Что такое лазерная резка? Процесс, виды, преимущества и области применения.

Если вы регулярно работаете с электронными компонентами или металлическими деталями, вы, вероятно, замечали, насколько медленными или ограниченными могут быть традиционные методы резки. Лазерная резка решает эти проблемы, обеспечивая точные и чистые разрезы на высокой скорости. В этой статье вы узнаете, что такое лазерная резка, как она работает, основные доступные типы и наилучшие области применения каждого из них.

Что такое лазерная резка?

По сути, лазерная резка — это процесс термической резки, при котором сфокусированный лазерный луч, часто диаметром менее 0.2 мм, расплавляет или испаряет материал вдоль запрограммированной траектории. В отличие от механической резки, луч никогда не касается заготовки; поэтому износ инструмента практически отсутствует, а усилие резания на деталь очень низкое. В результате можно получать узкие пропилы шириной около 0.08–1 мм и высокоточные 2D-профили из пластмасс, металлов и других листовых материалов.

Как работает лазерная резка?

Процесс лазерной резки

Лазерная резка превращает цифровую концепцию в физическую деталь посредством ряда точных этапов.

1. Дизайн и установка: CAD дизайн файл преобразуется в машиночитаемый формат. Затем оператор закрепляет материал на режущей платформе и калибрует такие параметры, как фокусное расстояние.
2. Фокусировка лучаМощный лазерный луч генерируется и направляется через зеркала, после чего линза фокусирует его энергию на точно определенной точке поверхности материала.
3. Пирсинг и резкаИнтенсивный нагрев от лазерного луча расплавляет или испаряет материал, создавая первоначальное отверстие. Затем система ЧПУ направляет лазер вдоль заданной траектории для вырезания нужной формы.
4. Газоусиленное выбрасываниеВ процессе резки расплавленный материал удаляется под высоким давлением вспомогательного газа, например, азота. Это обеспечивает гладкую и чистую кромку.
5. Снятие частиПосле завершения резки готовая деталь отделяется от заготовки и готова к следующему этапу производства.

Как генерируется, фокусируется и позиционируется луч для резки?

Процесс генерации луча начинается с того, что источник энергии возбуждает среду — волокно, кристалл или газ — для излучения монохроматического луча. Волокна или зеркала направляют этот свет к режущей головке, фокусируя его в точку размером всего 0.004 дюйма. Эта концентрированная энергия плавит или испаряет материал, а серводвигатели обеспечивают позиционирование с точностью до микрометра.

Концепция пробивки и вводных этапов в лазерной резке

Этап резки начинается с проделывания небольшого отверстия в зоне обрезки непосредственно за пределами контура детали. От этого отверстия прорезается «подводящий» путь к контуру детали. Затем лазер проходит по всей траектории, чтобы вырезать деталь. Наконец, «выводящий» путь направляет лазер от обработанного края, обеспечивая безупречную поверхность.

Роль ЧПУ, САПР и G-кода

Весь процесс автоматизирован с помощью системы числового программного управления (ЧПУ). Программное обеспечение CAD создает векторные проекты (например, файлы DXF), которые программное обеспечение CAM преобразует в G-код. Затем контроллер ЧПУ считывает G-код и согласовывает частоту импульсов лазера со скоростью перемещения системы. Такая координация обеспечивает получение острых углов и стабильное качество кромок.

Основные типы лазерных резаков и их применение.

Лазерные резаки классифицируются по типу используемого лазерного источника, при этом каждый тип предназначен для выполнения определенных задач.

Волоконные лазеры

Волоконные лазеры — это твердотельные системы, высокоэффективные для обработки металлов. Их длина волны, около 1.06 микрометра, легко поглощается металлами. Это свойство позволяет быстро и точно резать даже отражающие материалы, такие как медь и латунь. Благодаря высокой удельной мощности и превосходному качеству луча, они являются оптимальным выбором для обработки тонкого и среднего листового металла.

СО2 лазеры

CO2-лазеры используют газовую смесь для получения луча с большей длиной волны, обычно 10.6 микрометров. Эта длина волны сильно поглощается органическими материалами. Это делает эти лазеры универсальными для резки пластика, дерева, кожи и тканей. Хотя они могут резать тонкие металлы, их основное преимущество заключается в резке и гравировке неметаллических материалов с высокой точностью.

