Лазерный станок - устройство, принцип работы, виды и назначение

Лазерный станок – это оборудование, осуществляющее резку точно сфокусированным лучом лазера. Такой метод металлообработки подходит для сложных конструкций и тонколистовых материалов, поэтому он востребован в автомобильной, электронной, аэрокосмической промышленности. Наличие числового программного управления (блока ЧПУ) позволяет легко выполнять сложные фигурные резы, гравировку с проработкой деталей, создавать прочные элементы и структурные компоненты. Так как работает лазерный станок очень точно, без деформации в зоне сечения, то на нем можно резать листы металла и неметалла небольшой толщины. Использование такого оборудования в производстве существенно облегчает и ускоряет выполнение операций. Качество обработки при этом не снижается, а потери материала при лазерной резке минимальны.

Основное назначение оборудования – выполнение точной обработки различных материалов: черных и цветных металлов, пластмасс, дерева, ткани, стекла, кожи и других неметаллов. Лазерный станок предназначен для:

• резки, в том числе тонколистовой стали;
• гравировки с точной детализацией;
• нанесения маркировки;
• сварки (внахлест или стыком).

Перечень материалов, которые может обрабатывать оборудование, зависит от конкретной модели и типа лазера.

Основным компонентом оборудования является газовый или твердотельный лазер. Принцип работы лазерного станка заключается в следующем:

1. Лазер генерирует излучение, которое проходит через линзы и зеркала.
2. Линзы фокусируют луч в световое пятно диаметром не более 0.3 мм.
3. Сфокусированный луч перемещается по траектории, заданной блоком ЧПУ.
4. Материал по линии реза плавится и испаряется.

От мощности лазера зависит конечный вид обработки: сквозной рез или поверхностная гравировка. Чтобы ускорить удаление расплавленного вещества, в зону резки под высоким давлением нагнетают газ. Это может быть кислород или азот в зависимости от типа материала. Современные блоки ЧПУ могут регулировать мощность и скорость движения луча, а также расход газа, подающегося в рабочую зону.

Модели различаются по типу лазера, назначению, габаритам и характеристикам. Однако их конструкция стандартна. Из чего же состоит лазерный станок?

Источник лазерного излучения

Это главный компонент станка. Он генерирует лазерное излучение, возбуждая газовую или твердотельную (кристаллическую, оптоволоконную) среду электромагнитным импульсом или световой вспышкой. Основные характеристики луча (мощность и длина волны) зависят от типа источника. Существуют следующие виды станков лазерной резки:

1. Газовые. Это CО2 лазеры, использующие смесь трех газов: двуокиси углерода, гелия и азота. Такой источник имеет высокую мощность и работает на длине волны 10.6 мкм. CО2 лазерный станок наиболее эффективно работает с неметаллами, такими как дерево, стекло, керамика, полимеры (акрил и т.п.). Однако для поддержания в чистоте оптической системы и требуемого соотношения газов в смеси он нуждается в регулярном обслуживании.
2. Твердотельные. К ним относятся волоконные лазеры. Первые в качестве источника используют оптоволокно. Для станков лазерной резки по металлу обычно используются волоконные устройства. От газовых они отличаются длиной волны (1.06 мкм). Волоконные источники требуют меньшего обслуживания, применяются преимущественно для резки металлов, в том числе тонколистовых.

Головка для лазерной резки

Лазерные головки включают в себя комплекс зеркал и линз, которые направляют луч от источника к режущей головке. Параллельно с этим осуществляется фокусировка, в результате чего диаметр светового пятна уменьшается до 0.2 мм и меньше. Зеркала обрабатываются специальными составами, чтобы уменьшить рассеивание и потери мощности излучения.

• точное направление лазерного луча в зону обработки;
• удаление расплавленного материала и шлаков потоком вспомогательного газа;
• охлаждение заготовки, чтобы не допустить ее окисления или горения.

Выбор типа и диаметра сопла зависит от обрабатываемого материала и требований к точности резки.

Осуществляет дополнительную фокусировку. При этом диаметр светового пятна уменьшается, а плотность энергии увеличивается. Объектив позволяет изменять фокусное расстояние и корректировать точность резки с учетом типа материала и требований к его обработке.

