Лазерная резка металла на станках с ЧПУ: особенности, технологии, плюсы и минусы

Станки с числовым программным управлением позволяют осуществлять лазерную резку металла с целью раскроя листов по сложным контурам. Если технология соблюдается, то можно обеспечить чистоту реза и соблюдение точности размеров при любой сложности и требованиях технического задания.

Рассмотрим возможности и ограничения лазерной резки, а также конструкцию станка ЧПУ и особенности технологии, которые необходимо соблюдать, чтобы получить гарантированный результат.

Содержание

Станок ЧПУ: особенности конструкции для лазерной резки

До массового внедрения станков с ЧПУ металл резали ручным способом, что создавало ограничения по конечному результату. Лазерная резка позволяет создавать детали и формы, которые невозможно (долго или особо трудоемко) изготовить вручную. Современные станки позволяют лазерным лучом быстро и точно выполнить практически любой проект, запрограммированный человеком.

Станок ЧПУ с лазерным лучом имеет следующие комплектующие:

трубка лазера;
головка излучателя;
отражающие зеркала;
линза, которая помогает лучу фокусироваться.

Накачка оптических волноводов может иметь разную конструкцию, чаще всего используется волоконная конструкция. Активное волокно размещается внутри нескольких оболочек, защитной является внешняя. Материал первой оболочки — кварц — взаимодействует с полимерным материалом второй, таким образом создается многомодовый волновод с большим поперечным сечением. Эффективного возбуждения ионов редкоземельных металлов достигают, подобрав диаметр активной сердцевины и волновода накачки. Если выходной мощности этой технологии недостаточно, то применяют GT Wave-технологию, одной из характерных особенностей которой выступает возможность ввода излучения накачки через два торца каждого из волноводов.

Стоит отметить, что часто промышленные установки для повышения выходной мощности объединяют несколько лазеров в одной установке.

Световой луч имеет огромную мощность, и, что важно, лазерная резка не ломает, не портит края любого материала, поэтому разрезать лазером можно любой материал:

металл;
пластик;
резину;
бумагу;
искусственную и натуральную кожу.

Основными факторами, влияющими на состояние готового реза, выступают скорость передвижения головки и толщина материала.

Достоинства и недостатки лазерной резки металла

Как и у любой другой, у лазерной резки есть как достоинства, так и недостатки, рассмотрим их подробнее.

Среди основных преимуществ эксперты подчеркивают следующие:

при осуществлении лазерной резки срез получается чистым, без пыли и стружки, которые могут навредить как выполняющим операции людям, так и самой технике, загрязняя ее и забивая отверстия;
лазерному лучу под силу любая форма реза, которую задаст программное управление;
лазером можно резать практически любой металл без потери качества;
при определенных способах резки, когда на металл воздействует высокая температура, края могут плавиться и деформироваться, при лазерной резке это исключается за счет микроскопической величины луча;
экономичность способа резки объясняется точностью выполняемых работ, скоростью выполнения и небольшими остатками материала — это позволяет быстро окупать дорогостоящее оборудование;
среди отходов — испарения результатов реакции, которые выводятся промышленной системой вентиляции, отсутствует пыль и стружка;
наукоемкие технологии способны уменьшить количество персонала, необходимого для резки металла лазером.

Имеет резка лазером и некоторые минусы:

дорогостоящее оборудование — придется один раз существенно вложиться, чтобы в дальнейшем получать прибыль от востребованной услуги; стоит отметить, что еще несколько лет назад станки с ЧПУ были практически недоступны, в последнее время их востребованность увеличилась, и они стали доступны более широкому кругу лиц;
ограничения по толщине металла — лазерный луч может разрезать лист до 100 мм на воздухе и до 150 мм с использованием азота;
есть виды металлов, которые не могут быть разрезаны лазерным лучом из-за способности отражения, их немного, например, алюминий (не сплав) — для таких металлов подбираются другие варианты обработки;
как и любой процесс, связанный с программным продуктом, работа станка с ЧПУ может иметь сбои в работе ПО, что увеличит время обработки;
чем толще металл, тем дольше и сложнее его будет разрезать — это следует учитывать, если заказ срочный.

Технология резки лазером на станке с ЧПУ

Если говорить о технологии лазерной резки совсем упрощенно, то можно описать этот процесс так: макет, созданный инженером, загружается в компьютер, обрабатывается, и задание отправляется на оборудование. Сам же процесс резки рассмотрим более подробно, так как он имеет множество нюансов.

Есть три основных типа лазеров, использующихся для резки металла:

Твердотельные лазеры имеют источником излучения твердые активные среды — кристаллические или стеклянные материалы, например, иттриево-алюминиевые гранаты или иттрий-литиевые фториды. Основными характеристиками твердотельных лазеров можно назвать следующие:

мощность и точность для придания формы различным материалам, например, металлам, керамике, стеклу, пластику и др.;
способность воздействовать как постоянным, так и импульсным излучением, что позволяет резать материалы, для которых нужна быстрая подача высокой температуры;
надежность и долговечность — такие лазеры ремонтопригодны и не требуют особого обслуживания.

Газовые лазеры — популярный тип лазеров, который использует газ для устройства среды для образования светового пучка. Чаще всего применяется смесь газов из углекислого газа, азота и гелия. Газовые лазеры отличаются мощностью, могут резать и сваривать различные, в том числе неметаллические материалы. Доступность такого типа лазеров принесла им широкое применение в различных отраслях производства.
Газодинамические лазеры — наиболее мощные лазерные установки, использующие газовые потоки, на которые воздействуют или электрические разряды, или фотоионизация. Активное физическое воздействие формирует мощный поток, позволяющий справляться с резкой толстых металлов, а также тех, которые в целом плохо поддаются плавлению.