Nd:YAG и другие твердотельные варианты

Еще один вариант твердотельных лазеров — это лазеры на основе иттрий-алюминиевого граната, легированного неодимом (Nd:YAG). Эти лазеры могут обрабатывать как металлы, так и неметаллы. Они генерируют мощные импульсы, поэтому подходят для сложных задач, таких как резка толстых материалов, сварка и сверление.

Как выбрать подходящий тип лазера для вашего материала?

Выбор подходящего лазера зависит от способности материала поглощать определенную длину волны. Волоконные лазерные станки для резки стали стандартом для металлов благодаря более короткой, легко поглощаемой длине волны. И наоборот, более длинная длина волны CO2-лазеров лучше подходит для органических материалов. Толщина материала и желаемая скорость резки также влияют на окончательный выбор.

Если вы не уверены, какой лазер подойдет именно вам, наша команда в RICHCONN Мы можем проанализировать ваш материал, его толщину и необходимые допуски. Мы можем порекомендовать систему CO₂, волоконный лазер или другой процесс, например, обработку на станках с ЧПУ, чтобы найти баланс между точностью, стоимостью и скоростью.

Методы и режимы лазерной резки

Способ удаления материала лазером определяет метод резки, при этом каждый подход имеет свои преимущества.

Резка плавлением

При резке плавлением материал расплавляется высокоэнергетическим лазерным лучом, а инертный газ, например азот, удаляет расплавленный материал. В результате получается чистая кромка без оксидов, не требующая дополнительной обработки. Резка плавлением идеально подходит для алюминия и нержавеющей стали, где высококачественная обработка поверхности имеет решающее значение для последующего нанесения покрытия или сварки.

Реактивная резка

Реактивная резка использует кислород в качестве вспомогательного газа, который вызывает экзотермическую реакцию с заготовкой. Эта дополнительная энергия значительно увеличивает скорость резания, особенно при обработке толстой углеродистой стали. Этот метод наиболее эффективен, когда приоритетом является скорость производства и допустимо образование легкого оксидного слоя на кромке среза.

Резка испарением

В этом режиме энергия лазера быстро нагревает материал до точки кипения и мгновенно превращает его в пар. Резка с использованием испарения применяется для материалов, которые плохо плавятся, таких как акрил, древесина и некоторые полимеры. Она обеспечивает гладкую кромку, но, как правило, выполняется медленнее и потребляет больше энергии.

Растрескивание и образование термических напряжений

Этот метод использует сфокусированное тепло для создания контролируемого растягивающего напряжения; это приводит к образованию трещины вдоль траектории луча в хрупких материалах, таких как керамика и стекло. В результате получаются гладкие, без трещин края, а зона термического воздействия остается небольшой. Он идеально подходит для кремниевых пластин, стекла дисплеев и прецизионной оптики, где важно избегать микротрещин.

Основные параметры лазерной резки, контролирующие качество.

Для достижения точных и чистых разрезов операторам необходимо тщательно отрегулировать несколько важных параметров станка.

Мощность и плотность энергии лазера

Мощность лазера определяет количество энергии, передаваемой материалу. Это напрямую влияет на скорость резки и толщину обрабатываемого материала. Более высокая мощность позволяет быстрее резать толстые материалы, тогда как меньшая мощность подходит для более тонких или деликатных работ. Например, волоконный лазер мощностью 12 кВт эффективно режет углеродистую сталь толщиной 20 мм, в то время как лазер мощностью 2 кВт справляется с этим с трудом. Однако чрезмерная мощность может привести к обугливанию или прогоранию кромки материала.

Стратегия скорости резки и подачи

Скорость резки должна быть синхронизирована с мощностью лазера и обрабатываемым материалом. Слишком медленные движения приводят к перегреву, а чрезмерные – к неполной резке. Более мягкие металлы, такие как алюминий, позволяют использовать более высокие скорости, чем твердые сплавы. Например, волоконный лазер мощностью 1000 Вт может резать углеродистую сталь толщиной 5 мм со скоростью до 5 м/мин.

