CNC-laserleikkauskoneiden käsikirja: tarkkuus, teho ja kannattavuus

Miten CNC-laserleikkauskoneet Toiminta: Teknologia ja perusperiaatteet

CNC-laserleikkauksen määritelmä ja toimintaperiaate

Tietokoneohjattavat laserleikkuukoneet toimivat keskittämällä voimakkaita laser­säteitä materiaaleihin tarkkojen leikkausten tekemiseksi. Kun suunnittelijat luovat osia CAD-ohjelmistolla, nämä suunnitelmat muunnetaan erityiseksi koodiksi, jota kutsutaan G-koodiksi, ja joka kertoo koneelle tarkalleen, mihin suuntaan liikkua ja mitä toimintoja suorittaa leikkausoperaatioiden aikana. Koneen sisällä laserresonaattori tuottaa erittäin voimakkaan valosäteen. Kuitulaserissa tämä säde kulkee optisten kuiden läpi, kun taas CO2-järjestelmissä käytetään kaasunpurkaukseen perustuvaa menetelmää. Säde kulkee sen jälkeen linssin läpi ja keskittyy äärimmäisen pieneksi pisteksi sille materiaalille, jota on tarkoitus leikata. Tässä pienessä pisteessä energiataso voi ylittää miljoonan watin neliösenttimetrillä, jolloin materiaali kuumenee nopeasti ja alkaa sulaa tai jopa muuttua höyryksi suoraan suunnitellun leikkausviivan kohdalla. Jotta toiminta sujuisi kitkatta, erilaiset kaasut, kuten happi, typpeä tai pelkkä paineilma, auttavat puhalta­malla sulaneet osat pois leikkausalueelta, jättäen siistit reunat ilman karheita kohtia. CNC-tekniikan ohjatessa kaikkea, leikkauspää liikkuu erinomaisen tarkasti, noin 0,1 millimetrin tarkkuudella, mikä mahdollistaa monimutkaisten muotojen tuotannon johdonmukaisesti aina uudelleen.

Oleelliset tekniset termit: Leikkaussyvyys, polttoväli, apukaasu, G-koodi/M-koodi, säteilytila, järjestely ja jäähdytysjärjestelmät

Keskeiset tekniset käsitteet sisältävät:

• Kerf : Leikatessa poistettavan materiaalin leveys — määräytyy säteen fokusoinnilla, aallonpituudella ja materiaaliparametreillä
• Polttoväli : Etäisyys kohdistuslinssin ja työkappaleen pinnan välillä; ratkaisevan tärkeä optimaalisen tehontiheyden saavuttamiseksi
• Apukaasu : Paineistettu kaasu, joka poistaa sulanutta materiaalia leikkaussyvystä; typpeä käytetään estämään hapettumista ruostumattomalla teräksellä ja alumiinilla, kun taas happea käytetään parantamaan leikkausnopeutta hiiliteräksellä
• G-koodi/M-koodi : Standardoidut ohjelmointikielet, jotka ohjaavat työkalureittiä, nopeutta, tehoa ja apufunktioita
• Säteentila : Tilallinen energijakaumakuvio — TEM-tila tarjoaa tiukimman fokusoinnin ja korkeimman intensiteetin, mikä on olennaisen tärkeää tarkkareunaisessa leikkurissa
• Leikkaussuunnittelu : Ohjelmistopohjainen asettelun optimointi, joka maksimoi materiaalin käytön ja minimoi hukkapalon
• Jäähdytysjärjestelmät : Tarkkuuslämpötilanohjausyksiköt, jotka pitävät laserlähteen ja optiikan ±0,5 °C tarkkuudella varmistaakseen säteen vakautta ja pitkäaikaista toistettavuutta

