Pluoštinis prieš CO₂: nesumaišomasis palyginimo vadovas lazerinių pjovimo mašinų pirkėjams

Kaip veikia skaiduliniai ir CO₂ lazeriai: pagrindiniai fizikos ir inžinerijos skirtumai Pluoštinio lazerio pjovimo mašinos

Bangos ilgis ir sugerties savybės: kodėl skaiduliniai lazeriai efektyviai pjauta metalus, o CO₂ lazeriai puikiai tinka organinėms medžiagoms

Lazerio veikimo bangos ilgis lemia, kaip jis sąveikauja su medžiagomis. Pluoštiniai lazeriai veikia apie 1,06 mikrometro žymą, kuri priklauso artimosios infraraudonosios spinduliuotės spektrui. Šis konkrečius bangos ilgis gerai sugeriamas laisvųjų elektronų metalo paviršiuose. Todėl šie lazeriai puikiai pjauna plieną, nerūdijantįjį plieną, aliuminį ir varį greitai ir efektyviai. Kita vertus, CO₂ lazeriai veikia apie 10,6 mikrometro, kuris priklauso vidurinės infraraudonosios spinduliuotės diapazonui. Šis bangos ilgis atitinka organinių molekulių virpesius. Dėl to jie puikiai veikia medžiagose, tokiuose kaip medis, akrilas, odos ir įvairios kompozitinės medžiagos, kurių sugerties rodikliai dažnai viršija 95 procentus. Dauguma metalų atspindi daugiau nei 90 procentų 10,6 mikrometro spinduliuotės, tuo tarpu ne metalinės medžiagos gali atspinti iki 40 procentų 1,06 mikrometro šviesos. Tarp abiejų tipų tikrai pastebima akivaizdi skirtumo, viskas kyla iš pagrindinių šviesos elgsenos principų.

Lazerio šaltinio architektūra: Diodais pumpuojami pluoštiniai stiprintuvai prieš RF sužadinamus dujų išlydžio vamzdelius

Pluoštiniai lazeriai veikia įleisdami energiją į itterbio priemaiša papildytus kvarco pluoštus naudodami labai efektyvius diodus. Rezultatas – stiprinamas šviesos spindulys, kuris keliauja lankstiu optiniu keliu, integruotu bangos laiduose. Kas daro šiuos lazerius ypatingus? Jų kietosios būsenos konstrukcija reiškia, kad nereikia laisvojo erdvės optikos, veidrodžių ar tų nepatogiai vartojamų dujų. Tokia sistema užtikrina įspūdingą elektros lizdo naudingumo koeficientą virš 30 % ir iš tikrųjų puikią spindulio kokybę, kuri išsiskiria palyginti su kitomis galimybėmis. Kita vertus, CO₂ lazeriai veikia visiškai kitaip. Jie remiasi RF (radio dažnio) sužadinamais dujų išlydžiais vamzdeliuose, kuriuose yra CO₂, azoto ir helio mišinys. Kai į šį dujų mišinį patenka elektros srovė, ji pradeda sužadinti CO₂ molekulių virpesius, kurie vėliau sukuria fotonus. Šie fotonai atsispindi veidrodžių rezonatoriuje, kol išsisklaido kaip lazerio šviesa. Tačiau čia yra viena problema: šių sistemų priežiūrai reikia tiksliai sureguliuoti veidrodžius, reguliariai papildyti dujas ir valdyti šilumos kaupimąsi. Visi šie veiksniai lemia žymiai mažesnį naudingumo koeficientą – nuo 10 iki 15 %, be to, ilgainiui reikia žymiai daugiau techninės priežiūros.

Medžiagų suderinamumas ir plonų lakštų apdirbimo našumas naudojant pluoštinio lazerio pjovimo mašinas

Metalai (plienas, nerūdijantis plienas, aliuminis)

