Устройство и принцип работы станка для лазерной резки металла

Обработку металла человек освоил в первобытные времена. Ранние века цивилизации названы в честь химических элементов, перевернувших историю — меди и железа, затем началась эпоха первого известного сплава — бронзы. Кузнечное искусство живёт много тысячелетий, в Древнем Риме создавались примитивные, но надёжные сварочные швы, а металлические изделия времён фараонов удивляют отличной сохранностью, высоким качеством и не всегда понятными нам технологиями.

Но лазерная резка металла появилась в арсенале мастеров лишь в середине ХХ столетия, одновременно с освоением космоса. Точнее, первые разработки относятся к 1960 году, а вот полноценная лазерная резка металла была проведена уже в те годы, когда спутники и ракеты перестали удивлять человечество. Разработка универсального оборудования возникла не на пустом месте — были использованы концепции Эйнштейна начала века. 

Первый лазер создал физик-теоретик Майман, используя синтетический рубин с зеркальным серебряным покрытием. В 1967 году были проведены работы с помощью лазерного станка, а спустя несколько лет началось их медленное внедрение в производство. Причина паузы — высокая стоимость первых станков, их низкая мощность и огромное потребление электроэнергии. 

На промышленный уровень этот метод вышел только к третьему тысячелетию. Революционным стало создание насадки. Изобрёл её Хулдкрофт, обеспечив подачу кислорода для облегчения резки — скорость обработки стального листа при этой технологии достигла метра в минуту при толщине металла 2,5 мм.

Какие существуют сегодня лазерные станки

Лазер «работает» с различными материалами. Но именно резка металлов сегодня востребована практически во всех производственных областях. В зависимости от обрабатываемого материала и технологической задачи используются несколько видов станков. Большинство моделей предназначено для раскроя листов в автоматическом режиме — станки работают с металлом различной толщины, обеспечивают точность и скорость резки. 

Основные типы оборудования:

1. CO2-лазеры в редких случаях могут работать и с металлами (если на их поверхность нанесена термопаста), но основная их задача — обработка с высокой скоростью пластика, стекла, дерева, резины и других неметаллов. Выполняют не только резку, но и гравировку, тонкую сварку.
2. Оптоволоконные — с минимальными операционными расходами и максимальной точностью обеспечивают обработку металлов и отражающих материалов. Основные характеристики — низкое энергопотребление и беспроблемное обслуживание. Подходят для большинства металлов и сплавов — от резки стали до серебра, от латуни до меди. Не используются для работы с неметаллами. 
3. Волоконные лазеры и Nd:YAG. Область применения — керамика и металлы, в том числе отражающие и тугоплавкие.
4. Ультрафиолетовое оборудование — работает без прямого контакта. Используется для маркировки, гравировки и микрообработки с высокой точностью. 

Оптимальный тип станка определяется не только по обрабатываемому материалу, но и целому комплексу критериев: 

• сложность задач;
• толщина материала;
• скорость операции;
• размер деталей;
• зона обработки;
• объём производства.

Из чего состоит и как действует лазерный станок с ЧПУ

На обрабатываемую деталь направлен высокотемпературный луч, который выжигает поверхность. В зависимости от настройки станка, он может выполнить сквозной рез или снять поверхностный слой. 

Несмотря на различие конструкций и задач, устройство большинство лазерных станков включает в свою схему:

1. Излучатель — это может быть твердотельный или газовый лазер, а также генерирующий луч.
2. Координатное устройство — двигатель + привод + исполнительные механизмы. Его задача — обеспечить перемещение лазерного луча.
3. Датчики, входящие в единую систему автоматизированного управления.
4. Система, которая готовит газовый состав и выводит его к месту реза.
5. Система фокусировки, дополненная юстировочным лазером, поворотными зеркалами и оптикой.
6. Стабилизатор напряжения.
7. Чиллер — его параметры зависят от мощности лазера.

Поскольку конечная задача лазерного оборудования схожа с работой фрезеровочных станков, многие модели имеют и внешнее сходство. В первую очередь это относится к оборудованию для работы с плоским прокатом. Более сложная конструкция у станков для резки труб и профилей. Основное отличие от фрезы — лазер действует бесконтактным способом. 

Важно: любой контактный способ резки подразумевает появление стружки, иных механических отходов. Лазерная обработка означает, что лишний материал «испаряется» — происходит изменение его структуры.

Отличия от других методов резки

Помимо технических преимуществ (точность, оперативность), лазерная резка означает и финансовое преимущество — даже в том случае, если речь идёт о небольшой партии заготовок.

Основные плюсы резки с использованием лазерного оборудования: 

• скорость работы даже при больших объёмах производства;
• возможность создать пропил (рез) минимального диаметра;
• незначительное коробление;
• широкий диапазон толщины обрабатываемого металла, включая изделия менее 0,1 мм;
• точность значительно выше, чем при плазменной и газовой резке;
• работа как с 2-х, так и с 3-х мерными заготовками;
• беспроблемное выполнение резки или гравировки сложной конфигурации;
• простота настройки параметров станка;
• гибкость — не требуется постоянная смена инструмента для выполнения различных задач.

После лазерной резки детали не нуждаются в дополнительной обработке. Если верно подобраны и установлены параметры, то лазерный станок без проблем справляется с хрупкими материалами и заготовками, которые могут деформироваться при других видах резки.

Модели станков с ЧПУ включают в конструкцию контроллер, который позволяет выставить все необходимые характеристики обработки материала. Его задачи:

1. Регулировка частоты вращения инструментов и подвижных элементов станка.
2. Смена инструмента.
3. Обеспечение зажима заготовки.
4. Настройка точности.
5. Корректировка действий инструмента.

Лазерные станки без проблем интегрируются в уже действующие производственные схемы, не требуя их серьёзной модернизации. 

С какими задачами справляются лазерные станки

Резка, сварка и гравировка — это общие задачи для лазерного оборудования. Конкретный алгоритм работ зависит от назначения детали:

• изготовление элементов строительной конструкции;
• производство сувениров;
• создание интерьерного декора;
• штамповка указателей и табличек;
• работа над компонентами электротехнических устройств.

Производственные сферы, для которых требуется лазерная резка, различны — от судостроения до автомобильной промышленности, от работы с сельхозтехникой до строительства. Различные модели станков используются в аэрокосмической отрасли и горнодобывающей индустрии.

Немного о гравировке

При этом методе погрешность изображения не превышает 0,01 мм. За одну секунду наносятся десятки точек. Лазерная гравировка имеет дополнительные преимущества:

1. Создание сложных изображений. 
2. Работа с 3D-эффектом. 
3. Точность конфигурации. 
4. Долговечность гравировки.
5. Возможность нанесения сверхтонких линий. 
6. Прорисовка мелких деталей. 
7. Минимальный температурный режим, гарантирующий сохранность материала.

Отсутствие контакта предотвращает деформацию материалов. Не потребуются и дополнительные расходники: никаких химических красителей, штампов, чернил. Возможно создавать многослойные изображения, маркировать медицинские инструменты и выполнять гравировку на космическом оборудовании.