Témata
Reklama

Průmyslové lasery (5) - Laserové řezání

Řezání je nerozšířenější laserovou technologií. Průmyslové využití laserů se datuje do roku 1965, kdy firma Western Electric Company postavila funkční laserový systém pro vrtání diamantových raznic. V roce 1967 byl pak ve Velké Británii uveden do provozu laserový systém na řezání ocelových plechů s použitím kyslíku jako asistenčního plynu. Záhy poté následovaly systémy pro řezání nekovových materiálů.

V sedmdesátých letech minulého století pak docházelo k masivnějšímu průmyslovému nasazování laserového řezání pomocí CO2 laserů. Tyto systémy pak byly v dalších letech zdokonalovány nejen s ohledem na vývoj samotných laserových zdrojů. Významné zdokonalovaní se týkalo též pohonů, řídicích systémů, postprocesorů apod. Nicméně i laserové zdroje doznaly výrazného pokroku. Jednou z přelomových událostí ve vývoji CO2 laserů pak bylo uvedení tzv. neprůtočného, difuzně chlazeného (DC) laseru (viz obr. 1 a obr. 2). Tento typ laseru nepotřebuje externí zdroje laserových plynů a v systému též nejsou žádné pohybující se části. Z tohoto důvodu mají tyto lasery oproti neprůtočným výrazně nižší provozní náklady a též vyšší kvalitu výstupního paprsku. V současné době se vyrábějí až do výkonu 8 kW.

Reklama
Reklama
Reklama
Obr. 1. Princip neprůtočného CO2 laseru
Obr. 2. Příklad CO2 neprůtočného difuzně chlazeného laseru

CO2 a vláknové lasery v průmyslových aplikacích

Ke konci minulého století dosahovaly výkony CO2 laserů takových hodnot, že se v konstrukci laserových strojů začaly více prosazovat lineární motory, hlavně díky možnosti podstatně vyšších řezných rychlostí. Rovněž docházelo k použití pevnolátkových laserů, a to hlavně v případě řezání tenkých plechů.

Obr. 3. Graf absorpcí obráběných materiálů a vhodné typy laserů

Na obr. 3 jsou znázorněny průběhy absorpce používaných materiálů. Z těchto grafů je vidět, že absorpce v oblasti vlnových délek pevnolátkových laserů (kolem 1

μ m) je výrazně vyšší než absorpce v oblasti vlnových délek CO2 laserů (10,6 mm). Posledních deset let je pak ve znamení výraznějšího použití vláknových laserů. I renomované laserové firmy dnes do svého programu zařazují vláknové lasery ve stále větší míře. O jejich výhodách a obecném přehledu průmyslových laserů bylo podrobněji pojednáno v předcházejícím vydání tohoto časopisu (viz též www.mmspektrum.com/120911).

3D řezání

Právě díky použití vláknových laserů se prostorové řezání podstatně zjednodušuje. Laserová řezací hlava je umístěna na přírubě poslední osy robotu, kam je laserový paprsek přiveden optickým vláknem. V případě vyřezávání přesných otvorů ve 3D je možné umístit řezací hlavu do autonomního souřadnicového X–Y polohovadla, které pak při zastavení robotu v příslušné poloze zajišťuje vyřezání přesných otvorů (obr. 4).

Obr. 4. Laserové robotizované 3D řezání

Remote cutting

V poslední době se díky zvyšujícím se výkonům laserů a zdokonalování optických systémů (dynamický expandér) začíná v průmyslu stále více uplatňovat i tzv. remote cutting, a to převážně u nekovových materiálů, jako jsou textilie, papír nebo plasty. U této technologie je umístěna dvouosá skenovací hlava vysoko na obrobkem (1–2 m). Před touto skenovací hlavou je dynamický expandér, který zajišťuje optimální nastavení velikosti řezného bodu. K rozmítání paprsku po řezné ploše dochází vychylováním paprsku dvěma galvoskenery ve skenovací hlavě, která samotná při procesu řezání zůstává na jednom místě. Podstatně více je tato metoda využívána při laserovém svařování (viz MM Průmyslové spektrum č. 5/2012, resp. www.mmspektrum.com/120504).

Při vlastním procesu řezání v podstatě dochází ke třem různým procesům: sublimačnímu řezání, tavnému řezání a řezání plamenem. Ve většině případů při laserovém řezání dochází ke kombinaci některých z těchto tří procesů. Na obr. 5 je znázorněn princip laserového řezání.