CNC-laserleikkauskoneiden tyypit: Kuitu-, CO2- ja kiteinen verrattuna

Kuitu- vs. CO2- vs. Kiteinen laser: Aallonpituus, säteen laatu ja hyötysuhde

Kuitulaserit toimivat aallonpituusalueella 1 060–1 080 nm ja niiden säteen laatu on erinomaista, jossa M²-arvot ovat alle 1,1. Ne myös ylpeilevät vaikuttavalla sähköisellä hyötysuhteella, joka nousee noin 50 prosenttiin, ja ne suoriutuvat erinomaisesti heijastavien materiaalien, kuten alumiinin ja kuparin, leikkaamisesta. CO2-laserit toimivat paljon pidemmillä aallonpituuksilla noin 9 400–10 600 nm, mikä tekee niistä erinomaisia ei-metallisten materiaalien, kuten akryylien, puiden ja nahkojen, kanssa työskentelyyn. Näiden järjestelmien hyötysuhde on kuitenkin vain 10–15 prosenttia, ja ne vaativat tarkempaa optista linjausta. Kristallipohjaiset laserit, kuten Nd:YAG- tai Nd:YVO4-laserit, jotka toimivat aallonpituudella 1 064 nm, pystyvät käsittelemään laajaa valikoimaa materiaaleja, mutta niillä on ongelmia, kuten lämpölinssilmi-ilmiö ja säännöllisten huoltotarkastusten tarve, mikä on rajoittanut niiden laajaa käyttöä teollisuudessa. Laser­säteen laatu vaikuttaa merkittävästi leikkausreunien siisteyteen ja leikkaus­raon (kerf) leveyteen. Kuitulaserit tuottavat tyypillisesti ohuissa metallilevyissä noin 0,1 mm leveämpiä leikkausraonoja, mikä tarkoittaa, että alkuperäisen leikkauksen jälkeen tarvitaan huomattavasti vähemmän viimeistelytyötä.

Laserin teho ja suorituskyvyn kompromissit eri koneiden välillä

Laserleikatessa korkeampi teho tarkoittaa ehdottomasti nopeampia tuloksia. Esimerkiksi 6 kW:n kuitulaser leikkaa 3 mm ruostumatonta terästä noin 25 metriä minuutissa, mikä on lähes kolme kertaa nopeampaa kuin 4 kW:n CO2-järjestelmä. Mutta siinä on haittapuolensa – nämä tehokkaat järjestelmät sisältävät huomattavasti korkeammat alkuperäiset kustannukset ja jatkuvat huoltokustannukset. Kuitulaserit ovat pitkällä aikavälillä luotettavampia ja säilyttävät suorituskykynsä noin 100 000 tuntia peräkkäin. CO2-putket eivät ole yhtä onnekkaita, menettäen noin 2–3 % tehostaan joka vuosi ja vaativat vaihtamista muutamassa vuodessa. Kristallilaserit kohtaavat taas toisen ongelman. Kun ne saavuttavat noin 3 kW:n tehontasot, niissä alkaa esiintyä lämpömuodonmuutoksia, jotka rajoittavat niiden skaalautumista. Valmistajien on siis punnittava kaikki nämä tekijät varmistaakseen oikean laitteiston valinnan.

• Nopeus vs. kustannus kuitujärjestelmät tarjoavat suuremman käsittelytehon metalleissa, mutta niiden alustava investointikustannus on 15–20 % korkeampi verrattuna vastaaviin CO2-koneisiin
• Tarkkuus vs. Monikäyttöisyys cO2-sovellukset loistavat orgaanisten materiaalien kaiverruksessa ja paksujen ei-metallien leikkauksessa (jopa 25 mm akryyliä); kuitulaserit hallitsevat ohuita ja keskivahvoja metallipaksuuksia (jopa 30 mm terästä) tiukemmillä toleransseilla

Materiaalinsopivuus ja paksuuskapasiteetti laserityypin mukaan

Materiaalinsopivuus on edelleen tärkein tekijä laserin valinnassa:

Kuitulaserit käsittelevät 1 mm ruostumatonta terästä 25 m/min nopeudella typen avustuksella—ylettäen CO2:ta selvästi nopeudessa, leikkausreunan laadussa ja energiankäytössä. CO2 säilyttää edut tarkkien kaiverrusten ja paksujen ei-metallisten osien valmistuksessa.

