Osnove laserskog rezanja i njegovog sistema obrade —Oprema za lasersko rezanje

II. Sastav opreme za lasersko rezanje

2.1 Komponente i princip rada mašine za lasersko rezanje

Mašina za lasersko rezanje sastoji se od laserskog emitera, glave za rezanje, sklopa za prenos zraka, radnog stola alatne mašine, sistema numeričkog upravljanja (NC), računara (hardvera i softvera), hladnjaka, cilindra zaštitnog gasa, sakupljača prašine i sušilice vazduha.

Laserski generator

Laserski generator je uređaj koji proizvodi laserske izvore svjetlosti. Za primjene laserskog rezanja, većina mašina koristi CO₂ plinske lasere koji imaju visoku efikasnost elektrooptičke konverzije i visoku izlaznu snagu, osim u nekoliko slučajeva gdje se koriste YAG laseri u čvrstom stanju. Nisu svi laseri pogodni za rezanje, jer lasersko rezanje nameće stroge zahtjeve za kvalitetom snopa.
Rezna glava

Uglavnom se sastoji od komponenti kao što su mlaznica, sočivo za fokusiranje i sistem za praćenje fokusa.

Uređaj za pogon rezne glave koristi se za pomicanje rezne glave duž Z-ose prema unaprijed postavljenim programima. Sastoji se od servo motora i prijenosnih dijelova poput vodećih vijaka ili zupčanika.

(1) Mlaznica: Postoje tri glavne vrste mlaznica: paralelni tip, konvergentni tip i konusni tip.

(2) Fokusirajuća leća: Da bi se izvršilo rezanje korištenjem energije laserskog snopa, originalni snop koji emituje laser mora se fokusirati kroz leću kako bi se formirala svjetlosna tačka sa visokom gustinom energije. Leće srednje i duge žižne daljine pogodne su za rezanje debelih ploča i imaju niže zahtjeve za stabilnost razmaka sistema za praćenje. Leće kratke žižne daljine pogodne su samo za rezanje tankih ploča ispod 3 mm; imaju stroge zahtjeve za stabilnost razmaka sistema za praćenje, ali mogu značajno smanjiti potrebnu izlaznu snagu lasera.

(3) Sistem za praćenje: Sistem za praćenje fokusa mašine za lasersko rezanje se uglavnom sastoji od glave za fokusiranje rezanja i sistema senzora za praćenje. Glava za rezanje integriše funkcije vođenja i fokusiranja snopa, hlađenja vodom, uduvavanja gasa i mehaničkog podešavanja.

Senzor se sastoji od senzorskih elemenata i jedinice za kontrolu pojačanja. Sistemi za praćenje se u potpunosti razlikuju u zavisnosti od vrste senzorskih elemenata. Postoje dva glavna tipa: jedan je kapacitivni sistem za praćenje senzora, poznat i kao beskontaktni sistem za praćenje; drugi je induktivni sistem za praćenje senzora, poznat i kao kontaktni sistem za praćenje.
Sklop za prijenos snopa

Vanjski optički put: Reflektirajuća ogledala se koriste za vođenje laserskog snopa u željenom smjeru. Kako bi se spriječili kvarovi na putu snopa, sva reflektirajuća ogledala su zaštićena štitovima, a uvodi se čisti zaštitni plin pozitivnog pritiska kako bi se ogledala zaštitila od kontaminacije. Visokoučinkovito sočivo može fokusirati nedivergentni snop u beskonačno malu tačku. Uobičajeno se koristi sočivo sa žarišnom daljinom od 5,0 inča, dok je sočivo od 7,5 inča primjenjivo samo za rezanje materijala debljih od 12 mm.
Radni sto za mašinske alate

Glavno tijelo mašine: Dio alatne mašinemašina za lasersko rezanjeje mehanički dio koji ostvaruje kretanje X, Y i Z osa, uključujući platformu za rezanje.
Numerički upravljački sistem

NC sistem kontroliše alatnu mašinu kako bi postigao pokrete po X, Y i Z osi i istovremeno reguliše izlaznu snagu lasera.
Sistem za hlađenje

Jedinica za hlađenje: Koristi se za hlađenje laserskog generatora. Laser je uređaj koji pretvara električnu energiju u svjetlosnu energiju. Na primjer, efikasnost konverzije CO₂ plinskog lasera je uglavnom 20%, dok se preostala energija pretvara u toplinu. Rashladna voda uklanja višak topline kako bi se održao normalan rad laserskog generatora. Jedinica za hlađenje također hladi vanjska optička ogledala i fokusirajuća sočiva alatne mašine, osiguravajući stabilan kvalitet prijenosa snopa i efikasno sprječavajući deformaciju ili pucanje sočiva zbog pregrijavanja.
Plinske boce

