3D лазерна обработка на метали

МашиниСп. Инженеринг ревю - брой 6/2020 • 09.09.2020

Иновациите в индустриалното производство не само осигуряват усъвършенствана ефективност, но често правят възможни и комплексни продуктови дизайни, които не биха били изпълними с конвенционалните методологии. Това е валидно в особена степен за лазерните технологии, които вече няколко десетилетия намират широко промишлено приложение в металообработката. В наши дни лазерното оборудване вече може да бъде считано по-скоро за стандартно отколкото за новост, но в процеса на утвърждаването си на пазара машините за лазерна обработка са се доказали със своята надеждност и гъвкавост в изработването на широк асортимент от изделия на базата на комплексни концепции. Освен производителност, сравнима с тази на стандартните машинни конфигурации, лазерните модели гарантират още висока точност, бързина и улеснена поддръжка. С все по-масовото използване на лазерна техника в съвременните металообработващи цехове в практиката се налагат и все повече триизмерни лазерни технологии като успешни и предпочитани алтернативи на традиционните методи.

Такива са например лазерното 3D рязане, маркиране и заваряване. Първите две типично се осъществяват с помощта на стандартизирано оборудване, докато заваръчните операции обикновено изискват специализирани решения, тясно адаптирани към нуждите на производственото приложение.

 

Популярни методи за лазерна обработка

Лазерното рязане, което представлява срязване на солидни материали с помощта на насочен лазерен лъч, безспорно е най-популярното и стандартизирано приложение в сегмента. Подходящите за обработка метали включват мека и неръждаема стомана, алуминий, легирани метали, отразяващи метали като мед и месинг и т. н. Лазерното рязане представлява сериозна стъпка напред в продуктовия дизайн, особено по отношение на изделията със сложни профили или отвори. В такива сценарии изборът на лазерна машина е рентабилен дори и при по-малки серии.

Основните характеристики на индустриалното оборудване за лазерно рязане го превръщат в изключително гъвкаво решение – липса на инструментална екипировка, безконтактна обработка, малка инерция и изключително малка ширина на среза, както и ограничена зона на топлинен ефект. Към тези предимства може да добавим още широкия набор от дебелини, достъпни за финишна обработка, усъвършенстваните ЦПУ блокове на модерните машини за лазерно рязане, улесненото програмиране, интерфейсната интеграция с CAD платформи, както и минималната нужда от поддръжка. Самото рязане може да бъде изпълнявано както двуизмерно (при обработката на листов метал), така и триизмерно – при изделия, които биват обработвани по ширина, дължина и височина, например тръбни компоненти.

Маркирането е друго популярно приложение на лазерните технологии в индустриалното производство. То осигурява разходно ефективна алтернатива на конвенционални процеси като механичното щамповане, гравиране или печат. Използва се за перманентно нанасяне върху метал на графична информация, включително баркодове, буквено-цифрови маркери, индикаторни линии върху скали, чертежи и други, с помощта на лазерен лъч. Лазерното маркиране прави възможна лесната проследимост на продуктите и приложенията му в този сегмент непрекъснато нарастват.

Лазерното заваряване е сравнително нов метод, все по-популярен в капиталоемките индустрии, където се използват множество негови приложения с висока мощност. При процеси, базирани на синтез, лазерите доставят достатъчно топлина за стопяване на материала и последващото му втвърдяване, което образува заваръчното съединение. Разтопеният материал се състои от части от двете повърхности, които трябва да бъдат съединени, или от допълнителна заваръчна тел.

Основните взаимосвързани параметри на лазерното рязане са: мощност на лазера, която дефинира дълбочината и скоростта на рязане; скорост на рязане, която определя дълбочината на обработка; тип и дебит на защитния газ, който повлиява качеството на плазмата, изискваната мощност, дълбочината и скоростта на обработка; както и позицията на фокусната точка, която влияе върху разпределението на енергията в материала, дълбочината на рязане, ширината на заваръчния шев и скоростта.

 

Машини за 3D лазерно рязане

Инвестицията в закупуването на машина за триизмерно лазерно рязане е оправдана и рентабилна във все повече съвременни производства. Оперативните разходи и качеството на обработка са сред факторите, които определят пазарното приложение на дадена машинна конфигурация, а машините за 3D лазерно рязане гарантират изработка на висококачествени компоненти с много по-ниски разходи в сравнение с конвенционалното металорязане. В резултат широка гама по-качествени изделия стават по-достъпни за крайните клиенти.

Предимствата на машините за триизмерна лазерна обработка са много. Сред водещите са безконтактният процес и по-ниската консумация на енергия. В модерното интелигентно производство, което стимулира повишаване на производителността в комбинация с редуциране на разходите, последното е ключова възможност. Една машина за 3D рязане използва само около 10 киловата енергия за производството на даден компонент, докато друг конвенционален процес би изразходил повече от 50 kW.

