Лазерный станок – описание разных видов, как правильно выбрать, сделать своими руками и пользоваться устройством?

Лазерная резка металла: что это такое, плюсы и минусы

Виды лазерной резки

Интенсивность излучения, состав газа, используемого для проведения работ и давление при обработке различных металлов должны отличаться. Поэтому были разработаны несколько разновидностей резки.

1. Лазерно-кислородная резка.

Кислород, используемый в данном виде обработки, является режущим газом. В процессе его взаимодействия с горячим металлом возникает экзотермическая реакция окисления. А образующиеся в ходе того же процесса окислы мгновенно выдуваются кислородной струей.

Особенностями проведения работ с помощью данного вида лазерной резки являются скорость работы и диаметр сфокусированного луча, которые влияют на ширину разреза. Одновременно диаметр луча меньше, чем диаметр струи кислорода (как правило от 1 до 2 мм).

Рез становится уже при возрастании скорости и снижении толщины заготовки. Разрез имеет минимальную ширину чуть менее 100 мкм. Существует обратная зависимость давления кислородного потока от толщины материала – с уменьшением толщины металла увеличивается давление.

Давление в процессе разрезания тонкого листа достигает 3-4 атм, а при увеличении толщины до 25 мм и более она становится около 0,3 мм. Струю формирует зазор между срезом сопла. Его размер зависит от толщины обрабатываемого металла. Колебания размера зазора могут быть от 0,5 мм для листов тонкого металла до 3 мм для металла толщиной 2,5–3 см.

2. Кислородная резка с поддержкой лазерным лучом (LASOX).

Для работы с листами стали большой толщины имеет смысл использовать получившую в последние годы широкое распространение технологию, при которой луч лазера греет поверхность металла до достижения им температуры 1 000 °С, после чего в ход идет струя кислорода, которая со сверхзвуковой скоростью режет металл.

Сверхзвуковая кислородная струя формируется большим давлением, достигающим 6–10 атм. Рез имеет ширину, равную диаметру струи кислорода. Она имеет размер ≥ 3 мм. Расстояние от среза сопла до поверхности должно быть примерно 7 мм. Скорость реза при этом уменьшается до 0,2 м в минуту.

3. Лазерная резка в инертном газе.

Если нельзя допускать окисления краев обрабатываемого металла, то прекрасно работает технология лазерной резки в инертном газе. Она подходит для таких металлов, как титан, нержавейка, сплавы алюминия. Данная технология не предусматривает использования дополнительного источника нагрева, что, к сожалению, уменьшает эффективность раскроя металла.

Скорость проведения работ в среде инертного газа, а им может быть аргон, использующийся при резке титана, или азот, применяемый в иных случаях, достаточно низкая. Давление режущего газа должно быть более 10 атм. От ширины листа обрабатываемого металла зависит диаметр сопла.

4. Лазерное термораскалывание стекла.

Данная технология хорошо работает для резки хрупких и ломких материалов, таких как стекло. Луч лазера нагревает материал неравномерно, а затем струя инертного газа работает на его охлаждение. В итоге образуется трещина. Направлением ее продвижения можно управлять, перемещая источник тепла вдоль поверхности материала. Результат работ – гладкая ровная грань.

5. Сублимационная резка (испарительная лазерная).

При необходимости минимизации теплового воздействия на подложку применяют технологию сублимационной резки. Основное ее приложение – микротехнологии. Интенсивность излучения лазера для такого вида резки должна быть очень высокой. Давайте рассмотрим, как работает станок лазерной резки.

Если кратко, то оборудование действует на излучении пикосекундной и наносекундной длительности импульсов, то есть очень коротких. Волна излучения имеет длину меньше 1 мкм. Для такого излучения применяют эксимерные, твердотельные лазеры, а также те, что работают на парах металлов. Коэффициент полезного действия (КПД) таких процессов минимальный.

Следовательно, лазерно-кислородная технология является наиболее распространенным и стандартным видом резки материалов. Остальные виды носят специфический характер и решают отдельные задачи.

Выбор помещения для лазерного станка

Помещение должно позволять поставить сам станок, хранить материал и при необходимости распиливать его. 

Если помещение совсем маленькое, а у вас станок WATTSAN 1610, и всё впритык, и вы можете хранить фанеру 1000/1500 у стенки вертикально, и при этом вы сможете с ней работать.