Положение фокуса, размер пятна и расстояние до объекта.

Положение фокуса луча определяет ширину реза (ширину пропила). Расстояние от сопла до заготовки (обычно от 0.5 до 1.5 мм) также очень важно. Этот зазор стабилизирует струю вспомогательного газа, что имеет решающее значение для чистого удаления расплавленного материала и получения гладкой кромки.

Тип газа и давление газа

Вспомогательные газы, такие как кислород для углеродистой стали или азот для нержавеющей стали, имеют решающее значение для удаления расплавленного материала из пропила.

Правильное давление газа также имеет решающее значение. Если давление слишком низкое, качество резки будет низким. Если оно слишком высокое, может возникнуть турбулентность, и кромка реза может стать шероховатой. Например, при резке азотом часто используется давление до 25 бар.

Состояние и выравнивание сопла

Изношенное или смещенное сопло нарушает равномерный поток газа. Это приводит к неравномерной резке, увеличению заусенцев и плохому удалению шлака. Для оптимальной работы сопло должно быть идеально центрировано относительно лазерного луча, чтобы обеспечить стабильную, соосную струю газа.

Материалы, которые можно обрабатывать с помощью лазерной резки.

Лазерная резка — это универсальный процесс, позволяющий работать с широким спектром материалов.

Общие материалы

Драгоценные металлы

Лазеры могут резать различные металлы, включая нержавеющую сталь, низкоуглеродистую сталь и алюминий. Волоконные лазеры, как правило, являются лучшим выбором для резки металлов, особенно отражающих, таких как латунь и медь.

Пластмассы и полимеры

Многие виды пластика совместимы с лазерной резкой, при этом акрил ( ПММА ) является одним из самых популярных, поскольку он обеспечивает чистый, отполированный пламенем край. Другие виды пластика, такие как майлар и полиоксиметилен (ПОМ) (делрин), также хорошо поддаются лазерной резке. Однако при работе с некоторыми видами пластика следует соблюдать осторожность из-за выделяемых ими паров.

Бумага, древесина и органические материалы

CO2-лазеры отлично подходят для обработки органических материалов, таких как МДФ, древесина, картон, бумага, кожа и текстиль. В результате процесса резки образуется четкий, затемненный край, полученный в результате карбонизации, что может быть желательным эстетическим элементом для многих проектов.

Вопросы, касающиеся материалов с покрытием, окрашенных и светоотражающих материалов.

Обработка материалов с высокой отражательной способностью может представлять собой сложную задачу. Это связано с тем, что они могут отражать лазерный луч, что может повредить оптику станка. Аналогично, резка материалов с покрытием или окрашенных материалов может быть опасной, поскольку поверхностные слои могут выделять токсичные пары при испарении под воздействием лазера.

Материалы, которых следует избегать или использовать с особой осторожностью.

Некоторые материалы ни в коем случае нельзя резать лазером из-за выделяемых при этом опасных газов.

При резке ПВХ выделяется токсичный хлор, а при нагревании АБС-пластика — цианистый водород. Следует избегать материалов, содержащих эпоксидные смолы, галогены или фенольные смолы, поскольку они образуют опасную пыль и пары. Стекловолокно также непригодно, так как выделяет вредные частицы, находящиеся в воздухе.

Показатели качества резки и распространенные дефекты лазерной резки

Для достижения точной резки и получения высококачественных деталей важно понимать показатели качества и распознавать распространенные дефекты.

Ширина пропила, конусность и точность размеров

Ширина пропила (керф) — это ширина материала, удаляемого лазером; обычно она составляет от 0.1 мм до 0.5 мм. Эта ширина может незначительно варьироваться от верхней до нижней части материала, что создает конусность. Высококачественный рез имеет почти нулевую конусность для получения прямой кромки. Контроль ширины пропила и конусности имеет решающее значение для достижения точности размеров, часто в пределах ±0.1 мм. Такой уровень точности гарантирует, что детали будут соединяться так, как задумано.