Pluošminiai lazeriniai pjovimo įrenginiai šiuo metu beveik visur pakeitė kitus pjovimo įrenginius metalo apdirbimo dirbtuvėse. Kalbant apie aukštos galios sistemas, kurių galia viršija 15 kW, jos gali supjaustyti anglies plieną iki 30 mm storio, nerūdijantį plieną – iki maždaug 25 mm storio, o net aliuminio plokštes – iki 12 mm storio. Plonesniems medžiagų sluoksniams (mažesniems nei 6 mm) pluošminiai lazeriai paprastai veikia 3–5 kartus greičiau nei tradiciniai CO₂ lazeriai, nes metalai geriau sugeria šviesą 1,06 mikrometrų bangos ilgiu. Tačiau kai medžiagos storis viršija 12 mm, kyla problemų. Pjovimo kraštai nebeatsrodo tokie švarūs. Pjovimo plyšio plotis išsiplėšia nuo 15 % iki 30 %, nuolydžio kampai viršija 2 laipsnius, o šiukšlių – lydyto metalo lašelių, vadinamų drosu – dažniau prilimpa prie pjovimo kraštų. Šioms problemoms išspręsti operatoriams dažnai tenka sumažinti pjovimo greitį, padidinti pagalbinės dujos slėgį ir kartais atlikti papildomą šlifavimą ar poliravimą norint pasiekti galutinį paviršiaus kokybės lygį.

Ne metalai (mediena, akrylas, kompozitinės medžiagos)

Dauguma pluošminiu lazerių tiesiog prastai veikia su ne metalinėmis medžiagomis. Apie 1,06 mikronų bangos ilgio šie lazeriai dažnai atšoka nuo paviršių, kurie prastai laiduoja elektros srovę, pvz., medžio, akrilo ir sluoksniuotų kompozitinių medžiagų. Tai, kas vyksta toliau, taip pat nėra malonu. Energija netinkamai sąveikauja su medžiaga. Akrilas apdegina arba perdegina neprognozuojamais būdais, palikdamas ištirpusius arba drumzlinus kraštus vietoj lygaus paviršiaus, kurį galima pasiekti naudojant CO₂ lazerius. Pluoštu stiprintiems plastikams dažnai būdingos sluoksnių atsiskilimo problemos. Būtent čia CO₂ lazeriai tikrai spinduliuoja. Jų bangos ilgis yra apie 10,6 mikronų, todėl daugiau nei 98 procentai energijos sugariama organinėse medžiagose. Tai leidžia gauti švaresnius pjūvius dėl garinimo, o ne tirpimo, su labai maža šilumos sklaida už pjūvio zonos ribų. Įmonėms, kurios dirba su įvairiomis medžiagomis, reikėtų rimtai apsvarstyti CO₂ lazerių panaudojimą tais atvejais, kai pluošminiai lazeriai tiesiog negali atlikti darbo.

Pjovimo greitis, tikslumas ir šiluminis poveikis: realaus pasaulio našumo rodikliai

Greičio pranašumas: greitesnis pjoviant plonus metalus (< 6 mm), tačiau virš 12 mm greičio skirtumas susiaurėja ir apsiverčia

Dirbant su laidžiais metalais, kurių storis mažesnis nei 6 mm, pluoštiniai lazeriai iš tikrųjų pranoksta CO₂ alternatyvas, paprastai sumažindami apdorojimo trukmę tris–penkis kartus. Priežastis – geresnė medžiagos sugerties geba ir galimybė sukurti daug smulkesnius fokusuojamus taškus 1,06 mikrometrų bangos ilgio diapazone. Tačiau įdomu tampa situacija, kai dirbama su apytikriai 12 mm storio medžiagomis. Kai kuriais neatspindinčiais netalais, pvz., 15 mm akrilo plokštėmis ar vidutinio tankio medienos drožlių plokštėmis (MDF), tradicinės CO₂ sistemos iš tikrųjų gali veikti apie 15–20 procentų efektyviau. Tai vyksta todėl, kad šie ilgesnio bangos ilgio fotonai giliau prasiskverbia ir tolygiau išsisklaido šiose medžiagose jų būdingame 10,6 mikrometrų nustatyme.

Briaunos kokybės rodikliai: pjūvio plotis, nuolydis, šlako susidarymas ir šiluminės poveikio zonos (HAZ) skirtumai priklausomai nuo medžiagos ir storio

Pluoštiniai lazeriai sukuria daug siauresnius pjūvius ir beveik vertikalius pjūvius dirbant su plonais metalais, nes jie turi didesnį šviesos intensyvumą ir gali labai tiksliai suskirstyti šviesą. Šių lazerių energijos koncentracija sukelia šiluminės poveikio zoną (HAZ), kuri yra apie 60 % mažesnė nei CO₂ lazerių sukelta nerūdijančiojo plieno medžiagose, kurių storis mažesnis nei 6 mm. Tai labai svarbu išlaikant metalo pradinę mikrostruktūrą ir jo korozijos atsparumą. Kita vertus, CO₂ lazeriai nėra tokie tikslūs metalams pjauti, tačiau puikiai tinka storesniems plastikams (virš 8 mm), kur jie palieka lygesnes ir blizgesnes briaunas. Be to, pjaukdami organines medžiagas jie dažniausiai sukuria mažiau šlako, nes medžiaga procese išgarinama švelniau ir švariau.