Obr. 5. Princip laserového řezání: 1 – technologický plyn, 2 – tryska, 3 – vzdálenost trysky, 4 – řezná rychlost, 5 – roztavený materiál, 6 – struska, 7 – drsnost, 8 – tepelně ovlivněná zóna (HAZ), 9 – šířka řezu

Sublimační řezání

Při sublimačním řezání je materiál z místa řezu odpařován. K tomu je potřeba vysoké intenzity laserového záření, které je dosaženo vhodným nastavením parametrů laseru a fokusační optiky tak, aby docházelo k okamžitému odpaření materiálu. Vytvořené kovové páry jsou odfukovány z řezu asistenčním plynem. Jako asistenční plyn se používá převážně dusík nebo argon, aby nedocházelo k oxidaci materiálu. Jelikož téměř nedochází k tavení materiálu, je řez kvalitní, hladký a bez otřepů.

Tavné řezání

Tavné řezání vyžaduje nižší výkony než u sublimačního řezání, jelikož dochází pouze k tavení materiálu, který je z řezné spáry vyfukován proudem inertního plynu.

Řezání plamenem

Řezání plamenem se používá u řezání běžných a konstrukčních ocelí z důvodu vysoké řezné rychlosti. Místo inertního plynu je jako asistenční plyn používán kyslík. Materiál je zahřát na teplotu vyšší než zápalnou, čímž dojde k exotermické reakci, která dodává energii procesu řezání. Oproti sublimačnímu a tavnému řezání jsou řezné rychlosti zhruba dvakrát vyšší. Kvalita řezu sice není tak dobrá, ale pro velkou většinu aplikací bohatě postačuje.

Porovnání řezných rychlostí

Jak bylo zmíněno výše, v posledních letech dochází v mnoha případech k náhradě CO2 laserů vláknovými lasery. Na obr. 6 jsou porovnány řezné rychlosti při řezání nerezového materiálu. Jak je z obrázku patrno, u tenčích materiálů je řezná rychlost vláknových laserů výrazně vyšší, a to i s polovičním výkonem laseru.

Obr. 6. Porovnání řezných rychlostí (červená – vláknový laser, žlutá – CO2 laser)

Oblast a problematika nasazení laserových technologií v průmyslu je značně obsáhlá a zabývá se jí nespočetné množství textů. Věříme, že tento seriál přinesl informace alespoň pro základní orientaci v tomto oboru.

Ing. Pavel Kořán

LAO – průmyslové systémy
//www.lao.cz/
koran@lao.cz

Reklama
Vydání #10
Kód článku: 121061
Datum: 17. 10. 2012
Rubrika: Trendy / Spojování a dělení
Autor:
Firmy
Související články
Laserová technologie Platino pro každého

Nová verze fiber laseru Platino od italského výrobce Prima Power je jeden z nejúspěšnějších produktů z celého portfolia společnosti. 2D laser postavený na více než konsolidované platformě ze syntetického granitu má na kontě více než 2 000 instalací po celém světě. Stroj byl vybaven a aktualizován důležitými technologickými inovacemi, které přispívají k tomu, že je ještě rychlejší, spolehlivější a produktivnější.

Harmonizace ve svařování

Mezinárodní harmonizace norem a pravidel pro svařování je důležitá z mnoha důvodů. Primárním důvodem je skutečnost, že svařování je považováno za "zvláštní proces" (EN ISO 9001), při kterém nelze zcela zjistit jakost po skončení procesu inspekcí, ale jakost musí být sledována před i v průběhu celého procesu svařování.

Revoluce ve svařování laserem

Nejnovější technologie firmy Trumpf BrightLine Weld pro pevnolátkové lasery umožňuje svařování s nízkým rozstřikováním při rychlostech pohybu, které lze v dnešní době dosáhnout pouze pomocí CO2 laserů. BrightLine Weld umožňuje svary s částečným průvarem pro svařence s přenosem síly nebo svary s úplným průvarem pro svařování trubek a profilů. Tato technologie umožňuje výrazné zvýšení produktivity a energetické účinnosti. Vysoce kvalitní svarové švy se projevují vysokou mechanickou pevností vyrobených dílů. Minimalizované rozstřikování snižuje znečištění obrobku, upínacích zařízení a rovněž optiky. Výsledkem je zkrácení prostojů stroje, méně oprav dílů, vysoká životnost pracovní optiky a následkem toho podstatné snížení nákladů.

Související články
Autogen, plazma či laser?

