Станки дома Основной принцип лазерной резки
Лазерный луч (так называемый лазер) – это когерентное монохроматическое вынужденное излучение узкой направленности, инициатором которого в активной среде выступает внешний энергетический фактор (электрический, оптический, химический и т. д.). В основе этого физического явления лежит способность веществ излучать волны определенной длины.
Фотонное излучение происходит в момент столкновения атома с другим когерентным (идентичным) фотоном, который не поглощается в процессе. Фотоны, которые при этом становятся «лишними», и образуют лазерный луч.
Принцип лазерной резки заключается в том, что излучение оказывает тепловое воздействие на обрабатываемые материалы. В процессе обработки происходит нагревание металла до температуры плавления, а затем до температуры кипения, достигнув которой материал начинает испаряться. В связи с высокой энергозатратностью, такая обработка подходит для металлов небольшой толщины.
Работа с относительно толстыми листами выполняется при температуре плавления. Для облегчения процесса применяют подаваемый в зону обработки газ. Чаще всего пользуются азотом, гелием, аргоном, кислородом или воздухом. Задача газа заключается в удалении из области резки расплавленного материала и продуктов сгорания, поддержании горения металла и охлаждении прилегающих зон.
Благодаря высокой концентрации энергии лазерный луч проникает в материал обрабатываемой детали. За счет его воздействия в зоне резки происходит расплавление, испарение, воспламенение или другие процессы, меняющие структуру металла и вызывающие его исчезновение.
Лазерная резка схожа с обычной механической, но вместо режущего инструмента используется луч лазера, а также нет отходов, которые при механической обработке представляют собой металлическую стружку, а при работе с лазером они просто испаряются.
Срез металла при лазерной обработке очень тонкий, к тому же сама область реза очень мала (включая минимальную деформацию и температурную нагрузку на прилегающие зоны). Благодаря этим особенностям резка лазером является наиболее высококачественным способом обработки металлов.
К тому же принцип лазерной резки позволяет использовать ее в работе практически с любыми материалами, независимо от конструкционных особенностей, формы и размера (включая бумагу, резину, полиэтилен и др., которые в силу мягкости или малой толщины не могут быть обработаны фрезой).
Возникновение лазерного луча можно описать следующим образом – за счет источника энергии активная среда (к примеру, рубиновый кристалл) из внешней среды получает фотоны, имеющие определенной энергию. Проникая в активную среду, фотоны вырывают из ее атомов аналогичные частицы, однако сами в процессе не поглощаются.
Активная среда дополнительно насыщается за счет действия оптического резонатора (например, двух параллельно расположенных зеркал), благодаря чему имеющие одинаковую энергию фотоны многократно сталкиваются с атомами, тем самым порождая новые фотоны. Одно из зеркал оптического резонатора делают полупрозрачным, позволяющим пропускать фотоны в направлении оптической оси (в виде узконаправленного луча).
Лазерная резка металлов обладает следующими преимуществами:
- Поскольку режущий элемент не вступает в механический контакт с разрезаемой поверхностью, возможно обрабатывать легкодеформируемые или хрупкие материалы.
- Принцип лазерной резки позволяет работать с металлами, имеющими различную толщину. У стальных заготовок она может варьироваться от 0,2 до 30 мм, у алюминиевых сплавов – от 0,2 до 20 мм, у медных и латунных деталей – от 0,2 до 15 мм.
- Лазерная резка отличается высокой скоростью.
- Этот способ позволяет работать с заготовками, имеющими любую конфигурацию.
- Благодаря лазерной резке детали имеют чистые кромки, а отходы практически отсутствуют.
- Резка отличается высокой точностью – до 0,1 мм.
- Плотная раскладка заготовок на листе обеспечивает более экономичный расход листового металла.
Этот способ обработки имеет и определенные недостатки, в первую очередь речь идет о высоком потреблении энергии, а также об использовании дорогостоящего оборудования.
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.
Если же вы, к примеру, гравируете на хоккейных шлемах, то высота опускания рабочего стола будет для вас очень важна.
Вы же не сможете просто расплющить шлем, сделать гравировку и после этого вернуть его в исходное состояние.
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.
Ремни постоянно приходится регулировать, раз в неделю нужно тратить, как минимум три часа, на то, чтобы привести их в порядок.
Поэтому берите станок с цепным приводом опускания стола и всё будет без проблем.
Как сделать плазменный станок самому?