Зона термического воздействия и термическая деформация

Зона термического воздействия (ЗТВ) — это область, где тепло изменяет свойства материала, не вызывая его плавления. Хотя лазерная резка создает меньшую ЗТВ, чем плазменная или кислородно-топливная резка , ее минимизация позволяет сохранить прочность материала. Чрезмерный нагрев также может вызывать термическую деформацию (искривление), особенно в тонких листах, поскольку быстрый нагрев и охлаждение вызывают внутренние напряжения.

Шлак, полосы и шероховатость кромок

Шлак — это избыток расплавленного материала, который затвердевает на нижнем крае реза, часто из-за неправильного давления или скорости газа.

Поперечные полосы — это горизонтальные линии на поверхности среза, которые влияют на ее гладкость и зависят от таких факторов, как мощность и стабильность скорости.

Как шлак, так и полосы увеличивают шероховатость кромки, что является важным показателем качества резки.

Следы ожогов, изменение цвета и окисление

Следы обугливания и пригорания часто встречаются на органических материалах, таких как пластик или дерево. Обычно они являются результатом чрезмерного нагрева или низкой скорости резки.

На металлах высокая температура может вызвать изменение цвета или окисление, которое проявляется в виде цветного слоя на срезе. Использование инертного газа, такого как азот, вместо кислорода предотвращает окисление и помогает получить более чистую, неокрашенную поверхность.

Основные преимущества лазерной резки

Лазерная резка обладает рядом преимуществ, которые делают ее одним из ведущих методов в современном производстве.

Точность и повторяемость

Лазерная резка известна своей исключительной точностью; она способна достигать допусков до ±0.1 мм. Благодаря компьютерному управлению система может производить тысячи идентичных деталей с практически идеальной повторяемостью. Такая стабильность очень важна для отраслей, требующих высокоточных компонентов, таких как электроника и аэрокосмическая промышленность.

Скорость для 2D-профилей и работы с листовым материалом

Лазеры позволяют вырезать двумерные фигуры из листовых материалов гораздо быстрее, чем старые методы. Эта скорость помогает производителям быстрее завершать заказы и увеличивать общий объем производства. В результате сокращаются сроки выполнения заказов и повышается эффективность.

Низкое механическое усилие и минимальный износ инструмента

Лазерная резка — это бесконтактный процесс, поэтому к материалу не применяется физическая сила. Это предотвращает повреждения и деформации, что крайне важно для деликатных деталей. Кроме того, это означает отсутствие износа режущих инструментов или лезвий, что, в свою очередь, снижает затраты на техническое обслуживание и замену инструмента.

Гибкое прототипирование и простое внесение изменений в дизайн.

Лазерная резка отлично подходит для быстрого прототипирования. Инженеры могут создавать детали прямо из CAD-файла всего за несколько часов. Если дизайн нуждается в изменении, они могут обновить его в программном обеспечении без изготовления новых физических инструментов. Этот процесс позволяет быстро и недорого тестировать и улучшать конструкции. В результате разработка продукта ускоряется и обходится дешевле.

Ограничения и случаи, когда лазерная резка не является оптимальным выбором.

Лазерная резка подходит для многих применений, но для некоторых проектов из-за ее ограничений требуются другие методы.

Ограничения

Ограничения по толщине и материалу

Лазерная резка менее эффективна при работе с толстыми металлами (сталь толщиной более 25 мм), часто создавая небольшой конус на срезе. Этот процесс также непригоден для опасных материалов, таких как ПВХ, и может испытывать трудности при работе с металлами, обладающими высокой отражательной способностью.

Вопросы энергопотребления и эксплуатационных расходов.

Эксплуатация лазерного станка обходится дорого из-за высокого энергопотребления. Промышленные лазеры обычно потребляют от 1.5 до 10 кВт. Стоимость еще больше возрастает из-за необходимости использования вспомогательных газов, таких как азот, и регулярного технического обслуживания. Эти высокие эксплуатационные расходы могут сделать его менее экономичным для простых деталей низкой стоимости или очень больших объемов производства по сравнению со штамповкой.

Испарения, вентиляция и потребности в постобработке

В процессе обработки материал испаряется, образуя опасные пары. Поэтому для защиты оборудования и операторов необходима надежная вентиляция. Кроме того, кромки более толстых металлических деталей часто требуют дополнительной обработки, например, удаления заусенцев.