Ať ve strojírenském, elektrotechnickém, potravinářském, chemickém či důlním průmyslu, nebo ve stavebnictví, zemědělství a mimo jiné také při výrobě dekoračních předmětů, tam všude nacházejí uplatnění CNC stroje pro termické dělení materiálů.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Aktuální možnosti v laserovém svařování

Laserové svařování lze v dnešní době považovat za velice moderní technologii. Vysoké svařovací rychlosti, štíhlý svar a z toho plynoucí výhody jsou pozitiva, která umožnila začlenění této metody do progresivních výrobních technologií. Tento článek si klade za cíl představit aktuální možnosti laserových svařovacích technologií.

Nová generace polovodičových laserů s diamantovým sendvičem

Vědci z univerzity ve Stuttgartu ukázali cestu pro novou generaci polovodičových laserů. Tyto mají být zejména výkonnější a použitelné v nových oblastech. Lasery jsou založeny na diamantovém sendviči.

Oscilující paprsek laseru pracuje přesněji

Univerzálním nástrojem naší doby je laser, kterým je možné bezdotykově opracovávat téměř všechny materiály. Ještě lépe a přesněji se podaří materiály řezat nebo gravírovat, když paprsek laseru kmitá.

Tvoříme historii vodního paprsku

Každá investice do podniká je spojena s velkým očekáváním. Jistou dávku důvěryhodnosti ve správnou investice může dávat také historie firmy i samotné technologie. Technologie řezání vysokotlakým vodním paprskem Flow slaví v tomto roce již 50 let, resp. 40 let v případě abrazivního vodního paprsku.

Vplyv ochrannej atmosféry pri zváraní hliníkových zliatin

Ľahké neželezné kovy ako hliník, horčík, titán a ich zliatiny, ktoré sú používané najmä v automobilovom, leteckom a kozmickom priemysle, musia spĺňať vysoké a často protichodné nároky ako je napríklad dostatočná pevnosť pri zachovaní vysokej ťažnosti alebo dobrá korózna odolnosť. Inak povedané, využívajú sa tam, kde ich náhrada dostupnejšími materiálmi nie je možná. Na zváranie materiálov z ľahkých neželezných kovov je potrebné použiť takú technológiu zvárania, ktorá bude ich vlastnosti degradovať čo najmenej. Celý rad štúdií a doterajších praktických skúseností ukazujú, že väčšina problémov vznikajúcich pri konvenčnom zváraní oblúkovými metódami môže byť potlačená použitím laserového lúča.

Nové úkoly v technologii vodních paprsků

Jednou za dva roky pořádá Oddělení desintegrace materiálů Ústavu geoniky Akademie věd ČR konferenci o technologii vysokorychlostních vodních paprsků. Letos organizátoři pro své setkání vybrali nádherné a inspirativní prostředí Lednicko-Valtického areálu, zapsaného do seznamu světového a kulturního dědictví UNESCO. V pořadí již pátá konference této série přitáhla pozornost mnoha zahraničních a tuzemských odborníků.

HiLASE - superlasery pro skutečný svět

Lasery nové generace, jež doposud nemají ve světě obdoby, se vyvíjejí a testují v nově postaveném centru HiLASE v Dolních Břežanech u Prahy. Využití najdou v průmyslu i ve výzkumu. V nové budově působí téměř 60 laserových specialistů a techniků, z nichž přibližně polovina je ze zahraničních, často i velmi renomovaných pracovišť.

Výrobní laserové technologie

Výrobní laserové technologie lze dělit mnoha způsoby-, podle použitého výkonu, délky pulzu nebo interakce s materiálem. Nejjednodušší způsob rozdělení laserových technologií je do tří skupin: dělení a odebírání materiálu, spojování materiálu a úprava povrchu materiálu. Vzhledem k rozmanitosti využití laseru není toto dělení zcela jednoznačné a existuje několik dalších technologií, které se nacházejí mezi těmito kategoriemi.

Jsou smíšené konstrukce dočasně za svým zenitem?

Nikdo nenamítá proti oprávněné potřebě lehkých konstrukcí v dopravě, aeronautice, obalové technice a u pohyblivých částí strojů, systémů a zařízení. Avšak jsou smíšené konstrukce s plasty vyztuženými vlákny v současnosti opravdu za svým zenitem?

Laserové svařování jako inovace napříč průmysly

Všeobecný tlak na automatizování výrobních procesů a udržení jejich stability řadí postupný přechod na laserové svařování mezi nezbytné kroky k inovaci. Dnes už svařování laserem používá celá řada výrobních závodů ze širokého spektra průmyslů včetně automobilového, leteckého, lékařského a dalších. Laserové svařování se stává stále více preferovanou technologií napříč veškerými odvětvími v průmyslu hlavně kvůli tomu, že svar vzniká intenzivním lokálním zahřátím materiálu ve velmi krátkém čase – v řádu milisekund.

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