Témata
Zdroj: Kimla

Vláknové lasery: Řezání lasery s vysokým výkonem

Vláknové lasery s velmi vysokým výkonem znamenají vysoké náklady na pořízení a používání, ale ne vždy zvyšují také efektivitu výroby. Je pochopitelné, že rozhodnutí o nákupu laseru s vyšším výkonem je spojené s očekáváním vyšších zisků a zvýšením efektivity výroby - ne vždy je však toto očekávání naplněno. Jestliže uvažujeme o tom, jak zvýšení výkonu laseru ovlivní výnosy, je na místě probrat tuto problematiku podrobně.

Tento článek je součástí seriálu:
Vláknové lasery
Díly
Reklama

Pokud se pohybujeme v oblasti nižších výkonů, zde jakékoliv navýšení výkonu znatelně ovlivňuje celkovou efektivitu laseru. Při zpracování malých dílů neumožňují krátké úseky, po kterých se laser pohybuje, plné využití řezné rychlosti dosažitelné pro daný výkon stroje. Zvyšování výkonu u menších obrobků již není efektivní, takže v případě řezání malých detailů u tenkých plechů nedává smysl.

Výkon vs. tloušťka materiálu

Všechny tyto úvahy platí pro řezání za pomocí dusíku; od určité tloušťky materiálu je nutný přechod na řezání kyslíkem. Při řezání kyslíkem je však rychlost posuvu mnohem nižší a s rostoucím výkonem se nezvyšuje. To znamená, že zvýšení výkonu má smysl pouze u plechů střední tloušťky. Například při výkonu 6 kW je maximální tloušťka řezání dusíkem 6 mm – po překročení této hodnoty je vhodnější použít řezání kyslíkem, které probíhá při nižších otáčkách, a snižuje tak celkovou účinnost. Při zvýšení výkonu na 8 kW je maximální tloušťka řezu v dusíku 8 mm, při 10 kW je to 10 mm, při výkonu 12 kW 12 mm atd.

Při řezání malých dílů z tenkých plechů nemá smysl zvyšovat výkon laseru. (Zdroj: Kimla)

Lasery s vysokým výkonem mají smysl pouze pro řezání materiálů střední tloušťky. U tenkých plechů nelze vysoký výkon použít, protože je zde limitující dynamika stroje, u silných plechů je omezující technologie řezání kyslíkem. Pokud je tedy největší částí zakázky plech o tloušťce 8 mm, měl by být použit laser s výkonem alespoň 8 kW, a je-li to např. 12 mm, je vhodné použít laser o výkonu 12 kW.

Limity vysokovýkonných laserů

Z výše uvedených informací vyplývá, že další zvyšování výkonu laseru, například na 15 nebo 20 kW, by mělo téměř zcela eliminovat potřebu řezat silné plechy kyslíkem. Laboratorní výzkum toto tvrzení potvrzuje, ale je průmysl na tak vysoký výkon připraven?

Rychlý vývoj vláknových laserů v posledních letech vedl k tomu, že na trhu jsou již dostupné výkony 20 kW, nebo dokonce 30 kW. Ukazuje se však, že jejich implementace do řezacích strojů není tak jednoduchá. Dostupnost extrémně vysokého výkonu vypadá v reklamě skvěle, ale mohou se enormní pořizovací náklady skutečně vyplatit?

Reklama
Reklama

Přehřívání optických prvků

Největším problémem je absorpce a ztráta energie v řezací hlavě, která způsobuje přehřívání optických prvků. Čím vyšší je výkon laseru, tím škodlivější jsou tepelné účinky. Pro správný průběh řezání je nutné kontrolovat mnoho parametrů procesu. Jedním z nich je výška ohniska, která musí být přesně přednastavena pro každý typ a tloušťku řezaného materiálu.

Vzhledem k optickým vlastnostem skla, z něhož jsou optické prvky v hlavě vyrobeny, se poloha ostřicího bodu mění s nárůstem jejich teploty, což narušuje proces řezání – tento jev se nazývá posun ohniska. Je obtížné ho kontrolovat, protože čočky jsou na začátku řezání chladné, postupem času se zahřívají, a tím se ohnisko mění, což způsobuje zhoršení kvality řezu, nebo dokonce jeho zastavení. Tento efekt je úměrný výkonu laseru. Při výkonu do 6 kW je tento efekt zanedbatelný, ale při vyšších výkonech se stává problémem.

Částečným řešením je použití speciálních asférických čoček s antireflexními vrstvami s nízkou absorpcí. Problém s jejich přehříváním se však s časem zvyšuje, protože optický prvek při práci s vysokými výkony rychle degraduje. Tedy čím vyšší je výkon, tím rychlejší je degradace. Kromě toho dochází k náhodnému poškození optiky způsobenému okem neviditelnými nečistotami, které se mohou dostat do hlavy při instalaci nebo výměně ochranného skla. Čím vyšší je výkon laseru, tím větší je riziko závažných poruch způsobených chybou obsluhy nebo nesprávnou manipulací.

Při nízkém výkonu laseru poškození jednoho optického prvku nepoškodí sousední prvky. Oproti tomu při vysokých výkonech postupuje destrukce optiky tak rychle, že může dojít k řetězové reakci, která zničí všechny části hlavy, včetně optického vlákna. Může se to stát dříve, než obsluha stihne zareagovat.

Systém řízení polohy laseru, využívající dynamickou vektorovou analýzu, umožňuje dosáhnout extrémně vysoké dynamiky práce. (Zdroj: Kimla)

Tento fenomén v praxi znamená, že mnoho společností, které se rozhodly zakoupit lasery s velmi vysokým výkonem v naději na výrazné zvýšení účinnosti, je nedokáže plně využít.

