Témata
Reklama

Možnosti zvýšení výkonu laserového dělení materiálů

01. 09. 2010

V posledních letech se laser stal běžným až masovým nástrojem v průmyslové výrobě pro dělení materiálů. V našich podmínkách je to především laserové dělení materiálů s pomocí CO2 laserových zdrojů, obvykle o výkonech v rozmezí 2 až 5 kW.

Schéma řezání laserem s dvouohniskovou optikou

Laserová technologie dělení materiálů přináší hlavní výhodu v rychlosti, kvalitě a přesnosti výpalků ve srovnání s dalšími metodami dělení. Čím dál častěji se ale majitelům stává, že jejich laser není dostatečně výkonný a maximální tloušťka děleného materiálu je tudíž nedostatečná, především u dělení za pomoci dusíku jako asistenčního plynu. Proto hledají způsoby, jak zvýšit výkon svého stroje, a tím se vyhnuli nutnosti zakoupení nového. Možnost zvýšení řezné tloušťky přináší systém Bifocal patentovaný firmou Air Liquide.

Reklama
Reklama
Reklama
Graf závislosti průměru řezné trysky a spotřeby asistenčního plynu - dusíku

Vliv asistenčního plynu na tloušťku řezu

Laserové řezání je vhodné pro všechny typy konstrukčních materiálů. S nejběžnějšími lasery o výkonu 3-3,5 kW lze řezat nelegované oceli do max. tlouštěk cca 25 mm, vysokolegované oceli a slitiny hliníku jen do cca 12 mm. Rozdílné maximální řezné tloušťky jsou způsobeny rozdílným asistenčním plynem používaným na řezání. U materiálů řezatelných kyslíkem většina energie pochází z exotermické reakce - spalování materiálu předehřátého na zápalnou teplotu kyslíkem. Nevýhodou řezání vysokolegovaných materiálů a hliníkových slitin kyslíkem je vytváření těžko odstranitelné strusky a oxidů na řezných hranách. Proto se pro tyto materiály nejčastěji používá  jako asistenční plyn dusík, což způsobuje ve srovnání s kyslíkem výrazné snížení rychlosti řezání a maximální řezatelné tloušťky. Na rozdíl od řezání - spalování materiálu kyslíkem u dělení materiálů dusíkem asistenční plyn slouží jen na ochranu materiálu před vlivem okolního prostředí, zaostřovací optiky před rozstřikem a dynamickým účinkem proudu vyfukuje roztavený kov a strusku z řezné spáry, takže veškerá energie použitá pro řezání pochází pouze z laserového paprsku. Toto snížení řezné tloušťky, resp. řezné rychlosti je částečně možné kompenzovat zvýšeným tlakem asistenčního plynu (dusíku) nebo využitím možnosti zvýšení parametrů použitím systému Bifocal pracujícím na základě speciální patentované dvouohniskové optiky. Spočívá v nahrazení standardních čoček (ZnSe) speciální dvouohniskovou optikou, která vytváří dlouhou oblast s vysokou hustotou energie nezasahující pouze povrch, ale i hloubku materiálu.

Dvouohnisková optika

Dvouohniskovou optiku lze aplikovat na všechny běžné řezací lasery s těmito přínosy:

  • větší tloušťka řezání při stejném výkonu;
  • vyšší rychlost řezání při stejné tloušťce;
  • usnadnění propalů;
  • kvalitní řezy bez otřepů a strusky;
  • optimalizace spotřeby asistenčního plynu.

Výsledky při použití bifokální čočky ve srovnání s klasickou jednoohniskovou čočkou jsou různé a dané kondicí stroje, technickým stavem a jeho aktuálním nastavením, ale také tloušťkou děleného materiálu. U materiálů tloušťky nad 4 mm se tyto hodnoty (např. zrychlení řezání) pohybují až v desítkách procent.

Systém Bifocal

Systém Bifocal vytváří dvě ohniska, jedno s větším úhlem ostrosti je zaostřeno na povrch materiálu, druhé s menším úhlem ostrosti je zaostřeno do materiálu, resp. na jeho spodní hranu.  Při klasickém způsobu řezání laserem je nutné s rostoucí tloušťkou materiálu zvětšovat průměr trysky, a tím zvyšovat spotřebu asistenčního plynu podle vztahu pro dusík:

Q = 0,53 x d2 x (p + 1),

kde Q [m3.h-1] je průtok na výstupu trysky;

d [mm] průměr trysky;

p [bar] je relativní tlak v trysce, přičemž p > 0,86 bar.

Se systémem Bifocal lze řezat širší spektrum materiálů jedním průměrem trysky a tím významně snížit spotřebu asistenčního plynu. Nejčastěji používané průměry trysek jsou v rozmezí 0,8 až 3,2 mm v závislosti na tloušťce řezaného materiálu.

