Kako laserji za rezkanje aluminija enostavno obdelujejo tanke in debele pločevine

Toplotna prevodnost in odsevnost: ključne ovire pri Aluminij Laserjeva rezovanja

Kombinacija visoke toplotne prevodnosti aluminija okoli 235 W/m·K in njegovega naklona, da odbija približno 95 % svetlobe vlaknastega lasera, povzroča resne težave vsem, ki ga želijo rezati z laserji. Večina laserske energije se preprosto odbije namesto, da bi se absorbirala, kar naredi celoten postopek neučinkovitega in prisili podjetja, da naložijo v te dražje optične sisteme, le da bi ohranili stabilnost med reznimi operacijami. Nekatere raziskave, objavljene lansko leto, so pokazale izgube do 30 % pri delih iz aluminija, tanjših od 3 mm, če nastavitve niso ustrezno prilagojene. Zato so pametni proizvajalci začeli uporabljati pulzne laserske tehnike ter na reže nanositi posebne protisonalne prevleke. Te prilagoditve bistveno izboljšajo dejansko absorpcijo laserske energije v materialu, tudi če gre za tako trdovratno odsevni material kot je aluminij.

Vloga debeline materiala pri stabilnosti postopka in energetski učinkovitosti

Debelina materiala naredi vso razliko pri upravljanju s toploto, določanju potrebne količine energije in ohranjanju stabilnosti celotnega procesa med rezkanjem. Pri tankih pločevinah pod 3 milimetri je začetek rezkanja dejansko potreben za 15 do 20 odstotkov več moči, ker se toplota skozi njih razvaja zelo hitro. Nasprotno pa debelejše plošče nad 10 mm naletijo na tako imenovane težave s plazemskim zaslonom. Osnovno gledano se raztaljena snov pogosto ponovno strdi, preden se rez konča, kar porabi veliko več energije, kot se pričakuje. Vzemimo aluminij kot primer: rezanje kosov debelih 12 mm deluje okoli polovico učinkoviteje kot obdelava pločevin debelih 6 mm, kar ustreza industrijskim standardom. Oglejte si spodnji graf za jasnejšo predstavo teh razlik pri različnih debelinah materiala in pripadajočih operativnih zahtevah.

Pogoste napake pri Rezanju aluminija z laserjem in kako so povezane s debelino pločevine

Način nastanka napak res zelo odvisen od debeline materiala. Ko pogledamo tanke pločevine med 1 in 3 mm, se približno pri eni od šestih industrijskih uporab pojavijo težave s previjanjem, ker se toplota ne razširi enakomerno po površini. Pri debelejših ploščah, debelih 8 mm ali več, proizvajalci pogosto opazijo neravne robove in preostali droz, saj se talina med obdelavo ne izprazni popolnoma. Pločevine debeline 6 do 10 mm soočajo z drugačnim izzivom. Te imajo približno za 40 % več težav z oksidacijo kot druge velikosti, preprosto zato, ker dlje ostanejo v stiku z pomožnimi plini, še posebej kadar pride v igro kisik. Toda za tanke materiale pod 5 mm obstaja dobra novica. S finim prilagajanjem procesnih parametrov in z uporabo dušika pri tlakih nad 15 bar lahko delavnice znatno zmanjšajo nastajanje droza, včasih celo za tri četrtine manj v primerjavi s standardnimi metodami.

Fiberski laser nasproti CO2 laserju: Izbira prave tehnologije za aluminij

Lastnosti absorpcije energije pri fiberskih laserjih jih naredijo izredno učinkovite pri obdelavi aluminijastih materialov. Ti laserji delujejo običajno v območju 1070 nanometrov, kar aluminij absorbira približno 40 odstotkov bolje kot starejši CO2 laserji, ki delujejo pri 10,6 mikronih. To praktično pomeni, da se zaradi refleksije izgubi znatno manj moči, s čimer se izgube energije zmanjšajo za približno 70 %. In ker je izgubljene energije manj, so tudi časi obdelave veliko krajši. Na primer, pri rezanju aluminijastih pločevin debeline 3 milimetri lahko fiberski laserji dosegajo hitrosti okoli 25 metrov na minuto, medtem ko se tradicionalni CO2 sistemi pri enakih pogojih težko znajdejo celo na 8 metrov na minuto.

