Машини за фибролазерно рязане на метал

• Въведено в практиката преди по-малко от две десетилетия, фибролазерното рязане бързо се нарежда сред водещите технологии за металообработка в модерната индустрия

• Оборудването за фибролазерно рязане на метал с цифрово програмно управление в съвременните цехове осигурява отлична гъвкавост и свобода по отношение на дизайна на продуктите

• В хода на Industry 4.0 машините за фибролазерно рязане стават все по-автономни и интелигентни

Въведено в практиката преди по-малко от две десетилетия, фибролазерното рязане бързо се нарежда сред водещите технологии за металообработка поради множеството си предимства по отношение на бързината и прецизността в сравнение с конвенционалните инструментални техники и традиционните лазерни методи като CO² рязането. Машините за фибролазерна обработка се доказват като изключително ефективно решение за производство на богат асортимент от метални изделия от листов и по-плътен материал с устойчиво високо качество. Оборудването с цифрово програмно управление в съвременните цехове осигурява отлична гъвкавост и свобода по отношение на дизайна на продуктите в съчетание с висока мощност, скорост и разходна ефективност на изработката. Модерните фибролазери са подходящи не само за едросерийни производства, но и за нестандартни и персонализирани изделия в по-малки партиди, както и за бързо прототипиране в предпроизводствената фаза, при тестови модели с промени в дизайна, използвания материал и др.

В хода на Industry 4.0 машините за фибролазерно рязане на метал стават все по-автономни и интелигентни, а благодарение на автоматизираното и роботизирано оборудване за спомагателни операции като подаване на заготовки, отнемане, сортиране и подреждане на готовите изделия управлението им изисква все по-малка намеса на оператор.

Работен принцип

Фибролазерите са вид твърдотелни лазери с голяма мощност, които позволяват концентрирането на голямо количество енергия в малка площ. Това ги прави подходящи за горещо рязане на широк набор от материали с различна дебелина. Машините за фибролазерно рязане на метал използват напомпващи лазерни диоди за генериране на светлинен лъч с изключително малка ширина на снопа и висока насоченост. Лазерът включва в конструкцията си активни фиброоптични влакна в ролята им на генератор и усилвател на светлинния сноп (откъдето идва и наименованието на технологията) и транспортен кабел, който пренася лъча към режещата глава. Активният елемент – сърцевината на оптичното влакно, се активира посредством йони на итербий, ербий, неодим, диспросий, празеодим или тулий. Системата разполага със зони за въздушно или водно охлаждане, разположени коаксиално на фибровлакното.

Когато изключително мощният, горещ и малък по-площ на активната зона лазерен лъч влезе в контакт с метала, светлинната енергия с висок интензитет се абсорбира и се превръща в топлина, която разтопява повърхността на материала. Фибролазерите използват високоскоростни въздушни струи, паралелни на лазерния лъч, за издухване на разтопения материал, което позволява формирането на тесен и прецизен прорез в метала с високо качество на ръбовете и повърхностите.

По правило първото взаимодействие на лъча с метала е по-интензивно от последващите контакти – за да направи прорез в материала, лазерът трябва първо да го пробие. Това изисква високомощен импулс, който образува отвор в металния лист. Този етап отнема например около 10 сек при рязането на неръждаема стомана с дебелина 12 мм. Междувременно въздушната струя почиства остатъците от разтопения материал от контактната зона, за да осигури чист срез нататък по траекторията за изрязване на съответния профил.

За да се оползотвори максималният потенциал по отношение на прецизността на рязане, който методът позволява, машините за фибролазерно рязане използват модерни технологии за дигитално управление на процеса и оборудването. Работните параметри се подават към лазера от работна станция, оборудвана с CAD платформа за компютърно проектиране. С помощта на автоматизирани системи за подаване на заготовки и разтоварване на готовите изделия се постига оптимална производителност без компромис с точността и скоростта на рязане и най-важното – без продължителни престои на лазера в режим на изчакване при смяна на обработвания детайл.