Výsledky

Praktické zkušenosti dokazují zvětšení řezné tloušťky nebo zvýšení rychlosti u stejných tlouštěk až o 45 % v závislosti na materiálu a jeho tloušťce a snížení spotřeby plynu až o 40 %, což umožňuje lepší a širší využití každého laserového řezacího zařízení a v neposlední řadě i snížení výrobních nákladů.

Nejčastější a největší problém z hlediska kvality řezu nastává při řezání limitních tlouštěk materiálů s ohledem na maximální výkon stroje, kdy ještě dochází k propalu, ale za velice špatné kvality řezné hrany materiálu. Objevují se na ní velké a těžko odstranitelné okuje, které se následně musí pracně a nákladně brousit. Také v tomto případě je řešením bifokální čočka, která zvýší řezný výkon a zvýší maximální hranici tloušťky materiálu a kvalitního řezu na něm o několik desítek procent.

Srovnání kvality řezu s 3kW laserem při tloušťce materiálu 12 mm. Vlevo řez standardní čočkou rychlostí 2,1 m.min-1, vpravo bifokální čočkou rychlostí 0,5 m.min-1

Zásobování technickými plyny

Nedílnou součástí optimalizace provozu laserového řezání je i správná volba zásobování technickými plyny - od rezonátorových plynů dodávaných jako čisté produkty v jednotlivých lahvích, nebo jako směs plynů definovaná od výrobce zařízení v jedné lahvi. Pro zásobování kyslíkem (čistota min. 99,95 %) je nejčastěji volen způsob dodávek ve svazcích lahví (pro více strojů se vyplatí i dodávky v kapalné formě). Dusík (čistota min. 99,999 %) je dodáván ve svazcích lahví, v mobilní kryogenní nádobě nebo prostřednictvím stacionárního kryogenního zásobníku (objemy od 3 m3 až do několik desítek m3).

Stacionární kryogenní zásobníky pro dodávky plynů v kapalném skupenství

U dusíku se může spotřeba velice lišit v závislosti na tloušťce řezaného materiálu, a to mnohem víc než u kyslíku, kde je spotřeba řádově nižší. Správnou volbou zásobování lze dosáhnout významných úspor v ekonomice procesu, a proto je důležité věnovat jí dostatečnou pozornost a přehodnotit ji při každé výraznější změně spotřeb asistenčních plynů.

Ing. Ivan Chudík

//www.airliquide.cz/

marketa.kemrova@airliquide.com

Reklama
Vydání #9
Kód článku: 100916
Datum: 01. 09. 2010
Rubrika: Trendy / MSV 2010
Autor:
Firmy
Související články
900 000 nástrojových datových záznamů navíc

Nové rozhraní výrazně rozšiřuje datovou nabídku pro uživatele systému TDM. Ti mají nově k dispozici nástrojová data od více než 40 výrobců, tedy téměř pro každou obráběcí operaci.

Aditiva s nanočásticemi a vlastnosti procesních kapalin

Myšlenka, že lze v různých výrobních procesech použít kovoobráběcí kapaliny - Metalworking Fluids (MWF), aby se zajistila kvalita obrobku, snížilo opotřebení nástroje a zvýšila produktivita procesu, je velmi stará. Už Leonardo da Vinci vytvořil několik testovacích sestav umožňujících analýzu tření za různých podmínek.

Edge computing pomáhá definovat podnikovou přeměnu

Edge computing už není jen vzdálený koncept. Jak podniky implementují flexibilní řešení pro hybridní cloud a jak se pokrok v open source systémech, jako je Kubernetes, a technologiích pro 5G stává realitou, tak se rozvíjí i edge computing. Kombinací těchto technologických sil vzniká rámec pro podnikové řešení edge computingu, které vezme moc z rukou několika a předá ji do rukou mnoha .

Související články
Kolaborativní roboty - potenciál automatizace v automobilovém průmyslu

Kolaborativní roboty, neboli koboty, vytvářejí další příležitosti pro automatizaci automobilového průmyslu. Jsou charakteristické svou schopností pracovat ve specifické výrobní oblasti, po boku pracovníků. Dále pak rychlou implementací a snadným přesunem na nové úkoly. V neposlední řadě i intuitivním programováním a obsluhou. Mohou pomoci v procesech jako je vstřikování, při obsluze strojů nebo při balení a paletizaci ve velkých i malých podnicích.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Budoucnost české výroby

Česká výroba prochází složitým obdobím. Naši výrobci musí každý den řešit složité úkoly a problémy, za které si z části ani nemohou. Doba už je taková, je potřeba se jí ale postavit čelem.