Но если вы возьмёте станок поменьше WATTSAN 6090, казалось бы, что будет больше места. Но нет, потому что для работы с фанерой такого размера на станке WATTSAN 6090 вам придётся её распиливать, а места для распила у вас уже не останется.

Распил опять же выливается в дополнительные расходы. Нужна паркетка, нужен пылесос, чтобы делать уборку, нужен человек который будет этим заниматься. А если это будет делать оператор, то неизвестно, будет ли он успевать. 

Не факт, что WATTSAN 6090 в эксплуатации окажется дешевле, чем WATTSAN 1610. Это не значит, что один станок лучше другого. Просто всё это нужно просчитывать в зависимости от ваших конкретных условий.

Кстати, кроме того, чтобы смотреть на помещение с чисто экономической точки зрения, не забывайте про то, чтобы была физическая возможность этот станок занести внутрь.

Кроме того, чтобы была возможность его заземлить, сделать вытяжку, желательно, чтобы вокруг станка было полметра, а лучше метр свободного пространства, чтобы его было удобнее и легче обслуживать. 

Ну, и не забывайте про полы. Они желательно должны быть ровными. 

После того, как вы определились с тем, что вы хотите, всплывает один из самых важных моментов — цена. 

Глубина опускания стола

От глубины опускания стола зависит то, насколько толстый материал вы сможете обрабатывать.

Есть столы, которые опускаются и поднимаются, а есть фиксированные столы.

Здесь опять же всё зависит о того, что вы делаете, потому что если вы раскраиваете и гравируете только плоские материалы, то по сути эта функция вам не нужна. 

Например, вы делаете сувениры, магнитики или печати на WATTSAN 0203 mini или же вы раскраиваете ткань на широкоформатнике WATTSAN 2030 Flet Bad.  

В этих случаях вам не нужно, чтобы стол поднимался и опускался, для вас это не важно. 

Или, например, резка толстого поролона.

Если глубина рабочего поля не позволяет просунуть поролон между самим полем и соплом, то вы его никак туда и не запихнёте.

А если стол опускается, эта проблема сразу решается.

Регулируемый стол бывает автоматизированный и ручной. 

Автоматизированный удобно выбирать в случае, если вы часто работаете с материалами разной толщины.

Если вы берёте средний или широкоформатный станок, с регулируемым столом, то мы рекомендуем сразу исключить тот вариант, когда привод опускания стола работает на ремнях.

Ремни имеют свойство растягиваться. Во-вторых, они имеют зубец 1,5-2 мм. И если под него что-то попадёт, то его просто слижет. Таким образом, зубец соскакивает, стол с одной стороны не опускается синхронно вместе со второй стороной, и его перекашивает.

Так происходит регулярно, доставляя проблемы.

Дерево

Дерево — это самый популярный материал для гравировки.

Подробнее про выжигание на дереве можете прочитать в этой статье.

Обзор подходящих видов древесины для лазера

Зависимость цены

Зачастую, на рынке лазерных станков можно столкнуться со следующей ситуацией: казалось бы, одинаковые по техническим характеристикам аппараты должны и стоить одинаково, ведь у них могут даже совпадать размеры рабочего стола? Но стоимость, прежде, всего будет складываться из общей комплектации и качества отдельных частей. А к таковым можно отнести:

• Корпус;
• Размер стола;
• Лучевую трубку;
• Разогревающий блок;
• Блок электропитания;
• Двигатели и иные управляющие элементы.

Также, немалое влияние на цену окажут и дополнительные опции, такие, как устройство защитного отключения, наличие вытяжки, наличие поворотного устройства, наличие фото- видеокамеры и т. п.

Стоит упомянуть, что для сложнотехнических устройств всегда и везде большую роль играет имя производителя. Действительно, маленькие, никому неизвестные компании могут привлекать потенциального покупателя крайне бюджетными ценами своего оборудования, но вот найти среди подобных образцов по настоящему хорошую технику сложно.

Визуально отличить хорошую модель можно даже просто взглянув на корпус. Если он изготовлен из тонколистового металла, в нем установлены дешевые шарнирно-валовые направляющие, то такой станок вряд ли приспособлен к работе на высоких скоростях. Большой разгон будет создавать дополнительные вибрации, что неизбежно приведет к нарушению правильности линий разреза или производству неровной гравировки.

