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

II. Sastav opreme za lasersko rezanje

2.1 Komponente i princip rada stroja za lasersko rezanje

Stroj za lasersko rezanje sastoji se od laserskog emitera, glave za rezanje, sklopa za prijenos snopa, radnog stola alatnog stroja, numeričkog upravljačkog (NC) sustava, računala (hardverskog i softverskog), hladnjaka, boce zaštitnog plina, sakupljača prašine i sušilice zraka.

Laserski generator

Laserski generator je uređaj koji proizvodi laserske izvore svjetlosti. Za primjenu laserskog rezanja, većina strojeva koristi CO₂ plinske lasere koji imaju visoku učinkovitost elektrooptičke pretvorbe i visoku izlaznu snagu, osim u nekoliko slučajeva gdje se koriste YAG laseri u čvrstom stanju. Nisu svi laseri prikladni za rezanje, jer lasersko rezanje nameće stroge zahtjeve na kvalitetu snopa.
Rezna glava

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

Pogonski uređaj rezne glave koristi se za pomicanje rezne glave duž Z-osi 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) Leća za fokusiranje: Za rezanje pomoću energije laserske zrake, izvorna zraka koju emitira laser mora se fokusirati kroz leću kako bi se formirala svjetlosna točka s visokom gustoćom energije. Leće srednje i duge žarišne duljine prikladne su za rezanje debelih ploča i imaju niže zahtjeve za stabilnost razmaka sustava za praćenje. Leće kratke žarišne duljine prikladne su samo za rezanje tankih ploča ispod 3 mm; imaju stroge zahtjeve za stabilnost razmaka sustava za praćenje, ali mogu značajno smanjiti potrebnu izlaznu snagu lasera.

(3) Sustav za praćenje: Sustav za praćenje fokusa stroja za lasersko rezanje općenito se sastoji od glave za fokusiranje rezanja i sustava senzora za praćenje. Glava za rezanje integrira funkcije vođenja i fokusiranja snopa, hlađenja vodom, upuhivanja plina i mehaničkog podešavanja.

Senzor se sastoji od osjetilnih elemenata i jedinice za kontrolu pojačanja. Sustavi za praćenje u potpunosti se razlikuju ovisno o vrsti osjetilnih elemenata. Dostupne su dvije glavne vrste: jedna je kapacitivni sustav za praćenje senzora, poznat i kao beskontaktni sustav za praćenje; druga je induktivni sustav za praćenje senzora, poznat i kao kontaktni sustav za praćenje.
Sklop za prijenos snopa

Vanjski optički put: Reflektirajuća zrcala koriste se za vođenje laserske zrake u željenom smjeru. Kako bi se spriječili kvarovi na putu snopa, sva reflektirajuća zrcala zaštićena su štitovima, a uvodi se čisti zaštitni plin pozitivnog tlaka kako bi se zrcala zaštitila od onečišćenja. Visokoučinkovita leća može fokusirati nedivergentnu zraku u beskonačno malu točku. Uobičajeno se koristi leća sa žarišnom duljinom od 5,0 inča, dok je leća od 7,5 inča primjenjiva samo za rezanje materijala debljih od 12 mm.
Radni stol za alatne strojeve

Glavno tijelo stroja: Dio alatnog strojastroj za lasersko rezanjeje mehanički dio koji ostvaruje kretanje osi X, Y i Z, uključujući platformu za rezanje.
Numerički upravljački sustav

NC sustav upravlja alatnim strojem kako bi postigao pokrete po X, Y i Z osi te istovremeno regulira izlaznu snagu lasera.
Sustav hlađenja

Jedinica za hlađenje: Koristi se za hlađenje laserskog generatora. Laser je uređaj koji pretvara električnu energiju u svjetlosnu energiju. Na primjer, učinkovitost pretvorbe CO₂ plinskog lasera općenito je 20%, a preostala energija se pretvara u toplinu. Rashladna voda uklanja višak topline kako bi se održao normalan rad laserskog generatora. Jedinica za hlađenje također hladi vanjska optička zrcala i fokusne leće alatnog stroja, osiguravajući stabilnu kvalitetu prijenosa snopa i učinkovito sprječavajući deformaciju ili pucanje leća zbog pregrijavanja.
Plinske boce

Plinske boce uključuju boce radnog medija i pomoćne plinske boce za stroj za lasersko rezanje, koje se koriste za nadopunu industrijskih plinova za laserske oscilacije i opskrbu pomoćnim plinovima za glavu za rezanje.
Sustav za uklanjanje prašine

Uklanja dim i prašinu nastale tijekom obrade te provodi filtraciju kako bi se osiguralo da emisije ispušnih plinova zadovoljavaju standarde zaštite okoliša.
Sušilica i filter za hlađenje zraka

Dovodi čisti, suhi zrak do laserskog generatora i putanje snopa, održavajući normalan rad putanje snopa i reflektirajućih zrcala.

