Остатній посібник з верстатів для лазерного різання з ЧПУ: точність, потужність і рентабельність

Як CNC лазерні верстати для різання Робота: Технологія та основні принципи

Визначення та принцип роботи лазерного різання з ЧПУ

Лазерні різальні машини, керовані системами числового програмного управління, працюють за рахунок фокусування потужних лазерних променів на матеріалах для виконання точних розрізів. Коли конструктори створюють деталі за допомогою програмного забезпечення САПР, ці проекти перетворюються на спеціальний код, який називається G-код, і вказує машині точно, куди рухатися та які функції виконувати під час операцій різання. Усередині машини лазерний резонатор створює дуже сильний світловий промінь. У випадку волоконних лазерів цей промінь проходить через оптичні волокна, тоді як у системах CO2 використовується газорозрядний процес. Потім промінь проходить через лінзу і зосереджується в надзвичайно малій точці на матеріалі, що підлягає різанню. У цій мікроточці рівень енергії може досягати понад одного мільйона ват на квадратний сантиметр, швидко нагріваючи матеріал до плавлення або навіть перетворення на пар по запланованій лінії різання. Щоб забезпечити безперебійну роботу, різні гази, такі як кисень, азот або просто стиснене повітря, використовуються для видалення розплавлених частинок із зони різання, залишаючи чисті краї без будь-яких нерівностей. Завдяки технології ЧПУ, яка керує всім процесом, різальна головка рухається з надзвичайною точністю — приблизно до 0,1 міліметра, що дозволяє підприємствам послідовно виготовляти складні форми з високою повторюваністю.

Основні технічні терміни: Kerf, фокусна відстань, допоміжний газ, G-код/M-код, режим променя, вирізування та системи чилерів

Ключові технічні поняття включають:

• Пропил : Ширина матеріалу, що видаляється під час різання — визначається фокусуванням променя, довжиною хвилі та властивостями матеріалу
• Фокусова довжина : Відстань між фокусуючою лінзою та поверхнею заготовки; критично важлива для досягнення оптимальної густини потужності
• Допоміжний газ : Стиснений газ, який видаляє розплавлений матеріал із зони різання; азот запобігає окисленню нержавіючої сталі та алюмінію, тоді як кисень підвищує швидкість різання на вуглецевій сталі
• G-код/M-код : Стандартизовані мови програмування, які керують траєкторією інструменту, швидкістю, потужністю та допоміжними функціями
• Режим промені : Просторовий розподіл енергії променя — режим TEM забезпечує найщільніше фокусування та найвищу інтенсивність, що є важливим для точного різання
• Нестинг : Оптимізація компонування за допомогою програмного забезпечення, яка максимізує використання матеріалу та мінімізує відходи
• Системи з охолоджувачем : Прецизійні блоки керування температурою, що підтримують джерело лазера та оптику в межах ±0,5 °C для забезпечення стабільності променя та довготривалої повторюваності

Типи лазерних CNC-верстатів для різання: порівняння волоконних, CO2 та кристалічних

Волоконний проти CO2 проти кристалічного лазера: довжина хвилі, якість променя та ефективність

Волоконні лазери працюють у діапазоні 1,060–1,080 нм і відомі чудовою якістю променя зі значеннями M² нижче 1,1. Вони також мають вражаючу електричну ефективність, що досягає приблизно 50%, і надзвичайно добре працюють при різанні відбивних матеріалів, таких як алюміній та мідь. Лазери СО2 працюють на значно довших хвилях — близько 9 400–10 600 нм, що робить їх ідеальними для роботи з неметалевими матеріалами, включаючи акрил, деревину та шкіру. Однак ці системи менш ефективні — лише 10–15% — і схильні бути докучливими щодо правильного оптичного вирівнювання. Кристалічні лазери, такі як Nd:YAG або Nd:YVO4, що працюють на довжині хвилі 1 064 нм, можуть обробляти широкий спектр матеріалів, але мають проблеми, наприклад, термолінзування, і потребують регулярного технічного обслуговування, що обмежило їх масове застосування в умовах виробництва. Якість лазерного променя серйозно впливає на те, наскільки чистими будуть краї різу та наскільки широкою буде щілина (керф). Волоконні лазери зазвичай утворюють щілини вужчі за 0,1 мм на тонких металевих листах, що означає значно менший обсяг додаткової обробки після початкового різу.