При невозможности приобрести дорогостоящее оборудование можно сделать лазерный станок с ЧПУ своими руками. Однако при самостоятельной сборке нужно понимать, что собрать получится половину станка. Остальные детали придётся покупать в готовом виде. Таким образом сокращаются расходы примерно на 60%. Своими руками можно сделать станину, рабочий стол, установить систему охлаждения и поставить защитные элементы.
Для изготовления каркаса используются металлические профиля, уголки или трубы. Изначально важно определиться с размерами рабочего стола, чтобы сделать устойчивое основание. Все соединения металлических элементов необходимо выполнять с помощью сварки.
Плазматрон придётся приобрести готовый. Существуют различные советы и варианты того, как изготовить эту деталь самостоятельно, однако с помощью самоделки не получится поддерживать качество работы на должном уровне. В качестве генератора постоянного тока требуется выбрать инвертор.
При изготовлении самодельного станка необходимо покупать экранированные кабели. Это связано с тем, что на сигнал ЧПУ влияют помехи от работы других электроприборов.
Процессоры и платы для управления шаговыми двигателями требуется купить готовыми или сделать самостоятельно. В интернете есть подробные чертежи по их распайке. Также нужно докупить крепёжные элементы, кнопки регулировки работы станка и охлаждающую систему.
Мастера, которые делали самодельные станки, рекомендуют изначально приобретать плазмотрон и управляющую систему и, уже основываясь на их характеристиках, создавать чертеж станины и рабочего стола. Перед включением оборудования важно проверить соединительные элементы и подключение проводов.
Лазерный станок с ЧПУ по металлу считается незаменимым при нанесении гравировки и разрезании металлических деталей. Чтобы не ошибиться с выбором, нужно проверять его основные элементы. При желании можно собрать оборудование самостоятельно.
Какие лазеры используют для резки
Линейка лазерных установок достаточно велика. В основе классификации обычно лежит вид активной среды (лазеры могут быть твердотельными, газовыми, полупроводниковыми), тип подачи энергии (импульсные установки или имеющие постоянную мощность), размеры оборудования, мощность излучения, назначение и т. п.
Выбирая подходящий вид лазерной резки следует исходить из типа материала, который необходимо обработать. При помощи углекислотных лазеров можно выполнять многочисленные операции (резку, гравировку, сварку) с различными материалами (металлами, резиной, пластиком, стеклом).
При необходимости раскроя листов латуни, меди, серебра, алюминия лучшим выбором станет твердотельная волоконная установка. С ее помощью обрабатывают только металлы.
В зависимости от типа рабочей среды существует следующая классификация лазеров:
Основной элемент твердотельных лазерных установок – осветительная камера, в которой расположены источник энергии и твердое рабочее тело. В качестве источника энергии выступает мощная газоразрядная лампа-вспышка. Рабочее тело представляет собой стержень, выполненный из неодимового стекла, рубина или алюмоиттриевого граната, легированный неодимом или иттербием.
С обоих торцов стержня размещены зеркала, одно из которых является отражающим, второе – полупрозрачным. Рабочее тело создает лазерный луч, который, многократно отражаясь и при этом усиливаясь, проходит сквозь полупрозрачное зеркало.
Рекомендуем статьи по металлообработке
Волоконные установки также входят в число твердотельных. В качестве источника энергии в таком оборудовании выступает полупроводник, а для усиления излучения используется стекловолокно.
Чтобы понять принцип лазерной резки и работы установки в целом, обратимся к оборудованию, в котором рабочая среда представлена гранатовым стержнем, в качестве легирующего материала выступает неодим. Ионы неодима играют роль активных центров. За счет поглощения излучения газоразрядной лампы они возбуждаются, то есть получают излишнюю энергию.
При возвращении ионов в первоначальное состояние происходит отдача ими фотонной энергии, т. е. электромагнитного излучения (света). За счет фотонов в обычное состояние переходят и другие возбужденные ионы. Этот процесс носит лавинообразный характер. Благодаря зеркалам лазерный луч движется в заданном направлении.
В качестве рабочего тела таких установок выступает углекислый газ в чистом виде либо в смеси с азотом и гелием. Посредством насоса газ поступает в газоразрядную трубку. Для возбуждения используются электрические разряды. Усилению отражения также способствуют зеркала – отражающее и полупрозрачное. В соответствии с конструктивными особенностями установки могут иметь продольную и поперечную прокачку или быть щелевыми.
