Лазерная резка деталей: виды, возможности, преимущества

Лазерная резка деталей является современной и на сегодняшний день основной технологией производства высокоточных сложных механизмов для самых разных отраслей, от медицины до машиностроения. Это высокотехнологичный, быстрый и гибкий процесс, позволяющий существенно сократить расходы на материалы и получить в результате качественную продукцию. Все нюансы данной технологии резки мы рассмотрим в этой статье.

Возможности лазерной резки деталей

Лазерная резка в мировом промышленном производстве именуется как LBC (Laser Beam Cutting). Суть технологии заключается в нагреве зоны реза и последующем разрушении материала в этой зоне лазером.

Для резки металла применяется специальная установка, которая генерирует лазерный луч, фокусирующийся на небольшой площади обрабатываемого участка, создавая энергию высокой плотности. Этой энергии хватает для активного разрушения материала в зоне реза (плавление, сгорание, испарение и т. д.).

Данная технология обладает очевидными преимуществами, благодаря которым она находит широкое применение при резке металла, в частности для производства:

1. Узлов машиностроительных агрегатов.
2. Элементов стеллажей, торгового оборудования и декоративных изделий.
3. Деталей котлов, емкостей и печных дымоходов.
4. Кованых изделий для ограждений, различных элементов для дверей и ворот.
5. Дизайнерских шкафов и корпусов по индивидуальным заказам.
6. Оригинальных букв и трафаретов для вывесок.

Благодаря преимуществам лазерной резки перед другими видами металлообработки, все большее число предприятий использует эту технологию как основную в своем производстве.

В процессе резки лист металла прожигается лазером насквозь. Особенность такой резки состоит в том, что отсутствует непосредственный контакт режущей головки с обрабатываемым материалом. Поэтому данная технология применима к самым разным по прочности и хрупкости материалам. Лазер одинаково хорошо режет и тонкую листовую сталь, и тугоплавкие металлы.

Наибольшую эффективность резка лазером показывает при штучном производстве или при изготовлении небольших партий продукта, поскольку создания каких-либо форм для обработки металла не требуется, следовательно, отсутствуют сопутствующие этому расходы. Обработке лазером подвергается сталь всех марок и состояний, алюминий и его сплавы, латунь и медь.

Основным достоинством этой технологии является минимальное вмешательство человека в процесс производства и высокая степень автоматизации. В макропрограммный блок требуется задать параметры геометрии изделий, блок затем самостоятельно начнет управлять лазером и столом с заготовкой. Фокус лазера также настраивается автоматически путем изменения расстояния до заготовки в зависимости от эффективности резания.

Технология лазерной резки деталей

Как уже упоминалось, резка осуществляется посредством воздействия сфокусированного луча лазера под управлением оператора. Края получающегося реза обрабатываются автоматически и не требуют последующей доводки. В процессе создания любых изделий отсутствует механический контакт с заготовкой, поэтому для такой резки пригодны даже хрупкие материалы типа пластика и любых видов стекол.

Для лазерной резки деталей требуется специальное оборудование, включающее координатный стол от 1500 до 2500 мм, который позволяет создавать из грубой заготовки изделия любых геометрических форм, как плоские, так и сложные объемные.

Управляет автоматическим процессом программное обеспечение, установленное на оборудовании и принимающее для обработки текстовую и графическую исходную информацию. Лазер при работе нагревается, для его охлаждения применяется обдув воздухом или воздействие теплоносителем, чаще всего водой. Производительность резки можно повысить, увеличив мощность луча лазера. Расход лазерной резки снижается благодаря тому, что она выполняется вплотную к заготовке.

Для резки металла лазером используются станки с плотностью энергии лазера 108 Вт/кв. см. Такой концентрации энергии можно добиться благодаря свойствам лазерного луча. Перечислим три его важных свойства.