Защитные компоненты

Оберегают от негативного воздействия мусора и паров, которые образуются во время резки. Зеркальный блок изолирует внутренние подвижные механизмы режущей головки от внешней среды, предотвращает их загрязнение, в результате чего точность траектории луча остается неизменной. Специальное стекло защищает объектив от загрязнения шлаками и газами, а керамические детали – от высокой температуры.

Элементы дополнительной фокусировки

К ним относятся:

1. Компоненты коллимации. Они компенсируют расхождение света, который исходит от лазерного источника. Диаметр светового пятна не увеличивается, а луч остается точно сфокусированным в заданной точке.
2. Система отслеживания фокуса. В нее входят механизмы управления и датчики. Последние контролируют расстояние между обрабатываемой поверхностью и лазерной головкой. Механизмы управления поддерживают его на уровне, оптимальном для обработки.

Система охлаждения

Предназначается для отвода тепла, которое выделяет лазер и рабочие компоненты режущей головки. Основная функция – предотвратить перегрев, в результате чего можно повредить оптические компоненты и/или снизить точность движения лазерного луча.

Координатный (рабочий) стол

Нужен для точного позиционирования сфокусированного лазерного луча относительно заготовки. Несущим компонентом является корпус либо станина, на которых устанавливают направляющие. Они обеспечивают точный и плавный ход подвижных частей. Каждая ось координатного стола оснащена отдельным приводом, благодаря чему перемещение по ним является полностью автономным, независимым друг от друга. Компоновка может отличаться количеством осей, передачей движения от двигателя (ременная, зубчатая, шарико-винтовая), расположением направляющих.

Типы рабочих столов

От этого косвенно зависит сфера применения оборудования. В лазерных станках устанавливают следующие типы рабочих столов:

1. Стационарные. Они имеют фиксированное положение и сохраняют его при выполнении лазерной резки. Станки с неподвижными столами, как правило, имеют более доступную цену, чем их аналоги той же функциональности. Они просты в управлении, подходят для несложных проектов и операций, где форма и материал заготовки не требуют частой перестановки и/или регулирования.
2. Регулируемые. В них предусмотрен наклон или перемещение по вертикали (изменение высоты рабочей поверхности). Регулируемые конструкции помогают размещать заготовки в оптимальной позиции. Станки такого типа применяются при обработке толстых деталей, когда требуется резать на разную глубину или под различными углами.
3. Сменные. Используется для повышения производительности станка.

Блок числового программного управления (ЧПУ)

Он включает в себя:

1. Встроенную (ПЗУ) и временную (ОЗУ) память. В первой постоянно хранится список кодов управления, определяющих функции станка. Временная память ЧПУ предназначена для хранения готовых программ, применяющихся для выполнения текущих операций.
2. Дисплей и пульт управления. С помощью экрана оператор следит, как работает станок лазерной резки, контролирует обработку металла и текущие характеристики. Пульт используется для введения данных (рабочей программы), управления станком в ручном режиме, например, при возникновении нештатных ситуаций.

Все действия станка с ЧПУ контролирует и координирует микросхема (контроллер). Она задает траектории движения режущей головки и другие параметры обработки материала.

Программное обеспечение и интерфейс управления

Предназначаются для точного контроля лазерной резки и бесшовного встраивания в другие производственные системы. Включают в себя:

1. CAD. Программы для автоматизированного проектирования. Используются для разработки проектов и чертежей, которые могут быть переведены в цифровой формат. В качестве ПО CAD чаще всего используются программы AutoCAD, SolidWorks, Adobe Illustrator.
2. CAM. Программы для автоматизированного производства. Переводят чертежи CAD в инструкции, которые может прочитать контроллер лазерного станка. Они генерируют траекторию режущей головки, определяют порядок работы, скорость резки, настройки для оптимизации процесса. Наиболее востребованные программы CAM для лазерной резки – это SheetCAM и LaserCut.

Правильно подобранное ПО позволяет интегрировать станок лазерной резки с системами управления производством (MES) и планирования ресурсов (ERP) предприятия. Удобный и интуитивно понятный интерфейс облегчает работу оператора, ускоряет подготовку новых работников.

Система подачи

Перемещает заготовку и/или режущую головку в соответствии с заданной ЧПУ программой обработки. В нее входят:

1. Приводы. Могут быть электрическими, гидравлическими или электрогидравлическими. В станках высокой точности используются серводвигатели с точным контролем скорости и траектории. В менее точных моделях применяются шаговые модели с дискретными шагами перемещения.
2. Устройства обратной связи. Контролируют и корректируют положение лазерной головки, так же как рабочего стола и/или обработку материала.
3. Передаточные механизмы. К ним относятся винтовые пары, зубчатые и ременные передачи, передающие крутящий момент от привода к механическим узлам.

