Содержание
- 1 Устройство и принцип работы
- 2 Виды лазерной резки
- 3 Преимущества и недостатки
- 4 Принципы выбора
- 5 Как изготовить станок для лазерной резки своими руками
- 6 Эксплуатация
- 7 Принципы работы лазерной резки
- 8 Виды лазерной резки
- 9 Преимущества и недостатки лазерной резки
- 10 Назначение и критерии выбора лазерной резки
Принципиальная схема твердотельного импульсного лазера весьма проста (1). Активная среда – вещество, в котором возникает излучение (кристаллы рубина, алюмо-иттриевого граната, стекло с примесью неодима и другие материалы), – имеет форму цилиндра или стержня. Его помещают в резонатор в виде двух параллельных зеркал – полупрозрачного переднего и "глухого", непрозрачного, заднего. Возле активной среды смонтирована система накачки – импульсная лампа, которую вместе со стержнем окружает зеркало, фокусирующее свет на активной среде (им нередко служит кварцевый цилиндр, покрытый слоем металла).
Активная среда "сконструирована" таким образом, что ее атомы имеют как минимум три энергетических уровня (2). В нормальном состоянии все они находятся на уровне с наименьшей энергией Е. Когда загорается лампа, энергия ее света поглощается атомами и переводит их из низшего энергетического состояния на более высокий уровень Е2, откуда они незамедлительно опускаются на уровень Е1. На этом – возбужденном – уровне атомы могут находиться достаточно долго (по квантовым масштабам, разумеется). Наличие такого уровня (он называется метастабильным) – необходимое условие получения лазерного импульса. С этого уровня атом возвращается в исходное состояние, излучая фотон. Причем каждый фотон, пролетая мимо возбужденного атома, заставляет его излучать тоже. Отражаясь в зеркалах резонатора, фотоны многократно проходят активную среду (добротность резонатора чрезвычайно велика: его зеркала поглощают только один фотон из миллиона) и вырываются наружу через полупрозрачное зеркало в виде светового импульса. Но лампа горит долго (опять-таки по квантовым масштабам), и атомы среды за это время успевают много раз "сбросить" энергию. Поэтому лазерная вспышка при внимательном рассмотрении выглядит как "гребенка" из десятков и сотен очень коротких импульсов, а сам такой режим называется "пичковым" (3).
Если же в резонатор поместить затвор, перекрывающий путь фотонам, его добротность упадет до нуля, и вся энергия лампы накачки станет уходить на возбуждение атомов активной среды. Затвор откроется, когда свечение лампы накачки и, следовательно, количество возбужденных атомов достигнут максимума. Тогда добротность резонатора мгновенно возрастет до максимума, и вся накопленная энергия "выплеснется" в виде очень короткого импульса огромной мощности. Этот вариант работы лазера именуется режимом модуляции добротности или "гигантского импульса" (4).
Станки для лазерной резки применяются для бесконтактной обработки различных металлов с высокой точностью. Аналогов по уровню технологии, качеству резки или гравировки и удобству управления нет. Обрабатываемые заготовки после проведения работ не требуют доработок, стоимость их изготовления низкая.
Устройство и принцип работы
Лазерный станок предназначен для гравировки и порезки металлических изделий. Конструктивно состоит из следующих узлов:
- систем излучения, преобразования;
- излучателя с резонаторами;
- управляющей системы;
- органов управления;
- узла, перемещающего лазер над рабочей поверхностью.
Конструкция зависит от типов оборудования:
- газовые — оснащаются системой накачки инертных газов (неон, гелий), стеклянной колбой с излучающей трубкой;
- твердотельные, устанавливаются лампы накачки, импульсные лампы, рабочее тело (рубин) система зеркал (отражающие, полупрозрачные);
- газодинамические — предусмотрено сопло для ускорения газов, системы охлаждения;
Плотность пучка составляет 100 МВт/см 2 . При облучении поверхности заготовки происходит её быстрый разогрев, плавление. За счёт теплопроводности луч способен проникать вглубь металла. В зоне нагрева при достижении температуры кипения происходит его испарение.