Digitalizujete výrobu? Nezapomeňte na pevné základy

ERP je tradičním podnikovým nástrojem, jehož cílem je podpořit a optimalizovat firemní procesy v rámci jednoho integrovaného řešení. Poskytuje jednotnou datovou základnu, jednotný pohled na dění ve společnosti a svým způsobem je nositelem jednotné verze podnikové pravdy, která je podkladem pro rozhodování managementu.

Cesta k budoucímu růstu vede přes investice

Rok 2020 by se dal přejmenovat na Rok černých labutí. Ekonomové k těmto původem australským ptákům přirovnávají události, které nikdo nečeká a které hluboce zasáhnou samotné základy hospodářství. Tak jako to dokázala pandemie nového typu koronaviru. Ze dne na den donutila vlády, aby vypnuly na několik měsíců nejen českou, ale také další klíčové ekonomiky pro české exportéry.

Strojírenské podniky v době pandemie

Pandemie koronaviru uzavřela hranice naší republiky a zahraniční pracovníci se nedostanou do zaměstnání. Řada domácích zaměstnanců musela nastoupit do karantény. Mnoho českých strojírenských podniků se tak dostalo do nemalých problémů. Firma Grumant hledala recept, jak se takovým problémům vyhnout nebo alespoň minimalizovat jejich následky.

Na cestě stát se globálním jazykem produkce

V loňském roce na veletrhu EMO se uskutečnila první "live" prezentace univerzálního rozhraní obráběcích strojů umati (universal machine tool interface), do které se na výstavě zapojilo na sedmdesát firem z deseti zemí se 110 stroji a 28 softwary. Tato inciativa vytvořit standardizované rozhraní, které uživatelům umožní snadnou a bezpečnou integraci nových strojů, softwarů a dalších zařízení do vlastních IT ekosystémů na principu plug and play, vznikla v roce 2017 pod záštitou VDW (Německá asociace výrobců obráběcích strojů). VDW nyní spojuje své síly s VDMA (Svaz německých strojírenských podniků), aby společně podporovaly šíření a používání standardů OPC UA v celém strojírenském sektoru pod značkou umati.

Pohodlné upínání magnetem

Pokud jde o úsporu času při seřízení a upnutí obrobků bez deformace, je elektricky aktivovaná technologie permanentních magnetů považována za špičkový systém. S trochou konstrukční zručnosti mohou být během sekundy a bez deformace upnuty a z pěti stran obrobeny především velkoformátové díly. Ani v oblasti standardních modulů nezůstává vývoj bez odezvy. Moderní magnetické upínací desky umožňují optické nebo automatizované monitorování upínacího procesu.

Modulární příprava vzduchu pro průmyslové aplikace

Stlačený vzduch je bezpečný a spolehlivý zdroj energie za předpokladu, že se správně používá a upravuje. Často je mylně pokládán za levný nebo dokonce "bezplatný" zdroj energie, avšak v místě použití má přibližně stejnou cenu jako zemní plyn. Proto je velmi důležité instalovat správné vybavení pro úpravu a regulaci přívodu vzduchu.

Platforma pro edgecomputing a průmyslový internet věcí

Systém FIELD (FANUC Intelligent Edge Link and Drive) je platforma určená pro propojení provozních zařízení, která umožňuje rychlý a spolehlivý přístup k výrobním datům s cílem využít je k naplnění koncepce chytré, propojené výroby. Dovoluje realizovat edge computing, tedy shromažďovat a zpracovávat data přímo v provozu, nikoliv až v cloudu, a umožňuje tak činit rozhodnutí, která se týkají jednotlivých strojů a zařízení, mnohem rychleji než u cloudových aplikací. Přitom zůstává zachována možnost, nikoliv povinnost, předem zpracovaná data přenášet k centralizovanému zpracování v informačním systému podniku nebo v cloudu. Účelem je nejen monitorovat, ale i aktivně zasahovat do výrobního procesu ve smyslu regulační smyčky se zpětnou vazbou.

Čištění upínacích kuželů nástrojů

Při obrábění je zpravidla věnována značná pozornost kvalitě řezných nástrojů a také způsobu jejich upnutí. Již menší pozornost ale bývá věnována rozhraní upínací kužel - vřeteno stroje. Přitom právě upnutí nástrojové sestavy ve vřetenu obráběcího stroje výrazným způsobem ovlivňuje jak celý proces obrábění, tak i trvanlivost ostří, bezpečnost a v neposlední řadě také životnost upínačů i drahých vřeten strojů.

Doplňkový katalog nástrojů

Specialista na třískové obrábění, společnost Ceratizit, vydává svůj nový doplňkový katalog Up2date, v němž opět představuje inovované nástroje, produktové doplňky i zcela nová nástrojová řešení - mezi nimi i čtyřbřitý vrták WTX HFDS.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit