Témata
Zdroj: Kimla

Vláknové lasery: Řezací hlava

Základním principem technologie vláknových laserů je přenos světelné energie generované v laserovém rezonátoru pomocí optického vlákna, a následné usměrnění a zaostření světelného paprsku do místa řezu tak, aby umožňoval řez daného materiálu. Usměrnění laserového paprsku probíhá v řezací hlavě vybavené optikou, a ta je proto jednou z nejdůležitějších částí celého systému.

Dana Nováková

Spolumajitelka společností KM CNC a Orca machines. Věnuje se výběru dodavatelů, nákupu technologií pro kovovýrobu a strojírenství a následné technické podpoře.
„Když děláte práci srdcem, tak je pro vás velmi důležitá spokojenost zákazníků, stejně jako vztahy vně i uvnitř společnosti. Není to vždy lehké, ale pokud dokážete této rovnováhy dosáhnout a udržovat ji, je výsledek práce opravdu naplňující.“

Reklama

První řezací hlavy pro vláknové lasery vznikly úpravou hlav CO2 laserů přidáním kolimátoru. U CO2 laserů je k řezací hlavě dopraven paralelní paprsek o průměru asi 10 mm. Stačí jej pouze zaostřit, k čemuž stačí jedna zaostřovací čočka. Vláknové lasery na výstupu vlákna emitují divergentní paprsek, proto je potřeba použít přídavný kolimátor, který paprsek usměrní na paralelní. Za kolimátor je potom umístěna čočka fokusační, která zaostřuje laserový paprsek na povrch materiálu. První řezací hlavy pro vláknové lasery měly jenom omezený rozsah nastavení ohniskové vzdálenosti, protože k jejímu nastavení byla použita zaostřovací čočka používaná u CO2 laserů. Teprve pozdější konstrukce hlav dokázaly upravit ohniskovou vzdálenost a výrazně rozšířit rozsah nastavení, a umožnit tak řezání silnějších materiálů. Prvním laserovým hlavám také chyběla automatizace a zabezpečení. Při výkonu laseru do 2 kW bylo možné považovat toto řešení za dostatečné, avšak s rychlým vývojem technologie a dalším zvyšováním výkonů se laserové hlavy staly slabým místem celého systému. Vybavení a konstrukce laserové hlavy je dnes proto důležitým faktorem určujícím kvalitu řezu, rychlost děrování a rozsah tlouštěk řezaných materiálů.

Optický systém

Čočky laserových hlav jsou vyrobeny z velmi čistého křemenného skla. Běžné optické čočky jsou čočky sférické, které se relativně snadno vyrábějí, ale mají sférické odchylky, které je nutné kompenzovat. Proto jsou jak čočka fokusační, tak čočka kolimační většinou ve skutečnosti tvořeny skupinou čoček. Světelné záření dopadající na povrch čočky se od ní částečně odráží, což způsobuje ztrátu výkonu. Od každého skleněného povrchu se odráží asi 4 % energie. Ve vláknových laserových hlavách je 6 až 14 skleněných ploch, kterými musí procházet světlo, a za normálních podmínek by tak mohlo dojít ke ztrátě až poloviny výkonu v hlavě. Řešením tohoto problému jsou speciální antireflexní vrstvy, které snižují odrazivost povrchu čočky. Proto je velmi důležité používat pouze ty nejkvalitnější čočky s vysoce účinnými antireflexními vrstvami.

Tělo řezací hlavy musí být utěsněno tak, aby do optického systému nevnikaly žádné prachové částice. (Zdroj: Kimla)

Velmi důležitá je také čistota čoček. Každá nečistota v optické dráze světla způsobuje jeho rozptyl a ovlivňuje kvalitu řezu. Může také dojít k přehřívání optického systému a následnému poškození čoček. U řezacích hlav je proto instalováno přídavné ochranné sklíčko mezi zaostřovací čočkou a tryskou, které pomáhá chránit čočku před prachem a rozstřikem roztaveného materiálu. Tělo řezací hlavy proto také musí být hermeticky uzavřeno a utěsněno tak, aby do optického systému nevnikaly žádné prachové částice.

Frekvence výměny optických čoček do značné míry závisí na výkonu zdroje, ale vzhledem k mnoha dalším faktorům určujícím jejich životnost ji nelze přesně určit. Na základě statistik výměny optiky lze konstatovat, že při výkonu do 2 kW průměrná životnost přesahuje dva roky. Při výkonu nad 6 kW se životnost optiky rychle snižuje, a o to víc je zde namístě průběžná kontrola a monitorování stavu optiky.

