинен лъч.
2. Фокусиране: Серия огледала и фокусираща леща концентрират този лъч върху малка, прецизна точка върху повърхността на металната плоча. Тази концентрация драстично увеличава енергийната плътност.
3. Отстраняване на материал: Интензивната топлинна енергия във фокусната точка нагрява метала толкова бързо, че той се топи, изгаря или изпарява.
4. Спомагателна газова струя: Едновременно с това, коаксиална струя от спомагателен газ (като кислород, азот или аргон) се насочва към зоната на рязане. Тази газова струя има две основни функции: тя издухва разтопения или изпарен материал извън пътя на рязане (известен като "прорез") и в някои случаи участва в химическа реакция, за да подпомогне процеса на рязане.

Предимството на CNC: От цифрово към физическо

Това, което издига лазерното рязане от прост инструмент до мощен инструмент на съвременното производство, е интеграцията му с компютърно-цифрово управление (CNC). CNC системата действа като мозъкът на лазерния резец. Тя интерпретира дигитален проектен файл, обикновено CAD (компютърно-подпомогнато проектиране) чертеж, и го преобразува в серия от прецизни инструкции за системата за управление на движението на машината. Това позволява на режещата глава да следва сложни траектории с изключителна точност и повторяемост, което позволява създаването на хиляди идентични части с толеранси, измерени в части от милиметъра.

История на лазерното рязане на ламарина

Пътят на лазерното рязане е история за научни открития, които отговарят на индустриалните нужди.

• 1960 г.: Историята започва с Теодор Майман от Hughes Research Laboratories, който разработва първия функционален лазер, използващ синтетичен рубинен кристал. Първоначално наречен „решение, търсещо проблем“, потенциалът му не е бил очевиден веднага.
• 1965: Първото практическо приложение на това „решение“ е демонстрирано в Западния изследователски център по електротехника. Лазер е използван за пробиване на отвори в диамантени матрици, задача, която е известна с това, че е трудна и отнема време с традиционните методи. Това доказва способността на лазера да работи с изключително твърди материали.
• 1967: Първото лазерно рязане с газ е разработено във Великобритания за рязане на стоманени листове с дебелина 1 мм с помощта на CO2 лазер с кислородна струя. Това бележи истинското начало на индустриалното рязане на метал.
• 70-те години на миналия век: На пазара се появяват първите готови за производство CNC машини за лазерно рязане. Тези ранни системи са захранвани предимно от CO2 лазери и въпреки че са големи и скъпи, те революционизират индустрии, които изискват сложни разрези на ламарина, като например аерокосмическия сектор.
• 1990-те - 2000-те: Технологията на CO2 лазерите се развива, като по-високата мощност и по-доброто качество на лъча стават стандарт. През това време лазери с твърдотелни кристали като Nd:YAG също намират своята ниша, особено за приложения с високомощни импулси.
• Революцията на фибролазерите (от средата на 2000-те до наши дни): Най-значимата еволюция в близкото минало е комерсиализацията и бързото приемане на фибролазерите. Тяхната превъзходна енергийна ефективност, минимални изисквания за поддръжка и изключителна скорост за рязане на тънки до среднодебели метали им позволиха да изпреварят CO2 лазерите в много приложения, намалявайки разходите и разширявайки допълнително достъпността на технологията за лазерно рязане.

Видове лазери, използвани за рязане на метални плочи

„Лазерът“ в лазерния резец не е универсален компонент. Видът лазерен източник, или резонатор, определя възможностите, ефективността и идеалните приложения на машината. Трите основни вида, използвани за рязане на метал, са фибро, CO2 и кристални лазери.

1. Фибро лазери

• Принцип: Фибролазерите са вид твърдотелен лазер. Процесът започва с помпени диоди, които генерират светлина, която след това се насочва към гъвкаво оптично влакно. Това влакно е легирано с рядкоземен елемент, обикновено итербий. Самото влакно действа като лазерна среда, усилвайки светлината, за да създаде крайния, мощен лазерен лъч. Лъчът се съдържа и доставя изцяло във влакното, елиминирайки необходимостта от сложни огледални системи.
• Обхват: Те са доминиращата технология за рязане на тънки до средно дебели метали (до ~25 мм или 1 инч). Те са отлични в обработката на отразяващи метали като алуминий, месинг и мед, които могат да повредят оптиката на CO2 лазера.
• Плюсове:
  • Висока ефективност: Несравнима ефективност на контакта (често >30%), което води до по-ниска консумация на електроенергия и експлоатационни разходи.
  • Ниска поддръжка: Липсата на движещи се части или огледала по пътя на лъча означава, че не е необходимо подравняване. Помпените диоди имат изключително дълъг живот.
  • Висока скорост: По-късата дължина на вълната на фибро лазерите се абсорбира по-лесно от металите, което води до значително по-бързи скорости на рязане на по-тънки материали.
  • Компактен размер: Липсата на голям корпус за газов резонатор прави машините по-компактни.
• Недостатъци:
  • Въпреки че са способни да режат дебели плочи, мощните CO2 лазери често осигуряват по-гладка и по-висококачествена обработка на ръбовете при много дебели материали (>20 мм).
  • Първоначалните инвестиционни разходи могат да бъдат по-високи, въпреки че цените непрекъснато намаляват.

2. CO2 (въглероден диоксид) лазери

• Принцип: CO2 лазерите генерират лъча си чрез пропускане на електрически ток през газопълнеща тръба. Газовата смес обикновено се състои от въглероден диоксид, хелий и азот. Възбудените CO2 молекули произвеждат инфрачервена светлина, която след това се отразява между огледала в двата края на тръбата, за да се усили в кохерентен лазерен лъч.
• Обхват: CO2 лазерите са истински универсални. Те са отлични за рязане на дебели стоманени листове (>25 мм) и осигуряват превъзходно качество на ръбовете с гладко, сатенено покритие. Те са и предпочитаната технология за рязане на неметални материали като дърво, акрил, кожа и пластмаси.
• Плюсове:
  • Изключително качество на ръбовете: Особено при по-дебели материали, те осигуряват много гладък разрез без грапавини.
  • Универсалност: Способен е да обработва широка гама от метални и неметални материали.
• Недостатъци:
  • Ниска ефективност: Ефективността на контакта обикновено е около 10%, което води до по-високи разходи за енергия.
  • Високи експлоатационни разходи: Изисква редовно зареждане с газ и има по-висока консумация на енергия.
  • Интензивна поддръжка: Пътят на лъча разчита на огледала, които трябва да се поддържат идеално чисти и подравнени, което изисква редовна поддръжка от квалифицирани техници.
  • По-голяма площ: Газовият резонатор и свързаното с него оборудване изискват повече площ.

3. Кристални лазери (Nd:YAG и Nd:YVO)

• Принцип: Това също са твърдотелни лазери, но вместо легирано влакно, те използват твърд кристал (неодим-легиран итриев алуминиев гранат или неодим-легиран итриев ортованадат) като лазерна среда. Този кристал се стимулира („помпа“) от високоинтензивни лампи или лазерни диоди, за да се произведе лъчът.
• Обхват: В миналото са били използвани за рязане и заваряване на много дебели или отразяващи материали. Те могат да доставят много висока пикова мощност в импулсен режим.
• Плюсове:
  • Високата импулсна енергия ги прави подходящи за специфични приложения на пробиване и заваряване.
• Недостатъци:
  • Изключително неефективни: Те имат най-ниската ефективност на контакта (често 2-3%).
  • Висока поддръжка: Лампите на помпата имат много кратък живот и изискват честа и скъпа подмяна.
  • За повечето приложения за рязане на ламарина, те са почти изцяло заменени от по-ефективна и надеждна технология за фибърни лазери.

Трите процеса на лазерно рязане на ламарина

Освен вида на лазера, самият процес на рязане може да бъде категоризиран по начина, по който се отстранява материалът. Това се определя предимно от вида на използвания помощен газ.

1. Рязане с лазерно сливане (топене и издухване)

• Процес: При рязане чрез термоядрен синтез, енергията на лазерния лъч се използва единствено за разтопяване на метала във фокусната точка. След това се използва струя под високо налягане от инертен газ, обикновено азот или аргон, за да се изхвърли силно разтопеният материал от прореза.
• Характеристики: Тъй като газът е инертен, той не реагира химически с режещия ръб. Това води до чист, без оксиди и често лъскав режещ ръб, който е веднага готов за заваряване или боядисване без никаква вторична обработка. Това е предпочитаният метод за постигане на най-високо качество на покритието.
• Приложими сценарии: От съществено значение за рязане на неръждаема стомана, алуминий и техните сплави, където предотвратяването на окисляването и поддържането на чистотата на материала е от решаващо значение.