1. В отличие от обычных лучей света, лазерный луч обладает постоянной длиной волны (то есть, он монохроматичен). Это позволяет гораздо легче фокусировать луч обычными оптическими линзами на поверхность любого материала.
2. Луч лазера имеет очень малый угол расходимости и, как следствие, высокую направленность. Данное свойство также позволяет легко добиться наивысшей степени фокусировки на оборудовании.
3. Еще одно важное физическое свойство лазерного луча — когерентность. Свойство заключается в упорядоченности волн луча, которые входят друг с другом в резонанс и тем самым многократно увеличивают общую мощность излучения.

Происходящие во время обработки металла процессы можно наглядно увидеть на прилагаемых видео. Луч лазера, достигая поверхности металла, быстро ее нагревает и затем расплавляет в пределах обрабатываемой зоны.

Зона плавления быстро распространяется вглубь заготовки благодаря некоторым факторам, и теплопроводность материала также влияет на это. Если продолжать дальше воздействовать лучом на металл, температура его контактирующей с лучом поверхности достигнет точки кипения, в результате чего металл начнет испаряться.

Применяется два основных способа резки металла лазером:

• резка плавлением;
• резка испарением металла.

Для резки металла путем его испарения необходимо очень мощное оборудование, что влечет за собой повышенное потребление энергии. Экономически это не всегда целесообразно. Поэтому для этого способа введены ограничения по толщине обрабатываемого материала. Используют данный способ только для резки тонкостенных изделий.

Виды оборудования для лазерной резки деталей

На сегодняшний день существует три типа данного оборудования.

1. Газовые установки для лазерной резки.

   В данных установках атомы подаваемого газа возбуждаются электрическими разрядами, в результате чего газ излучает монохроматический свет. Использующийся как рабочее тело газ может прокачиваться как по продольной, так и по поперечной схеме. Наиболее распространен в применении углекислый газ, используемый в щелевидных установках. Данные установки отличаются компактностью, простотой в эксплуатации и при этом достаточно высокой мощностью. Наглядно работа таких установок показана в многочисленных видео на просторах интернета.

2. Установки твердотельного типа.

   Конструктивно установка этого типа состоит из лампы накачки и рабочего тела. В качестве последнего обычно используют стержень из искусственного рубина с включением неодима иттриевого граната. Лампа накачки на этом оборудовании нужна для передачи излучения на рабочее тело. Наибольшее распространение получили модели с импульсным режимом работы. Встречаются также установки, работающие в непрерывном режиме.

3. Газодинамическое оборудование.

   Газодинамические установки предварительно нагревают газ до 2000-3000 градусов Цельсия, после чего нагретый рабочий газ направляется через сопло, достигая при этом сверхзвуковой скорости, и затем охлаждается. Такая технология сильно влияет на конечную цену оборудования, дороговизна которого значительно ограничивает его применение.

По демонстрации работы установки довольно сложно понять принадлежность оборудования к определенной группе. Для понимания необходимо знать устройство этого оборудования.

Независимо от того, к какой группе относится установка, ее всегда будут составлять следующие компоненты:

• система генерации и передачи газа, также отвечающая за излучение и состоящая в свою очередь из устройства для подачи газа, сопла, юстировочного лазера, различных оптических и других элементов;
• излучатель с зеркалами резонатора, включающий в себя активную среду, систему накачки и модуляции (в случаях, когда она необходима);
• общая система управления и контроля;
• механизм, перемещающий заготовку и направляющий луч лазера.

Требования к чертежам для лазерной резки деталей

Специально для такой обработки деталей разрабатываются чертежи в форматах AutoCAD или CorelDraw.

Файлы чертежей должны удовлетворять определенным требованиям в зависимости от их формата.

В формате AutoCAD:

1. Рекомендуемая версия программного продукта: AutoCAD 2000.
2. Масштаб чертежа 1:1, координатная система — мировая, представление чертежа — двухмерное.
3. Используемые типы линий: замкнутые Arc и Line. Тип Spline недопустим.

В формате CorelDraw:

1. Рекомендуемая версия программного продукта: 6-14.
2. Текстовые и символьные элементы должны быть преобразованы в кривые типа Curves.
3. Ширина всех кривых должны быть фиксированной величиной и сохранена в константе Hairlilne.
4. Масштаб чертежа 1:1.
5. Все контуры на чертеже должны создаваться одним замкнутым элементом.