Primerjava zmogljivosti: Fiberski laser proti CO2 laserju za aluminij glede na debelino

Čeprav vlaknasti laserji prevladujejo pri tankoplastnih aplikacijah zaradi svoje natančnosti in učinkovitosti, CO2 laserji še vedno zagotavljajo odlično končno obdelavo robov pri srednje debelih aluminijastih pločevinah (6–15 mm) in dosegajo do 25 % bolj gladke površine v primerjalnih testih.

Kdaj so še vedno smiselni CO2 laserji za zelo debele aluminijeve plošče
Pri aluminiju, ki presega 15 mm, ostajajo CO2 laserji pomembni, ker ponujajo:

• 30 % hitrejše začetno prebadanje pri moči 2,5 kW
• Zmanjšano razprševanje taline med večkratnimi operacijami
• Učinkovito sklopitev z kisikom kot pomožnim plinom za globlji toplotni prodor

Pogled v delavnico vodilne proizvodne družbe v Kitajski razkriva zanimive rezultate. Pri testiranju različnih laserskih sistemov na aluminijastih pločah debelih 10 mm so ugotovili, da je 6-kilovatni vlaknasti laser dosegel hitrosti rezanja okoli 1,2 metra na minuto s čistimi, pravokotnimi robovi. Medtem je starejši 4-kilovatni CO2 sistem rezal hitreje, približno 1,5 metra na minuto, vendar je pustil hrapave robove, ki so zahtevali dodatno obdelavo po rezanju. Debelina tukaj res igra pomembno vlogo, saj vpliva ne le na hitrost obdelave materiala, temveč tudi na to, kakšna dodatna dokončna obdelava je potrebna pozneje. Proizvajalci morajo te dejavnike skrbno odtehtati pri izbiri med različnimi laserskimi tehnologijami za svoje proizvodne linije.

Natančno rezanje tankih aluminijastih ploč: parametri in najboljše prakse

Ključne zahteve po natančnosti pri rezanju tankih aluminijastih ploč

Rezanje tankega aluminija (<3 mm) zahteva točnost na ravni mikronov, da se izognemo upogibanju in deformaciji roba. Zaradi visoke toplotne prevodnosti aluminija lahko že majhne nihanja moči lasera povzročijo neenakomerno taljenje. Neustrezne nastavitve povečajo delež odpadkov do 22 % v področjih z visokimi tolerancami, kot je letalska industrija.

Optimizacija moči lasera, hitrosti in fokusa za aluminij pod 3 mm

Za pločevine debeline 0,5–3 mm najboljše rezultate dajo vlaknasti laserji z močjo 1–2 kW pri hitrostih med 10–25 m/min. Nizka moč ogroža nepopolno rezkanje; prevelika moč poslabša kakovost roba. Raziskave kažejo, da gorišče dolžine 0,8–1,2 mm optimizira gostoto žarka za čiste in ozke reze.

Izbira pomožnega plina: Dušik proti kisiku za čiste, brez žlindre robove

Dušik se priporoča za končne dele, ki ne potrebujejo dodatne obdelave, medtem ko kisik ustreza hitremu prototipiranju, kjer je dodatna obdelava sprejemljiva.

Primerjava primera: Obdelava 1 mm aluminija s hitrim laserjem z močjo 1 kW

Dobavitelj avtomobilske opreme je dosegel donosnost 98 % pri prvi preizkušnji na aluminijevem zlitinu 5052 debeline 1 mm s 1 kW vlaknastim laserjem pri 18 m/min s pomožnim dušikom. Ta nastavitev je zmanjšala porabo energije na kos za 37 % v primerjavi s starejšimi sistemi CO2.