Bendrosios savininkystės sąnaudos: pluoštinio lazerio pjovimo įrenginių ekonomika prieš CO₂

Pradinė kaina, energijos naudingumo koeficientas, priežiūra (be veidrodžių/dujų, ilgesnis diodų tarnavimo laikotarpis) ir grąžos nuo investicijų (ROI) laikotarpis

Pluošminiai lazeriniai pjovimo įrenginiai paprastai kainuoja apie 15–25 proc. brangiau nei panašūs CO₂ sistemos, tačiau daugelis dirbtuvių pastebi, kad šią papildomą išlaidą kompensuoja geriau kasdieninis našumas. Šie pluošminiai lazeriai taip pat suvartoja apie 30–50 % mažiau energijos. Jų eksploatacijos sąnaudos siekia maždaug 0,80 USD per valandą, tuo tarpu CO₂ įrenginių eksploatacijos sąnaudos toje pačioje veikloje gali siekti nuo 2,50 iki daugiau kaip 3 USD per valandą. Tai susiję su tuo, kad pluošminiai lazeriai elektros energiją į šviesą konvertuoja žymiai efektyviau – jų naudingumo koeficientas viršija 30 %, o tradicinių CO₂ įrenginių – tik 10–15 %. Dar viena svarbi pluošminių lazerių privalumų – aptarnavimas. Jame nėra jokių delikatiškų veidrodžių, kuriuos reikėtų nuolat valyti arba sureguliuoti, nėra sudėtingų dujų mišinių, kuriuos reikėtų periodiškai papildyti, o diodų siurbliai tarnauja žymiai ilgiau nei standartiniai CO₂ vamzdžiai, kuriuos reikia keisti kas 20 000–40 000 darbo valandų. Daugelis dirbtuvių metiniams įrenginio aptarnavimui išleidžia 3–8 % įrenginio vertės, tačiau dėl tvirto konstrukcinio sprendimo ir savireguliavimo savybės pluošminiai lazeriai retai sukelia netikėtus sustojimus. Be to, pjovimo greitis plonose medžiagose pluošminiais lazeriais yra 3–5 kartus didesnis nei CO₂ įrenginiais. Daugumai metalo apdirbimo įmonių tai reiškia, kad pradinės investicijos grąžinama jau po vieno–dviejų eksploatacijos metų.

DUK

1. Kokie medžiagų tipai geriausiai pjoviami pluoštiniais lazeriais?
   Pluoštiniai lazeriai puikiai tinka metalų, tokių kaip plienas, nerūdijantis plienas, aliuminis ir varis, pjaustymui, ypač kai medžiagų storis neviršija 30 mm.
2. Kodėl CO₂ lazeriai yra pageidaujami ne metalinių medžiagų pjaustymui?
   CO₂ lazeriai veikia bangos ilgiu, kuris gerai sugeriamas organinėse medžiagose, pvz., medienoje, akriluose ir kompozituose, todėl jie yra idealūs šių medžiagų pjaustymui su lygiomis kraštinėmis.
3. Kaip pluoštiniai lazeriai lyginami su CO₂ lazeriais pagal greitį?
   Dėl geresnio medžiagų sugerties ir siauresnio fokuso 1,06 mikrometrų bangos ilgyje pluoštiniai lazeriai gali pjauti plonus metalus nuo trijų iki penkis kartų greičiau nei CO₂ lazeriai.
4. Koks yra priežiūros skirtumas tarp pluoštinių ir CO₂ lazerių?
   Pluoštiniai lazeriai reikalauja mažesnės priežiūros, nes jie turi kietąją būseną, neturi veidrodžių ar dujų papildymo poreikio. Be to, jų diodų tarnavimo trukmė yra ilgesnė nei CO₂ lazerių.
5. Kokios yra sąnaudų pasekmės naudojant pluoštinius lazerius?
   Nors pradinės sąnaudos yra didesnės, pluoštiniai lazeriai sunaudoja mažiau energijos ir reikalauja mažesnių priežiūros išlaidų, todėl dažnai grąžinama investicija per vienerius–dvejus metus.