При безконтактната обработка лазерният лъч физически не докосва материала, който реже, а го разтопява с помощта на топлина. Това минимизира щетите върху обработвания детайл и елиминира нуждата от ремонт и поддръжка на подвижни части, които влизат в контакт с работната повърхност при конвенционалните металорежещи машини.

Водещо предимство е присъщата за лазерната обработка прецизност в комбинация с чисти срезове и гладки повърхности. Триизмерното лазерно рязане е и по-безопасен метод в сравнение с други обработващи процеси. Не на последно място, той е подходящ и за изработката на сложни профили и дизайни от широк кръг от материали – метал, диамант, стъкло, дърво и т. н.

 

Предимства на триизмерната обработка

В допълнение към изключителната точност 3D лазерното рязане гарантира голяма консистентност на обработката с еднакво високо качество всеки път. Това свежда до минимум риска от грешки, което от своя страна улеснява последващите обработващи операции, а резултатът са прецизни изделия от висок клас с устойчиво качество. Ръбовете и ъглите на детайлите винаги са точно отрязани, което оптимизира последващото асемблиране на 3D лазерно обработваните компоненти.

Друга важна особеност на машините за триизмерно рязане е възможността да се усвоят множество иновации, които се оказват неприложими при 2D аналозите.

Производствените разходи за лазерно рязане са значително по-ниски и оптимизирани, тъй като едностъпков процес на триизмерна обработка може да замести тромавата комбинация от рязане, фрезоване, пробиване, щанцоване и гравиране. Не са за подминаване и впечатляващите икономии на време, които се постигат с помощта на лазерните технологии.

Системите в сегмента осигуряват висока производителност в съчетание с отлична прецизност и позволяват изработката на сложни триизмерни геометрии. В зависимост от обработвания материал са възможни различни процеси – рязане чрез синтез на лазерен лъч, чрез сублимация, както и пламъчно рязане. На изходната страна на среза обикновено почти или изобщо няма шлака или мустаци, а засегнатата от топлинната обработка зона е изключително ограничена. Освен че не са необходими големи инвестиции в инструментална екипировка, при триизмерното лазерно рязане е налице още една ключова възможност – избор между лазер с въглероден диоксид и твърдотелен лазер в зависимост от приложението.

 

Иновации, автоматизация и Industry 4.0

Бъдещето на триизмерната лазерна обработка във високотехнологичната модерна индустрия е сигурно, категорични са специалистите. Макар да е сравнително нов метод в арсенала на металообработващите предприятия, 3D лазерното рязане не спира да се усъвършенства година след година, а приложенията му – непрекъснато да се разширяват.

С навлизането на концепцията за интелигентно производство Industry 4.0 в глобалната промишленост високоефективните технологии с интелигентен потенциал и усъвършенствана прецизност, скорост и качество като триизмерната лазерна обработка постепенно изместват традиционните методи от челните позиции. Водеща роля в този процес има автоматизацията, която допълнително подсилва предимствата на 3D рязането. Все по-автоматизираните съвременни 3D лазерни машини се отличават с по-кратки цикли на обработка, модулни конфигурации и възможности за улеснено функционално надграждане. В допълнение смело можем да заявим, че лазерната обработка поначало е дигитална технология, тъй като се управлява единствено чрез цифрово програмиране. Това означава, че тя е готова за четвъртата индустриална революция много преди някой да заговори за свързано производство и Industry 4.0 в модерната металообработка, обясняват експертите.

За да е рентабилна автоматизацията дори в малки или единични серии по новите стандарти, са необходими гъвкави производствени технологии и надеждни системи за контрол на качеството. Лазерната обработка покрива всички тези изисквания, тъй като позволява рязане, маркиране, заваряване и структуриране на много различни материали без нужда от смяна на инструменти или износване.

Ръчното поставяне на заготовки за обработка на устройството за смяна на палети, изваждането на обработените компоненти, премахването на фиксиращите приспособления и сортирането често се оказват твърде натоварващи за операторите на машини за лазерна обработка. Внедряването на т. нар. LUL (load-unload) системи за зареждане и разтоварване на машината става все по-популярно с повишаването степента на автоматизация на технологията през последните години.

В допълнение към машините с такъв тип спомагателно оборудване в практиката се използват основно още два типа автоматизирани конфигурации – самостоятелни машини с т. нар. совалкови маси (shuttle tables) и високотехнологични машини с т. нар. гъвкави производствени системи (FMS).

Кратките времена за настройка и бързите смени на обработваните детайли са ключови за изключително високата производителност, която Industry 4.0 поставя като стандартно изискване към металообработката. Лазерите разполагат с необходимите качества да произвеждат и прецизни микросистеми, както и изделия от деликатни материали, което прави възможностите им почти безгранични в редица съвременни индустрии.