Также стоит обратить на возраст компании-производителя – оптимальными считаются цифры в 3 – 5 лет. Возраст в 9 лет и более уже говорит о заслуженном месте на рынке. И дополнительно стоит обговорить с продавцом вопросы сервисного обслуживания – если предлагается пожизненная гарантия или хотя бы 5-летний сервисный срок, то такой продавец заслуживает доверия.

Как можно улучшить качество лазерной резки

1. Необходимо очистить линзу или защитное стекло в соответствии со всеми правилами.

Каждому типу лазера соответствует своя процедура очистки. Работая с дисковым или волоконным лазером, специалистам следует очищать стекло, которое защищает линзы режущей головки.

Операторам, работающим с углекислотным лазером, необходимо чистить линзы. Профессионалы производственной сферы при очистке лазера отдают предпочтение полировке Topol polish от фирмы TRUMPF. Однако большое количество специалистов даже не знают, как с ней работать.

Как правильно работать с полировкой для линз? Нельзя сильно давить на линзу, поскольку могут появиться царапины. Но, одновременно с этим, полировка должна проходить под нажимом, достаточным для удаления грязи. Самое главное – научить соблюдать баланс.

Работать надо круговыми движениями, нанося полировку в умеренном количестве.

Для правильной полировки линзы специалист должен знать и видеть все ее недостатки. Рекомендуется дополнить оборудование углекислотного лазера дорогостоящим поляризатором, стоимость которого исчисляется сотнями долларов. Несмотря на высокую цену аппарата, его работа с лихвой окупит вложенные средства, причем очень быстро.

Специалисту, работающему с лазером, необходимо разместить линзу на устройстве, освещающем ее ярким светом снизу. Больше всего аппарат своей работой напоминает школьный проектор. При повороте линзы аппарата, он поляризует линзу лазера, размещенную наверху. Таким образом можно увидеть все ее недостатки: царапинки, внутренние трещины и пр.

2. Необходимо проверить фокусировку (центрацию) сопла.

Для проверки специалист должен пробить натянутую ленту. В течение секунды он направляет на нее луч лазера небольшой мощности, после чего осматривает отверстие и место его нахождения.

Работник освещает ленту, пытаясь понять, насколько точно в центре расположено отверстие. Его сдвиг не должен превышать 1 мм. Каким образом можно точно определить, что отверстие находится в центре сопла? Для этого надо воспользоваться 10-кратным увеличительным стеклом, оснащенным подсветкой.

Точная центрация сопла позволяет увеличить скорость на 20–80 % от начальной при правильности остальных настроек.

3. Необходимо регулярно проверять фокус.

Большая часть современного оборудования позволяет осуществлять автоматический тест фокуса. А на старых моделях станков производители рекомендовали делать тесты различными способами. На некоторых станках используется «световой тест».

Примером может служить старый аппарат Mazak. В процессе тестирования специалист включает луч лазера на малую мощность, затем, поворачивая ручку, ищет абсолютный фокус. Он наблюдает за светом луча, приобретающим синий цвет в процессе вращения ручки по кругу.

От работника требуется отыскать тончайшую полоску на тестовом образце, после чего удостовериться, что для этой полоски фокус контроллера равен 0. Если тончайшей полоске соответствует цифра 3, специалист перемещает точку фокуса на 3 мм и вновь возвращается к тесту. Операция проводится до тех пор, пока тончайшая полоска не будет соответствовать нулю.

При работе с лазером необходимо изучить такие факторы, как расход газа или применение в углекислотных системах дополнительной защиты оптики. Впрочем, рассмотренные нами принципы – всего лишь отправная точка, с которой можно начать настройку необходимых условий резки.

Как работает лазерная резка

Само название «лазерная резка» раскрывает нам суть процесса, который заключается в резке металла лазерным лучом, испускаемым специальной установкой. Луч лазера имеет ряд свойств, позволяющих его сфокусировать на обрабатываемой поверхности, при этом пучок будет нести энергетический заряд высокой плотности. Под его воздействием практически любой материал активно сгорает, плавится, испаряется и пр. – в общем, разрушается.

Энергия луча с плотностью 108 Ватт на 1 см2, создаваемого станком для лазерной резки, концентрируется на поверхности металла. Для понимания сути процесса и, в частности, того, как получается данный эффект, надо узнать обо всех свойствах лазерного луча.