2. Лазерно рязане с пламък (кислородно рязане)

• Процес: Този процес използва кислород като спомагателен газ. Лазерният лъч първо нагрява материала (обикновено мека стомана) до температурата му на запалване (около 1000°C). След това струята чист кислород инициира екзотермична (топлинно произвеждаща) химическа реакция с желязото, като ефективно го изгаря. Основната роля на лазера е да инициира и насочва това контролирано горене.
• Характеристики: Допълнителната енергия от екзотермичната реакция позволява значително по-бързи скорости на рязане, особено при дебела въглеродна стомана. Полученият ръб ще има тънък, тъмен оксиден слой, който може да се наложи да бъде отстранен преди последващо заваряване или нанасяне на покритие.
• Приложими сценарии: Работоспособният процес за рязане на мека стомана и нисколегирана въглеродна стомана, където скоростта и икономическата ефективност са по-важни от перфектно безоксиден ръб.

3. Сублимационно рязане с лазерен лъч (изпарително рязане)

• Процес: Сублимационното рязане използва лазерен лъч с много висока енергийна плътност, за да нагрее материала толкова бързо, че той да се изпари директно от твърдо в газообразно състояние, с малко или никаква течна (разтопена) фаза. Получената пара след това се отвежда от спомагателен газ.
• Характеристики: Този процес произвежда изключително висококачествен ръб без грапавини и минимална зона на топлинно въздействие (ЗТВ). Той обаче е много по-бавен и изисква значително повече енергия от сливането или пламъчното рязане, тъй като изпаряването на материала изисква повече енергия, отколкото простото му топене.
• Приложими сценарии: По-рядко се използва за общо производство на листов метал. Използва се за специализирани приложения, изискващи изключителна прецизност и минимално термично напрежение върху тънки материали, като например рязане на пластмаси, някои композити, дърво или при производството на медицински стентове и електронни компоненти.

Предимства на лазерното рязане на ламарина

Широкото разпространение на лазерното рязане се дължи на редица неоспорими предимства пред традиционните методи.

• Висока прецизност и сложност: Лазерите могат да постигнат толеранси от ±0,1 мм (0,004 инча), което позволява създаването на изключително сложни геометрии и фини детайли, които са невъзможни с други методи.
• Високо оползотворяване на материала: Лазерният лъч създава много тесен прорез (ширина на рязане). Това позволява частите да бъдат разположени много близо една до друга върху един метален лист, като по този начин се минимизират отпадъците и се намаляват разходите.
• Универсалност: Една машина за лазерно рязане може да обработва голямо разнообразие от метали (стомана, неръждаема стомана, алуминий, месинг, мед) и различни дебелини. Тя може също така да извършва множество операции, като рязане, маркиране и ецване, в една настройка.
• Ниска консумация на енергия: Това е особено вярно за съвременните фибро лазери, които са забележително енергийно ефективни, което води до по-ниски експлоатационни разходи и по-малък екологичен отпечатък в сравнение с по-старите лазерни технологии или други машини.
• Минимални материални щети: Лазерното рязане е безконтактен процес. Топлината е силно локализирана, което води до много малка зона на топлинно влияние (ЗТВ). Това минимизира термичното изкривяване и деформация, което е особено важно за тънки или деликатни части.

Недостатъци на лазерното рязане на ламарина

Въпреки многобройните си предимства, лазерното рязане не е без своите ограничения.

• Изисква квалифицирани оператори: Работата и поддръжката на индустриален лазерен резец изисква специализирано обучение. Необходим е квалифициран техник, който да задава параметри, да извършва поддръжка и да отстранява проблеми, за да се гарантира оптимална производителност и безопасност.
• Ограничения на дебелината на метала: Въпреки че мощните лазери могат да режат много дебели плочи (над 50 мм или 2 инча), има практическо ограничение. За изключително дебели метали, други процеси като плазмено рязане или рязане с водна струя може да са по-ефективни или рентабилни.
• Вредни изпарения и газове: Процесът на рязане изпарява метала и генерира изпарения и твърди частици, които са опасни за вдишване. Надеждната вентилационна и филтрираща система е задължително изискване за безопасност.
• Висока първоначална инвестиция: Капиталовите разходи за закупуване на система за лазерно рязане от индустриален клас са значителни и представляват голяма инвестиция за всеки бизнес.

