Високопрецизно лазерно рязане на метал
Начало > Машини > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 5/2024 > 26.07.2024
- Лазерното рязане от години е сред най-предпочитаните техники за изработка на метални изделия
- В стремежа си към още по-добри резултати редица предприятия възприемат една от най-съвременните разновидности на технологията – високопрецизното лазерно рязане
- Машините за лазерно рязане с висока точност се отличават с отлични възможности за автоматизация и подобряване на енергийната ефективност
ПОДОБНИ СТАТИИ
Конектори в електрониката – новости и авангардни технологии
Електрическата мобилност - напред към нулеви емисии
Авангардни производствени технологии за автомобилостроенето
Иновативни решения за роботизация и автоматизация в автомобилната индустрия
Иновативни решения за автоматизация на леенето под налягане
Докато глобалното производство се лута между периоди на грандиозни иновационни скокове и такива на ръба на икономическото оцеляване, за предприятията в сектора става ясно, че ефектите от технологичния прогрес и финансовите кризи всъщност до голяма степен се припокриват. И в двата случая се повишават стандартите за ефективност и нарастват изискванията за гъвкавост, производителност и минимизиране на разходите. Особено отчетливо влияние оказва несигурната пазарна динамика върху компаниите в сегмента на металорязането и металообработката, за които често единственият верен път към запазване и разширяване на бизнес позициите се оказват иновациите. Ето защо все по-широко в този бранш се лансират прецизните производствени технологии, които гарантират едновременно по-високо качество на продукцията, по-малко загуби и подобрена конкурентоспособност.
Лазерното рязане от години е сред най-предпочитаните техники за изработка на метални изделия от листов материал поради сериозния му набор от преимущества в сравнение с аналогични методи. Сред тях са отличните възможности за автоматизация и подобряване на енергийната ефективност, високата скорост и точност, голямата свобода при дизайна и обработваните материали, както и минималните загуби на суровини и ресурси. В стремежа си към още по-добри резултати редица предприятия възприемат една от най-съвременните разновидности на технологията – високопрецизното лазерно рязане, което намира приложение както в конвенционалното производство, така и в микрообработката.
Специфики на метода и използваните машини
Лазерното рязане с висока/ свръхвисока/ ултрависока точност включва използването на фокусиран лазерен лъч за прецизно рязане на листове метал и други материали с различна дебелина. Технологията се основава на принципите на оптиката и се характеризира със способността си да постига сложни разрези с минимална площ на засегнатите от топлинните ефекти зони. За високопрецизно рязане се използват различни видове лазери, включително CO2, системи с ЦПУ, фиброоптични лазери и конфигурации с итриев алуминиев гранат (Nd:YAG) с добавка на неодим. Всеки отделен тип предлага свой уникален набор от предимства, който дефинира пригодността му в разнообразни приложения.
Сред практическите сценарии, в които машините за високопрецизно лазерно рязане стават все по-популярни, са изработката на ултрафини детайли и изделия за авиокосмическата и медицинската индустрия, миниатюрни микромеханични елементи от висококачествена неръждаема стомана, високоточни компоненти за прецизното инженерство, специфични детайли от цветни метали и т. н. За високопрецизната лазерна обработка е от ключово значение да се използват механично и термично стабилни машинни концепции с прецизни оси. Малкият диаметър на лазерното петно изисква усъвършенстван дизайн на оптичната система с възможности за фина настройка и съответните спомагателни средства за позициониране, както и интегрирана технология за визуализация. На пазара се предлагат специални оптични системи за лазерно рязане, подходящи за непрекъсната работа с полупроводникови лазери, както и за различни конфигурации с честотно умножени дължини на вълната в диапазона на ултракъсите импулси.
Въпреки множеството предимства на технологията, при лазерно рязане на метал с висока точност са налице някои специфични предизвикателства, които е добре да бъдат адресирани адекватно, за да се избегнат проблеми с процеса и крайния резултат. По-детайлно внимание е добре да се отдели на влиянието на топлинните ефекти върху точността, тъй като топлината, генерирана при лазерно рязане, е достатъчна, за да предизвика сериозно изкривяване на детайла.