Газодинамические лазеры относятся к самым мощным установкам. В качестве активной среды в них выступает углекислый газ, температура которого варьируется от 1 000 до 3 000 К ( 726… 2726 °С). Для возбуждения используют вспомогательный маломощный лазер. Проходя со сверхзвуковой скоростью сквозь сопло Лаваля (канал с сильным сужением посередине), газ подвергается резкому расширению и охлаждению. Атомы газа, возвращаясь в первоначальное состояние, активируют излучение.
Какие параметры нужно учитывать при лазерной резке металлов
Лазерная резка подходит для работы не только с металлами, но и с резиной, линолеумом, фанерой, полипропиленом, искусственным камнем и стеклом. Обработка лазером применяется в приборо-, судо- и автомобилестроении, для создания элементов электротехнических устройств, сельскохозяйственных машин. Используя принцип лазерного раскроя, изготавливают жетоны, трафареты, указатели, декоративные элементы интерьера и пр.
Принцип лазерной резки зависит от многих параметров. Необходимо учитывать, с какой скоростью выполняется обработка, лазер какой мощности при этом используется, какова его плотность, фокусное расстояние, также учету подлежат диаметр луча и состав излучения, а также марка и вид обрабатываемого материала.
Например, скорость резки низкоуглеродистых сталей примерно на 30 % выше, чем при работе с нержавейкой. Снижению скорости практически в два раза способствует замена кислорода обычным воздухом. Лазер мощностью 1 кВт разрезает алюминий со скоростью примерно 12 м/с, титан – 9 м/с (при использовании кислорода в качестве активной среды).
Разберем принцип лазерной резки на следующем примере. За основу берем мощность лазера 1 кВт, в качестве активной среды выступает кислород, подаваемый в рабочую область под давлением 0,5 МПа, диаметр луча равен 0,2 мм.
Толщина заготовки, мм | Оптимальная скорость резки, м/с | Ширина реза, мм | Шероховатость кромок, мкм | Неперпендикулярность, мм |
1 | 10-11 | 0,1–0,15 | 10–15 | 0,04–0,06 |
3 | 6-7 | 0,3–0,35 | 30–35 | 0,08–0,12 |
5 | 3-4 | 0,4–0,45 | 40–50 | 0,1–0,15 |
10 | 0,8–1,15 | 0,6–0,65 | 70–80 |
Еще одним преимуществом лазерной резки является ее точность, измеряемая в процентном отношении. В основе требований к названному параметру лежит толщина обрабатываемой заготовки, а также цели ее дальнейшего использования. При работе с металлическим профилем, толщина которого достигает 10 мм, погрешность варьируется от 0,1 до 0,5 мм.
На скорость резки влияет также теплопроводность обрабатываемого металла. Чем более высоким будет этот показатель, тем больше энергии необходимо для обработки, поскольку тепло из рабочей зоны будет отводиться более интенсивно. К примеру, лазер, мощность которого составляет 600 Вт, без труда справится с черными металлами или титаном.
Малоуглеродистая сталь | Инструментальная сталь | Нержавеющая сталь | Титан | |||||||
Толщина, мм | 1,0 | 1,2 | 2,2 | 3,0 | 1,0 | 1,3 | 2,5 | 3,2 | 0,6 | 1,0 |
Мощность лазера, Вт | 100 | 400 | 850 | 400 | 100 | 400 | 400 | 400 | 250 | 600 |
Скорость резания, м/мин | 1,6 | 4,6 | 1,8 | 1,7 | 0,94 | 4,6 | 1,27 | 1,15 | 0,2 | 1,5 |
Качество реза находится в прямой зависимости от принципа лазерной резки и выбранного режима работы. Характеристиками качества являются точность вырезанной заготовки, ширина реза, шероховатость и ровность поверхностей кромок, присутствие на них частиц оплавленного металла (грата), глубина реза. Однако основное значение имеют такие параметры, как скорость резки и толщина детали.
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.
Лазерные станки с чпу купить в москве по низким ценам
Тайная жизнь лазерных граверов
Хоть мы и не видим их на каждом углу, результаты их труда окружают нас повсеместно. Качество и скорость работы, обеспечиваемые лазерными станками, на многих производствах остаются недостижимыми для традиционных методов обработки. Лазерные маркёры, гравёры, аппараты сварки и резки металлов и т.д. Список действительно огромен и лазеры продолжают захватывать мир.
Но, Петька, есть нюанс(с). Как и все наукоёмкие истории, лазерная техника уже достаточно успела обрасти слухами и мифами о своих безграничных возможностях. Возможностей там действительно вагон (или два), но физику никто не отменял.