Reklama
Reklama

Diagnostika

Aby byla hlava udržována v optimálním stavu, měla by být průběžně sledována. To je důležité zejména u vyšších výkonů laseru, kde včasné odhalení drobného poškození může pomoci předejít závažným a nákladným poruchám. Moderní řezací hlavy jsou proto opatřeny senzory, které řídí důležité provozní parametry. Při přehřátí se může zaostřovací čočka zahřát tak, že se její povrch roztaví. Roztavené sklo z čočky se vypařuje a zkondenzovaný materiál se usazuje na sousední čočce kolimátoru a také ji poškozuje. Poškozená čočka kolimátoru může poškodit konec konektoru optického vlákna a v takovém případě je potřeba provést kompletní výměnu optiky.

Nové generace hlav jsou proto vybaveny senzory k měření teploty čoček. V mnohých případech je však měřena teplota pouzdra čočky. Sklo, ze kterého jsou čočky vyrobeny, má relativně nízkou tepelnou vodivost a v případě přehřátí povrchu čočky uplyne nějaký čas, než se přehřátí projeví na zvýšené teplotě pouzdra. To už je bohužel často pozdě a optika už může být poškozena. Společnost Kimla, která provádí vlastní výrobu a výzkum technologie, využívá v řezacích hlavách bezkontaktní metodu měření povrchové teploty čoček, která je založena na ikrobolometrických matricích a umožňuje sledovat teplotu přímo v místě vzniku přehřátí. Samostatně sleduje teplotu jednotlivých čoček i ochranného sklíčka a v případě překročení alarmové teploty okamžitě zastaví chod stroje.

Přídavné ochranné sklíčko, umístěné mezi zaostřovací čočkou a tryskou, pomáhá chránit čočku před prachem a rozstřikem roztaveného materiálu. (Zdroj: Kimla)

Ohnisková vzdálenost

Řezací hlavy mohou být vybaveny zaostřovacími čočkami různých ohniskových vzdáleností v závislosti na potřebách uživatele. U tenkých materiálů a nízkých výkonů je použita ohnisková vzdálenost 125 mm, která umožňuje řezat materiály o tloušťce až 15 mm. Delší ohnisková vzdálenost 150 mm je nejuniverzálnější volbou a používá se pro řezání materiálů do 20 mm. Ohniskové vzdálenosti 175 a 200 mm se používají pouze při vysokých výkonech a materiálech s tloušťkou nad 20 mm. Je však třeba připomenout, že při zvětšování ohniskové vzdálenosti se díky většímu průměru zaostřeného paprsku řezný výkon tenkých materiálů mírně snižuje. Existují i hlavy s proměnnou ohniskovou vzdáleností, ale ty jsou kvůli mnohem složitější konstrukci a většímu počtu čoček dražší na pořízení a provoz.

Reklama

Měření vzdálenosti od materiálu

Aby proces řezání probíhal správně, musí být ohnisko paprsku v určité vzdálenosti od povrchu materiálu. I nepatrné změny vzdálenosti mezi tryskou a materiálem mohou zhoršit kvalitu řezu. Proto je velmi důležité správně ovládat výšku hlavy, a udržovat stabilní vzdálenost mezi tryskou a materiálem, bez ohledu na nerovnosti na jeho povrchu. Měření se provádí kapacitní metodou měření frekvence generátoru rádiových vln, která se mění v závislosti na kapacitě mezi tryskou a plechem. Čím blíže je tryska k desce, tím větší je kapacita a menší frekvence. Na základě této frekvence se určí vzdálenost, a následně se koriguje výška hlavy. Většina laserů měří vzdálenost a koriguje výšku při frekvenci 1 kHz, neboli 1000krát za sekundu. Ukázalo se však, že při vysokých rychlostech je tato frekvence příliš nízká. Například při rychlosti pohybu hlavy 1 m.s-1 bude nastavení výšky hlavy provedeno pouze po 1 mm. Při vysokých rychlostech je klíčové, aby mohla hlava co nejrychleji reagovat, a zabránit tak kolizi s materiálem.

