Механические мастерские не должны быть экспертами в технологии резки с помощью волоконного лазера, чтобы знать, что если они могут разрезать пластину диаметром 6,35 мм (0,25 дюйма) с помощью лазера мощностью 4 кВт, они могут резать быстрее с помощью источника питания лазера мощностью 8 кВт. одна машина для резки волоконным лазером мощностью 12 или 15 кВт.
Основное преимущество технологии высокомощного волоконного лазера - сокращение времени процесса лазерной резки. Часто поэтому магазин покупает мощный станок для лазерной резки, чтобы заменить два или даже три старых лазера. Детали могут сниматься со станины лазера быстрее и, соответственно, дешевле, чем раньше. Но это не единственные льготы.
«Импульсные волоконные лазеры обладают многочисленными преимуществами по сравнению с традиционными методами изготовления, такими как механическая резка, штамповка и электроэрозионная обработка», - сказал Томас Шрайнер, менеджер производственной линии компании Coherent Munich GmbH & Co. KG, Гильчинг, Германия. (Coherent Inc. находится в Санта-Кларе, Калифорния.) «Лазер может быть чрезвычайно пространственно избирательным. Его можно сфокусировать до диаметра пятна, намного меньшего, чем ширина механического полотна или пилы, что позволяет создавать более мелкие детали с большей точностью ».
Он сказал, что волоконный лазер обычно дает высококачественную кромку, не требующую постобработки, что снижает общие затраты. Кроме того, в отличие от дрели или электроэрозионного инструмента, бесконтактная лазерная обработка не предполагает износа инструмента, поэтому получаются стабильные и однородные результаты.
Лазеры в использовании
Шрайнер привел пример приложения, которое иллюстрирует преимущества лазерных резаков. Костные сверла, такие как краниотомы, теперь обычно изготавливают с помощью лазерной резки. Эти устройства из нержавеющей стали имеют небольшие острые края. Использование импульсной волоконной лазерной резки позволяет избежать нагрева основной массы материала, практически исключая термическое преобразование, которое в противном случае могло бы сделать эти края склонными к обрыву. Кроме того, правильная работа сверла зависит от точной геометрии различных элементов, таких как режущая кромка, передняя поверхность и боковая поверхность, поэтому превосходная пространственная точность лазерной резки идеально подходит для создания этих инструментов.
Лазерная резка идеально подходит для создания таких инструментов, как краниотомы и другие сверла. Изображение предоставлено Coherent
Что касается лазерной технологии, Coherent предлагает широкий спектр лазеров с шириной импульса от миллисекунд до фемтосекунд, выходной мощностью от десятков ватт до нескольких киловатт и длинами волн от глубокого ультрафиолетового до среднего инфракрасного. Для медицинских устройств многие приложения хорошо обслуживаются лазерами ближнего инфракрасного диапазона в диапазоне мощности в несколько десятков ватт с регулируемой шириной импульса, такими как технология волоконного лазера в волоконной лазерной машине Coherent StarFiber 100-600.
Общие композиты
Композиты - это структуры, в которых два или более материала объединяются для получения материала, свойства которого невозможно получить обычными средствами. Примером может служить полимер, армированный углеродным волокном, который состоит из двух материалов - углеродного волокна и полимерной матрицы, которые имеют существенно разные свойства.
Рональд Шеффер, генеральный директор HH Photonics, Нью-Ипсвич, Нью-Гэмпшир, сказал, что многочисленные мастерские по лазерной обработке знакомы с проблемами обработки FR-4, армированного стекловолокном эпоксидного ламината. Подавляющая часть композитного диэлектрического материала, используемого в индустрии межсоединений, остается FR-4, хотя многие другие материалы, включая углепластик, широко используются в аэрокосмической промышленности. Углепластик находит свое применение во множестве новых приложений и поддается лазерной обработке, резке, сверлению и структурированию.
Он бывший генеральный директор компании по обработке лазерных материалов PhotoMachining Inc., расположенной в Пелхэме, штат Нью-Гэмпшир, которая имеет ряд лазерных инструментов с длиной волны от 248 нм в УФ-диапазоне до 10 мкм (0,0004 дюйма) CO 2 в инфракрасном и импульсном диапазонах. длиной от миллисекунд до фемтосекунд, в том числе волоконных лазеров, которые работают в инфракрасном диапазоне с длительностью импульса в сотни наносекунд.
Шеффер сказал, что использование этих лазерных инструментов зависит от области применения и мощности лазера. Лазеры высокой энергии могут «пробивать» множество материалов за один импульс, что ускоряет обработку, но приводит к потере некоторого контроля. Лучи с более низкой энергией могут быть быстро пропущены, что обычно приводит к лучшему качеству резки и меньшим размерам элементов - если используется небольшой пропил - но в ущерб скорости обработки. Чтобы повысить чистоту резки, контрактные производители лазерной техники, такие как PhotoMachining, обычно проектируют лазерные станки с минимальной шириной пропила.