В отличие от волн света, лазерный луч имеет постоянные длину и частоту волны. Данное свойство называют монохроматичностью, а само излучение монохроматическим. Оно дает возможность, используя простые оптические линзы, легко сфокусировать луч на обрабатываемой поверхности.

Еще одним свойством лазерного луча является очень высокая его направленность, а также маленький угол расходимости. Это свойство помогает оборудованию создать фокусированный лазерный луч высокого уровня.

Следующее важное свойство лазерного луча – его когерентность. Суть его заключается в согласованности большого количества волновых процессов, происходящих в луче, а также в их резонансе по отношению друг к другу. Это позволяет значительно повысить суммарную мощность излучения.

Под влиянием луча поверхность металла очень быстро нагревается и затем плавится, оставляя ровный рез.

Благодаря ряду факторов, одним из которых является теплопроводность, зона плавления металла быстро распространяется вглубь заготовки. Лазерный луч работает, воздействуя на поверхность детали, и доводит температуру в точке резки до кипения, в этот момент металл начинает испаряться.

Существует два вида лазерной резки металла:

1. Плавление.
2. Испарение.

Испарение металла предполагает работу оборудования большой мощности, вследствие чего возникают большие затраты энергоресурсов. Это далеко не всегда экономически целесообразно. Кроме того, этот способ не подходит для обработки толстых заготовок, что отражено в достаточно строгих требованиях к резке. Поэтому его применение ограничивается резкой тонкостенных изделий.

Лазерная резка способом плавления металла используется значительно чаще. В последнее время ее усовершенствовали использованием различных газов, таких как воздух, кислород, азот или инертные газы. Специальные установки вдувают их в зону проведения лазерной резки. Ознакомиться с видеозаписью данного вида работ можно набрав соответствующий запрос в Интернете.

Новшество позволило снизить затраты энергии, увеличить скорость резки и применять оборудование малой мощности для обработки более толстого материала. Однако правильнее было бы изменить название данного способа с лазерного на газолазерный.

Комплектация лазерно-гравировального станка с чпу

Стальной корпус станка изготавливают цельной или разборной конструкции. Разборные части корпуса легче транспортировать. В нижней части корпуса предусматривают ящики для хранения.

Рабочий стол состоит из ламелей, они легко и быстро снимаются и устанавливаются. Малогабаритные заготовки и мягкие материалы обрабатывают на ячеистой решетке.

Перемещение стола управляется вручную рукояткой или кнопкой с панели управления. При обработке толстых деталей используют подъемные столы. Для цилиндрических деталей предусмотрен ротор.

Стальные направляющие стола могут иметь прямоугольное или круглое сечение.

Модели с круглыми направляющими дешевле. Выше ценятся станки с роликовыми направляющими, обеспечивающими точность и скорость перемещения.

Комплектации лазерного станка

Отвод дыма и газа при работе происходит через вытяжку. Каждый станок комплектуется вытяжкой и компрессором.

Для точного прицела предусмотрен лучевой указатель. Красный свет луча указывает место обработки.

Электронный блок оснащается контроллером МРС 6535 и 6515, но популярны модели, надежные и простые в работе MPC 05.

Все станки оснащаются программным обеспечением под AutoCAD, LaserCut, Corel Draw.

Лазерная трубка

Один из основных параметров.

От мощности лазерной трубки зависит то, с какой скоростью станок будет работать и, какую толщину он способен прорезать за один проход. 

Мощность CO2 трубки бывает от 40 до 400 Вт. Но в работе чаще всего используются трубки до 180 Вт. У лазерных трубок есть не только мощность, но и срок службы. 

Например, настольные станки имеют мощность в 40-50 Вт и срок службы 1500-3000 часов. В среднеформатных станках, как правило, установлены трубки мощностью 60-80 Вт, и срок их службы 6500-10000 часов. 

А в широкоформатных идут уже более мощные трбки на 100-400 Вт со сроком службы 6500-10000 часов. Они предназначены скорее для резки, чем для гравировки, хотя могут выполнять обе функции. 

И не забывайте — если вы хотите продлить срок службы своей трубки, не нагружайте её больше, чем на 85 %. 

