Лазерные станки с активной газовой средой – преимущества и недостатки СО2-лазеров

Компактные, недорогие лазерные станки с ЧПУ произвели настоящую революцию в области обработки. Совсем недавно основным способом производства изделий являлась контактная механическая обработка (резанием, ковкой, штамповкой и т.п.).

Однако технология обработки лазером имеет ряд существенных преимуществ:

• высокое качество и тонкость шва;
• высокая производительность;
• полное отсутствие твёрдых отходов;
• очень низкие шумы и вибрации;
• отсутствие сил резания (а равно – необходимости закреплять заготовку);
• чрезвычайно широкий спектр обрабатываемых материалов (включая тонкие и непрочные – бумагу, кожу, ткань);
• низкие затраты энергии;
• малый расход материала заготовок, отсутствие брака.

Кроме того, лазерные станки с ЧПУ весьма универсальны. Управляющие программы, построенные на базе обычных графических эскизов, дают возможность создавать весьма сложные программы на обработку. А возможности лазерного станка (даже базовые модели имеют три степени свободы движения «инструмента»-лазера) позволяют превращать заготовку в изделие, на 100% соответствующее своей виртуальной модели.

Преимуществом использования лазерного станка (особенно ценным для малых предприятий) является низкая себестоимость производства изделий. Во многом это связано с особенностями конструкции лазерной системы и типом применяемого лазера.

Устройство оптической системы

Лазерный станок с ЧПУ представляет собой монолитный несущий корпус с многочисленными отсеками для механических, электрических, оптических и электронных систем (включая процессор ЧПУ). Обрабатываемая заготовка размещается на рабочем столе – специальной ячеистой платформе, расположенной в самом большом отсеке корпуса («рабочем отсеке»). Рабочий отсек также содержит инструментальный портал, несущий головку лазерного излучателя. Портал представляет собой несколько подвижных зеркал, перемещающихся на подшипниках под действием исполнительных элементов – шаговых электродвигателей. Команды-импульсы на электродвигатели подаёт процессор ЧПУ – в соответствии с кодами управляющей программы (модифицированного графического эскиза готового изделия).

Таким образом, головка лазерного излучателя перемещается над заготовкой и последовательно «выжигает» лазером требуемый контур – в соответствие с маршрутом обработки. Лазерный луч генерируется специальной трубкой – и затем с помощью подвижных зеркал направляется к излучателю (как описано выше). Лазерная трубка представляет собой пустотелый стеклянный цилиндр, внутри которого запаяна активная среда.

Большинство недорогих моделей лазерных станков с ЧПУ комплектуются так называемыми «газовыми» лазерами. То есть активной средой для генерации излучения в таких станках служит газовая смесь из СО2 и азота (с небольшой примесью гелия). При подаче внешнего напряжения (за это отвечает специальный трансформатор), газовая среда инициирует выброс когерентных фотонов определённой длины волны, которые и являются «кирпичиками» лазерного луча. Благодаря физическим особенностям процесса, лазерный луч отличается высокой энергонасыщенностью (достаточной для испарения материала в области обработки) и малым углом расхождения (т.е. «остротой» луча). Именно эти особенности определяют высокое качество обработки изделий (малую толщину реза, отсутствие отходов – кроме газообразных – и т.д.).

Газовые лазеры сравнительно дёшевы, отличаются высокой стабильностью излучения и низкими энергозатратами. Лазерные трубки отличаются по мощности (от 40 Вт до 200 Вт и более) и размерам – чем выше мощность, тем большая длинна трубки. Лазерные трубки имеют сравнительно низкий ресурс (порядка 10-15 тыс. часов работы на номинальной мощности) и относятся к расходным материалам. Однако их низкая стоимость и простота установки позволяют с лёгкостью производить периодическую замену – даже начинающему пользователю.

Преимущества и недостатки СО2-лазеров

Для обычного пользователя технические особенности газовых лазеров мало о чём говорят. Однако из них вытекают те преимущества или недостатки работы, которые влияют на качество и производительность выпуска изделий. А вот это уже напрямую касается пользователя, ибо влияет на прибыль предприятия.

Итак, преимуществами газового лазера является:

• отличное качество обработки;
• низкие энергозатраты;
• простота конструкции – лёгкий монтаж и обслуживание оптической системы;
• взаимозаменяемость лазерных трубок (возможность «апгрейда» станка по мощности);
• широкий диапазон режимов излучения – возможность качественной обработки различных материалов.

В то же время, СО2-лазер имеет следующие недостатки:

• сравнительно невысокий ресурс лазерной трубки (гораздо ниже ресурса самого станка);
• хрупкая конструкция лазерной трубки – возможны проблемы при переноске и монтаже;
• повышенное тепловыделение – невозможность работы лазерной трубки без надёжного охлаждения;
• сильная зависимость ресурса от температуры охлаждающей жидкости (необходим её тщательный контроль, что затрудняет процесс эксплуатации станка);
• нестабильность работы при низкой мощности (ниже 15-20% от максимума);
• необходимость замены питающего трансформатора вместе с лазерной трубкой (они должны соответствовать друг другу по мощности);
• зависимость толщины обрабатываемых заготовок от мощностной характеристики лазерной трубки.

Немаловажная особенность СО2-лазеров – ограниченная способность работать с металлом (возможна гравировка поверхности, но сквозная резка сколь-нибудь толстых заготовок – это прерогатива твердотельных лазеров). Однако данная особенность не является недостатком СО2-лазеров, а скорее определяет их нишу работы с неметаллами.