Виды лазерной резки
В зависимости от мощности луча, лазерные станки позволяют выполнять такие виды обработок:
Резать детали путём расплавления выгодно по следующим причинам:
- ресурс лазера выше, чем при испарении;
- меньшее потребление электроэнергии;
- допускается резка заготовок различной толщины;
- точная регулировка луча системой управления — фокусировка, угол наклона;
- высокое качество торцов деталей после обработки;
- при добавлении газов снижается вероятность образования окислов.
Метод испарения применим для небольшой толщины. Требует значительных энергозатрат, поэтому на практике его используют достаточно редко. Изготовление деталей становится экономически не выгодным.
Преимущества и недостатки
Станки лазерной резки обладают следующими преимуществами:
- простота обработки хрупких деталей;
- низкая степень погрешности при позиционировании лазера над обрабатываемой поверхностью;
- удобная система управления;
- резка заготовок любой формы;
- простота гравировки и резки изделий из твёрдых сплавов;
- толщины резки: медь, латунь — до 1,5 см, сталь, алюминий — до 2 см, нержавейка — до 5 см;
- высокая скорость обработки;
- минимальная себестоимость готовых изделий.
- сложность конструкции, обслуживания, ремонтов;
- высокая стоимость оборудования и комплектующих;
- ограниченность по толщине заготовок;
- значительный расход электроэнергии;
- особые требования к безопасности при установке, эксплуатации.
Принципы выбора
Оборудование для лазерной резки металла выбирается по следующим критериям:
- производительности, скорости обработки, позиционирования луча над рабочей поверхностью;
- типу излучателя (металлического или керамического), срока его службы, надёжности, особенностей конструкции;
- торговой марки, под которой был изготовлен станок;
- гарантийному сроку от производителя;
- виду материалов деталей, используемых в устройстве позиционирования лазера, особенно направляющих;
- назначению, условиям эксплуатации, на которые рассчитан промышленный станок;
- удобству и простоте управления;
- возможностям расширения функциональности;
- требованиям к помещению, где будет выполнена установка оборудования;
- стоимости конкретной модели, комплектующих, расходных материалов.
Дизайн станка
Дизайн и компоновка оборудования для лазерной резки металла обеспечивают удобство в работе, а также производительность. Простота удаления стружки, доступное пространство для перемещения заготовки относительно лазера, эффективность охлаждения — вот основные параметры, зависящие от расположения конструктивных элементов.
Важно обращать внимание на следующие узлы:
- подъёмный стол;
- лазер;
- систему охлаждения;
- оптику.
Подъёмный стол
Станок для лазерной резки оснащён подъёмным столом, предназначенным для закрепления и перемещения заготовки относительно луча. Перемещение может быть линейным вдоль вертикальной оси координат. Он обладает различной грузоподъёмностью, площадью, способен перемещаться при помощи механического или электрического подъёмного привода.
Мощность лазера и охлаждение
Лазерный резак по металлу оснащается лазерами различной мощности, позволяющими выполнять различные задачи. Чем выше мощность, тем качественнее обработка, больше допустимая толщина заготовок, но и выше энергопотребление.
Для эффективной работы и установки необходимо обеспечивать качественное охлаждение трубки. От этого будет зависеть ресурс работы лазера. Обычно достаточно водяной системы с датчиком потока, позволяющим контролировать охлаждение.
Оптика
Устройство для лазерной резки предусматривает установку оптики, назначение которой фокусировать луч. Она может быть следующих видов:
- длиннофокусной, применяемой для обработки толстых заготовок;
- короткофокусной, используемой для гравировки или резки тонколистового металла.
Стоимость оборудования зависит от следующих факторов:
- производителя;
- функциональности;
- типа лазера;
- оптической системы;
- площади рабочей поверхности;
- системы охлаждения.
Как изготовить станок для лазерной резки своими руками
Создать своими руками станок для резки металла лазерным лучом можно только твердотельный, так как для него просто подобрать комплектующие, цены на них невысокие. Основными элементами для сборки являются сам лазер и система управления его работой.
Приобрести лазер можно в специализированных магазинах или снять с готовых изделий (лазерной указки, привода лазерных дисков). Для создания управляющей схемы потребуются следующие компоненты:
- конденсаторы 100 пФ, 100 мкФ;
- резисторы номиналом от 2 до 5 Ом;
- плата для пайки;
- фокусирующая оптика;
- цилиндрический металлический корпус, подходит от светодиодного фонарика;
- мультиметр.