Потужність лазера та компроміси продуктивності в різних типах обладнання

Коли йдеться про лазерне різання, вища потужність означає швидший результат. Наприклад, волоконний лазер потужністю 6 кВт може розрізати нержавіючу сталь завтовшки 3 мм зі швидкістю близько 25 метрів на хвилину, що майже втричі швидше, ніж у системи CO2 потужністю 4 кВт. Однак існує один недолік — такі потужні системи мають значно вищі початкові витрати та постійні витрати на технічне обслуговування. Волоконні лазери, як правило, є надійнішими в довгостроковій перспективі, зберігаючи свою продуктивність приблизно 100 000 годин поспіль. Трубки CO2 не такі довговічні: вони втрачають близько 2-3% своєї потужності кожного року і потребують заміни кожні кілька років. Кристалічні лазери стикаються з іншою проблемою. Як тільки вони досягають потужності близько 3 кВт, у них починаються термічні спотворення, що обмежує можливості масштабування. Тому виробникам потрібно враховувати всі ці фактори під час вибору обладнання.

• Швидкість проти вартості волоконні системи забезпечують вищу продуктивність при обробці металів, але мають початкові інвестиції на 15–20% вищі, ніж у порівнянних машин CO₂
• Точність проти універсальності cO₂ чудово підходить для гравіювання органічних матеріалів і різання товстіших неметалів (до 25 мм акрилу); волоконний лазер переважає при різанні тонких і середніх металів (до 30 мм сталі) з вищою точністю

Сумісність матеріалів і можливості за товщиною за типом лазера

Сумісність із матеріалами залишається основним чинником при виборі лазера:

Ласер з волокна обробляє 1 мм нержавіючої сталі зі швидкістю 25 м/х з азотом, що допомагає переважити CO2 широкою перевагою у швидкості, якості краю та споживанні енергії. CO2 зберігає переваги в високодетальній гравюрі та неметалевій виготовленні товстого перерізу.

Процес CNC лазерного різання: від CAD-проектування до готового деталя

Покроковий робочий процес: CAD-моделювання, CAM-програмування, підготовка матеріалів та налаштування машини

Все починається з створення CAD-моделі, яка точно визначає, як повинна виглядати частина і які розміри їй потрібні. Коли ці цифрові плани готові, вони завантажуються в програмне забезпечення CAM, де техні встановлюють всілякі параметри різання. Такі речі, як рівень лазерної потужності, швидкість руху голови по матеріалу, місце розташування фокусної точки, і який вид газового асистента використовується при якому тиску, сильно залежать від того, з яким матеріалом ми працюємо і наскільки він товстий. Програма CAM бере всю цю інформацію і випускає оптимізовані G-кодові інструкції, а також розбирає найкращий спосіб з'єднати частини, щоб ми витрачали якомога менше матеріалу. Перед тим, як щось вирізати, необхідно правильно підготувати матеріал. Ми повинні вибрати правильний клас матеріалу для роботи, перевірити, чи він гарний і плоскій без будь-яких деформацій, переконайтеся, що поверхня достатньо чиста для різання, а потім зафіксувати все правильно або за допомогою вакуумного всмоктування або старих хороших механічних затишок. І останнє, але не менш важливе, - це остаточна фаза налаштування машини. Техніки витрачають час на те, щоб переконатися, що фокусна відстань знаходиться на місці, перевіряють швидкість потоку газу, регулюють відстань між соплою і робочим пунктом і стежать за тим, чи підтримує холодильник стабільну температуру протягом всієї роботи.

Виконання резки, охолодження, інспекція та постпроцесування

Коли процес різання починається, лазер або тане, або перетворює матеріал в пару за запрограмованим G-кодом, а в той же час, газ допомагає очистити зону різання, відому як резка. Більшість магазинів підтримують температуру холодильної води на рівні 20-25 градусів за допомогою вбудованих холодильників. Це підтримує стабільність оптичних компонентів і зменшує те, що загострює теплицю, особливо важливо при роботі з тонкими металевими сплавами. Після розрізання деталя, починається контроль якості. Техніки перевіряють розміри з використанням оптичних сканерів або тих великих машин CMM, які ми всі знаємо і любимо. Стандартні характеристики зазвичай залишаються в межах плюс-мінус 0,1 мм протягом звичайних виробничих партий. Що буде далі? Більшість деталей потребують очищення після різання. Зазвичай після обробки виконуються кроки, такі як видалення заготів, закруглення гострих крапів і пасівізація компонентів з нержавіючої сталі для запобігання корозії. Деякі клієнти також хочуть додаткових обробки, що застосовується в залежності від того, що вони потребують функціонально або просто заради зовнішнього вигляду. Поліруючи, вона прикрашається, а порошковим покриттям захищається від зносу.