CNC-laserleikkausprosessi: CAD-suunnittelusta valmiiseen osaan

Vaiheittainen työnkulku: CAD-mallinnus, CAM-ohjelmointi, materiaalin valmistelu ja koneen asennus

Kaikki alkaa CAD-mallin luomisella, joka määrittää tarkasti, miltä osan tulisi näyttää ja mitkä sen mitat ovat. Kun nämä digitaaliset piirustukset ovat valmiit, ne ladataan CAM-ohjelmistoon, jossa teknikot määrittävät leikkuuparametrit. Esimerkiksi laserin tehotaso, kuinka nopeasti pää liikkuu materiaalin yli, missä polttopiste sijaitsee ja millaista apukaasua käytetään millä paineella, riippuu paljolti siitä, millaista materiaalia käsitellään ja kuinka paksua se on. CAM-ohjelma ottaa kaiken tämän tiedon ja tuottaa optimoidut G-koodiohjeet samalla selvittäen parhaan mahdollisen tavaran asettelun, jotta materiaalin hukka minimoituu. Ennen kuin mitään leikataan, materiaalin oikea valmistelu on välttämätöntä. Meidän on valittava työhön sopiva raaka-aineen laatu, varmistuttava siitä, että se on tasainen eikä vääntynyt, tarkistettava että pinta on riittävän puhta leikkausta varten ja kiinnitettävä kaikki kunnolla joko imuroinnilla tai mekaanisilla kiinnikkeillä. Viimeiseksi tulee lopullinen koneen asetusten vaihe. Tekniset asiantuntijat varmistavat, että polttoväli on tarkasti oikein, tarkistavat kaasuvirtaukset uudelleen, säätävät suuttimen ja työkappaleen välisen etäisyyden ja valvovat, pysyykö jäähdytin vakiona lämpötiloissa koko leikkuutoiminnon ajan.

Leikkaus, jäähdytys, tarkastus ja jälkikäsittelyvaiheet

Kun leikkausprosessi alkaa, laser joko sulattaa tai muuttaa materiaalin höyryksi ohjelmoidun G-koodin polun mukaisesti, ja samalla avustava kaasu auttaa puhdistamaan leikkausalueen, joka tunnetaan nimellä kerf. Useimmat kaupat pitävät jäähdytysnesteensä lämpötilassa 20-25 astetta Celsius-asteella sisäänrakennetun jäähdyttimen ansiosta. Tämä pitää optiset komponentit vakaina ja vähentää lämpöilmiöalueiden ärsyttävyyttä, mikä on erityisen tärkeää, kun on kyse herkkistä metalliehdykkeistä. Kun osa on leikattu, laadunvalvonta alkaa toimia. Teknikot tarkistavat mitat optisten skannereiden tai niiden isojen CMM-koneiden avulla, joita me kaikki tunnemme ja rakastamme. Standardin eritelmät ovat yleensä 0,1 mm:n sisällä tavallisten tuotantotasojen aikana. Mitä seuraavaksi tapahtuu? Useimmat osat tarvitsevat siivousta leikkauksen jälkeen. Yleisiä jälkikohtaisia toimenpiteitä ovat muovipulvien poistaminen, terävien reunojen pyöristyminen ja ruostumattomien terästeosten passivointi korroosiota estääkseen. Jotkut asiakkaat haluavat myös lisähuoputusten käyttöä riippuen siitä, mitä he tarvitsevat toiminnallisesti tai vain ulkonäön vuoksi. Kiillotuksen avulla se kiiltää, kun taas jauhepäällyste suojaa kulumista.

Tärkeimmät edut: Tarkkuus, automaatio, työkalujen kuluminen, vähäinen jätettäminen ja monimutkainen geometria

CNC-lasersilmoitus tarjoaa selkeät käyttöetuja:

• Tarkkuus : Toistettavuus alle 0,1 mm ja ominaisuuksien resoluutio mikronitasolla, mekaanisen kulumisen vaikutusta vailla
• Automaatio : Sähkölaitteiden valmistusta tukee saumattomasti integroitu roboottinen lastaus- ja purkamis- ja MES-alusto
• Ei työkalun kulumista : Poistaa kulutusvälineiden kustannukset ja läpimurto- tai hiomakoneiden käyttöpysähdysajat
• Vähäinen hukka : Edistyneet liittoutumisalgoritmit vähentävät materiaalijätettä 15~20% manuaalijärjestelyyn verrattuna
• Monimutkainen geometria : mahdollistaa sisäiset piirustukset, terävät kulmat ja mikrotekijät, jotka ovat epäkäytännöllisiä tavanomaisella koneistuksella

CNC-lasersilmoituksen teollisuuden sovellukset ja teknologiset edistysaskeleet

Sovellukset teollisuudessa, ilmailussa, lääkinnällisissä laitteissa, elektroniikassa ja kyltteissä