Новичкам рекомендуется приобретать в магазинах радиоэлектроники готовую печатную плату с установленными элементами. Альтернативой является выбор готовой схемы, изготовления на её основе платы и самостоятельной пайки.
Также нужно заранее подготовить дополнительные для сборки компоненты:
- корпус для радиоэлементов и лазера;
- шаговые двигатели, платы управления ими;
- регулятор напряжения излучателя;
- резиновые ремни зубчатые, металлические шкивы под них;
- крепёжные элементы;
- выключатели кольцевого типа;
- USB-контроллер для цифрового управления;
- систему охлаждения;
- металлические трубки (направляющие) и доски (для корпуса).
Пошаговый процесс изготовления:
- Разбирается корпус устройства-донора, из него демонтируется лазерная головка.
- Изготавливается прямоугольный каркас из деревянных планок.
- Внутри корпуса монтируются поперечные направляющие, а на них продольные, к которым крепится станина.
- Подсоединяются к перемещаемой планке шкивы, устанавливаются двигатели, одеваются ремни.
- На перемещаемую станину закрепляется лазерная головка.
- Монтируется система охлаждения.
- К лазеру подключается плата управления.
- Выводится проводка от управляющей платы на переднюю панель корпуса, подключаются системы контроля и управления.
- Подключается USB-контроллер, на ПК согласуется с программным обеспечением, выполняются настройки.
- Проверяется работа оборудования в основных режимах.
Эксплуатация
Особенности эксплуатации станков для лазерной резки по металлу:
- необходимо выполнить заземление оборудования;
- при работе включить водяное охлаждение;
- для повышения точности обработки металлических поверхностей, необходимо выполнять юстировку оптики;
- запрещено резать детали, не соответствующие заявленным производителем требованиям по эксплуатации;
- для стабильной работы электроники нужно обеспечить качественное электропитание;
- важно регулярно проводить техосмотры, заменять изношенные детали, расходные материалы;
- направляющие нуждаются в качественной периодической смазке;
- поддерживать оборудование в чистоте.
Станок позволяет обрабатывать металлические поверхности лазерным лучом, обладающим высокой энергией, когерентностью, постоянной длиной волны. При попадании на поверхность заготовки происходит её нагрев до температуры плавления. В результате такого воздействия одна часть металла испаряется, а другая — переходит в расплавленную металлическую фазу.
Лазерную резку используют для раскроя листовых материалов, чаще всего – металлов. Одно из ее главных отличий – возможность изготовления деталей со сложным контуром.
Принципы работы лазерной резки
Использование этого метода основано на тепловом воздействии лазерного излучения на материалы. При этом разрезаемый металл нагревается сначала до температуры плавления, а потом до температуры кипения, при которой он начинает испаряться. Лазерная резка испарением требует высоких энергозатрат, поэтому ее используют для работы с тонкими металлами.
Относительно толстые листы разрезают при температуре плавления. Чтобы облегчить этот процесс, в зону резки подается газ: азот, гелий, аргон, кислород или воздух. Его задача – удалять из зоны резки расплавленный металл и продукты его сгорания, поддерживать горение металла и охлаждать прилегающие зоны. Наиболее эффективен для этого кислород. Он заметно увеличивает скорость и глубину резки.
Подробнее о процессе лазерной резки можно узнать из видео ниже:
Параметры резки разных металлов
Скорость резки зависит не только от мощности лазера и толщины металла, но и от его теплопроводности. Чем она выше, тем интенсивнее отводится тепло из зоны резки и тем более энергозатратным будет весь процесс. Так, если лазером мощностью 600 Вт можно легко разреза́ть черные металлы или титан, то алюминий или медь, обладающие высокой теплопроводностью, обрабатывать значительно сложнее. Средние параметры для работы с разными металлами выглядят следующим образом:
| Малоуглеродистая сталь | Инструментальная сталь | Нержавеющая | |||||
сталь
Виды лазерной резки
Лазерные установки состоят из трех основных частей:
- Рабочей (активной) среды. Она является источником лазерного излучения.
