Laserové řezání nekovových materiálů
Lasery obecně mají již tradičně svoji nezastupitelnou pozici v oblasti průmyslového dělení kovových i nekovových materiálů. V tomto příspěvku jsou zmíněny především typy CO2 laserů z oblasti řezání nekovů, jejich vlastnosti a výhody.
Obrázek : Řezací systém H-Type od firmy SEI
Pevnolátkové lasery v oblasti dělení kovů nahrazují plynové CO2 lasery. Zákazníci zejména oceňují jejich dlouhou životnost (až 100 000 operačních hodin) nízké provozní náklady, menší rozměry, vysokou účinnost přeměny elektrické na světelnou energii (až 35 %) a jejich bez-údržbovost. Tyto lasery také nabízí vyšší kvalitu výstupního svazku což je velká výhoda zejména při řezání tenčích plechů do tloušťky cca 5-6 mm a dále možnost řezání vysoce reflexivních materiálů jako je měď, hliník, bronz, stříbro, mosaz a další.
V oblasti řezání nekovových materiálů zůstávají však CO2 lasery s jejich vlnovou délkou 10 600 nm stále jedinečnou a hůře nahraditelnou technologií. Náhradit CO2 lasery za pevnolátkové lasery (vláknové) při řezání těchto materiálů není možné, protože např. PMMA materiály (plexisklo) jsou pro vlnovou délku 1 070 nm, kterou pevnolátkové lasery emitují, transparentní a laserový svazek takovým materiálem prochází aniž by došlo k jeho interakci s materiálem. Nevýhodou CO2 laserů je skutečnost, že jejich záření (10 600nm) nelze vést optickým vláknem jako u pevnolátkových laserů a je proto nutné pro vedení svazku CO2 laseru použít zrcadla.
Výhody a nevýhody laserové řezání
Obr. 1
Mezi hlavní výhody laserového řezání při srovnání s jiným metodami dělení materiálů patří vysoká produktivita a kvalita, hladký povrch řezu (viz. obrázek 1), vysoká opakovatelnost a přesnost, snadná příprava a editace i velmi složitých motivů řezání, malý prořez (úzká řezná spára), menší nároky na odsávání v porovnání s některými jinými technologiemi a relativně nízké provozní náklady. Laserové řezání je bezkon-taktní způsob dělení materiálů a proto jsou kladeny minimální požadavky na upínání obráběného materiálu (např. u papíru, textilu apod.). Nevýhodou mohou být vyšší pořizovací náklady, omezení v tloušťce řezaného materiálu nebo omezení při řezání některých materiál (PVC, PCB, ...). U některých materiálů může také docházet k opálení řezné hrany.
Hlavní typy X-Y řezacích systémů podle vedení svazku
Při řezání nekovových materiálů se používá obecně více způsobů vedení laserového svazku do procesní (řezací) hlavy. Nejrozšířenější je tzv. "flying optics", kdy je svazek z CO2 laserového zdroje, který je uložen mimo řeznou plochu, veden pomocí vhodně umístěných odrazných zrcadel na X-Y vedení do řezací hlavy, která se pohybuje nad celou pracovní plochou X-Y plotteru. Velikost pracovní plochy u standardně vyráběných průmyslových strojů bývá od 500 x 700 mm až do 2 000 x 3 000 mm. Výhodou tohoto typu vedení laserového svazku je vysoká dynamika pohybu řezacího stroje, protože po X-Y portále se pohybuje pouze řezací hlava s nízkou hmotností. Nevýhodou je nepatrně odlišná velikost stopy laseru (a tím šířka řezné spáry) v různých místech řezací plochy. Je to způsobeno tím, že délka dráhy svazku od laserového zdroje do místa řezu je odlišná pro různá místa řezné plochy a rozbíhavostí svazku se tak mění i vstupní průměr svazku do řezné hlavy. Toto může být patrné zejména u řezacích strojů s velkou pracovní plochou. U kvalitnější systémů je tento nedostatek korigován dynamickou optikou.
Další možností je uložení laserového zdroje přímo na X-Y vedení, kdy se pohybuje celý laser a svazek je do řezací hlavy přiveden pouze jediným zrcadlem. Výhodou tohoto řešení je konstantní vzdálenost od laserového zdroje do místa řezu čímž je zajištěna identická kvalita řezu po celé pracovní ploše. Nevýhodou je horší dynamika systému, protože je nutné pohybovat celým laserovým zdrojem s relativně velkou hmotností a tak jsou vyšší nároky na nosnost X-Y stolu.