Основні переваги: точність, автоматизація, відсутність зносу інструментів, мінімальний відходи та можливість складної геометрії

Лазерна різання з ЧПУ пропонує чіткі операційні переваги:

• Точність : Повторність нижче 0,1 мм і роздільна здатність на мікрономному рівні, не впливає на механічне знос
• Автоматизація : Безперечна інтеграція з робототехнічними платформами завантаження/розвантаження та MES підтримує виробництво з вимиканим світлом
• Без зносу інструментів : Позбавляє витрат на інструментарій та часу простою, пов'язаного з пробиваючими штампами або фрезерними шматочками
• Мінімальні витрати : Досконалі алгоритми гніздування зменшують відходи матеріалів на 15-20% порівняно з ручним розміщенням
• Складної геометрії : Дозволяє внутрішнім контурам, гострим кутам і мікро-визначенням, непрактичним при звичайній обробці

Промислові застосування та технологічний прогрес в лазерному різанні CNC

Застосування в промисловості, аерокосмічній промисловості, медичних приладах, електроніці та знаках

CNC лазерне різання є дуже важливим у всіх видах точного виробництва в наші дні. Автомобільна промисловість широко використовує його для таких речей, як частини шасі і системи HVAC, тому що він забезпечує надійні результати швидко. Для авіаційних компаній ця технологія перерізає жорсткі матеріали, такі як титан і інконел, з неймовірною точністю. Вони повинні відповідати строгим стандартам AS9100 і підтримувати відстані до півміліметра. Виробники медичних приладів також розраховують на лазерне різання. Розгляньмо хірургічні інструменти, крихітні стенти та імплантати, зроблені з спеціальних сплавів, де навіть найменша недосконалість може бути небезпечною. Виробники електроніки використовують ультратонкі лазери для делікатних робіт на гнучкових схемах і створення мікроскопічних дір в захисних матеріалах. Тим часом архітектори і виробники знаків люблять те, що вони можуть зробити з металами і акрилами. Лазерне різання дозволяє їм створювати деталізовані декоративні панелі, світлові знаки та унікальні фасади будівель, які неможливо було б зробити традиційними методами.

ШІ, автоматизація та інтеграція розумного виробництва в сучасних лазерних системах

Сьогоднішні лазерні машини з ЧПУ мають інтелектуальні функції, такі як оптимізація штучного інтелекту, постійне моніторинг і саморегулюючі керування, які підходять прямо в операції Індустрії 4.0. Вантажний штучний інтелект вивчає всі види сенсорної інформації, наприклад, як працює лазерний промінь, записує зміни тиску газу і те, що роблять двигуни електрично. На основі цих даних система може змінювати налаштування різання під час роботи і виявляти, коли частини можуть зламатися за три дні до цього. Ця система раннього попередження скорочує несподівані припинення роботи приблизно на 30%. Коли справа доходить до переміщення матеріалів, роботи беруть на себе відповідальність за них за допомогою камер, які точно їх керують. Це дозволяє фабрикам автоматично виконувати роботу від початку до кінця без втручання людини. За допомогою інтернет-з'єднання техніки можуть дистанційно перевіряти стан системи, оновлювати програмне забезпечення і отримувати доступ до статистики виробництва, що зберігається в хмарі. Всі ці передові функції роблять виробничі лінії набагато гнучкою. Вони можуть перемикатися між різними партиями продукції під час роботи, дотримуючись при цьому таких суворих стандартів якості, як вимоги ISO 2768 на кожному випущеному виробі.

Часто задані питання

Що таке лазерна різа?

Лазерна різа (CNC) - це процес, який використовує потужні лазерні промені, керувані комп'ютером, для точного різання різних матеріалів на основі даного дизайну.

Які типи лазерних різальних машин з ЧПУ?

Основними типами є волокна, CO2 і кристальні лазерні різачі, кожен з яких має відмінні переваги з точки зору довжини хвилі, ефективності та сумісності матеріалів.

Які матеріали можна різати за допомогою лазерних машин з ЧПУ?

Матеріали варіюються від металів, таких як сталь і алюміній, до неметалів, таких як акриловий, деревельний і керамічний, залежно від типу лазера.

Чому CNC лазерне різання є переважною в промислових застосуваннях?

Лазерна різа з ЧПУ користується перевагою завдяки своїй точність, здатності обробляти складні геометрії, автоматизації, мінімальному виробництву відходів і відсутності зносу інструментів.