Вспомогательные системы

Они не принимают непосредственного участия в процессе лазерной резки, но обеспечивают корректную обработку металлов и неметаллов. К данной группе относятся:

• системы охлаждения, обеспечивающие оптимальную температуру для работы всех узлов;
• вытяжка и фильтрация, которые удаляют из зоны реза дым, газы, твердые частицы, образующиеся при сгорании;
• защитные средства – кожухи, ограждения, системы блокировки и аварийной остановки при нештатных ситуациях в работе;
• аксессуары – насадки, компоненты автофокусировки и т. д.

Лазерные установки с ЧПУ могут использоваться для работы с металлами и неметаллами.

Резка

Это самый частый вариант применения такого оборудования. Станки лазерной резки используются:

• в деревообрабатывающей и металлообрабатывающей промышленности;
• на предприятиях, где изготавливают резинотехнические, текстильные изделия, кожгалантерею, обувь;
• при изготовлении обивки для мягкой мебели и чехлов для сидений автомобиля;
• в производстве сувениров, упаковки, рекламных изделий, пазлов и конструкторов;
• в ювелирной работе и везде, где требуется точность и высокое качество резки.

Гравировка

Изображение или надпись, которые делают на лазерном станке, отличаются тем, что имеют четко проработанные детали, а срок годности отсутствует. Некоторые виды оборудования рассчитаны на работу не только с плоскими поверхностями, но и с объемными изделиями. Лазерный гравер может использоваться для декорирования:

• именных изделий (часов, портсигаров и т.п.);
• кожгалантереи (кошельков, сумок, портмоне);
• ювелирной продукции;
• стрелкового, холодного оружия и т.д.

Маркировка

Надписи и логотипы, нанесенные лазером, имеют четкие контуры и хорошо различимы независимо от величины букв и изображений. Для лазерной маркировки нужны специальные станки – маркираторы. Они имеют компактные габариты и специальное ПО, которое включает в себя:

• большую базу шрифтов;
• номенклатуру различных товаров;
• все разновидности штрихкодов;
• логотипы многих производителей.

Маркировка не смывается, не стирается и не деформируется, поэтому на многих предприятиях для ее нанесения используется именно лазерный маркиратор.

Перфорация

Луч лазера мгновенно прожигает поверхность листового материала, образуя круглое отверстие заданного диаметра. Такая обработка материалов применяется в производстве электронных плат, для украшения текстиля, обуви, кожгалантерейных изделий и в других сферах, где требуется прецизионная точность расположения и размеров отверстия.

При подборе модели следует учитывать конкретные задачи производства. Основные параметры выбора направлены на тип, мощность и некоторые другие.

Излучатель – твердотельный (волоконный) или газовый (CО2). Станки первого типа предпочтительнее для обработки металла, в том числе тонколистового. Установки CО2 больше подходят для резки и гравировки неметаллов: керамики, кожи, фанеры, дерева. Они могут также работать и с металлами толщиной 1.5-2.0 мм и более.

Мощность источника излучения. Если станок будет использоваться только для гравировки, достаточно мощности 50-80 Вт. Для резки металла понадобится более мощная модель. Профессиональные станки такого типа имеют мощность 3 кВт и выше. Чем толще заготовка, тем мощнее должен быть источник.

Габариты. Размеры установки и площадь рабочего стола подбираются под задачи производства. Для небольших мастерских следует выбирать компактную настольную модель, для крупного производства – габаритный станок, на котором можно обрабатывать большие детали и листы. Чем большая производительность требуется, тем тяжелее и жестче должен быть станок.

Комплектация и конструктивное решение. При подборе станка с ЧПУ для металла или дерева необходимо учесть, чтобы в нем были:

• надежная система охлаждения (профессиональный чиллер);
• вытяжка или пневмозаслонка для удаления дыма из рабочей зоны;
• подъемный стол (лучше два: сотовый и реечный);
• интуитивно понятный интерфейс ЧПУ.

Если вы затрудняетесь в том, как выбрать станок лазерной резки под задачи вашего производства, обратитесь к специалистам МОССКЛАД. Они найдут для вас решение, которое будет оптимальным и по функциональности, и по цене.