- Источника энергии (системы накачки). Он создает условия, при которых начинается электромагнитное излучение.
- Оптического резонатора. Система зеркал, усиливающих лазерное излучение.
По типу рабочей среды лазеры для резки делят на три вида:
- Твердотельные. Их основным узлом является осветительная камера. В ней находятся источник энергии и твердое рабочее тело. Источником энергии служит мощная газоразрядная лампа-вспышка. В качестве рабочего тела используют стержень из неодимового стекла, рубина или алюмо-иттриевого граната, легированного неодимом или иттербием. По торцам стержня устанавливают два зеркала: отражающее и полупрозрачное. Лазерный луч, излучаемый рабочим телом, многократно отражается внутри него, усиливается в ходе отражений и выходит через полупрозрачное зеркало.
К твердотельному виду относятся и волоконные лазеры. В них излучение усиливается в стекловолокне, а источником энергии служит полупроводниковый лазер.
Так устроен твердотельный лазер
Для понимания механизма работы лазера можно рассмотреть установку с рабочим телом в виде стержня из граната, легированным неодимом. Ионы последнего и служат активными центрами. Поглощая излучение газоразрядной лампы, ионы переходят в возбужденное состояние, то есть у них появляется излишек энергии.
Ионы возвращаются в исходное состояние и отдают энергию в виде фотона – электромагнитного излучения или по-другому света. Фотон вызывает переход в обычное состояние других возбужденных ионов. В итоге процесс нарастает лавинообразно. Зеркала способствуют движению луча в определенном направлении. Многократно возвращая фотоны в рабочее тело при отражении, они способствуют образованию новых фотонов и усилению излучения. Его основные характеристики – малая расходимость луча и высокая концентрация энергии.
- Газовые. В них рабочим телом является углекислый газ или его смесь с азотом и гелием. Газ прокачивается насосом через газоразрядную трубку. Он возбуждается с помощью электрических разрядов. Для усиления излучения устанавливают отражающее и полупрозрачное зеркало. В зависимости от особенностей конструкции такие лазеры бывают с продольной и поперечной прокачкой, а также щелевые.
Так устроен газовый лазер с продольной прокачкой
- Газодинамические. Эти лазеры самые мощные. В них рабочим телом является углекислый газ, нагретый до 1 000–3 000 °К (726–2726 °С). Он возбуждается с помощью вспомогательного маломощного лазера. Газ со сверхзвуковой скоростью прокачивается через суженный посередине канал (сопло Лаваля), резко расширяется и охлаждается. В результате его атомы переходят из возбужденного в обычное состояние и газ становится источником излучения.
Схема работы газодинамического лазера
Преимущества и недостатки лазерной резки
Можно выделить следующие преимущества лазерной резки металлов:
- Нет механического контакта с поверхностью разрезаемого металла. Это делает возможным работу с легкодеформируемыми или хрупкими материалами.
- Можно разрезать металлы разной толщины. Сталь в пределах 0,2–30 мм, алюминиевые сплавы – 0,2–20 мм, медь и латунь – 0,2–15 мм.
- Высокая скорость резки.
- Возможность изготовления изделий с любой конфигурацией.
- Чистые кромки разрезаемого металла и низкое количество отходов.
- Высокая точность работы – до 0,1 мм.
- Экономный расход листового металла за счет более плотной раскладки деталей на листе.
Недостатками лазерной резки считаются высокое энергопотребление, дорогое оборудование.
Назначение и критерии выбора лазерной резки
Лазерную резку используют для обработки не только металлов, но и резины, линолеума, фанеры, полипропилена, искусственного камня и даже стекла. Она востребована при изготовлении деталей для различных приборов, электротехнических устройств, сельскохозяйственных машин, судов и автомобилей. Такой способ раскроя материала используют для получения жетонов, трафаретов, указателей, табличек, декоративных элементов интерьера и многого другого.
Основной критерий выбора вида лазерной резки – тип обрабатываемого материала. Так, углекислотные лазеры подходят для резки, гравировки, сварки разных материалов – металла, резины, пластика, стекла.
Твердотельные волоконные установки оптимальны при раскрое латунных, медных, серебряных или алюминиевых листов, но не подходят для неметаллов.