Вооружившись острым желанием узнать, как это всё работает, было принято решение направиться за комментариями в питерский офис . Они занимаются разработкой лазерных граверов и маркёров уже 15 лет и, вероятно, что-то в них понимают.
Много фотографий под катом.
Зри в корень
Сразу надо запомнить самое важное во всей этой гравировочно-маркировочной истории: необходимые параметры для промышленного применения в металлообработке нам могут дать только волоконные лазеры. Реальной альтернативы им пока не существует. Газовые, твердотельные и прочие лазеры работают отлично, но в других сферах применения.
Возникает вопрос: чем же так замечательны волоконные лазеры? Во-первых, это отличное качество оптического излучения. Через 100 000 часов работы изменение характеристик лазера будет или пренебрежимо мало, или вообще не будет. Хотя это и не значит, что за ним можно совсем не следить.
Мини Маркер 2. Самый популярный станок Лазерного Центра. Лазер спрятан в красном ящике снизу.
Но главное – это длина волны генерируемого излучения и как она взаимодействует с материалами. Каноничный углекислотный лазер работает на длинах волн 9,6-10,6 мкм. Такое излучение отлично поглощается органикой, поэтому для медицинского использования они подходят лучше, чем волоконные лазеры, работающие на примерно 1-1,5 мкм.
Строго говоря, длина волны – это, как паспорт, идентификационный документ у лазера. В зависимости от длины волны материалы по-разному взаимодействуют с излучением. Варианта всего три: излучение можно поглотить, отразить или пропустить. Хрестоматийный пример — это стекло, которое поглощает УФ волны, но отлично пропускает видимый диапазон спектра.
Демо-пластинка станка Мини маркер 2. Такие пластинки призваны показать максимум возможностей станка (качество изображения, работа с цветом и т.д.) и делаются прямо при вас.
И третий важный параметр — диаметр пятна в фокусе облучения. При одинаковой излучаемой мощности и фокусном расстоянии у волоконного лазера пятно меньше, и, следовательно, плотность поглощаемой энергии примерно в 100 раз выше (площадь круга ), чем у -лазера. Отсюда ещё большее удобство работы с металлами.
Ну и в завершении — небольшие габариты излучающего тела. Особенно, если сравнивать с газовыми лазерами.
И чтобы завершить вступление на мажорной ноте и вызвать гордость за соотечественников: лидером в отрасли разработки и производства волоконных лазеров является корпорация IPG Photonics, созданная аспирантом МФТИ В.П. Гапонцевым. Вообще, можете принять по дефолту: видишь лазер, ищи след русских физиков =)
Процесс гравировки пластины с предыдущей фотографии. Делается буквально за пару минут.
К слову, рынок волоконных лазеров сейчас оценивается примерно в 2 миллиарда долларов, из которых 1,5 – это IPG. А небольшой кусок этой корпорации НТО «ИРЭ-Полюс», с которого и начались волоконные лазеры, занимает десятое место среди несырьевых экспортёров в России. Девятое — Рособоронэкспорт. Выводы делайте сами.
Матчасть
Теперь давайте разбираться, что же такое волоконный лазер.
Когда говорится про , рубиновый, волоконный или любой другой лазер, имеется в виду активная среда, которая генерирует лазерное излучение. Три минуты про то, что же такое сам лазер.
Из дерева, и пластика, лазером можно вырезать вот такие милые штуки
В 1964 году советским учёным Николаю Басову и Александру Прохорову в соавторстве с американцем Чарльзом Таунсом, вручили Нобелевскую премию за создание лазера. Они открыли, что в некоторых веществах при облучении их электромагнитной энергией, электроны начинают переходить на более высокие энергетические орбиты.
А при обратном переходе на более низкую энергетическую орбиту они излучают фотоны с энергией в один квант. А что такое один квант? Это энергия одного фотона =) Далее происходит основная магия: если летящий фотон попадает в другой электрон, находящийся на высоком энергетическом уровне, происходит выработка нового фотона, полностью идентичного попавшему, и лететь он будет в том же направлении.
Далее эти два фотона выбивают четыре, те выбивают восемь и так далее, пока на границе активного вещества не откроют так называемый затвор, и из вещества вылетает поток излучения, состоящий из абсолютно одинаковых фотонов. Всё это происходит на скорости света, поэтому в современных лазерах длительность импульса может измеряться в пико- и фемтосекундах (это -12 и -15 степени, соответственно).