К примеру, если вы режете ткань, картон, то по большому счёту вам теоретически хватит и 50 Вт. Но с учётом того, что, например, рулон ткани имеет ширину в 1,5 метра, да и картон обычно тоже имеет большие размеры, можно предположить, что вы будете обрабатывать эти материалы на средних или широкоформатных станках. И здесь уже рекомендуется поставить трубку помощнее, где-то 80-100 Вт из-за длины оптического тракта.

О чём речь? Вот, например, на станке WATTSAN 1610 максимальное расстояние от трубки до материала составляет почти 3 метра. То есть, лезеру необходимо пройти всё это расстояние. И чем большее расстояние он проходит, тем больше он рассеивается. А чем больше рассеивается, тем больше теряет прорезающую способность. На таком расстоянии луч 50-ваттной трубки рассеется слишком сильно и будет малоэффективен.

Как правило, вам нужно от 10 Вт мощности для резки 1 мм фанеры. Но тут стоит учитывать, что фанеры тоже бывает разная. Она бывает с разными смолами, содержанием воды и из разной древесины. 

В других статьях мы расскажем подробнее о материалах. О том, как их правильно резать, настройки, какие выбрать комплектующие.

Для изготовления, например, сувенирной продукции из фанеры толщиной 5 мм вам подойдёт небольшой станок с лазерной трубкой мощностью 50 Вт. А для крупного мебельного производства вам понадобится большой станок и мощная трубка от 100 Вт. Если вам необходимо производить и резку, и гравировку, то вам подойдёт среднеформатный универсальный станок с мощностью трубки 50-80 Вт.

Всегда нужно исходить из вашей конкретной ситуации, смотря что вам нужно.

Нюансы использования лазерной резки для некоторых металлов

Высокая теплопроводность алюминия и плохая способность поглощать луч лазера из-за оптических и теплофизических характеристик металла определяют особенности его обработки.

Все это приводит к сложностям в раскрое металла. Аппаратура работает на компьютерном управлении и легко настраивается.

При работе с алюминием мощность луча лазера должна быть больше, чем для иных материалов.

Впрочем, на показатели мощности и скорость работ большое влияние оказывают толщина металла, а также процент алюминия, содержащийся в обрабатываемом материале.

Давайте рассмотрим, как работает лазерная резка данного металла. Она происходит на различном по режимам работы и мощности оборудовании твердотельного типа, а также на газовых устройствах.

Последние являются более мощными, могут работать импульсно или в непрерывном режиме.

А твердотельное оборудование, как правило, работает в точечном (импульсном) режиме.

Технологический процесс имеет ряд особенностей. Алюминий лучше режет лазерный луч, чем обычное оборудование для резки металла. Причина в том, что при работе лазером оборудование не касается заготовки, в отличие от иной аппаратуры.

Лазерный луч представляет собой сфокусированный пучок света, с помощью которого происходит резка. Точная фокусировка позволяет провести обработку алюминия с высокой скоростью. К месту работы подводится газ и создается его приток. Струя газа сдувает кусочки расплавленного металла с места реза, не давая им осесть, и делает поверхность ровной и гладкой.

Качественного результата можно добиться, проводя работу с меньшей скоростью. Поскольку она исключает любые деформации, как большие, так и маленькие.

Для исключения каких-либо шероховатостей на кромках реза, даже незначительных, при работе оборудования используется азот.

На аппаратура установлено программное обеспечение, которое дает возможность проводить сверхточную работу высокого качества. Кроме того, заготовку не надо закреплять перед началом работ, поскольку физический контакт между оборудованием и изделием отсутствует. Деталь лежит на поверхности без движения.

Автоматическое оборудование работает следующим образом: в компьютер вносится чертеж, выставляются требуемые параметры, далее ожидается окончание резки.

Латунь – это сплав красной меди и цинка. Хрупкость и твердость сплава определяются процентным содержанием цинка в нем – чем больше этого металла, тем выше данные показатели. Однако увеличение количества цинка ведет к непригодности использования латуни в технических целях, поскольку она практически не поддается резке. Установлено, что цинка в латуни может быть не более 42 %.

Латунь имеет высокую температуру плавления, поскольку сплав двухкомпонентный, то есть состоит из цинка и меди. Температура, необходимая для плавки латуни, как правило, имеет диапазон от 880 °С до 950 °С. Помимо этого, латунь обладает значительной теплопроводностью, устойчивостью к излучению лазера и повышенной твердостью.