2.2 Plamenik za lasersko rezanje

Strukturni dijagram rezača za lasersko rezanje prikazan je u nastavku. Uglavnom se sastoji od tijela rezača, fokusne leće, reflektirajućeg zrcala i pomoćne plinske mlaznice. Tijekom 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 osi reflektirajućeg zrcala.

③ Žarišna duljina svjetiljke može se lako podesiti.

④ Tijekom rezanja, metalna para i prskanje rezanog metala ne smiju oštetiti reflektirajuće zrcalo.

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

① Plamenik ostaje nepomičan dok se obradak pomiče po radnom stolu — uglavnom prikladno za obradke malih dimenzija.

② Radni komad ostaje nepomičan dok se gorionik pomiče.

③ I plamenik i radni stol pomiču se istovremeno.

2.2.1 Rezna glava

Glava za lasersko rezanje nalazi se na kraju sustava za prijenos snopa, a sastoji se od leće za fokusiranje i mlaznice za rezanje.

Leće za fokusiranje uglavnom se klasificiraju prema žarišnoj duljini. Većina opreme za lasersko rezanje opremljena je s nekoliko glava za rezanje s različitim žarišnim duljinama. Uzimajući CO₂ lasersko rezanje kao primjer, uobičajene žarišne duljine su 127 mm (5 in) i 190 mm (7,5 in). Leća s kratkom žarišnom duljinom stvara malu žarišnu točku i kratku žarišnu dubinu, što pogoduje smanjenju širine reza i postizanju finijih rezova. Leća s dugom žarišnom duljinom daje veću žarišnu točku i veću žarišnu dubinu. U usporedbi s lećama s kratkom žarišnom duljinom, leće s dugom žarišnom duljinom mogu osigurati fokusirani snop s gustoćom laserske energije dovoljnom za obradu materijala u blizini žarišne točke. Stoga se leće s kratkom žarišnom duljinom uglavnom koriste za precizno rezanje tankih ploča, dok su leće s dugom žarišnom duljinom potrebne za deblje materijale kako bi se postigla odgovarajuća žarišna dubina, osiguravajući minimalne varijacije u promjeru točke i dovoljnu gustoću snage unutar raspona debljine rezanja.

Fokusirajuće leće koriste se za fokusiranje paralelne laserske zrake koja pada na rezni plamenik, postižući manju veličinu točke i veću gustoću snage. Leće su izrađene od materijala koji mogu prenositi valnu duljinu lasera. Optičko staklo se obično koristi za lasere u čvrstom stanju, dok se materijali poput ZnSe, GaAs i Ge usvajaju za CO₂ lasere (budući da obično staklo nije prozirno za CO₂ laserske zrake), među kojima je ZnSe najčešće korišten.

Za lasersko rezanje, minimiziranje promjera žarišne točke poželjno je kako bi se povećala gustoća snage i omogućilo rezanje velikom brzinom. Međutim, kraća žarišna duljina leće rezultira manjom žarišnom dubinom, što otežava postizanje okomite površine reza pri rezanju debelih ploča. Osim toga, kraća žarišna duljina smanjuje udaljenost između leće i obratka, povećavajući rizik od kontaminacije leće raspršivanjem rastaljene tekućine tijekom rezanja i utječući na normalan rad. Stoga bi odgovarajuću žarišnu duljinu trebalo sveobuhvatno odrediti na temelju čimbenika kao što su debljina rezanja i zahtjevi za kvalitetom rezanja.

2.2.2 Reflektirajuće zrcalo

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

2.2.3 Mlaznica

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

Odabir mlaznice općenito se određuje testovima na temelju materijala i debljine obratka te tlaka pomoćnog plina. Lasersko rezanje obično koristi koaksijalne mlaznice (gdje je protok plina koaksijalni s optičkom osi). Ako protok plina i laserska zraka nisu koaksijalni, vjerojatno će doći do prekomjernog prskanja tijekom rezanja. Unutarnja stijenka otvora mlaznice treba biti glatka kako bi se osigurao nesmetan protok plina i izbjegla turbulencija koja može utjecati na kvalitetu reza. Kako bi se osigurala stabilnost rezanja, udaljenost između čeone površine mlaznice i površine obratka treba svesti na minimum, obično u rasponu od 0,5 mm do 2,0 mm. Promjer otvora mlaznice mora omogućiti laserskoj snopu nesmetan prolaz, sprječavajući da snop dodirne unutarnju stijenku otvora. Što je promjer otvora manji, to je teže kolimirati snop. Za određeni tlak pomoćnog plina postoji optimalni raspon promjera otvora mlaznice. Pretjerano mali ili veliki otvor ometat će uklanjanje rastaljenih proizvoda iz reza i utjecati 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 koristi li se kisik ili argon kao pomoćni plin.