Самый первый (буквально) проданный гравировочный станок. Его специально искали и выкупили обратно.
Теперь немного математики. Предположим, у нас стандартный волоконный лазер средней мощности в 10 Вт с длительностью импульса 100 наносекунд (-9) и частотой импульсов 20 кГц. Энергия одного импульса 1 мДж. Диаметра пятна 50 мкм.
И если внимательно посмотреть на этот импульс, то получается за сек. мы передали 1 мДж. А если так работать без остановки целую секунду, то получаем 10.000.000 (раз) по 0,001 Дж (это энергия). Итого 10 000 Вт. Можете себе представить каково материалу, когда в каждые 50 мкм вкачивают 10 КВт.
Здесь отрабатывается технология глубинной гравировки для получения объёмных изображений поразительной чёткости. Этакий 3D принтер наоборот. Процесс может длится несколько дней, в течении которых изделия нельзя трогать. Поэтому в лаборатории они максимально тяжёлые.
Теперь вспоминаем китайские лазеры, дающие пятно в несколько раз больше. Если радиус пятна больше в три раза, его площадь больше в девять раз, получается, что при прочих равных китайский лазер будет работать не как на 10Вт, а как ~1Вт (это ещё позитивный сценарий).
Теперь немного про сам волоконный лазер. Как не трудно догадаться, здесь роль излучающего тела играет длинный кусок оптоволокна. Не совсем того, по которому к вам сейчас бежит интернет, но суть та же, просто структура волокна сильно другая. В чём прелесть волоконного лазера — элементарное охлаждение активной среды.
Пока инженеры ломают голову над задачей равномерного охлаждения колбы с газом или целого кристалла, со струной оптики такой проблемы нет совсем. Фактически, её можно просто намотать на круглый кусок алюминия, сказать, что это радиатор, и на этом проблема охлаждения решена.
Что получается в конце. Моя камера не может передать степень детальности изображений, но поверьте — глаз буквально режет их идеальная чёткость.
Другая легко решаемая задача — накачка излучением. К волокну припаивается светодиод, через ответвитель – ещё один, затем ещё и ещё, и так сколько угодно раз, пока не получим нужный поток.
Денежный вопрос
Почему же именно лазерные граверы вызывают максимальный интерес у владельцев производств? Как это ни странно, но у людей конечное количество денег и максимальный интерес всегда вызывает самая дешевая технология, дающая приемлемый результат. Поэтому если взять условную тысячу лазерных станков, 900 будет для маркировки и только 100 для резки, сварки и прочих аддитивных технологий.
Аппарат лазернй резки за работой. Итоговое изделие не решетка, а то, что было в пустых ячейках.
Как мы договорились ранее, скорее всего, лазерные модули у всех от одного производителя. Значит, остаётся научиться извлекать из него пользу. Для этого нам надо собрать станок, представляющий из себя маркерное поле и вертикальную штангу, по которой будет передвигаться оптическая система (всё вместе это называется сканаторная система).
Почему не зафиксировать оптику в одной точке? Ответ опять в деньгах — гораздо проще сделать штангу с моторчиком, чем изобретать объектив с переменным фокусным расстоянием. Блок питания и лазер можно спрятать в основании станка, после чего дело за малым — много раз поменять все детали в поисках сочетающихся наилучшим образом да написать софт (табличка сарказм).
Пример из медицины. В держателе установлен штифт, на котором гравируется очень специальный микрорельеф, чтобы клеткам окружающих тканей было проще на нём закрепиться. Такая манипуляция в разы повышает эффективность штифта.
В случае станков лазерного центра, всё пишется под Windows, т.к. большинство производств работает на технологиях Microsoft и устраивать с ними войну форматов нет никакого желания. Рыночек порешал, как принято сейчас говорить.
Вопрос кривых поверхностей
Внимательный читатель задаст вопрос — вот вы говорите, что изделие должно находиться в фокусе. А значит, его поверхность должна быть довольно гладкой. Но посмотрим на банальную ручку, она же круглая! Как же нанести надпись на такую кривую поверхность? Абсолютно правильный вопрос!
Совершенно забыл, как эта штука называется, но тут всё наглядно. Традиционными методами такое делать очень долго, дорого и трудно.
Для этого надо рассмотреть, как работает оптическая часть гравёра. Если мы в объективе поставим обычную линзу, то луч будет фокусироваться в сферу. В принципе, это должны знать все из школьного курса физики. А вот про что в школе не говорят, так это про возможно спроектировать объектив таким образом, что луч начнёт фокусироваться в плоскость.