Съвети за проектиране на лазерно изрязани части

За да извлечете максимума от технологията за лазерно рязане и да гарантирате, че вашите части са технологично годни и рентабилни, следвайте тези най-добри практики за проектиране.

• Размер на детайла спрямо дебелина на материала: Важно правило е, че минималният размер на всеки изрязан елемент (като отвор или прорез) не трябва да бъде по-малък от дебелината на материала. Например, в стоманена плоча с дебелина 3 мм, най-малкият отвор, който трябва да проектирате, е с диаметър 3 мм. Опитът да се изрежат по-малки детайли може да доведе до издуване или непълен разрез.
• Компенсация на прореза: Лазерният лъч премахва малко количество материал, създавайки ширина на рязане, известна като прорез. Макар и тясна, това трябва да се вземе предвид при конструкции, изискващи строги допуски, като например заключващи се части или пресовани сглобки. Вашият производствен партньор може да ви посъветва за специфичната стойност на прореза на своята машина.
• Избор на материал: Изберете материали, подходящи за лазерно рязане. Стандартните видове мека стомана, неръждаема стомана и алуминий режат чисто и предвидимо. Имайте предвид, че силно отразяващи материали като полиран алуминий или мед могат да бъдат трудни за рязане и може да изискват по-мощен фибърен лазер.
• Разстояние и вмъкване: Оставете достатъчно разстояние между частите на листа. Добро общо правило е да се поддържа разстояние, поне равно на дебелината на материала, между контурите на отделните компоненти. Това предотвратява топлинното изкривяване и гарантира, че листът остава стабилен по време на рязане.
• Текст и гравиране: За текст, който е изрязан изцяло, използвайте шрифт тип „шаблони“. Тези шрифтове имат малки мостове, които предпазват вътрешните части на буквите (като „O“, „A“, „B“) от падане. За гравиран текст използвайте прости, удебелени шрифтове без серифи за най-добра яснота.
• Съвети за намаляване на производствените разходи:
  • Опростете: Избягвайте ненужната сложност. Всяко съкращение добавя време и разходи.
  • Добавяне на радиуси на ъглите: Острите вътрешни ъгли са точки на напрежение. Добавянето на малък радиус (заобляне) прави детайла по-здрав и позволява на лазера да реже по-плавно и бързо.
  • Използвайте стандартни калибри: Проектирайте със стандартни дебелини на материалите, за да избегнете разходи за материали по специална поръчка.
  • Консолидиране на части: Ако е възможно, проектирайте една, по-сложна част, която може да се огъне във форма, вместо множество прости части, които трябва да бъдат заварени заедно.

Препоръчана онлайн услуга за лазерно рязане: Hymson Laser

Когато избирате доставчик на услуги или производител на машини, партньорството с утвърден лидер е от решаващо значение. Hymson Laser , основана през 2008 г., има значителен принос в областта на лазерите и автоматизацията. Днес тя е водещ световен доставчик на интегрирани решения за лазерно и автоматизирано оборудване и национално високотехнологично предприятие.

Насочена към приложения в ламарината в различни индустрии, Hymson предоставя на потребителите професионални и висококачествени продуктови гами и услуги. Предложенията им са всеобхватни, включително цялостни решения за лазерна автоматизация, като например лазерни резачки за плочи, лазерни резачки за тръби, лазерни заваръчни машини и софтуер за лазерна автоматизация. Тези решения се използват широко в сложни индустрии като инженерни машини, строителни машини, селскостопански машини, петролни машини, електропроизводство, автомобилостроене и аерокосмическа промишленост. Като водещи производители на лазерно рязане на метал , техният опит обхваща както оборудването, така и неговото приложение.

Защо да изберете Hymson Laser?

Технологията на Hymson е проектирана за ефективност, надеждност и интелигентност, предоставяйки осезаеми ползи на своите потребители.

● Интелигентна система за изсмукване на прах: Тази усъвършенствана система фокусира засмукването само върху активната зона на рязане. Това не само засилва вентилационния ефект за по-безопасна работна среда, но и спестява енергия, като не вентилира цялото легло за рязане.