В каких случаях гидроабразивная, плазменная или ЧПУ-обработка имеет больше смысла?

Для очень толстого металла, термочувствительных ламинатов, стекла или камня абразивная гидроабразивная резка часто дает лучшие результаты, поскольку не образуется зона термического воздействия.

Для тяжелых стальных конструкций, где мелкие детали менее важны, плазменная резка может быть быстрее и дешевле, особенно при толщине более 25 мм.

А когда требуются жесткие допуски в резьбе, трехмерных элементах или ответственных поверхностях, традиционная обработка на станках с ЧПУ по-прежнему превосходит лазерную резку по качеству поверхности и точности.

Вот почему важно сотрудничать с таким магазином, как... Richconn Мы можем помочь. Мы предлагаем лазерную резку, а также обработку на станках с ЧПУ, 3D-печать и изготовление изделий из листового металла под одной крышей. Таким образом, мы можем лучше сравнить эти варианты и помочь вам выбрать процесс, который соответствует вашим конкретным потребностям.

См. также : Лазерная резка, гидроабразивная резка и плазменная резка

Применение лазерной резки в различных отраслях промышленности

Универсальность и точность лазерной резки делают ее незаменимой во многих современных отраслях промышленности.

Изготовление изделий из листового металла и общее производство.

Лазерная резка — это наиболее эффективный процесс для точной резки листового алюминия, стали и сплавов для изготовления корпусов, кронштейнов и конструкционных элементов. Она обеспечивает высокоскоростное производство всего, от воздуховодов систем отопления, вентиляции и кондиционирования до панелей бытовой техники, без необходимости дорогостоящей специальной оснастки.

Аэрокосмические и автомобильные компоненты

Лазерная резка играет важную роль в производстве деталей для аэрокосмической и автомобильной отраслей. В автомобилестроении она используется для обработки деталей шасси и кузовных панелей, изготовленных методом гидроформовки. Инженеры аэрокосмической отрасли применяют ее для резки легких и прочных сплавов для рам и сложных компонентов турбинных двигателей. В этих областях применения всегда требуется высокая точность.

Электроника, корпуса и прецизионные детали

В электронной промышленности лазерная резка используется благодаря своей исключительной точности в мелкомасштабных проектах. Это включает в себя разделение печатных плат и создание тонких трафаретов для нанесения паяльной пасты. Она также идеально подходит для изготовления корпусов на заказ, защищающих чувствительные электронные компоненты.

Медицинские изделия и рабочие процессы, требующие высокой степени чистоты.

Благодаря бесконтактному принципу работы, лазерная резка идеально подходит для производства стерильных медицинских изделий. Она используется для изготовления сердечно-сосудистых стентов, хирургических инструментов и имплантатов из таких материалов, как титан и нержавеющая сталь. В результате процесса получаются чистые, без заусенцев кромки, что крайне важно для безопасности пациента.

Архитектура, художественная вывеска и продукция на заказ.

Лазерная резка предоставляет огромную свободу творчества в отраслях, ориентированных на дизайн. Она используется для создания декоративных панелей для архитектуры, сложных логотипов для вывесок и детализированных узоров в ювелирных изделиях и произведениях искусства на заказ. Возможность резать различные материалы, такие как дерево, акрил и металл, делает лазерную резку чрезвычайно универсальной.

Безопасность, соответствие нормативным требованиям и передовые методы работы

Работа с лазерным резаком требует строгого соблюдения правил техники безопасности во избежание травм. Следование передовым методам работы очень важно для защиты операторов и обеспечения безопасных условий труда.

Лазерная опасность и почему важны защитные кожухи.

Мощные лазерные лучи могут вызывать серьезные ожоги и пожары. Необходимы защитные кожухи, поскольку они блокируют лазерный луч, предотвращают случайные отражения и удерживают искры.

Защита глаз, блокировки и правила безопасной эксплуатации.

Операторы должны носить защитные очки, рассчитанные на конкретную длину волны лазера, чтобы предотвратить необратимое повреждение глаз. Кроме того, ни в коем случае нельзя обходить блокировки безопасности, которые автоматически отключают лазер при открытии двери.