Почему появляется брак при резке лазером

Несмотря на компьютерное управление процессом и мощность лазерной резки, при этом типе обработки также может появиться брак.

Существует две основных причины появления брака при лазерной резке:

изменение заранее предусмотренных технологических параметров, таких как скорость или мощность резки;
применение материалов невысокого качества.

Для того чтобы избежать порчи материала и потери времени, нужно всегда проводить апробацию одной партии материала до запуска массового проекта. Кроме того, важную роль играет правильный регулярный уход за станком ЧПУ.

Сам процесс резки может сопровождаться повреждениями (браком) различной степени:

облой — край металлического изделия могут обрамлять капли из металла, этот недостаток можно исправить — убрать ручным способом, однако если деталь требует особой точности, то она будет считаться бракованной;
если станок регулярно не обслуживать, не следить за его техническим состоянием, не регулировать точность направляющих, то можно не удивляться неровной кромке металлического листа;
край металла может быть неровным из-за плохого закрепления креплениями рабочего стола — лист может «ходить» в процессе резки.

Особой квалификации требует резка толстых материалов, ведь такой материал требует соблюдения особой технологии:

для исключения появления вихрей и бороздок на шве следует тщательно подбирать режим обработки и уровень давления газовой смеси — их неправильный подбор и неумение регулировать показатели в процессе резки приводят к порче материалов и неровному краю;
вспомогательный газ играет важную роль при резке толстого металла, потому что он очищает рез от расплавившегося металлического материала;
толстостенный металл расплавляется большей мощностью лазерного луча по сравнению с тонкими листами;
стоит учитывать, что толстый металл режется медленнее — поэтому стоит закладывать запас времени, больший, чем для тонких листов;
как бы ни была высока мощность лазера и как бы хорошо ни очищался рез вспомогательным газом, не стоит рассчитывать на качественную лазерную резку металла толщиной более 2,5 см — над этим стоит еще поработать в будущем ученым и конструкторам.

Какими должны быть чертежи для резки лазеров на станках с ЧПУ

Для запуска процесса лазерной резки на станок с ЧПУ должен быть загружен чертеж в векторном формате — это могут быть файлы AI, DXF, CDR, PLT. Самыми доступными и распространенными программами считаются следующие:

Adobe Illustrator — универсальный графический редактор, который приобрел широкое распространение среди проектировщиков за счет богатого выбора инструментов работы с векторными шаблонами и совместимости с другими программами Adobe Creative Cloud;
CorelDraw — программа векторной графики, популярная среди дизайнеров за счет возможностей создания различных сложных узоров, иллюстраций, логотипов, текстов, имеет большую базу заготовок, понятный интерфейс сможет освоить даже новичок;
AutoCAD — профессиональная программа для проектировщиков из различных областей промышленности, в ней создаются самые сложные 2D и 3D проекты, инженеры любят ее за универсальность и огромный функционал;
Inkscape — редактор векторной графики, часто использующийся для построения схем для резки лазером, плюс в том, что на сайте разработчика выложено подробное руководство по всем функциям программы, что дает возможность обучиться ей даже с нуля.

Эти программы считаются базовыми для дизайнеров, архитекторов и инженеров, а файлы, созданные в них, прекрасно подходят для станков с ЧПУ.

При создании чертежей нужно учитывать ряд особенностей, которые отражаются на конечном результате лазерной резки металла:

толщина линий — чтобы лазерный луч сделал рез определенных параметров, эти характеристики должны быть четко заложены в чертеже, и здесь есть важные нюансы: например, если вы хотите сделать тонкую узкую щель, ее необходимо изобразить в виде прямоугольника, а не жирной линией, иначе станок вас не поймет и сделает толстый рез; тонкие и толстые резы также имеют существенные различия: с тонкими линиями все относительно просто (они обозначаются тонким абрисом толщиной Hairline или 0,001 px), а толстые линии добавляются в каждой программе по-разному;
дубли линий — таких повторений лучше избегать, потому что лазерный луч может сделать отверстие два раза в одном месте и таким образом испортить деталь;
цвета линий — исходя из того, что чертежи делаются в программах векторной графики, каждому слою присваивается определенный цвет, а в инструкции поясняется, какой цвет считать приоритетным и в какой последовательности делать резы лазером; если никакого объяснения нет и очередность не важна, то цветом выбора автоматически является черный;
заливка цветом или текстурой не используется, потому что программа ее не распознает;
размер схемы чертежа — масштаб всегда используется 1:1, а размер изделия не должен превышать размера рабочего стола (49*29 см);
растр — станки с ЧПУ не распознают растровое изображение, поэтому если заказчик предоставляет чертеж будущего изделия в формате, которое не поддерживается оборудованием, ему придется дополнительно заказать перевод схемы в векторный формат.

Лазерная резка металла — современный способ обработки материала, который позволяет быстро и качественно изготовить детали необходимой формы и размера. Способ хотя и имеет некоторые недостатки, в частности, требования к регулярному обслуживанию станка, к квалификации персонала, однако его преимущества перекрывают их сполна. Чистый рез, отсутствие стружки, возможность претворения в жизнь самых сложных форм, быстрота и работа с разными материалами — эти достоинства лазерного луча на станках с ЧПУ доступны при правильном соблюдении технологии.