Оборудование поддерживает файлы чертежей в форматах CDR (CorelDraw 14 и выше), DXF и DWG (версии AutoCAD до 2007 включительно).

Внешний контур детали на схематичном чертеже должен быть замкнутым. Внутри детали могут быть замкнутые контуры отверстий и незамкнутые линии прорезей.

Основные требования к чертежам:

1. Масштаб 1:1.
2. Внешний контур и контуры отверстий должны быть замкнутыми.
3. Поддерживаются линии, создаваемые командами LINE, CIRCLE, ARC.
4. Контуры, созданные с помощью инструментов SPLINE и ELLIPSE, установленным программным обеспечением не поддерживаются.
5. Для качественного и ровного реза рекомендуют очень мелкие линии объединять в более крупные.
6. Наложения линий друг на друга нужно избегать, иначе луч лазера в местах наложения будет проходить несколько раз в холостую.
7. Чертеж должен содержать название материала и число деталей.
8. Каждый файл должен содержать только один чертеж.
9. Раскладка деталей на чертеже необязательна.

Заготовка для резки должны выходить за контур детали на 5-10 мм. В чертежах CorelDraw контуры букв и символов требуется обводить не менее 2 раз. Криволинейные отрезки линий следует разбивать на элементарные точечные фрагменты.

Резка детали лазером достаточно высокоточная, ее отклонение от чертежа не превышает 0,03 мм. Для стальных заготовок толщиной 4 мм выбирается ширина реза 0,3 мм. При первом врезании луча в материал, однако, создается отверстие, намного превышающее в диаметре ширину реза.

4 наиболее распространённых заблуждения, связанные с лазерной резкой деталей

Несмотря на возрастающую популярность этой технологии, до сих пор имеют место связанные с ней популярные заблуждения.

1. Это новейшая технология.

   На самом деле резка металла с помощью лазера впервые дала о себе знать еще в 1960 году. Массовости данная технология достигла к 1980 году. На сегодня же она охватывает огромное количество разных сфер применения.

   
2. Это сложная технология.

   Это стопроцентный миф, поскольку даже стандартная механическая резка изделия технически сложнее обработки лазером. Во время обработки лазером не нужно при переходе к следующей детали каждый раз менять оснастку и готовить новый образец. Каждый новый заказ загружается программно в виде чертежа в соответствующем формате. Единственная сложность здесь — финансовая, так как установки для лазерной резки стоят относительно дорого и требуют последующих затрат на обслуживание. В остальном же процесс резки на этой установке не сложнее печати рисунка на принтере.

3. Луч лазера прожигает материал.

   Здесь нужно разобраться. При обработке дерева лазером края материала действительно обугливаются. Однако, например, к металлу это не относится, поскольку края вдоль реза металла не обугливаются, горения не происходит и размеры полученного изделия совпадают с заданными. В процессе лазерной резки мягких материалов, к примеру, пластика, площадь контакта луча лазера с материалом слишком мала, чтобы происходило горение. Расплавленные части материала впоследствии выдуваются вспомогательным газом (азотом либо кислородом), одновременно охлаждающим поверхности в области реза. Если края пластиковых изделий при резке лазером уплотняются, то в металлических заготовках образуются области закалки, обрабатывать которые в дальнейшем проблематично.

4. Лазерный луч справится с любой толщиной материала.

   Лазерную резку применяют для разных материалов, однако допустимая толщина их для резки ограничена в зависимости от применяемой технологии. Поэтому перед резкой следует выбрать из имеющихся технологий подходящую для данного материала. Заранее же отказываться от использования лазера не стоит в любом случае — стоимость этой технологии в дальнейшем может окупиться.

Преимущества и недостатки лазерной резки деталей

Прежде всего рассмотрим преимущества лазерной резки металлических деталей перед другими способами обработки. Среди многочисленных плюсов выделим самые весомые.