Вытяжка дымовых газов и отвод газов от материалов.

Лазерная резка генерирует опасные пары и частицы из испаренного материала. Поэтому для улавливания этих выбросов в источнике и поддержания безопасного качества воздуха необходима эффективная система вытяжки дымовых газов.

Основы стандартов безопасности и соблюдения норм на рабочем месте

На рабочих местах необходимо соблюдать установленные стандарты безопасности, такие как ANSI Z136.1 и правила OSHA , для обеспечения соответствия требованиям и безопасности работников.

Как добиться лучших результатов?

Для изготовления высококачественных деталей с помощью лазерной резки начните с тщательно продуманного проекта и правильной настройки станка. Эти несколько важных шагов могут существенно повлиять на результат.

Правила проектирования файлов для лазерной резки

Для достижения наилучших результатов подготовьте свои проекты в виде чистых векторных файлов (например, DWG, DXF или AI). Убедитесь, что контуры резки представляют собой непрерывные замкнутые фигуры, и удалите повторяющиеся линии, чтобы предотвратить повторную резку лазером одной и той же области. Также крайне важно преобразовать текст в контуры или пути, чтобы обеспечить правильную резку.

Если вы не уверены, готов ли ваш файл, RichconnИнженеры компании могут быстро просмотреть ваши чертежи и (при необходимости) предложить небольшие корректировки конструкции, которые улучшат качество резки и снизят стоимость.

Допуски, выступы и расстояние между деталями

Для предотвращения деформации поддерживайте расстояние между деталями, равное как минимум толщине материала. Для мелких деталей добавьте выступы, чтобы зафиксировать их на месте и предотвратить падение сквозь режущий стол. Всегда проектируйте с учетом стандартного допуска станка — обычно около (+/- 0.25 мм). Это гарантирует правильную подгонку деталей и позволяет избежать дополнительных корректировок в дальнейшем.

Выбор вспомогательного газа для достижения целей по отделке кромок

Выбор газа-носителя напрямую влияет на качество кромки. Кислород часто используется для ускорения резки углеродистой стали, хотя при этом образуется окисленная кромка. Однако, если для нержавеющей стали или алюминия требуется чистая, готовая к сварке поверхность, используйте азот, чтобы предотвратить окисление.

Контрольный список для устранения неполадок, связанных с неровными краями или сильным окалиной.

Если вы столкнулись с плохим качеством кромок или сильным образованием окалины, воспользуйтесь этим контрольным списком, чтобы найти первопричину.

Контрольный список

• Скорость резания: Слишком низкая скорость? Это может увеличить зону термического воздействия и вызвать образование окалины. Попробуйте увеличивать её постепенно.
• Положение фокуса: Неправильно сфокусированная точка фокусировки приводит к появлению неровных краев. Убедитесь, что лазерный луч точно сфокусирован на поверхности материала.
• Вспомогательное давление газа: Слишком низкое давление не позволит удалить расплавленный металл, а слишком высокое может привести к слишком быстрому охлаждению обрабатываемой поверхности. Поэтому отрегулируйте давление до необходимого уровня.
• Состояние сопла: Проверьте форсунку на наличие повреждений, износа или смещения от центра. Неисправная форсунка нарушает траекторию подачи газа и приводит к ухудшению качества газа.

Простые правила ухода, которые сохраняют качество стрижки.

• Регулярно очищайте оптику. Загрязненное зеркало или линза рассеивают луч и снижают режущую способность и качество.
• Ежедневно осматривайте форсунку и заменяйте ее, если она засорилась или износилась.
• Периодически проверяйте правильность выравнивания траектории луча. Правильное выравнивание помогает получить чистые и прямые разрезы.

Подводить итоги

Лазерная резка выделяется как технология, обеспечивающая высокую скорость и точность результатов во многих отраслях промышленности. Понимая, как контролировать её параметры, можно добиться превосходных результатов, начиная от первоначальных прототипов и заканчивая полномасштабным производством.

Если вам необходимы услуги лазерной резки или обработки листового металла, то Richconn — ваш лучший вариант. Вы можете связаться с нами в любое время.

Смежные вопросы