Пълно ръководство за машини за лазерна рязка с ЧПУ: прецизност, мощ и рентабилност

Как CNC лазерни режещи машини Работа: Технология и основни принципи

Определение и работен принцип на CNC лазерно рязане

Машини за лазерно рязане, управлявани от компютърни числови системи за управление, работят чрез насочване на мощни лазерни лъчи върху материали, за да се извършват прецизни разрези. Когато конструкторите създават детайли с помощта на CAD софтуер, тези проекти се превръщат в специален код, наречен G-код, който указва точно на машината къде да се движи и какви функции да изпълнява по време на операциите по рязане. Вътре в машината лазерният резонатор произвежда много силен светлинен лъч. При фибролазерите този лъч пътува през оптични влакна, докато системите CO2 разчитат на процеси на газови разряди. След това лъчът минава през леща и се концентрира до изключително малка точка върху материала, който трябва да се реже. В тази миниатюрна точка нивата на енергия могат да достигнат над един милион вата на квадратен сантиметър, бързо загрявайки материала, докато се стопи или дори се превърне в пара точно по предварително зададената линия на рязане. За да се осигури гладко протичане на процеса, различни газове като кислород, азот или просто обикновен компресиран въздух помагат да издухват разтопените частици от зоната на рязане, оставяйки чисти ръбове без неравности. Благодарение на CNC технологията, която управлява всичко, рязещата глава се движи с изключителна точност – в рамките на около 0,1 милиметра, което позволява на производствените цехове последователно и многократно да произвеждат сложни форми.

Съществени технически термини: Kerf, фокусно разстояние, помощни газове, G-код/M-код, режим на лъч, гнездова система и системи за охлаждане

Ключовите технически понятия включват:

• Кърф : Ширината на материала, който се отстранява при рязане, определена от фокуса на лъча, дължината на вълната и свойствата на материала
• Фокусно разстояние : Разстояние между фокусната леща и повърхността на обработваното парче; критично за постигане на оптимална плътност на мощност
• Помощен газ : Газ под налягане, който отстранява разтопен материал от резбата; азотът предотвратява окисляването на неръждаемата стомана и алуминия, докато кислородът повишава скоростта на рязане на меката стомана
• G-код/M-код : Стандартни езици за програмиране, които контролират пътеката на инструментите, скоростта, мощността и спомагателните функции
• Режим на лъча : Процес на разпределение на пространствената енергияTEM режим осигурява най-тясното фокусиране и най-високата интензивност, които са от съществено значение за резбата на фини характеристики
• Оптимизация на разположението : Оптимизация на оформлението, управлявана от софтуер, която максимизира използването на материали и свежда до минимум отпадъците
• Системи с чилър : Прецизни температурни контролиращи устройства, поддържащи лазерния източник и оптиката в рамките на ± 0,5°C, за да се гарантира стабилността на лъча и дългосрочната повтаряемост

Видове лазерни машини за CNC рязане: Сравнение на влакна, CO2 и кристали

Файброво-CO2 или кристално-лазерно: дължина на вълната, качество на лъча и ефективност

Фибрите лазери работят в диапазона от 1060 до 1080 nm и са известни с изключителното качество на лъча при стойности на М на квадрат под 1,1. Те също се отличават с впечатляваща електрическа ефективност, достигаща около 50%, и се представят изключително добре при рязане на отразяващи материали като алуминий и месинг. Лазерите CO2 работят с много по-дълги дължини на вълната около 9400 до 10600 nm, което ги прави отличен избор за работа с неметални материали, включително акрили, дървесина и кожи. Въпреки това тези системи не са толкова ефективни – само 10 до 15% и обикновено изискват по-грижливо оптично подравняване. Кристалните лазери, като Nd:YAG или Nd:YVO4, работещи при 1064 nm, могат да обработват широк спектър от материали, но имат проблеми като топлинно леширане и изискват редовни проверки за поддръжка, което ограничава тяхното широко разпространение в производствените среди. Качеството на лазерния лъч оказва сериозно влияние върху това колко чисти ще бъдат ръбовете след рязане и колко широка ще бъде фугата. Фибровите лазери обикновено произвеждат фуги по-тесни от 0,1 mm при по-тънки метални листове, което означава значително по-малко довършителна работа след първоначалното рязане.