Plinske boce uključuju boce radnog medija i pomoćne plinske boce za stroj za lasersko rezanje, koje se koriste za dopunjavanje industrijskih plinova za laserske oscilacije i dovod pomoćnih plinova za glavu za rezanje.
Sistem za uklanjanje prašine

Izvlači dim i prašinu nastale tokom obrade i provodi filtraciju kako bi se osiguralo da emisije ispušnih plinova ispunjavaju standarde zaštite okoliša.
Sušač i filter za hlađenje zraka

Snabdijeva čistim, suhim zrakom laserski generator i putanju snopa, održavajući normalan rad putanje snopa i reflektirajućih ogledala.

2.2 Plamenik za lasersko rezanje

Strukturni dijagram rezača za lasersko rezanje prikazan je ispod. Uglavnom se sastoji od tijela gorionika, fokusirajućeg sočiva, reflektirajućeg ogledala i pomoćne plinske mlaznice. Tokom laserskog rezanja, rezač mora ispunjavati sljedeće zahtjeve:

① Plamenik može izbacivati dovoljan protok plina.

② Smjer izbacivanja plina unutar baklje mora biti koaksijalni s optičkom osom reflektirajućeg ogledala.

③ Žižna daljina baklje se može lako podesiti.

④ Tokom rezanja, metalna para i prskanje rezanog metala ne smiju oštetiti reflektirajuće ogledalo.

Kretanje rezača podešava se NC sistemom kretanja. Postoje tri scenarija za relativno kretanje između rezača i obratka:

① Plamenik ostaje nepomičan dok se radni komad kreće po radnom stolu — uglavnom pogodno za male radne komade.

② Radni komad ostaje nepomičan dok se gorionik kreće.

③ I gorionik i radni sto se kreću istovremeno.

2.2.1 Rezna glava

Glava za lasersko rezanje nalazi se na kraju sistema za prenos snopa i sastoji se od fokusirajućeg sočiva i mlaznice za rezanje.

Fokusna sočiva se uglavnom klasifikuju prema žarišnoj daljini. Većina opreme za lasersko rezanje opremljena je s nekoliko glava za rezanje s različitim žarišnim daljinama. Uzimajući CO₂ lasersko rezanje kao primjer, uobičajene žarišne daljine su 127 mm (5 in) i 190 mm (7,5 in). Sočivo s kratkom žarišnom daljinom proizvodi malu žarišnu tačku i kratku žarišnu dubinu, što pogoduje smanjenju širine reza i postizanju finijih rezova. Sočivo s dugom žarišnom daljinom daje veću žarišnu tačku i veću žarišnu dubinu. U poređenju s sočivima s kratkom žarišnom daljinom, sočiva s dugom žarišnom daljinom mogu osigurati fokusirani snop s gustoćom laserske energije dovoljnom za obradu materijala u blizini žarišne tačke. Stoga se sočiva s kratkom žarišnom daljinom uglavnom koriste za precizno rezanje tankih ploča, dok su sočiva s dugom žarišnom daljinom potrebna za deblje materijale kako bi se dobila odgovarajuća žarišna dubina, osiguravajući minimalne varijacije u promjeru tačke i dovoljnu gustoću snage unutar raspona debljine rezanja.

Fokusirajuća sočiva se koriste za fokusiranje paralelnog laserskog snopa koji pada na rezni plamenik, postižući manju veličinu tačke i veću gustinu snage. Sočiva su napravljena od materijala koji mogu prenositi lasersku talasnu dužinu. Optičko staklo se obično koristi za lasere u čvrstom stanju, dok se materijali poput ZnSe, GaAs i Ge usvajaju za CO₂ gasne lasere (budući da obično staklo nije prozirno za CO₂ laserske snopove), među kojima je ZnSe najčešće korišten.

Za lasersko rezanje, minimiziranje prečnika žarišne tačke je poželjno kako bi se povećala gustina snage i omogućilo rezanje velikom brzinom. Međutim, kraća žarišna daljina sočiva rezultira manjom žarišnom dubinom, što otežava postizanje okomite površine reza pri rezanju debelih ploča. Osim toga, kraća žarišna daljina smanjuje udaljenost između sočiva i obratka, povećavajući rizik od kontaminacije sočiva prskanjem rastopljene tečnosti tokom rezanja i utičući na normalan rad. Stoga, odgovarajuću žarišnu daljinu treba sveobuhvatno odrediti na osnovu faktora kao što su debljina rezanja i zahtjevi za kvalitet rezanja.