Obrázek 2: Systém Contilas pro řezání air-bagů využívající technologii "remote cutting" a "cutting on the fly" s 2kW CO2 laserem Dc020
Na podobném principu je založena i třetí možnost - statické uložení laseru i laserové hlavy. V tomto případě se pohybuje deskou řezaného materiálu která je uložena na CNC řízeném X-Y stole. Kvalita řezu po celé pracovní ploše je opět stejná, nevýhodou je velká zástavbová plocha stroje.
Poslední a nejprogresivnější metoda je tzv. remote cutting (vzdálené řezání), kdy je laserový svazek přiveden z laserového zdroje na zrcadla rozmítací hlavy. Tato zrcadla jsou uložena na galvo-motorech a pomocí jejich rotace se vychyluje svazek přes fokusační čočku v ose X-Y. Řezná plocha je omezena velikostí fokusační čočky a standardně bývá 500x500mm. Vzdálenost rozmítací hlavy od řezaného materiálu je i několik stovek mm - proto název remote cutting. Rozšíření pracovní plochy se řeší uložením rozmítací hlavy na X-Y lineární vedení. Velkou výhodou tohoto typu řezání je mnohem vyšší produktivita a rychlost v porovnání s ostatními metodami. Produktivita může být ještě zvýšena ve spojení s metodou tzv. cutting on the fly (řezání za pohybu) (viz. obrázek 2), kdy se řeže přímo pohybující se pás materiálu (pohyb řezného bodu je SW korigován dle aktuální rychlosti materiálu pod rozmítací hlavou). Tato metoda v současné době hojně nahrazuje vícevrstvé řezání látky pro air-bagy v automobilovém průmyslu. Nevýhodou je omezení v řezaných tloušťkách a u některých materiálů větší opal řezané hrany, protože u remote cuttingu nelze použít asistenční plyn vháněný do řezné spáry.
Mezi nejčastěji laserem řezané nekovové materiály patří plasty, pryž, guma, překližka, dřevo, korek, papír, kevlar atd.. Tloušťka zpracovávaného materiálu může být od nejtenčích materiálů 0,1 mm až po desky tloušťky 50 mm v závislosti na optickém výkonu laseru a nastavených parametrech řezání (rychlost řezu, zrychlení X-Y os, výkon a frek-vence laseru, ...).
Používané CO2 laserové zdroje
Pro účely řezání výše zmíněných materiálů jsou nejčastěji používány tzv. sealed off RF CO2 lasery s radio-frekvenčním buzením. Sealed off CO2 lasery mají hermeticky uzavřený rezonátor se směsí aktivních plynů. Mezi nejvýznamnější světové výrobce těchto zdrojů patří firmy Coherent, Rofin nebo Synrad. Tyto lasery vynikají vysokou spolehlivostí, dlouhou životností a nízkými provozními náklady.
Alternativně se ještě stále používají CO2 lasery s rezonátorem v podobě skleněné trubice s buzením pomocí elektrického výboje, které jsou levnější, ale mají výrazně nižší životnost. Lasery s těmito skleněnými trubicemi často používají asijské firmy vyrábějící laserové plottery.
Příklady řezacích systému
Mezi přední světové výrobce průmyslových řezacích laserových systémů pro řezání převážně nekovových materiálů patří firma SEI se sídlem v Italském Bergamu (www.seispa.com). Mezi jejich nejproduktivnější systémy patří stroje H-Type a Mercury. H-Type (viz. obrázek 3) má pracovní plochu 1 000 x 700 mm, pro řízení jsou použity servo pohony s maximálním zrychlením 8 g a rychlostí až 4 m/s. H - Type je osazován laserovými zdroji o výkonu 115W nebo 230 W. Jedná se o stroj s vysokou dynamikou určený pro hromadnou i malosériovou výrobu navržený pro 3 směnný provoz 7 dní v týdnu.
Systém Mercury (viz. obrázek 4) je osazen lineárním motory, které poskytují nejlepší možnou dynamiku a přesnost v celé řez- né ploše. Rozměry pracovní ploch jsou 1250 x 1 300 mm až 2 000 x 3 000 mm.
Obrázek 4: Řezací systém Merkury 609 od firmy SEI
Optický výkon laserových zdrojů na stroji Mercury se pohybuje od 230 W do 1 500 W. S výkonem od 350 W lze již s tímto systémem řezat i tenké kovové materiály.
Z výše uvedeného vyplívá, že v případě potřeby dělení nekovových materiálů laserem jsou CO2 lasery stále velmi důležitotechnologií.
Text: Ing. Václav Krejzlík
Pridať komentár
Aktuálne vydanie
Partnerské periodiká
Copyright © 2008 TechPark, o.z. | Všetky práva vyhradené | Realizácia: Webmax