● Интелигентна система за контрол на газа: Газът е значителен оперативен разход. Интелигентната система на Hymson оптимизира потока на газ въз основа на материала и скоростта на рязане, като потенциално спестява газ до 50% в сравнение с конвенционалните системи.

● Автоматично фокусиране: Режещата глава е точна, бърза и интелигентна. Тя автоматично настройва фокусната точка за различни видове и дебелини на материали, елиминирайки времето за ръчна настройка и осигурявайки перфектно рязане всеки път.

● Напълно автоматична система за смазване: Тази система автоматично смазва зъбните колела и рейките на програмирани интервали. Тя е практически без нужда от поддръжка , което намалява времето за престой и удължава живота на критичните компоненти за движение.

● Глобална поддръжка: Инвестицията в оборудване на Hymson е подкрепена от монтаж, обучение и постоянна поддръжка от глобални, фабрично обучени инженери, което гарантира максимална възвръщаемост на инвестицията ви.

Заключение

Лазерното рязане на ламарина се е развило от нишова технология в незаменим стълб на съвременното производство. От ранните дни на CO2 лазерите до настоящата, високоефективна фибролазерна революция, технологията непрекъснато разширява границите на прецизност, скорост и ефективност. Тя предоставя на дизайнери и инженери безпрецедентна свобода да превръщат сложни цифрови концепции в прецизни физически компоненти.

Резюме на технологиите: Фибролазерите сега доминират при рязането на тънки до среднодебели метали поради високата си ефективност и ниска поддръжка, докато CO2 лазерите запазват уникално предимство за много дебели плочи и неметални материали. Разбирането на различните процеси – рязане чрез сливане, пламък и сублимационно рязане – е жизненоважно за избора на правилния подход за даден материал и изискване за качество.

Препоръка за услуга: За фирми, които искат да възложат работа на външни изпълнители или да инвестират в ново оборудване, лидери в индустрията като Hymson Laser предлагат авангардни технологични решения и глобална поддръжка, гарантирайки, че потребителите могат да се възползват максимално от потенциала на лазерната технология.

Съвет към читателя: Независимо дали обмисляте покупката на първата си машина или искате да създадете прототип с аутсорсинг, разбирането на основните принципи, предимствата и ограниченията при проектирането на лазерното рязане е ключът към успеха. Като следвате добрите дизайнерски практики и избирате правилните партньори, можете да превърнете тази мощна технология във ваше конкурентно предимство.

Въпроси и отговори

1. Колко дебел може да бъде металът, режещ с лазер?

Това зависи от мощността и вида на лазера. Високомощен (напр. 12 kW+) фибърен или CO2 лазер може да реже стомана с дебелина над 50 мм (2 инча). Въпреки това, за повечето търговски приложения лазерното рязане е най-рентабилно за метали с дебелина до 30 мм.

2. Скъпо ли е лазерното рязане?

Първоначалната инвестиция в оборудване е висока. При аутсорсинг на услуга обаче цената на детайл зависи от няколко фактора: вид материал, дебелина, сложност на рязане и обем на поръчката. За производство с голям обем лазерното рязане става много конкурентно по отношение на разходите поради високата си скорост и използване на материал.

3. Трябва ли да избера фибърен лазер или CO2 лазер?

Това зависи от основното ви приложение:

• Фибърен лазер: Ако режете предимно метали под 30 мм – особено стомана, неръждаема стомана, алуминий, месинг и мед – фибърният лазер е най-добрият избор заради неговата скорост, ефективност и ниска поддръжка.
• CO2 лазер: Ако трябва да режете много дебела стоманена плоча (>30 мм) с възможно най-добро качество на ръбовете или ако трябва да режете различни неметални материали (като дърво и акрил), CO2 лазерът е по-универсалният вариант.

4. Какво е зоната, засегната от топлина (ЗТВ), и важна ли е тя?

ЗТВ е малката зона по режещия ръб, където микроструктурата и механичните свойства на материала са променени от топлината. Лазерното рязане създава много малка ЗТВ, но за определени термочувствителни сплави или приложения, изискващи последваща прецизна обработка, тази зона може да повлияе на твърдостта или устойчивостта на корозия. В такива случаи, процес без нагряване, като например рязане с водна струя, може да бъде по-добър избор.