Важно е преди да инвестират в модерна машина за високопрецизно рязане на метал, цеховете и предприятията да са наясно, че една такава система изисква детайлна регулярна поддръжка, което най-вероятно ще се отрази на оперативните разходи. Друг ключов момент е необходимостта от опитен оператор, които би могъл да оползотвори пълния потенциал на машината и да извлече максимална добавена стойност от капиталовложението.
Основни компоненти и съображения при конфигурирането
Ефективността на системите за лазерно рязане със свръхвисока точност зависи от няколко ключови техни компоненти. Сред тях са лазерният източник, системата за подаване на лазерния лъч, ЦПУ блокът за управление, режещата глава и системата за помощен газ. Добре интегрираното и синхронизирано техническо решение осигурява оптимална производителност при високопрецизно рязане.
А ето и няколко основни съображения във връзка с влиянието на отделните компоненти върху ключовите аспекти на метода. Изборът на лазерен източник, независимо дали става дума за CO2 или фиброоптичен лазер, оказва значителен ефект върху скоростта и качеството на рязане. Прецизността на машината пък до голяма степен се повлиява от системата за фокусиране и подаване/доставка (Beam Delivery System) на лазерния лъч до зоната на рязане.
Блокът за цифрово програмно управление от своя страна контролира движението на режещата глава, което е друг съществен фактор с отношение върху точността на машината. Самата режеща глава, оборудвана с набор от специални лещи и дюзи, играе ключова роля в насочването на лазерния лъч. Системата за помощен газ, например азот или кислород, също е изключително важен елемент от процеса на рязане.
Сред останалите фактори, които оказват най-голямо влияние върху прецизността на конкретната конфигурация, са свойствата на обработвания материал, мощността на системата и скоростта на рязане. За да се постигнат оптимални резултати при лазерно рязане с висока точност на различни метални и неметални материали, е важно машината да се конфигурира поотделно за всяка задача, тъй като оптималните настройки биха варирали в широки граници при различни заготовки. За ефективна обработка на разнообразни материали в индустриални приложения е важно системата да разполага с достатъчна мощност и интензитет. Адекватната настройка на скоростта и ускорението на рязане повлияват в еднаква степен ефективността и точността, а поддържането на постоянен фокус е от критично значение за постигането на прецизни разрези.
Технологично развитие и предимства
Множество индустриални производители разчитат на фини и комплексни компоненти, които са важна част от изделията им, както и на прецизни крепежни елементи за процесите на асемблиране. За целта производствените компании обикновено ги поръчват от специализирани доставчици или си набавят необходимото оборудване, за да ги изработват сами. Прецизни метални детайли могат да бъдат рентабилно и надеждно произвеждани посредством специализирани машини за лазерно рязане с висока точност. Те се отличават с редица преимущества в сравнение с други типове системи за обработка.
На първо място тези системи се характеризират със значително по-висока прецизност в сравнение със стандартните конфигурации за лазерно рязане, което им позволява да изпълняват сложни програми за изработката на комплексни дизайни – дори такива, считани доскоро за невъзможни. Съществен плюс на съвременното оборудване в този сегмент е отличната гъвкавост по отношение на материалите, с възможности за високоточно рязане на богат асортимент от метали – от мека до неръждаема стомана, алуминий и по-специфични сплави, композити, пластмаси, дърво, както и крехки материали, като сапфир, PCD и керамика и т. н. Категоричен плюс е и комбинацията от максимална ефективност и минимални загуби на материали и ресурси.
Редица предприятия избират машини за високопрецизно лазерно рязане и заради възможностите им да “излязат” отвъд листовия метал и да извършват многоосна обработка на комплексни триизмерни геометрии с минимални или нулеви изисквания за довършителни дейности. При оборудването от този тип са възможни гъвкави и персонализирани конфигурации по отношение на типоразмера, мощността и окомплектовката, подходящи за всякакви приложения и бюджети. В допълнение, машините за лазерно рязане с висока точност постигат и изключително високи скорости на работа, което значително допринася за ефективността им.
Моделите от последно поколение на пазара разполагат с интуитивни интерфейси за управление, които позволяват използването им както от опитни професионалисти, така и от оператори без предишен опит. Основен приоритет за производителите е и осигуряването на тези системи с широк набор от функции за безопасност, които да гарантират безупречна сигурност и надеждност на работния процес.