Преимущества лазерной резки деталей:

1. Широкий диапазон допустимых толщин деталей. Стальные заготовки могут иметь толщину 0,2-20 мм, медные и латунные — 0,2-15 мм, детали из алюминиевых сплавов — 0,2-20 мм, из нержавеющей стали — до 50 мм.
2. Отсутствует механический контакт с изделием. Благодаря этому становится возможным резать даже хрупкие материалы без их повреждения.
3. Простота задания нужных параметров будущей детали. Требуется лишь загрузить во встроенное программное обеспечение чертеж в совместимом формате. Остальную работу по этому чертежу оборудование выполнит самостоятельно и с минимальной погрешностью (до 0,1 мм).
4. Высокая скорость обработки тонколистовой стали и твердых сплавов.
5. Простота изготовления небольших партий продукции. Применение лазера особенно целесообразна в этих случаях, поскольку нет нужды в дорогих операциях литья и штамповки, отсутствуют и сопутствующие расходы.
6. Низкая себестоимость изделий, связанная с высокой скоростью резки и производительностью оборудования. Минимизируется также объем отходов, отпадает необходимость в последующей обработке изделий.

Недостатки лазерной резки деталей:

Оборудование для резки лазером универсально, обладает высокой мощностью и производительностью. Однако у этого оборудования есть и определенные недостатки.

1. Себестоимость получаемых изделий хотя и невысока, однако она все же выше, чем при изготовлении деталей методом штамповки. Хотя в себестоимость штамповки не включена стоимость производства технологической оснастки.
2. Толщина детали ограничена технологией резки.

Лазерная резка деталей из различных металлов и других материалов

1. Лазерная резка деталей из алюминия.

   В связи со способностью алюминия поглощать лазерный луч и с высокой теплопроводностью этого металла, для его резки требуется высокая мощность луча.

   Установка по лазерной резке любого металла, включая алюминий, требует наличия специального программного обеспечения, в котором будут задаваться необходимые параметры резки. Само оборудование может легко использоваться как в промышленности, так и для частных нужд.

   Для определения необходимой мощности лазера при резке алюминия нужно знать параметры обрабатываемых деталей, включая их размеры. Чтобы поверхность изделия была ровной, аккуратной и без заусенец, а также во избежание деформирования детали в процессе работы, следует выбирать небольшую скорость резки металла.

   

   Благодаря отсутствию физического контакта с алюминием достигается высокое качество выпускаемых изделий. Кроме того, в установке имеется продувная зона, также обеспечивающая максимально ровные очертания получаемых деталей.

   На станке с ЧПУ луч лазера можно сфокусировать в нужном направлении. Это позволяет получить в итоге изделие любой сложности при условии правильно заданных параметров.

2. Лазерная резка деталей из нержавейки.

   Нержавеющий металл очень устойчив к воздействию лазера и к прочим внешним факторам, поэтому процесс лазерной резки нержавейки представляет определенную сложность. Тем не менее, именно лазерная резка является самым эффективным видом резки нержавеющего металла.

   Во время обработки лазером металлу требуется защита от окисления, возникающего на поверхности заготовки. Для этого на поверхность наносится слой азотной кислоты, которая защищает металл от возгорания.

   

   Вспомогательный газ должен подаваться на рабочую область под давлением 20 атм. Чем толще лист металла, тем больше получается размер сечения материала и тем большее количество азота должно подаваться в обрабатываемую область.

3. Лазерная резка деталей из меди.

   Медь обладает высокой теплопроводностью. Это необходимо учитывать при работе с медными деталями. В частности, скорость резки медного изделия должна быть небольшой, а мощность лазерного луча — максимально высокой. В противном случае качество резки будет низким — линия реза получится неровной, с участками деформации кромки реза.

   Сложно резать лазером медь большой толщины. Необходимо особо мощное оборудование, что влечет за собой увеличение его стоимости и итоговой стоимости работы. При этом лазерной резкой толстые листы меди можно только раскроить. Изделия сложных форм изготовить не получится.

   

   Резку медных деталей предпочтительно выполнять твердотельными лучами. В иных случаях можно получить деформированные изделия. Во время резки толстых листов меди в зоне реза образуется плазма, нагревающая и расплавляющая металл при достижения точки плавления.