Конечно, ближе к краям плоскости луч будет немного выходить из фокуса, без этого никак. Но это уже разговор про допуски и погрешности. Можно с этим бороться созданием всё более и более сложных объективов, но экономически это неоправданно(не опять, а снова).
Высокотехнологичная насадка из пластика для выставления фокуса. Лучше и проще в мире ещё не изобрели. Серьёзно.
Как тогда с этим бороться? Да никак! Хороший лазерный луч в фокусе позволяет достигать нам около микронных точностей. Даже если к границе рабочего поля эта точность упадёт до нескольких микрометров, без микроскопа мы это не увидим. Поэтому если нам требуется действительно высокая точность, мы можем искусственно ограничить размер рабочего поля, чтобы луч оставался в пределах необходимых погрешностей.
Все промышленные станки идут со своей станиной, куда обязательно интегрируется бесперебойник. У него ровно одна задача: запомнить последнее действие и отключить станок. Когда питание будет возвращено, обработка продолжится с той же точки.
Другой важный момент — размер пятна лазера. Как бы мы здорово ни настраивали оптику и источник лазерного излучения, мы никогда не получим бесконечно малую точку. Это всегда будет пятно, размер которого зависит от оптической системы, длины волны лазера и качества самого лазерного излучателя.
Это то самое, из-за чего IPG Photonics стали практически монополистом рынка. Они умудряются делать лазеры, у которых пятно может быть в десятки раз меньше китайских аналогов. А меньше пятно – больше мощность на его площади, выше эффективность и т.д.
Одна из производственных лабораторий. Люди уже ушли, но часть гравёров была занята своим делом. Работать несколько суток без перерыва для них нормальный режим.
Поэтому с ручкой (и другими не критично изогнутыми поверхностями) всё просто — без микроскопа мы не увидим, что края гравировки на скате будут размыты чуть больше, чем на верхней части, по которой выставляется фокус. На сленге лазерщиков это называется перетяжка — тот перепад высот, с которым данный станок может работать.
А бывают изделия (например, тончайшие сеточки, применяемые в сосудистой хирургии, именуемые стенты), где точность критична и такие изделия вырезаются исключительно из плоских заготовок. Тут много специфических нюансов: если мы работаем с многослойной электроникой, где толщина слоя доходит до 10 микрон, приходится учитывать даже материал поверхности, на которой располагается заготовка.
При термическом расширении 2мм на метр за каждые 20 градусов, материал подложи считается не подходящим. Поэтому в качестве подложки может быть использована гранитная плита (определённого типа гранита): прекрасный термический коэффициент и определённая виброустойчивость.
Пример станка собранного на гранитной станине.
О материалах
Если посмотреть на упаковку практически чего угодно произведенного в фабричных условиях, вы скорее всего обнаружите следы работы лазерного маркёра. И скорее всего, это будет буквенно-цифровой код черного цвета. Значит ли это, что при маркировке лазер выжигает верхний слой материала, оставляя после себя пепел, тлен и уныние? Нет.
При разработке технологий требующих микронную точность, всё контролируется микроскопом.
В предыдущем абзаце мы уже упомянули размер пятна лазера. Тут всё кажется простым. Хочешь больше мощности — делай маленькое пятно, не нужная большая мощность — можно обойтись большим. Но почему-то мы забыли о материалах, с которыми взаимодействует лазер, и техпроцессах, коих много: испарение, оплавление и т.д. Но сейчас нас интересует только один — изменение структуры материала.
Смертельный номер — eucariot суёт руку прямо под луч лазера. Однако руку не отрезало, не обожгло и вообще ничего не произошло: излучение не в фокусе, поэтому его мощность рассеивается на большой поверхности. Но если-бы он опустил руку…
Пока физики ищут размер пятна, смотря на распределение Гаусса (да, опять оно), оптики его просто назначили. Там, где излучение падает в раз, и находится граница нашего оптического пучка. Но простым людям этот раз ехало болело. Нам важно просто определить место (и его границы) где происходит наш техпроцесс.
И тут всё внимание объекту, на который мы светим. Каждый материал по-разному реагирует на разные длины волн и мощность излучения. Например, если в пластик (краску и т.д.) добавлять пигмент, активируемый определённой длиной волны, у него появляется интересное свойство.