Společnost Kimla navrhla pro svoje stroje měřicí systém nové generace, kde bylo možné s využitím signálových procesorů DSP zvýšit frekvenci měření a korekci výšky hlavy až na 20 kHz. Díky tomu je systém schopen rychleji reagovat a přesněji upravit polohu hlavy.

Při řezání je velmi důležité správně ovládat výšku hlavy a udržovat stabilní vzdálenost mezi tryskou a materiálem, bez ohledu na nerovnosti na jeho povrchu. (Zdroj: Kimla)

Propalování materiálů

Rozsah měření vzdálenosti trysky od plechu je důležitým parametrem při děrování silnějších plechů. Při děrování může jiskra a roztavený materiál uniknout z povrchu takovou rychlostí, že dokáže překonat i odpor ochranného plynu, dostat se k hlavě a zničit ochranné sklíčko. Proto při děrování silných plechů, zejména těch, které jsou řezány kyslíkem, by měly být trysky oddáleny od materiálu do výšky i několika milimetrů. Tato výška je mimo standardní provozní rozsah regulátorů výšky, a proto většina laserů propaluje materiál na vzdálenost nepřesahující 10 mm, což způsobuje rychlejší opotřebení ochranných sklíček. Řešením je propalování materiálu z větší vzdálenosti od plechu. U laserů Kimla umožňuje měřicí systém rozsah měření až 20 mm. Aby však bylo možné materiál prorazit z tak velké vzdálenosti, musí být hlava schopna automaticky snížit ohniskovou výšku k povrchu plechu. Podmínkou efektivního a bezpečného děrování silných plechů je proto vhodný rozsah nastavení ohniskové polohy. Při propalovaní musí být hlava vrácena zpět, ale ohnisko by mělo zůstat na povrchu materiálu.

Laserové řezací hlavy plní důležité funkce, které mají vliv na výslednou kvalitu a rychlost řezu. Výměna optiky řezací hlavy je poměrně nákladnou záležitostí a je možné ji provést pouze za čistých laboratorních podmínek na specializovaném pracovišti. Pokud je jim však věnována dostatečná pozornost a umožněna včasná diagnostika, může být provozování zdánlivě křehkého optického systému bezproblémovou záležitostí.

Související články
Vláknové lasery:
účinnost a efektivita

Technologie vláknových laserů je dnes fenoménem v oblasti opracování kovových materiálů. Srovnání vláknové technologie s jejím předchůdcem, technologií CO2, bylo publikováno už mnohokrát a dnes je již všeobecně známo, že vláknové lasery kromě zvýšení efektivity a rychlosti, a tím i zvýšení možnosti zisků, přinášejí nemalý ekonomický přínos i z pohledu úspor energií a údržbových nákladů.

Vláknové lasery:
Pohony a konstrukce stroje

Rychlý technologický pokrok v posledních 50 letech klade stále vyšší požadavky na kvalitu a preciznost výroby, ale také na produktivitu. To vyžaduje neustálý vývoj, inovace a implementaci nových poznatků do konstrukce obráběcích strojů. Důležitými faktory pro dosažení přesnosti obrobku a zabezpečení jeho stabilní kvality jsou zpracování samotné konstrukce stroje a volba pohonů stroje.

Vláknové lasery: Řídicí systém

Řezání kovových materiálů pomocí laserů patří mezi nejprogresivnější technologie současnosti. Po mnoho let měly v této oblasti dominantní postavení CO2 lasery, ty se však už dostaly v technologickém pokroku na svůj vrchol. V posledních 10 letech je poměrně rychle nahrazují lasery vláknové, které způsobily v tomto oboru technologickou revoluci.

Související články
Výkonné CNC lasery

V letošním roce vstoupil na český trh nový evropský producent laserových řezacích CNC strojů, společnost Kimla, která však v tomto oboru není žádným nováčkem. Na trhu s laserovým řezáním dominuje jenom hrstka zavedených výrobců, jimž přichází konkurovat účastník s vlastní výraznou značkou strojů, které nabízejí vysokou technologickou úroveň a výkon. V České republice výrobce zastupuje společnost Kimla CNC se sídlem v Brně.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Přestaneme vyrábět a budeme tisknout?

3D tisk (AM – Additive Manufacturing) je obor, který přes svou krátkou historii překvapuje v mnoha ohledech – efektivitou, praktičností, flexibilitou... Jeho využitelnost jako technologie roste téměř exponenciálně, a přitom ale trochu utajeně.