Импульсный режим нагревает поверхность с короткими перерывами (импульсами), а не постоянно. Таким образом, уменьшается участок нагрева, что приводит к минимизации ширины реза и более высокому качеству краев. При резке латуни, которая имеет большую отражающую способность, оборудование работает в импульсном режиме, выдавая небольшую мощность лазерного луча при пороговой интенсивности.

Расплавный (плазменный) режим позволяет равномерно воздействовать теплом на зону разреза. Луч лазера раскаляет металл с помощью инертного газа. Плазма, которая образуется в ходе работы, сохраняет температуру по всей толщине заготовки.

Если торец изделия имеет шероховатость или пористость, это можно убрать с нижней стороны изделия. Лист меди очень плохо поглощает излучение. А оборудование для резки работает с малой скоростью. Помимо точного выбора режима работы, необходимо правильно выполнять условия лазерной резки листов металла различной толщины. Они различаются для алюминия, сталей, меди, а также сплавов ее с оловом, то есть бронзы, и с цинком, то есть латуни.

Качественный результат получается при использовании волоконных установок или Nd:YAG лазеров, имеющих длину волны 1,06 мкм. CO2-лазеры для резки латуни не годятся, поскольку ее поверхность их полностью отражает.

Охлаждение лазерной трубки

Тут я бы сделал разделение на три типа:

1. Чиллер CW3000 — достаточно бесполезный вариант. Суть его работы заключается в следующем. CW3000 — это емкость примерно на 9 литров с радиатором, помпой и вентилятором. Все. Как вы понимаете трубка достаточно быстро прогревает 9 литров и радиатор с вентилятором не справляются с охлаждением, так как станки устанавливаются в отапливаемых помещениях.
2. Помпа — не смотря на то, что этот вариант дешевле, но он оказывается эффективнее. Главное использовать большую емкость — от 35 литров. При такой емкости трубка никак не успевает нагреть воду. Главное, чтобы в помещении было не слишком жарко. Как правило, в большинстве пром. помещений и домах температура в районе 22 градусов это в пределах нормы.

   
   Но бывает люди покупают станок себе домой, а место есть только рядом с батареей. Это очень плохой вариант, но в данном случае можно замораживать бутылки с соленой водой в морозилке и на время резки класть их в емкость.

3. Чиллеры CW5000, CW5200 — не дешевый вариант, такие чиллеры просто необходимы для мощных трубок. Их преимущество заключается в том, что даже в жаркую погоду вы сможете работать на станке без каких-либо страхов за трубку, так как такие чиллеры работают по принципу холодильника.

Плюсы и минусы лазерной резки металла

Помимо достоинств, у технологии есть и недостатки. Ими являются высокая стоимость по сравнению с иными видами, неравномерная скорость изготовления и жесткие ограничения по размерам обрабатываемой заготовки. Лазерной резке можно подвергнуть листы с габаритами не более чем 15х30 м.

Рабочее поле

Лазерные CO2 станки с ЧПУ условно разделяются на настольные, среднеформатные и широкоформатные.

• Настольные — с рабочей зоной до 600/400 мм идеально подходят для работы в гараже или мастерской. Но также подойдут и для производства. Они занимают мало места, но при этом производительность позволяет делать большие партии изделий. 
• Среднеформатные — с рабочей зоной от 600/900 мм до 1600/1000 мм — самый распространённый формат на рынке. Такие станки используются, как в мастерских, так и на производствах разного масштаба. 
• Широкоформатные — со столом до 2000/3000 мм обычно используются для производства большого количества единиц продукции или изготовления крупных изделий. 

Очевидно, что для изготовления штучной или мелкосерийной продукции, типа небольших изделий из тонкой фанеры на 3-4 мм нет смысла покупать широкоформатный лазер. Вполне хватит среднеформатного или даже настольного. 

Вариантов множество. Вы можете взять один станок WATTSAN 1610 или WATTSAN 1290, или, например, вы можете взять два станка WATTSAN 6090. И в случае, если один из них выйдет из строя, то второй сможет продолжить работу.

Готовых решений здесь нет, и в каждом отдельном случае нужно индивидуально считать то, что подходит лучше именно для вас.