Мощност на лазера и компромиси в производителността при различните типове машини

Когато става въпрос за лазерна рязка, по-високата мощност определено означава по-бързи резултати. Например, влакнест лазер с мощност 6 kW може да изреже неръждаема стомана с дебелина 3 мм със скорост около 25 метра в минута, което е почти три пъти по-бързо в сравнение с CO2 система с мощност 4 kW. Но има един недостатък – тези мощни системи са значително по-скъпи в началото и изискват по-високи разходи за поддръжка. Влакнестите лазери обикновено са по-надеждни на дълга сметка, като запазват своята производителност около 100 000 часа непрекъснато. Трубите на CO2 лазерите обаче не са толкова удачни, губейки около 2–3% от мощността си всяка година и изисквайки подмяна на всеки няколко години. Кристалните лазери са изправени пред напълно различен проблем. След като достигнат около 3 kW мощност, започват да развиват топлинни деформации, които ограничават възможността за увеличаване на мощността. Поради това производителите трябва да вземат предвид всички тези фактори при избора на оборудването си.

• Скорост срещу цена : Фибър системите осигуряват по-висока производителност при метали, но изискват първоначални инвестиции с 15–20% по-високи в сравнение с еквивалентни CO2 машини
• Точност срещу универсалност : CO2 се отличава при гравиране на органични материали и рязане на по-дебели неметали (до 25 mm акрил); фибър доминира при тънки до средни дебелини на метали (до 30 mm стомана) с по-строги допуски

Съвместимост с материали и капацитет по дебелина според типа лазер

Съвместимостта с материали остава основният фактор при избора на лазер:

Влакнестите лазери обработват неръждаема стомана с дебелина 1 мм при 25 м/мин с азотно подпомагане – надминавайки значително CO2 по отношение на скорост, качество на ръба и енергийно потребление. CO2 запазва предимства при гравиране с висока детайлност и производство на дебели неметални сечения.

CNC лазерната рязка: От CAD проекта до готовата детайл

Поетапен работен поток: CAD моделиране, CAM програмиране, подготовка на материала и настройка на машината

Всичко започва със създаването на CAD модел, който точно определя как трябва да изглежда детайлът и какви размери трябва да има. След като тези цифрови чертежи бъдат готови, те се зареждат в CAM софтуер, където техници настройват различни параметри за рязане. Такива неща като нивото на лазерната мощност, скоростта, с която главата се движи по материала, позицията на фокусната точка и какъв вид помощен газ се използва при определено налягане, силно зависят от вида материал и дебелината му. CAM програмата обработва цялата тази информация и генерира оптимизирани G-code инструкции, като едновременно с това изчислява най-добрия начин за подреждане (нестване) на детайлите заедно, така че да се загуби възможно най-малко материал. Преди да започне рязането, правилната подготовка на материала е задължителна. Трябва да изберем подходящия клас материали за задачата, да проверим дали е напълно равен, без изкривявания, да се уверим, че повърхността е достатъчно чиста за рязане, след което да закрепим добре материала, чрез вакуумно засмукване или чрез механични скоби. Най-накрая следва финалната фаза от настройката на машината. Техниците отделят време, за да се уверят, че фокусното разстояние е точно, да удвоят проверката на скоростите на газовия поток, да регулират разстоянието между дюзата и обработвания детайл и да следят дали охладителят поддържа стабилни температури през цялата операция.

Рязане, охлаждане, инспекция и следваща обработка

Когато започне процесът на рязане, лазерът разтапя или превръща материала в пара, следвайки програмирания път на G-код, докато в същото време помощният газ помага за почистване на зоната за рязане, известна като ширина на реза. Повечето цехове поддържат температурата на охлаждащата течност около 20 до 25 градуса по Целзий благодарение на вградените уреди за охлаждане. Това осигурява стабилност на оптичните компоненти и намалява досадните области, засегнати от топлина, особено важно при работа с чувствителни метални сплави. След като детайлът е изрязан, включва се контролът на качеството. Техници проверяват размерите с помощта на оптични скенери или големите CMM машини, които всички познаваме и харесваме. Стандартните спецификации обикновено се задържат в рамките на плюс или минус 0,1 милиметър при редовните производствени серии. Какво следва? Ами повечето детайли имат нужда от допълнителна обработка след рязането. Често срещани стъпки в постобработката включват премахване на заострените ръбове (буркане), заобляне на остри ръбове и пасивиране на части от неръждаема стомана, за да се предотврати корозията. Някои клиенти също така искат допълнителни покрития, в зависимост от функционалните изисквания или просто поради естетически съображения. Полирането придава приятното блясък, докато напудряването осигурява защита срещу износване.