Ключово съображение при избора на машина за високопрецизно лазерно рязане пред алтернативна система е и високата разходна ефективност, която спомага не само за значително повишаване на капацитета и производителността, но и за отчетливо намаляване на производствените разходи.
Приложения, иновации и тенденции
Лазерното рязане с висока и ултрависока точност е мощна и високоефективна техника за рентабилно производство на фини и комплексни метални детайли и изделия. Тя е все по-предпочитана от цеховете за металообработка, тъй като може да осигури сравнимо или дори по-добро съотношение между инвестиция, резултати и предимства при паралел с други популярни технологии, като хидроабразивното, плазменото рязане и конвенционалната механична обработка.
Машините за високопрецизно лазерно рязане на метал намират все по-широко приложение в редица сектори на съвременната промишленост, включително в автомобилостроенето, гражданската и отбранителната авиация и космическия сектор, за които са характерни предизвикателства, като изключителни малки допуски при размерите, труднообработваеми, олекотени и по-специфични материали и сложни дизайни и геометрии. Все по-популярен става методът и в електронното и полупроводниковото производство, в микроелектрониката, медицинската техника и точното приборостроене, където се използва за изработката на изключително фини и прецизни компоненти.
Съществен дял от приложенията на машините за лазерно рязане на метал с висока точност са Industry 4.0 платформите и интелигентните фабрики. Тук водещо предимство на тези системи е, че позволяват висока степен на автоматизация, гъвкаво модернизиране посредством иновации, като IoT и AI, както и улеснено интегриране в модерни технологични линии, свързани производствени екосистеми и мрежи. Най-съвременните модели в сегмента разполагат с широки комуникационни възможности и интерфейсни опции, функции за анализ на данни в реално време, процесна оптимизация и прогнозна поддръжка. С помощта на интегрираните в тях интелигентни сензори и алгоритми те предотвратяват множество потенциални проблеми, нежелани престои и разходи и максимално увеличават наличността и експлоатационната си готовност. Бързата им настройка се улеснява от мощен CAD/CAM софтуер, а отдалечената диагностика позволява на операторите незабавно да регистрират и отстраняват проблеми дори и дистанционно.
С развитието на технологиите в сегмента на високопрецизното лазерно рязане експертите очакват няколко ключови тенденции да се налагат все по-отчетливо. Сред тях са адаптивната оптика (с възможности за самоконфигуриране в реално време), фиброоптичните лазери с повишена надеждност и ефективност, изкуственият интелект, автоматизацията и т. н. Според пазарните анализатори машините в сегмента предстои да стават все по-бързи, точни, производителни и интелигентни, което се очаква допълнително да разшири използването им в нови и съществуващи приложения.
Сред иновациите са например т. нар. DPSS лазери (импулсни, полупроводникови, с диодно изпомпване), които ще се предлагат във все по-голямо разнообразие от дължини на импулса и на вълната в инфрачервения, видимия и ултравиолетовия спектър. Тези системи предстои да стават все по-популярни в медицинското и прецизното производство, където редица приложения изискват изработката на компоненти и изделия с ултрависока точност при ширина на срезовете много под 20 µm. DPSS лазерите вероятно бързо ще се докажат като оптимално решение за такива сценарии благодарение на възможностите си да произвеждат комплексни детайли (включително 2D и 3D геометрии) при променлив ъгъл на рязане, с максимално високо качество на ръбовете и минимално количество генерираната отпадна топлина. Последното спомага за нисък топлинен и механичен стрес върху чувствителните заготовки, което допълнително повишава точността на изделията.
Вижте още от Машини
Ключови думи: лазерно рязане, машини за лазерно рязане, прецизно лазерно рязане, високопрецизна обработка, Industry 4.0, изкуствен интелект, IoT, фиброоптични лазери
Редактор на статията:
Редактор
- Завършва специалност "Журналистикa" в СУ "Св. Климент Охридски";
- Заема длъжността редактор "Списания" от 2013 г.;
- Разполага с над 15 години опит в разработването на оперативни материали и технически статии в широк кръг от тематични области.
Новият брой 9/2024