2.2.2 Reflektirajuće ogledalo

Funkcija reflektirajućeg ogledala je promjena smjera snopa koji emituje laser. Za snopove lasera u čvrstom stanju mogu se koristiti reflektirajuća ogledala napravljena od optičkog stakla. Nasuprot tome, reflektirajuća ogledala u uređajima za lasersko rezanje CO₂ plinom obično su napravljena od bakra ili metala s visokom reflektivnošću. Da bi se spriječila oštećenja uzrokovana pregrijavanjem laserskim zračenjem tokom rada, reflektirajuća ogledala se obično hlade vodom.

2.2.3 Mlaznica

Mlaznica se koristi za raspršivanje pomoćnog plina u zonu rezanja, a njena struktura ima određeni utjecaj na efikasnost i kvalitet rezanja. Slika 4.11 prikazuje uobičajene oblike mlaznica za lasersko rezanje; oblici otvora mlaznice uključuju cilindrične, konusne i konvergentno-divergentne tipove.

Izbor mlaznice se uglavnom određuje testovima na osnovu materijala i debljine radnog komada, te pritiska pomoćnog gasa. Lasersko rezanje obično koristi koaksijalne mlaznice (gdje je protok gasa koaksijalni sa optičkom osom). Ako protok gasa i laserski snop nisu koaksijalni, vjerovatno će doći do prekomjernog prskanja tokom rezanja. Unutrašnji zid otvora mlaznice treba da bude gladak kako bi se osigurao nesmetan protok gasa i izbjegla turbulencija koja može uticati na kvalitet reza. Da bi se osigurala stabilnost rezanja, udaljenost između čeone površine mlaznice i površine radnog komada treba da se minimizira, obično u rasponu od 0,5 mm do 2,0 mm. Prečnik otvora mlaznice mora omogućiti laserskom snopu da glatko prolazi, sprečavajući da snop dodirne unutrašnji zid otvora. Što je prečnik otvora manji, to je teže kolimirati snop. Za dati pritisak pomoćnog gasa postoji optimalni raspon prečnika otvora mlaznice. Pretjerano mali ili veliki otvor će ometati uklanjanje rastopljenih proizvoda iz reza i uticati na brzinu rezanja.

Utjecaj promjera otvora mlaznice na brzinu rezanja pri fiksnoj snazi lasera i tlaku pomoćnog plina prikazan je na slikama 4.12 i 4.13. Može se vidjeti da postoji optimalni promjer otvora mlaznice koji postiže maksimalnu brzinu rezanja. Ova optimalna vrijednost je približno 1,5 mm bez obzira da li se kao pomoćni plin koristi kisik ili argon.

Ispitivanja laserskog rezanja tvrdih legura (koje je teško rezati) pokazuju da je optimalni promjer otvora mlaznice vrlo blizu gore navedenim rezultatima, kao što je ilustrovano na slici 4.14. Promjer otvora mlaznice također utječe na širinu reza i širinu zone utjecaja topline (ZUT). Kao što je prikazano na slici 4.15, s povećanjem promjera otvora mlaznice, širina reza se povećava, dok se širina ZUT-a sužava. Glavni razlog sužavanja ZUT-a je pojačani učinak hlađenja pomoćnog protoka plina na osnovni materijal u zoni rezanja.

2.3 Parametri opreme za lasersko rezanje

2.3.1 Oprema za rezanje s plamenikom

Kod opreme za rezanje pogonjene plamenikom, plamenik za rezanje je montiran na pokretni portal i horizontalno se kreće duž portalne grede (Y-osa). Portal pokreće plamenik da se kreće duž X-ose, dok je radni komad fiksiran na radnom stolu. Budući da su laser i plamenik za rezanje odvojeno postavljeni, karakteristike laserskog prijenosa, paralelnost duž smjera skeniranja snopa i stabilnost reflektirajućih ogledala su pogođeni tokom procesa rezanja.

Oprema za rezanje pogonjena plamenikom može obrađivati velike radne komade. Zauzima relativno malu površinu poda za proizvodnu zonu rezanja i može se lako integrirati s drugom opremom kako bi se formirala proizvodna linija. Međutim, njena tačnost pozicioniranja je samo ±0,04 mm.

Tipična struktura opreme za rezanje s plamenikom prikazana je na slici 4.19. Koristi se mašina za rezanje kontinuiranim CO₂ laserom, s udaljenošću od lasera do plamenika za rezanje od 18 m. Kako bi se osiguralo da promjena promjera snopa preko ove udaljenosti prijenosa ne ometa operacije rezanja, kombinacija oscilatornih ogledala mora biti pažljivo dizajnirana.