Ключови предимства: прецизност, автоматизация, липса на износване на инструменти, минимални отпадъци и възможност за обработка на сложни геометрии

CNC лазерната рязка предлага ясно изразени операционни предимства:

• Пределна точност : Повторяемост под 0,1 мм и разделителна способност на детайли на ниво микрони, незасегната от механично износване
• Автоматизация : Бездистанционното производство се осигурява чрез безпроблемна интеграция с роботизирани системи за зареждане/разтоварване и MES платформи
• Износване на инструмента : Отпадат разходите за консумативни инструменти и прекъсванията поради сменяне на пробойни или фрези
• Минимален отпадък : Напреднали алгоритми за оптимално разположение на детайлите намаляват материалните отпадъци с 15–20% в сравнение с ръчно планиране
• Сложна геометрия : Възможност за изработване на вътрешни контури, остри ъгли и микродетайли, които са трудно постижими с конвенционална обработка

Приложения в индустрията и технологични постижения в CNC лазерната рязка

Приложения в производството, аерокосмическата промишленост, медицинските устройства, електрониката и табелите

Резането с CNC лазер е почти задължително във всички видове прецизна производство днес. Автомобилната индустрия го използва широко за неща като части от шасита и климатични системи, тъй като осигурява надеждни резултати бързо. За аерокосмическите компании тази технология прерязва трудни материали като титан и инконел с невероятна точност. Те трябва да отговарят на строгите стандарти AS9100 и да поддържат допуски до около половин милиметър. Производителите на медицински устройства също разчитат на лазерното рязане. Помислете за хирургически инструменти, миниатюрни стентове и импланти от специални сплави, където дори най-малката несъвършеност може да бъде опасна. Производителите на електроника използват ултрафини лазери за деликатна работа върху гъвкави вериги и създаване на микроскопични отвори в защитни материали. Междувременно архитектите и производителите на табели обичат какво могат да направят с метали и акрили. Лазерното рязане им позволява да изработват детайли панели за декор, осветени табели и уникални фасади на сгради, които биха били невъзможни с традиционни методи.

AI, автоматизация и интегриране на смарт производство в съвременните лазерни системи

Съвременните CNC лазерни машини идват с натрупани умни функции като AI оптимизация, постоянен мониторинг и саморегулиращи се контроли, които перфектно пасват на операциите от тип Индустрия 4.0. Бордовият AI анализира различни видове сензорна информация, например как работи лазерният лъч, записи за промени в налягането на газа и електрическото поведение на моторите. Въз основа на тези данни системата може да коригира параметрите на рязане по време на процеса и всъщност да засича кога части могат да се повредят до три дни преди това да се случи. Тази система за ранно предупреждение намалява неочакваните спирания с около 30%. Когато става въпрос за преместване на материали, роботите поемат задачата с помощта на камери, които ги насочват точно. Това позволява на фабриките да изпълняват производствени поръчки напълно автоматизирано от начало до край, без човешко намеса. Благодарение на вградената интернет връзка, техници могат да проверяват състоянието на системата от разстояние, да изпращат софтуерни ъпдейти и да получават достъп до статистиката за производството, съхранена в облака. Всички тези напреднали функции правят производствените линии много по-гъвкави. Те могат да превключват между различни производствени серии в движение, като все пак спазват строгите стандарти за качество, като изискванията на ISO 2768, за всеки отделно произведен продукт.

Често задавани въпроси

Какво е CNC лазерно рязане?

CNC (Компютърно числено контролиране) лазерно рязане е процес, при който се използват мощни лазерни лъчи, контролирани от компютър, за прецизно рязане на различни материали според даден дизайн.

Какви са видовете CNC лазерни рязащи машини?

Основните видове са Влакнести, CO2 и Кристални лазерни рязащи машини, като всеки има различни предимства относно дължина на вълната, ефективност и съвместимост с материали.

Кои материали могат да се режат с CNC лазерни машини?

Материалите варират от метали като стомана и алуминий до неметали като акрил, дърво и керамика, в зависимост от вида на лазера.

Защо CNC лазерното рязане се предпочита в индустриални приложения?

CNC лазерното рязане е предпочитано поради неговата прецизност, способността да обработва сложни геометрии, възможности за автоматизация, минимално производство на отпадъци и липса на износване на инструмите.