Rešitve z močnimi laserji za rezanje debele aluminijeve pločevine

Tehnične težave pri rezanju debelih aluminijastih ploč nad 10 mm

Delo z aluminijem, debeljšim od 10 mm, predstavlja resne izzive zaradi hitrega prevajanja toplote in odseva laserske svetlobe (več kot 90 % pri približno 1 mikrometrski valovni dolžini). Kovina hitro raznaša toploto in porabi veliko energije med obdelavo, kar pomeni, da stroji potrebujejo približno 25 do celo 40 odstotkov več moči v primerjavi s rezkanjem jekla. Obstaja še en problem: kadar se rezalna glava harmonično nihajoče premika, lahko dejansko premakne laserski žarek za plus ali minus 0,05 milimetra. To morda ne zveni veliko, vendar pri natančni proizvodnji, kjer so tolerance pomembne, takšen odklon popolnoma pokvari izdelke. Glede na najnovejše ugotovitve iz Poročila o tehnologiji izdelave iz lanskega leta so proizvajalci, ki obdelujejo 14 mm debele aluminijeve pločevine, ugotovili, da morajo omejiti frekvenco laserskih impulzov na manj kot 500 hercev, če želijo izogniti težavam z oksidacijo in hkrati dosledno zagotavljati čisten rez širok 30 mikrometrov na vseh kosih.

Prilagoditev moči lasera debelini aluminija za optimalno prodiranje

Industrijski podatki kažejo skoraj linearno odvisnost med debelino in potrebno močjo lasera:

Ti podatki upoštevajo dejstvo, da aluminij preusmeri 30–40 % energije CO2 laserja, v primerjavi s samo 10–15 % pri vlaknastih sistemih. Napredki v oblikovanju žarka omogočajo danes, da 8 kW vlaknasti laserji dosegnejo absorpcijo 93 % pri ploščah debeline 15 mm – kar je izboljšanje za 23 % v primerjavi s starejšimi modeli.

Ohranjanje kakovosti reza pri nižjih hitrostih pri laserskem rezanju debelejših profilov

Ko deluje pri hitrosti pod 1 meter na minuto, se čas, ki ga talina kovine preživi na enem mestu, poveča za 50 % do 70 %. Ta podaljšan čas zadrževanja bistveno poveča verjetnost nastanka šaroša med obdelavo. Sreča pa, da dinamična prilagoditev žarišča laserskega žarka v okviru ±2 mm skupaj z uporabo dušikovega tlaka med 18 in 22 baroma omogoča nadzor površinskega stanja, pri čemer se hrapavost običajno ohranja okoli 30 mikronov Ra ali boljše. To potrjujejo tudi industrijski testi. Nedavna raziskava obdelave materialov je pokazala, kako lahko pulzirni vlaknasti laserji z močjo 4 kW prerežejo 12 mm debelo aluminijasto zlitino 6061-T6 s hitrostjo 1,5 metra na minuto. Zanimivo je, da so ti rezi pustili le ponovno odlite sloje debeline okoli 15 mikronov, kar dejansko ustreza strogi zahtevi za dele, uporabljene v letalski proizvodnji.

Enoprelazne nasproti večprelaznim tehnikam: kompromisi med učinkovitostjo in kakovostjo

Ko gre za rezanje pločevin debeline 15 mm, lahko tehnike enojnega prehoda dosegajo učinkovitost materiala okoli 95 %, vendar zahtevajo zelo močne laserje – vsaj 12 kW, da se ohranja ravnost znotraj tesnega tolerance 0,1 mm na meter. Alternativni pristop uporablja večprehodne metode s 6-kW opremo, ki dejansko omogoča boljše kote robov, manjše od polovice stopinje odstopanja, vendar to stane več, saj poraba plina narašča za približno 40 %. Če pogledamo najnovejše podatke iz industrije iz Industrial Laser Review 2023, se kaže nekaj zanimivega tudi pri debelejših materialih. Za tiste, ki delajo s pločevinami debeline 18 mm, dvojni prehod rezanja pri približno 0,7 metra na minuto konča opravila za 37 % hitreje v primerjavi s standardnimi postopki enojnega prehoda, ki delujejo pri hitrosti 0,5 m/min, in hkrati še vedno dosega ključno točnost +/– 0,1 mm, ki je zahtevana za večino aplikacij.