Предимства на технологията

Фибролазерите осигуряват непостигана досега комбинация от качество, бързина и производителност при изработката на метални изделия от листов материал, плоски, обемни и цилиндрични профили с различна плътност и дебелина. Въпреки сравнително по-високата първоначална инвестиция в сравнение с някои инструментални методи и аналогични лазерни технологии, фибролазерното рязане гарантира по-бърза възвръщаемост на капиталовложението, висока разходна ефективност в дългосрочен план и множество ползи по отношение на устойчивото високо качество и по-ниския разход на материали.

Машините за фибролазерно рязане са изключително, гъвкави, ефективни и универсални системи, което ги превръща в атрактивно решение за металообработващи цехове и предприятия с всякакъв мащаб. Те могат с лекота да обработват богат асортимент от материали, като конвенционална и неръждаема стомана, алуминий, мед или месинг в широк диапазон от дебелини, без нужда от преконфигуриране на оптичната система. Това ги прави незаменими за производителите с разнообразни продуктови програми, съставени от голям брой изделия от различни материали и с разнообразни геометрии, профили и характеристики.
Сред основните предимства на фибролазерите са ниските разходи за захранване на ю диодите, за охлаждане и за поддръжка. Опростената конструкция включва едва няколко на брой компоненти, които биха изисквали подмяна, което понижава необходимият бюджет за обслужване. Фибролазерните машини използват предимно азот в работния си процес, което спомага за по-бързо, точно и контролирано рязане. Срезовете са изключително тесни, прецизни и гладки, а това способства за най-малки загуби на материал и най-високо крайно качество на изделията в сравнение с останалите методи за горещо рязане.

Изключителната ефективност при рязането на метал посредством фибролазер се постига благодарение на стабилната платформа, от която се излъчва лазерният сноп. Тя осигурява устойчиво високо качество на обработка на материала дори при различни работни разстояния между дюзата на режещата глава и повърхността. Малката контактна зона на лъча с метала и тесният прорез позволяват рязане с висока скорост без компрометиране на повърхностите. Компактната конструкция на фибролазерните системи ги прави доста мобилни и лесни за интегриране в различни по тип производствени линии.

Сред компонентите на фибролазерите, при които се влагат най-много научноизследователски усилия през последните години, са оптичните системи. Целта на разработчиците е да постигнат по-високопроизводителни системи, които позволяват ефективно и прецизно рязане и на материали с по-големи дебелини. Така фибролазерната технология, която се радва на най-бърза популяризация сред пазарните си аналози, се превръща в един от най-атрактивните производствени методи в сферата на модерната металообработка. А експертите са убедени, че е въпрос само на време машините за фибролазерно рязане да надминат по годишни продажби най-масовите системи за лазерна обработка – тези с CO² източник.

Сравнителна характеристика на фибролазерите и CO² системите

CO² лазерите и фибролазерите се различават основно по механизмите, които използват за генериране и концентриране на светлинния сноп. Първите използват газова среда, съставена от дадена комбинация на въглероден диоксид, азот и хелий, а понякога и на ксенон или водород. Системата смесва и възбужда тези газове, за да произведе лазерния лъч. Сред останалите ключови разлики между двете технологии са работните дължини на вълната и материалите, които са подходящи за обработка. Светлинният сноп, генериран от фибролазер, е с по-малка дължина на вълната в сравнение с този при CO² лазерите. Това му осигурява по-голяма абсорбционна мощност, която пропорционално увеличава скоростта и качеството на рязане.

Що се отнася до типовете материали, достъпни за обработка с двете технологии, рязането на листов метал може да бъде извършвано по-ефективно с помощта на фибролазерни машини, докато при по-големи дебелини на материала в дадени производствени сценарии като по-рентабилен метод се доказва рязането с CO2 лазер.
Въпреки това с напредъка на технологиите при фибролазерите тези системи покриват приложения, включващи обработката на все по-плътни пластини, профили и тръби, което им осигурява предимство в редица едросерийни производства.

Особеност на CO² лазерите, която е считана за сериозен недостатък при промишлената им употреба, е необходимостта от период на предварително загряване с продължителност от около десет минути, който намалява общата им ефективност и производителност. Фибролазерите, от друга страна, не се нуждаят от време за първоначално загряване на машината.