С помощта на специални скенери и сензори е възможно конструирането на интелигентни машинни конфигурации за 3D лазерна обработка с автономно управление, които самостоятелно регулират и адаптират работните си параметри според хода на приложението. Други иновации като “дистанционното” лазерно заваряване, при които прецизната позиция и качеството на заваръчния шев се подлагат на отдалечен мониторинг и контрол, също вече са постижими с помощта на сензори за събиране на данни за процеса в реално време.

 

Високомощни лазери с подобрени характеристики

Високомощното лазерно рязане непрекъснато се усъвършенства в технологичен план. Ако преди пет години 4-киловатовите машини бяха сред най-масовите решения, то днес конфигурации с мощност над 6 kW все по-често се произвеждат, закупуват и внедряват в съвременната индустрия. Модерните високомощни модели се отличават със значителни подобрения по отношение на производителността, скоростта и качеството на крайния продукт.

Популярно схващане е, че по-мощните лазери означават рязане на по-плътни метали, което всъщност е вярно. Но това отразява само един аспект на предимствата на триизмерното лазерно рязане. Реално по-високата производителност се постига чрез комбинация на възможностите за рязане на по-дебели и плътни материали с по-високата скорост на обработка. Един фибролазер с мощност 10 kW например може да обработва единичен компонент от мека стомана с дебелина около 6 mm (1/4´’) с около 333% по-бързо в сравнение с 4-киловатов лазер, изчисляват специалистите.

Подобряването на качеството на ръбовете е основен фокус още от зората на фибролазерите в производството. Източниците с въглероден диоксид осигуряват висококачествени ръбове при рязане и машините с твърдотелни лазери непрекъснато се стремят да ги догонят по този показател. Колкото по-мощен става един фибролазер, толкова по гладко и чисто е рязането с него, доближавайки го до CO2 аналозите.

Високомощните лазери правят възможно и рязането на по-плътна мека стомана с повече азот и въздух. Азотното и въздушно-дъгово лазерно рязане осигуряват по-високи скорости и темпове на обработка, както и прецизни детайли, готови за боядисване, при които не са нужни допълнителни финишни операции.

 

Нови технологии при дюзите

Сред тенденциите в сегмента на машините за триизмерна лазерна обработка са три основни конфигурации при дюзите – единични, двойни и т. нар. LC (low consumption) икономични дюзи – за ниска консумация на газ.

Традиционните единични дюзи осигуряват надеждно рязане в целия диапазон на обработка, но обикновено се използват за рязане на дебелини от порядъка на 1/2´’ или по-малки, както и при минимална коничност. И макар това генерално да е рентабилен избор, означава малко по-ниски скорости на рязане при по-дебели материали, както и най-висока консумация на газ в сравнение с останалите два дизайна при дюзите.

Двойните модели, подобно на конвенционалните, също осигуряват надеждна обработка на широка гама материали, но истинската им стойност е при рязане на дебелини от порядъка на 1/4´’ и по-малко. Двойните дюзи подобряват скоростта на рязане в много приложения с по-ниско потребление на газ – от 20 до 50% в зависимост от вида и дебелината на материала.

За дебелини над 1/4´’ икономичните дюзи са най-подходящото решение, тъй като осигуряват най-бързо и надеждно рязане. Те се отличават с най-ниска консумация на газ при по-плътните и дебели материали. При тях обаче е необходимо по-голямо отстояние между детайлите поради по-голямата ширина на дюзата.

 

Роботизирано триизмерно лазерно рязане

Както лазерните технологии, така и средствата за управление на траекторното движение на индустриалните роботи динамично се развиват през последните години, което води до значително нарастване на популярността на роботизираните решения за 3D лазерно рязане в автомобилостроенето и други водещи приложения на лазерната обработка.

По-високата степен на технологична иновация, гъвкавост и достъпност в ценови план на роботизираните системи в сравнение с петосните машини за лазерно рязане превръща първите във водещо предпочитание на все повече глобални автомобилни производители.

Този пазарен сегмент включва широк асортимент от конфигурации с различни предимства, функции и възможности – от единични режещи роботи до цели гъвкави производствени линии. Най-общо се обработват няколко типа детайли – триизмерни компоненти от каросерията на автомобила и покриващи елементи, оформяни конвенционално чрез щамповане или свободно рязане, което включва термоформовано парче, както и тръбни метални конструкции като ауспуси и напречни елементи. Традиционно производството на метални авточасти се извършва посредством щамповане, последвано от щанцоване и обрязване. Термоформованите детайли и тръбните елементи могат да бъдат обработвани с помощта на петосни машини за лазерно рязане, което обаче е скъпо и непосилно за много предприятия.

Инвестицията в роботизирана конфигурация повишава рентабилността дори и в по-малки партиди поради възможностите за бърза възвръщаемост на инвестицията, повишена производителност, по-кратки производствени цикли и по-високо качество на крайната продукция.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top