Мы помещаем такое изделие под лазер, основной материал никак не реагирует на приходящее излучение, а пигмент «активизируется» прямо внутри материала, т.е. мы работаем только с ним. На выходе наше изделие будет без нарушения целостности, но с надписью, интегрированной в саму структуру материала.
Это очень ценят на производствах с агрессивной средой, где надпись краской может стереться, а штамповка запачкаться до не читаемости. На фото, например, бирка для коровы. Пока бирка сама не развалится, надпись будет оставаться читаемой. Сделана она из полипропилена, который очень плохо (читай никак) взаимодействует с волоконным лазером, зато добавки в нём только и ждут, чтобы их облучили. Они принимают на себя всю энергию, которую передают полипропилену. Этакий посредник получается.
Те самые бирки для коров с нестираемым изображением и другие изделия из пластика.
С обратной историей сталкивались все, кто удалял себе лазером татуировки: лазерное излучение проникает в кожу, практически никак не взаимодействуя с ней, зато поглощается краской, разрушая её. На прозрачности кожи для определённых длин волн основано всё применение лазеров в косметологии, хирургии и прочей медицине.
Цвета побежалости
Другое интересное применение лазерных граверов, это создание цветных рисунков на металле. В основе технологии лежат цвета побежалости и давайте разбираться, что это такое.
Как все мы знаем, металлы любят взаимодействовать с атмосферой — это называется окисление. Какие-то металлы окисляются быстро, какие-то медленно, но, если его нагреть, окисление всегда будет происходить здесь и сейчас.
Пример возможных цветов на конкретном изделии.
При интерференции белого света на тонких оксидных плёнках нам кажется, что поверхность изменила свой цвет. Эффект отлично известен абсолютно всем, кто хоть раз или нагревал любую железку или разглядывал свежий сварной шов: на металле появлялись радужные разводы.
Цвет напрямую зависит от толщины оксидной плёнки, а значит, если мы знаем свойства металла и при какой температуре образуется плёнка какой толщины, то, устраивая локальный нагрев и комбинируя цветные точки, мы можем создавать цветные изображения на манер струйного принтера.
Прочность этих рисунков ограничивается прочностью оксидного слоя, и все они со временем бледнеют из-за естественных процессов образования новых плёнок поверх старых. Но пока всё свежее и цвета яркие, выглядит это очень эффектно.
Сверху видна плашка с палитрой возможных цветов и оттенков.
Насколько отечественные станки отечественные
Вопрос, который никак нельзя обойти при разговоре об отечественном производстве, так что давайте посмотрим как оно есть на самом деле.
85% стоимости станка — это лазер. Лазер делается у нас, в Подмосковье, на том самом НТО «ИРЭ-Полюс» с которого началось PG Photonics, которую основали наши же физики.
Оптика (стекла и зеркала) делаются тоже самостоятельно, только стекло покупается в Англии. К сожалению, оптических производств, обеспечивающих необходимое качество у нас нет. Двигатели и точную механику для сканаторов в мире делают три компании (две английские и одна немецкая), поэтому их закупают там.
Весь софт написан в России с нуля.
Сборочный участок. Все станки — полностью ручная сборка.
Вот такая вот структура отечественных хороших лазерных станков. Критиковать или нет отечественных станкостроителей, разрабатывающих и собирающих станки из зарубежных компонентов, — дело лично каждого. Просто надо понимать, что части компонентов на отечественном рынке просто нет.
Если взять всё отечественное станкостроение, которое делает хоть что-то, и заявляет свою продукцию как отечественного производства, их доля рынка оценивается примерно в 8%, т.е. в массе своей они не могут закрывать даже потребности отечественного рынка, не говоря про экспорт своей продукции.
Мозг лазерного гравёра.
Про конкуренцию с китайцами
Вы удивитесь, но её нет. Но именно в промышленной металлообработке и волоконных лазерах. В вот там да, лет 8 уже как цирк с конями и станки делают все подряд. На рынке ситуация сейчас довольно интересная. На всем известном алиэкспрессе есть множество станков примерно за 250 000 рублей.
Они довольно паршивые, повторяют друг друга и годятся только для домашних экспериментов. Есть станки уже промышленного уровня, стоят они в 2-3 раза дороже, и легально их никто сюда не возит. Конечно же, есть успешные последователи бизнес коучей и бизнес молодости, которые сделали красивый лэндинг, сгоняли в Китай, сделали там красивых фоток для каталога и продают станки по миллиону.
Дальше вопрос целевой аудитории. Если кто-то покупает себе станок для DIY в свою мастерскую, он не конкурирует с промышленниками. Это просто станок для каких-то своих мелких нужд. Если покупается станок у ребят с красивым лэндингом для производства, то скорее всего вы попадёте в схему.
Возможно, откровенное жульничество с тендерами, когда оборудование покупается просто по количеству ящиков. Возможно, вы обречёте себя на вечные ремонты платными специалистами с постоянными выездами к клиенту и донастройкой оборудования. А в зоне большой промышленности, где характеристики и результат не просто важны, а критичны, идёт борьба между тремя китами: плохо (объективно плохо), но дешево из Китая, дорого и хорошо из Европы, хорошо и дешевле чем из Европы, но из России.
Производства, где действительно вникают в характеристики оборудования и тщательно его выбирают, свой выбор сделали и отечественные станки продаются в Европу, Америку и на весь остальной мир.
Голова гравёра в процессе сборки
Вместо вывода
Вот такая вот история получилась про отечественные лазерные гравёры. Не слишком подробная, где-то поверхностная, но тема лазерной обработки огромна, и сложно охватить всё сразу. Представителей «Лазерного Центра» на Хабре нет, но все вопросы из комментариев я им передам.
UPD: Инвайты нашлись и отправлены, так что ждём ответов из первых рук. Спасибо всем.
Уйти и не отгравировать всё, до чего дотягиваются руки — выбор трусов!
Требования к чертежам для лазерной резки металла на станках с чпу
Процесс лазерной обработки происходит по специальным чертежам, содержащимся в векторных файлах. Станок лазерной резки металла с ЧПУ управляется программой, которая может принимать несколько форматов файлов, таких как: AI, DXF, CDR, PLT. Наиболее легкими в работе считаются два из них:
Существует несколько особенностей, знание которых важно для подготовки рисунков и векторных чертежей для лазерной обработки:
- Линии и их толщина. Луч лазера проходит по заготовке, оставляя рез, заложенный в программе. Тонкая узкая щель на чертеже должна быть обозначена прямоугольником, а не толстой линией. Линии на картинке должны быть обозначены Hairline или 0,001 px, что означает тонкий абрис. Толстые линии следует сделать отдельными объектами. Порядок действий: в Inkscape следует выбрать «Контур/Оконтурить объект(обводку)», а в CorelDraw – «Упорядочить/Преобразовать абрис в объект».
- Линия, которая дублирует аналогичную. Нередко возникают двойные линии, расположенные друг над другом. Лазерный аппарат при этом дважды режет одно и то же место, что может привести к порче детали.
- Ширина разреза. Необходимо принимать во внимание наличие у лазерного луча собственной толщины, несмотря на небольшой размер. Ширина реза при обработке различных материалов отличается, но его размер не выше 0,2 мм. При производстве сборных деталей на чертеже следует делать наложение соприкасающихся граней.
- Цвет для линий. Каждый слой на чертеже имеет свой цвет. При необходимости проведения резки в определенном порядке полосы следует окрашивать в различные цвета. А в аннотации надо обозначить очередность обработки для всех цветов линий. В прочих случаях чертеж делают в одном цвете, приоритетным является черный.
- Заливка определенным цветом. Не следует делать заливку частей чертежа ни текстурой, ни цветом, поскольку программа не в состоянии распознать ее. А для оператора это вызывает затруднения в работе.
- Размер чертежа и его масштаб. Абсолютно все схемы должны иметь масштаб 1:1. Размер же изделия или набора изделий не должен быть более 49х29 см, что является размером рабочей поверхности.
- Повтор детали. При необходимости произвести несколько одинаковых изделий делают чертеж одного из них. Программа самостоятельно их размножит и правильно расположит. Вручную эту работу делать не нужно.
- Растровые изображения. Лазерное оборудование распознает только векторный чертеж, растровую графику просто игнорирует.
- Зазоры изделий. Детали с одной линией реза следует размещать встык, только не делать дублирующих линий (смотрите п. 2). Остальные изделия надлежит располагать с определенным зазором, величина которого зависит от толщины металла. Если толщина менее 2 мм, то зазор делается равным ей или более; если толщина более 2 мм, то зазор должен быть равен 4 мм или быть больше.
Достаточно часто встречается ситуация, когда заказчик работ имеет только растровый чертеж. Это может быть отсканированный документ или нарисованная картинка, как в электронном, так и в бумажном виде. В таком случае чертеж необходимо перевести в векторный формат.
Загрузка...