4. Лазерная резка деталей из латуни.

   Латунь активно используется для обработки лазером, как в промышленном производстве, так и в штучном изготовлении деталей с применением ручного труда. Сталь и латунь очень легко поддаются лазерной резке. Управлять процессом также несложно — достаточно задать необходимые параметры в систему и можно получить на выходе форму изделия любой сложности.

   

5. Лазерная резка деталей из титана.

   Титан и его сплавы дают активную реакцию при воздействии кислорода и азота. В случае применения кислорода как вспомогательного газа на поверхности реза образуется слой оксидов и нитридов в твердом и хрупком состоянии. Получившиеся в результате детали для многих задач будут непригодны. Примерную реакцию дает и азот. Поэтому для лазерной резки титана следует применять инертные газы — аргон и гелий. Аргон дешевле гелия, однако его применение может привести к некоторым трудностям. В результате перегрева поверхности реза возможно изменение фазового состояния материала в рабочей зоне (образование альфа-структуры). В этом случае снижается усталостная прочность титана, и изделие становится непригодным для использования в аэрокосмической отрасли. Гелий же обладает высокой теплоемкостью и теплопроводностью, поэтому его зачастую смешивают с аргоном для охлаждения области резки. Как правило, достаточно 25-процентного содержания гелия в общей смеси с аргоном, однако в некоторых случаях его долю в смеси увеличивают до 50 %.

   
6. Лазерная резка деталей из фанеры.

   Сегодня довольно популярна лазерная резка фанерных и деревянных деталей. Эта технология дает возможность реализовывать самые смелые дизайнерские и инженерные идеи благодаря сверхтонкому лучу лазера (меньше миллиметра в диаметре). В результате получаются изделия с высокой детализацией и сложной формой, при этом дающие мизерное количество отходов.

   Идеален для лазерной резки шпон толщиной 0,6 мм и более. Рез на таком материале всегда остается ровным и гладким, без обугливания и потемнения. Качество изделия также зависит от древесины, из которой изготовлена фанера, а также используемого клея. Наиболее подходящей для обработки лазером является фанера из древесины хвойных пород, очищенная от смолы.

   

   С помощью лазерной резки из элементов фанеры создаются так называемые бизиборды (busy boards) — развивающие стенды для детей с многочисленными переключателями, кнопками, задвижками и прочими деталями, привлекающими маленьких детей. Кроме этого, бизиборд может содержать различные игрушки и другие предметы разных форм, цветов и фактур. Все это можно трогать, переключать, нажимать и делать всё то, что, как правило, маленьким детям с реальными деталями делать не разрешается.

7. Лазерная резка деталей из пластика.

   Современный мир практически захватил пластик. Обладая дешевизной, достаточной прочностью, долговечностью и устойчивостью к температурным колебаниям, пластик нашел применение во всех отраслях человеческой деятельности.

   Из пластиковых заготовок таким способом изготавливаются таблички, вывески, гардеробные номерки, трафареты, различная рекламная и подарочная продукция.

   

   Однако не каждый пластик пригоден для лазерной резки. Для обработки ПВХ и материалов, содержащих ПВХ, лучше использовать фрезерный станок.

8. Лазерная резка деталей из акрила.

   Акрил был первым материалом, на котором испытывали новую технологию лазерной резки. Особенность этого материала состоит в том, что при воздействии лазером акрил испаряется, не оставляя после себя никаких следов.

   Детали, полученные данным способом, применяются в рекламном и торговом бизнесе, в науке. Из акрила этим способом изготавливают также сувениры.

   Поскольку акрил легко режется лучом лазера, детали в результате получаются с ровными и аккуратными краями.

   

   Получаемые изделия могут иметь самые причудливые формы и сложные узоры. Ширина реза зависит от применяемого материала. Еще одна особенность акрила — он активно взаимодействует с лазерным лучом только вдоль узкой рабочей зоны реза, остальная часть его остается неизменной. В результате края изделий получаются гладкими, без трещин и сколов, поэтому изделия в дальнейшей обработке не нуждаются.