Prilagodljiva nastavitev stroja za brezhibne prehode med različnimi debelinami aluminija

Današnji laserski rezalni stroji lahko zaradi svojih pametnih avtomatizacijskih funkcij delujejo s pločevino iz aluminija vseh debelin. Sistemi si zapomnijo posebne nastavitve za vsako debelino materiala. Vzemimo kot primer 1 kW vlaknasti laser, ki pri rezanju tankih 1 mm listov deluje približno pri 70 % moči in hitrosti 12 metrov na minuto, pri debelejših 10 mm ploščah pa poveča moč do približno 95 % in upočasni na 3 metre na minuto. Te samodejne spremembe bistveno olajšajo postopek nastavitve. Po podatkih raziskave, objavljene v raziskavi Učinkovitost laserske obdelave 2023, ta vrsta avtomatizacije zmanjša napake pri nastavitvi za približno 82 % v primerjavi s primanjkljaji, ki jih povzročijo operatorji pri ročni nastavitvi.

Dinamična nadzor fokusa zagotavlja natančnost žarka tako, da prilagaja fokusno lego znotraj ±0,05 mm, da kompenzira ukrivljene ali neenakomerno površine. Aktuatorji višine šobe ohranjajo konstantno razdaljo med šobo in materialom 0,8–1,2 mm, kar je bistveno pomembno pri prehajanju med zrcalno poliranimi folijami in teksturiranimi debelimi ploščami.

Ti integrirani sistemi bistveno zmanjšujejo izpade. Kjer je ročno orodje in zamenjava plina prej trajala 15–25 minut, novejši stroji zdaj opravijo popolne prehode v manj kot 90 sekundah. Posledično postanejo ekonomsko ugodni tudi serije proizvodnje z mešanimi debelinami materiala, pri čemer podjetja poročajo o 37-odstotnem povečanju zmogljivosti pri naročilih v majhnih serijah.

Pogosta vprašanja

Zakaj je aluminij težaven za laserjsko rezkanje?

Aluminij je težaven za laserjsko rezkanje zaradi visoke toplotne prevodnosti in odsevnosti, zaradi česar se večina laserske energije odbije namesto da bi bila absorbirana.

Kateri tip lasera je bolj primeren za rezkanje tankih aluminijastih pločevin?

Fiberski laserji so bolj primerni za rezkanje tankih aluminijastih pločevin, saj učinkoviteje absorbirajo energijo in omogočajo hitrejše obdelovalne hitrosti v primerjavi z CO2 laserji.

Kako vpliva debelina materiala na laserjsko rezkanje aluminija?

Debelina materiala znatno vpliva na lasersko rezkanje aluminija. Tanjši pločevine zahtevajo več moči zaradi hitre toplotne prevodnosti, medtem ko debeljše pločevine lahko naletijo na težave s plazemskim zaslonom, kar zahteva več energije za dokončanje reza.

Kateri pomožni plin je priporočljiv za lasersko rezkanje aluminija?

Dušik je priporočljiv za brezoksidirane robove končnih delov, kisik pa omogoča hitrejše rezkanje, vendar zahteva čiščenje po rezanju.

Ali sta avtomatizacija in dinamična kontrola fokusa koristni pri laserskem rezkanju aluminija?

Da, avtomatizacija in dinamična kontrola fokusa znatno izboljšata natančnost ter zmanjšata čas nastavitve in napake pri prehajanju med različnimi debelinami aluminija.