Ispitivanja laserskog rezanja tvrdih legura (koje je teško rezati) pokazuju da je optimalni promjer otvora mlaznice vrlo blizu gore navedenim rezultatima, kao što je prikazano 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

U opremi za rezanje s pogonom plamenika, plamenik za rezanje postavljen je na pomični portal i pomiče se vodoravno duž grede portala (os Y). Portal pokreće plamenik duž osi X, dok je obradak fiksiran na radnom stolu. Budući da su laser i plamenik za rezanje odvojeno raspoređeni, karakteristike laserskog prijenosa, paralelnost duž smjera skeniranja snopa i stabilnost reflektirajućih zrcala utječu na proces rezanja.

Oprema za rezanje s 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, točnost pozicioniranja je samo ±0,04 mm.

Tipična struktura opreme za rezanje s pogonom na plamenik prikazana je na slici 4.19. Koristi se stroj za rezanje CO₂ laserom kontinuiranog vala, 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 zrcala 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-os 6,2 m, Y-os 2,6 m
Brzina vožnje: 0–10 m/min (podesivo)
Plutajući hod gorionika po Z-osi: 150 mm
Brzina podešavanja Z-osi gorionika: 300 mm/min
Maksimalna veličina obrađene čelične ploče: 12 mm × 2400 mm × 6000 mm
Upravljački sustav: Integrirani NC način upravljanja

2.3.2 XY oprema za rezanje s pogonom na stol

U opremi za rezanje s XY stolom, gorionik za rezanje je pričvršćen na okvir, a obradak se postavlja na stol za rezanje. Stol za rezanje pomiče se duž X i Y osi prema NC naredbama, s podesivom brzinom vožnje koja se obično kreće od 0 do 1 m/min ili 0 do 5 m/min. Budući da gorionik za rezanje ostaje nepomičan u odnosu na obradak, minimizira utjecaj na poravnanje i centriranje laserske zrake tijekom procesa rezanja, osiguravajući ujednačene i stabilne performanse rezanja. Kada je opremljen malim stolom za rezanje s visokom mehaničkom preciznošću, stroj postiže točnost pozicioniranja od ±0,01 mm iizvrsna preciznost rezanja, što ga čini posebno prikladnim za precizno rezanje malih komponenti. Osim toga, za obradu velikih obratka dostupni su veći stolovi za rezanje s hodom X-osi od 2300–2400 mm i hodom Y-osi od 1200–1300 mm.

Glavni tehnički parametri opreme za rezanje s 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-os 2300 mm, Y-os 1300 mm
Brzina kretanja stola za rezanje (postupno 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
Upravljački sustav: Numeričko upravljanje (NC) način rada

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 strojeva za rezanje s pogonom plamenika i strojeva za rezanje s pogonom XY stola. Plamenik za rezanje postavljen je na portal i pomiče se vodoravno duž grede portala (Y-os), dok se stol za rezanje pokreće uzdužno. Ovaj hibridni dizajn kombinira prednosti visoke preciznosti rezanja i učinkovitosti uštede prostora. S točnošću pozicioniranja od ±0,01 mm i podesivim rasponom brzine rezanja od 0–20 m/min, jedan je od najčešće korištenih strojeva za rezanje na tržištu. Veći modeli ovog stroja nude hod Y-osi od 2000 mm i hod X-osi od 6000 mm, što omogućuje rezanje velikih obradaka.

Laserski oscilator je postavljen na portal uz rezački plamenik. Ova konfiguracija pruža iznimnu preciznost pri rezanju kružnih rupa. Stroj se također može pohvaliti visokom učinkovitošću proizvodnje: može izrezati 46 kružnih rupa (promjera 10 mm) u minuti na čeličnoj ploči debljine 1 mm.

2.3.4 Integrirana oprema za rezanje

Uintegrirani stroj za rezanje, laserski izvor je instaliran na okviru i pomiče se uzdužno s njim, dok je rezački plamenik integriran sa svojim pogonskim mehanizmom za horizontalno pomicanje duž grede okvira. Stroj koristi numeričko upravljanje za rezanje različitih oblikovanih komponenti. Kako bi se kompenzirala promjena duljine optičkog puta uzrokovana horizontalnim pomicanjem rezačkog plamenika, obično je opremljen modulom za podešavanje duljine optičkog puta. Ovaj modul osigurava homogenu lasersku zraku unutar područja rezanja i održava konzistentnu kvalitetu površine rezanja.

Vrijeme objave: 17. prosinca 2025.

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