CNC-lasersäily on nykyään välttämätöntä kaikenlaisessa tarkkuusvalmistuksessa. Autotalous käyttää sitä laajasti osissa ja ilmastointijärjestelmissä, koska se antaa luotettavia tuloksia nopeasti. Ilmailuyhtiöiden kannalta tämä teknologia leikkaa läpi kovia materiaaleja kuten titaania ja Inconel'ia uskomattoman tarkasti. Niiden on täytettävä tiukat AS9100-standardin vaatimukset ja oltava noin puolen millimetrin mittaisia. Myös lääkinnällisten laitteiden valmistajat luottavat laserleikkaukseen. Ajattele leikkausvälineitä, pieniä stentejä ja erikoislevyistä valmistettuja implantteja, joissa pienikin epätäydellisyys voi olla vaarallista. Sähkölaitteiden valmistajat hyödyntävät ultrahienoja laserit herkkiä piirejä varten ja luovat mikroskooppisia reikiä suoja-aineisiin. Arkkitehdit ja kylttikäyttöiset rakastavat sitä, mitä he voivat tehdä metalleilla ja akryyleillä. Laserleikkauksella voidaan tehdä yksityiskohtaisia koristepaneeleja, valaistettuja kylttejä ja ainutlaatuisia rakennuksen julkisivuja, joita ei perinteisellä menetelmällä ole mahdollista.

AI, automaatio ja älykäs valmistusyhteensopivuus nykyaikaisiin laserjärjestelmiin

Nykypäivän CNC-laserikoneet ovat täynnä älykkäitä ominaisuuksia, kuten tekoälyn optimointia, jatkuvaa seurantaa ja itsesäätöohjauksia, jotka sopivat suoraan teollisuuden 4.0 -toimintaan. Sisäisen tekoälyn avulla tarkastellaan kaikenlaista anturi-tietoa, kuten lasersäteen toimintaa, kaasunpaineen muutoksia ja moottorin sähköisiä toimintoja. Tämän tiedon perusteella järjestelmä voi muuttaa leikkausasetuksia työn aikana ja havaita, milloin osat voivat rikkoutua jopa kolme päivää ennen kuin ne tekevät. Tämä varhaiskutsujärjestelmä vähentää odottamattomia pysähtymisiä noin 30 prosentilla. Kun tulee materiaalin siirtämiseen, robotit hoitavat tehtävän kameroiden avulla, jotka ohjaavat niitä tarkasti. Tämä mahdollistaa tehtaiden automaattisen työn suorittamisen alusta loppuun ilman ihmisen puuttumista. Internetyhteyden avulla teknikot voivat tarkistaa järjestelmän tilan etätieltä, päivittää ohjelmistoja ja käyttää pilveen tallennettuja tuotantotietoja. Kaikki nämä kehittyneet toiminnot tekevät valmistuslinjoista paljon joustavampia. He voivat vaihtaa eri tuotemäärää suoraan ja samalla täyttää tiukat laatuvaatimukset kuten ISO 2768 -vaatimukset jokaisessa tuotetussa osassa.

UKK

Mikä on CNC-laserleikkaus?

CNC-lasersilmoitus on prosessi, jossa käytetään tietokoneen ohjaamia voimakkaita lasersäteitä, jotta voidaan tehdä tarkkoja leikkauksia erilaisista materiaaleista tietyn mallin perusteella.

Mitkä ovat CNC-laserleikkauskoneiden tyypit?

Tärkeimmät tyypit ovat kuitu-, CO2- ja kristallilaserleikkauskoneet, joilla on erilliset edut aallonpituuden, tehokkuuden ja materiaalin yhteensopivuuden osalta.

Mitä materiaaleja voidaan leikata CNC-laserikoneilla?

Materiaalit vaihtelevat teräksestä ja alumiinista ei-metalliin, kuten akryyliin, puuhun ja keraamiikkaan, lasertyypin mukaan.

Miksi CNC-lasersäilyä suositaan teollisuudessa?

CNC-lasersilmoitus on suositeltavaa sen tarkkuuden, monimutkaisten geometrien käsittelykykyä, automaatiokykyä, vähäistä jätteentuotantoa ja työkalujen kulumista.