«Если мы сожмем эту энергию за импульс до очень маленького участка и сохраним длину импульса как можно короче, - сказал он, - это приведет к высокой пиковой мощности, что является ключом к чистой обработке».
Использование модуля движения на основе гранита обеспечивает точность размеров и повторяемость с системой ExactCut. Изображение предоставлено Coherent
PhotoMachining использует ультрафиолетовый лазер Lumera с 12-пикосекундным импульсом и волоконные лазеры с модуляцией добротности от 20 до 100 Вт с импульсами 100 наносекунд и короче для микрообработки композитов. Несмотря на это, PhotoMachining часто обрабатывает композиты с помощью лазера за несколько проходов, чтобы тепло рассеивалось между ними, сказал Шеффер. Он сказал, что резка такой детали, как отверстие, за один проход происходит быстрее, но качество не такое высокое.
«Возможность изменять свойства в сочетании с присущей композиту низкой плотностью и относительной простотой изготовления делает этот материал чрезвычайно привлекательной альтернативой для многих различных промышленных секторов, но в первую очередь для аэрокосмического сектора», - сказал Мохаммед Наим, директор по развитию бизнеса. и специальные проекты в Prima Power Laserdyne LLC, Бруклин-Парк, Миннесота.
Расслоение, вытягивание волокна, скалывание матрицы, тепловое повреждение и износ инструмента обычно представляют собой основные проблемы при обработке композитов. Эти материалы требуют обработки, такой как резка, сверление и фрезерование, обычно с использованием традиционных станков.
Лазер против воды
Аэрокосмические компании недавно инвестировали в гидроабразивную технологию для резки углепластика.
«Гидроабразивная резка может обеспечить высококачественную резку, - сказал Наим, - но с этим связаны проблемы, связанные с расслаиванием и требующим механического просверливания пилотного отверстия, если процесс резки начинается где-нибудь, кроме края листа».
«Гидроабразивная резка - это субтрактивная технология производства, но для резки материала используется вода под давлением, сосредоточенная в очень маленькой точке», - сказал Алексей Маркевич, менеджер по развитию рынка IPG Photonics Corp., Оксфорд, Массачусетс.
Давление может достигать 27 216 кг на квадратный дюйм (60 000 фунтов на квадратный дюйм). Вода может быть смешана с абразивом, таким как гранат, что увеличивает возможности резки за счет большего количества материалов или меньших допусков.
Гидроабразивная резка идеально подходит для камня, керамики и более толстых металлов, которые труднее обрабатывать лазерной резкой или другими методами. В отличие от других процессов удаления материала, системы гидроабразивной резки могут резать чрезвычайно твердые, отражающие и непроводящие материалы, что делает гидроабразивную обработку эффективным и производительным методом.
Обработка композитов отличается от обработки металлов, поэтому их сложно резать. Хотя магазины применяют традиционные режущие инструменты и альтернативы, такие как гидроабразивная резка, для резки композитов, интерес к использованию лазеров для некоторых приложений растет.
Лазеры режут широкий спектр материалов: все пластмассы, дерево и металлы, за исключением металлов с высокой отражающей способностью. По словам Маркевича, лазеры также обрабатывают керамику, сапфир, кремний, стекло, алмаз, полимеры, эпоксидную смолу и композиты, но часто требуют различных длин волн или режимов работы.
ExactCut - это полностью автономная система лазерной резки для медицинских устройств, готовая к Индустрии 4.0 и промышленному Интернету вещей. Изображение предоставлено Coherent
«Например, (квазинепрерывные) лазеры 1 мкм (0,00004 дюйма) универсальны и могут резать как металлы, так и многие неметаллы, - сказал он. от бумаги до металла и резины. Кроме того, газовые лазеры на CO 2, работающие на длине волны 10 мкм, обеспечивают универсальность, аналогичную гидроабразивной резке, и позволяют резать широкий спектр металлов и неметаллов ».
Лазерная резка выполняется быстрее и более энергоэффективна, чем плазменная резка тонкого или среднего листового металла, чаще всего стали или алюминия. Лазерная резка обычно невозможна для более толстого материала, но современные машины с более высокой мощностью - 7 кВт и выше - приближаются к возможностям плазменной резки.
Важно отметить, что технология волоконного лазера эффективно устраняет изгиб зеркал и необходимость регулировки и выравнивания луча, что улучшает согласованность.
Оптимальная толщина для резки на гидроабразивном станке составляет от 10,2 мм (0,4 дюйма) до 50,8 мм (2 дюйма), а для лазерного станка - от 3 мм (0,1 дюйма) до 10,2 мм.
Маркевич сказал, что лазерная резка намного точнее гидроабразивной резки.