Високомощните фибролазерни системи могат да режат до пет пъти по-бързо в сравнение с конвенционалните CO² модели, като същевременно изразходват едва половината от оперативните разходи поради много по-ниската си консумация на електроенергия и по-високата си енергийна ефективност.В допълнение оптичната пътека на режещия лъч при фибролазерите не се нуждае от поддръжка, включително от почистване на огледалните елементи и лещите, инспекция на маншоните на оптиката или подравняване на светлинния сноп. При CO2 лазерите обслужването отнема около 4 – 5 работни часа седмично.

Фибролазерите са осигурени с херметично запечатана оптична система както при лазерния източник, така и по транспортния кабел към режещата глава, което елиминира риска от навлизане на прах и замърсявания, какъвто е случаят при въглеродно-диоксидните лазери. Така не се налага регулярно центриране на снопа, излизащ от дюзата, както и преконфигуране на работните параметри.

Машините за фибролазерно рязане на метал гарантират висока ефективност при обработката на листов метал, включително въглеродна и неръждаема стомана, мед, месинг, алуминий и титан. Особено предимство на тези системи е, че позволяват безопасно и рентабилно рязане и на материали с отразяващи повърхности, при които CO² лазерите се затрудняват.

Технологични възможности и приложения

Машините за фибролазерна обработка се отличават с различен капацитет на рязане в зависимост от мощността си, но почти всички модели на пазара могат да се справят с листов материал с дебелина до 12 – 13 мм. По-мощните системи (от порядъка на 10 kW) са подходящи за рязане на пластини от въглеродна стомана с до 10 мм дебелина, от неръждаема стомана – до 5 мм, от алуминий и от мед – до 3 мм.

Една от най-интересните иновации при фибролазерите от последно поколение е технологията “Beam shaping”, която позволява промяна на профила на светлинния лъч с цел рязане на по-дебели метални пластини с кислород вместо с азот. В такива сценарии по-широкият сноп с по-малка плътност на мощността осигурява по-добри резултати, тъй като изработва и по-широк прорез в метала, през който да се изхвърли разтопеният материал. Така рязането е по-бързо и качествено при по-големи дебелини на заготовката.

Предимство на фибролазерните системи е, че при тях няма контакт с обработвания детайл, което елиминира риска от неговото надраскване или повреждане. В допълнение, работната зона на лъча е изключително малка, което свежда до минимум деформацията на материала. Не е нужна и последваща обработка поради високото качество на крайните повърхности, обработени с лазер. Липсата на физически инструменти и механичен стрес намалява разходите за оборудване и консумативи, а високата точност и повторяемост при обработка практически елиминира бракуваната продукция.

Модерните системи с ЦПУ могат да произвеждат изделия с голяма гъвкавост и свобода по отношение на дизайна, както и да изрязват едрогабаритни детайли от цели метални листове или пластини, без необходимост от отваряне на фиксиращата матрица, което пести значително количество време.

Машините за фибролазерно рязане са подходящи за обработка на широк набор от плоски и цилиндрични профили от различни материали, включително неръждаема, въглеродна, легирана, силициева, галванизирана и пружинна стомана, алуминий и алуминиеви сплави, мед, месинг, сребро, злато, титан и титанови сплави, огнеупорни материали и др. Скоростта на рязане се избира според вида на обработвания материал и неговата дебелина, като целта е оптимално качество на повърхностите в комбинация с висока ефективност и производителност.

Рязането на листов метал е сред водещите приложения на фибролазерните машини в модерните производствени отрасли, строителството и инфраструктурата. Оборудването от този тип намира широко приложение в автомобилостроенето, производството на машини, пружини и други механични части и системи, компоненти за електрически уреди и инсталации, електрически шкафове за ниско и високо напрежение, отрезни ленти, указателни табели и знаци и др. Сред предприятията, които все по-масово инвестират в машини за фибролазерно рязане, са и ангажираните в производството на печатни платки, медицинска електроника, хардуерни компоненти, метална посуда, домакински уреди, осветителни тела, монтажни и крепежни елементи и др.