Názorové fórum odborníků

Využití laserů v průmyslu a logistice se neustále rozšiřuje. Je možné jimi například řezat, značit, navařovat, měřit, skenovat a mnoho dalšího.
K jaké činnosti využívá lasery ve výrobě vaše společnost? Případně, jaká laserová řešení nabízíte svým zákazníkům?

Téma: technologie pro výrobu forem

Díly, součásti či výrobky, které spatřily světlo světa díky tomu, že byly vylisovány, odlity či vykovány ve formě, jsou doslova všude kolem nás. Forma je zařízení často velmi složité a komplexní a k její výrobě je potřeba řada špičkových technologií. Následující článek představuje některé z nich.

Názorové fórum odborníků

Energetická náročnost výrobních provozů zvláště v oblasti tváření, svařování či v oblasti zpracování plechů a profilů je důležitým kritériem pro udržitelnou výrobu. Jakou roli hrají úvahy o energetické náročnosti a budoucí udržitelnosti provozu při vývoji nových zařízení?

Jaká je energetická náročnost vámi vyráběných strojů a zařízení ve srovnání s jejich předchozími generacemi? Jakým způsobem bylo případné snížení spotřeby energií dosaženo?

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.

Laserová svařovací buňka, která promíjí nepřesnosti v plechu

Vstup do oblasti laserového svařování se stává snadnějším než dříve díky tolerantnímu laserovému svařování metodou FusionLine a balíčku pro náběh výroby. Nové konstrukční prvky a softwarové komponenty zjednodušují obsluhu.

Pokročilé metody laserového svařování

V současné době existují nové metody laserového svařování, které dále zlepšují základní metodu. V současné době existují nové metody laserového svařování, které dále zlepšují základní metodu. Podstatou nových metod je laserová hlava obsahující systém dvou vychylovacích zrcadel doplněných speciální optikou. Díky tomu lze laserovým paprskem velice rychle přebíhat v dané ploše. Svařování s touto hlavou se nazývá skenerové svařování. V provedeném experimentu byla demonstrována významná časová úspora při využití této metody oproti svařování běžnou svařovací hlavou vedenou robotem. Druhou metodou, opět využívající vychylování laserového svazku zrcadly, je svařování s rozmítaným svazkem. U této metody dochází kromě posuvové rychlosti k mikropohybu laserového svazku podél svařované trajektorie. Řízením parametrů mikropohybu můžeme měnit jak šířku závaru, tak i mikrostrukturu svaru, jak je opět předvedeno v rámci několika experimentů.

Robotické zváranie laserom s kamerovým navádzaním

Centrum laserového zvárania na robotických pracoviskách s kamerovým navádzaním v juhomoravskej spoločnosti BAST je schopné realizovať maximum, čo vie v súčasnosti laserová technológia v priemysle ponúknuť. Okrem iného možno automaticky zvoliť polohu ohniska, ktorá je kľúčová pre kvalitu a hĺbku zvaru. Robot FANUC si vďaka kamerovému systému hravo poradí aj s nepresnosťami prípravku, chybami operátora pri zakladaní výrobku alebo vstupného materiálu.

Obrábění laserem pro všechna odvětví

Od doby, kdy byl objeven a vyroben první laser roku 1960, se uplatnění laserů rozšířilo téměř do všech oborů lidské činnosti. Dnes se s lasery setkáváme téměř všude ? ve zdravotnictví, potravinářství, stavebnictví a logicky i ve strojírenství. Velice často se lasery uplatňují v procesech zpracování a obrábění materiálů jako výrobní nástroje. Oblibu si získaly díky svým schopnostem rychlého procesu obrábění, minimální hlučnosti, vysoké flexibilitě, minimálnímu tepelnému ovlivnění okolního materiálu a dalším.

Laserové svařování pro Průmysl 4.0

Vláknové lasery jsou významným nástrojem pro svařovací aplikace, které slouží mnoha zavedeným odvětvím i novým rychle rostoucím oborům. Pro progresivní výrobce, kteří již výhod laserového svařování využívají, zůstává otázkou, jak dále zlepšit efektivitu procesu a být krok napřed oproti konkurenci. Optimalizace jakéhokoli průmyslového procesu pro inteligentní výrobu vyžaduje vysoce kvalitní on-line sběr dat. Stále roste potřeba technologií, které pomohou lépe monitorovat proces laserového svařování.

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