Glavni tehnički parametri opreme za rezanje s plamenikom su sljedeći:

Izlazna snaga lasera: 1,5 kW (jednomodni), 3 kW (višemodni)
Hod plamenika: X-osa 6,2 m, Y-osa 2,6 m
Brzina vožnje: 0–10 m/min (podesivo)
Plutajući hod gorionika po Z-osi: 150 mm
Brzina podešavanja Z-ose gorionika: 300 mm/min
Maksimalna veličina obrađene čelične ploče: 12 mm × 2400 mm × 6000 mm
Sistem upravljanja: Integrisani NC način upravljanja

2.3.2 XY oprema za rezanje sa stolnim pogonom

Kod opreme za rezanje sa XY stolom, gorionik za rezanje je fiksiran na okvir, a radni komad se postavlja na sto za rezanje. Stol za rezanje se pomiče duž X i Y osa prema NC naredbama, sa podesivom brzinom kretanja koja se obično kreće od 0-1 m/min ili 0-5 m/min. Budući da gorionik za rezanje ostaje nepomičan u odnosu na radni komad, minimizira se uticaj na poravnanje i centriranje laserskog snopa tokom procesa rezanja, osiguravajući ujednačene i stabilne performanse rezanja. Kada je opremljen malim stolom za rezanje koji se odlikuje visokom mehaničkom preciznošću, mašina postiže tačnost pozicioniranja od ±0,01 mm iodlična preciznost rezanja, što ga čini posebno pogodnim za precizno rezanje malih komponenti. Osim toga, za obradu velikih radnih komada dostupni su veći stolovi za rezanje s hodom X-ose od 2300–2400 mm i hodom Y-ose od 1200–1300 mm.

Glavni tehnički parametri opreme za rezanje sa XY stolnim pogonom su sljedeći:

Izvor lasera: CO₂ plinski laser (poluzatvoreni tip ravne cijevi)
Napajanje lasera: Ulazni napon 200 VAC; Izlazni napon 0–30 kV; Maksimalna izlazna struja 100 mA
Izlazna snaga lasera: 550 W
Hod stola za rezanje: X-osa 2300 mm, Y-osa 1300 mm
Brzina kretanja stola za rezanje (postepeno podesiva): 0,4–5,0 m/min, 0,2–2,5 m/min, 0,1–1,3 m/min, 0,05–0,6 m/min
Plutajući hod gorionika po Z-osi: 180 mm
Maksimalna veličina obrađene ploče: 6 mm × 1300 mm × 2300 mm
Sistem upravljanja: Numeričko upravljanje (NC)

2.3.3 Oprema za rezanje s dvostrukim pogonom (gorionik i stol)

Oprema za rezanje s dvostrukim pogonom (gorionik i stol) po dizajnu spada između mašina za rezanje s pogonom gorionika i mašina za rezanje s pogonom XY stola. Gorionik za rezanje je montiran na portal i pomiče se horizontalno duž grede portala (Y-osa), dok se stol za rezanje pokreće uzdužno. Ovaj hibridni dizajn kombinira prednosti visoke preciznosti rezanja i efikasnosti uštede prostora. S tačnošću pozicioniranja od ±0,01 mm i podesivim rasponom brzine rezanja od 0–20 m/min, to je jedna od najčešće korištenih mašina za rezanje na tržištu. Veći modeli ove mašine nude hod Y-ose od 2000 mm i hod X-ose od 6000 mm, što omogućava rezanje velikih radnih komada.

Laserski oscilator je montiran na portalu pored rezača. Ova konfiguracija pruža izuzetnu preciznost pri rezanju kružnih rupa. Mašina se također može pohvaliti visokom efikasnošću proizvodnje: može izrezati 46 kružnih rupa (prečnika 10 mm) u minuti na čeličnoj ploči debljine 1 mm.

2.3.4 Integrisana oprema za rezanje

Uintegrirana mašina za rezanje, laserski izvor je instaliran na okviru i pomiče se uzdužno s njim, dok je gorionik za rezanje integriran sa svojim pogonskim mehanizmom za horizontalno kretanje duž grede okvira. Mašina koristi numeričko upravljanje za rezanje komponenti različitih oblika. Da bi se kompenzirala varijacija dužine optičkog puta uzrokovana horizontalnim kretanjem gorionika za rezanje, obično je opremljen modulom za podešavanje dužine optičkog puta. Ovaj modul osigurava homogeni laserski snop unutar područja rezanja i održava konzistentan kvalitet površine rezanja.

Vrijeme objave: 17. decembar 2025.

Osnove laserskog rezanja i njegov sistem obrade — Oprema za lasersko rezanje