«Минимальный размер режущей щели составляет 0,006 дюйма (0,152 мм) для лазерной резки и 0,02 дюйма (0,51 мм) для гидроабразивной резки», - сказал он. «Что касается их допуска на обработку, он составляет приблизительно 0,002 дюйма (0,051 мм) для лазерной резки и 0,008 дюйма (0,203 мм) для гидроабразивной резки».
Опасность расслоения
Каждый метод создает свои проблемы с целостностью детали. И лазерные, и гидроабразивные машины могут слегка повредить материал во время производства.
Лазерная резка может вызвать ожоги на материале и сделать края обрезки темными. В некоторых случаях следы можно удалить чисткой.
Хотя гидроабразивная резка не требует нагрева, она оказывает на материал очень большие силы. Это может вызвать затруднения с мелкими деталями, которые могут деформироваться или их невозможно будет разрезать.
Лазерная резка связана с низким уровнем риска, небольшим количеством отходов и небольшой очисткой. Но при работе с некоторыми материалами пыль и дым могут быть немного токсичными, поэтому необходима надлежащая вентиляция. Шумовое загрязнение также невелико при лазерной резке, и станок не нуждается в большой очистке, хотя термическое напряжение может возникать в зонах термического влияния.
Гидроабразивная резка связана с большим риском, большим шумовым загрязнением и большим объемом очистки. Кроме того, зона резки становится довольно грязной, с большим количеством отходов резки из-за смешивания воды и абразивов.
По словам Наима, обугливание в зоне термического влияния, расслоение и рецессия эпоксидной смолы из-за интенсивного термического повреждения были основными препятствиями для промышленного применения композитов для лазерной обработки.
Prima Power Laserdyne использовала волоконные лазеры для обработки углепластика. Он сказал, что большим преимуществом волоконного лазера является его высококачественный луч, который приводит к очень маленькой фокусной точке, что позволяет обрабатывать композитный материал с минимальным тепловым повреждением матрицы.
Композиты для текстурирования поверхности являются жизнеспособной заменой механической шлифовки, позволяя лучше контролировать окончательную структурированную поверхность. Эта возможность обработки в микромасштабе может создать роль волоконных лазеров в аэрокосмической промышленности в качестве нового инструмента для лазерного фрезерования тонких структур с использованием углепластика.
Наим сказал, что новое поколение волоконных лазеров можно использовать как для макро-лазерной резки, так и для микроприложения лазерного текстурирования поверхности.
«Качество режущей кромки выше, чем при механической резке, хотя повреждение поверхности может оставаться проблемой», - сказал он. «Ведутся работы по дальнейшему уменьшению этого повреждения и увеличению скорости резания».
Кому это нужно?
Не всем магазинам нужен мощный лазер, особенно если у них недостаточно работы, чтобы загрузить свой нынешний станок для лазерной резки. Если не ожидается, что объем работ по лазерной резке будет расти и потребует всего половину рабочей смены, то покупка более мощного лазера для сокращения рабочей нагрузки до четверти смены, скорее всего, не принесет хорошей окупаемости инвестиций.
Но магазинам, которые максимально увеличили свои возможности лазерной резки и хотят добавить смену, следует подумать о высокомощном лазере. Это особенно актуально, если они используют старые лазерные технологии. В то время как магазины не могут найти надежных, опытных операторов, инвестиции в быстрый и эффективный волоконный лазер также могут сократить количество необходимых операторов.
Какая мощность
Насколько мощный волоконный лазер нужен магазину? Компания должна смотреть на диапазон толщины, который составляет 80% работы магазина. Если работа действительно тонкая, то лазер мощностью 15 кВт, скорее всего, не понадобится.
Вот общие правила резки обычных металлов, таких как сталь, нержавеющая сталь или алюминий, с азотом:
- До 9-го калибра - от 6 до 8 кВт
- От 6,35 мм (0,25 дюйма) до 19,05 мм (0,75 дюйма) - от 8 кВт до 10 кВт
- Свыше 19,05 мм - от 8 кВт до 15 кВт
Имейте в виду, что цех с мощным оборудованием может производить больше деталей в час, а стоимость деталей резко падает с увеличением мощности. Но это происходит только в том случае, если станок для лазерной резки достаточно быстр, чтобы максимизировать мощность.
Эксплуатационные расходы, вероятно, вырастут по мере увеличения уровня мощности станка для резки с волоконным лазером. Удвоение мощности обычно увеличивает эксплуатационные расходы лазера на 20-30%. Для волоконного лазера очень важно работать с максимальной эффективностью, чтобы можно было сократить время неполного цикла, чтобы компенсировать более высокие эксплуатационные расходы. Уменьшая время цикла, магазин может снизить влияние переменных и постоянных затрат и повысить прибыльность.