Je zřejmé, že přehřívání optiky a její časté poruchy způsobují obrovské náklady a dlouhé prostoje. Uživatelé takových laserů jsou často nuceni snížit výkon na úroveň, při které laser pracuje stabilně. Mnohdy je to dokonce polovina výkonu, za který zaplatili.

Vliv výkonu na efektivitu

Je třeba si také uvědomit, že ačkoli při zdvojnásobení výkonu může být lineární řezná rychlost dvakrát vyšší, neznamená to zdvojnásobení celkové efektivity výroby.

Kromě omezení kapacity při vysokých výkonech v důsledku tloušťky plechu, jak již bylo zmíněno, nevede zvýšení výkonu k nárůstu počtu dílů vyrobených během jedné směny. Koneckonců vyšší výkon laseru nezkracuje rychlý pohyb mezi díly, dobu výměny palet či přípravných činností ani polední přestávku pro obsluhu.

Reklama

Pokud místo 6kW laseru zvolíte 15kW, může být cena takového laseru dvakrát vyšší. Průměrná efektivita výroby na takovém stroji se však s ohledem na celý rozsah tloušťky materiálu, počítáno na počet vyříznutých prvků, zvýší asi jen o 30 %.

Z toho vyplývá, že vhodnějším řešením je pořízení dvou 6kW laserů, které mohou zvýšit efektivitu výroby o 100 %. Navíc, se dvěma lasery může v případě výpadku jednoho pokračovat v řezání druhý, čímž je zajištěna kontinuita výroby.

Stručně řečeno, nabídka laserů s velmi vysokým výkonem je skutečně vzrušující. Nepromítá se však přímo do očekávaných výsledků (stejně jako auto s výkonem 1 000 koní neprojede městem o mnoho rychleji než auto s výkonem 100 koní).

Vláknové řezací lasery Kimla z řady ExtremeCut nabízejí výkon laseru až 12 kW. (Zdroj: Kimla)

Cesty k vyšší účinnosti

Ve společnosti Kimla jsme analyzovali faktory omezující účinnost vláknového laseru, a ukázalo se, že u tenčích plechů není největším omezením účinnosti samotný výkon laserového zdroje, ale dynamika pohybů laseru. Ukazuje se také, že mnoho výrobců laserů používá řídicí systémy určené především pro frézky a soustruhy, které jsou příliš pomalé a kvůli nutnosti snižovat rychlost u složitých tvarů plýtvají potenciálem moderních vláknových laserů.

Kimla vyvinula bezchybný systém řízení polohy laseru s dynamickou vektorovou analýzou, který má jedinečné vlastnosti umožňující použití i velmi vysokého výkonu na tenkém materiálu. Jedná se o průlomové řešení založené na magnetických lineárních pohonech, které uživatelům umožňuje dosáhnout extrémně vysoké dynamiky práce, a to i na složitých tvarech malých dílů. Díky tomuto řešení může jeden laser Kimla nahradit několik konkurenčních laserových řezaček.

Omezení spojená s optikou vysokovýkonného laseru byla vyřešena použitím inovativního systému monitorování řezací hlavy „Lens Care“, který neustále kontroluje teplotu všech optických prvků a na základě těchto měření koriguje polohu zaostření (a tím řeší problém s posunem zaostření). Umožňuje také neustálé sledování stavu optiky, a v případě anomálie laser automaticky vypne, čímž zabrání vážným poruchám.

Opodstatnění nákupu laserů s velmi vysokým výkonem je třeba vždy individuálně analyzovat, protože v mnoha případech se může ukázat, že vysoký výkon výrazně zvýší náklady na pořízení a používání, a nemusí nutně zvýšit efektivitu výroby.

Související články
Vláknové lasery: Programování

Každý CNC obráběcí stroj je vybaven řídicím systémem, který určuje možnosti celého zařízení. Základní řídicí systémy nabízejí pouze možnost načíst dráhu nástroje ze souboru, který byl předem připraven v jiném programu, a zahájit obrábění. Pokročilejší systémy pak mohou provádět simulace před obráběním a umožňují změny parametrů a nastavení dráhy nástroje.

Výbava laseru

Řezání kovů pomocí laserové technologie umožňuje provozovatelům laserových strojů díky jejich rychlosti a efektivitě dosahovat poměrně vysokých zisků. Pořízení laserové technologie je v posledních letech velmi dobrou investicí jak pro podniky s vlastní výrobou, tak i v případě pořízení stroje pro kooperaci. Pro dosažení požadované kvality řezu a efektivity stroje je však důležitá správná výbava laserového stroje.

Unikátní laserové technologie v praxi

Je možné na tomtéž pracovišti provádět teplené zpracování materiálu, pak během několika minut vyměnit nástroj a začít třeba svařovat? Ovšemže ano - právě takovými technologickými možnostmi disponuje firma LaserTherm, vybavená moderními robotizovanými laserovými systémy.

Související články
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.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
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?

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.

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.

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.

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.

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.

Na cestě ke zrození stroje,
Část 1. Průzkum trhu

Série 10 článků, jejichž autorem je konstruktér Michal Rosecký, popisuje postup výroby obráběcího stroje. Krok po kroku nás provází tímto náročným procesem, v jehož závěru je po stránce vývoje a výroby rentabilní moderní výrobní zařízení s inovativními prvky, o které trh projeví zájem a po uvedení do provozu přinese zákazníkovi deklarovanou profitabilitu a návratnost investic.

Startovní výstřel pro kovozpracování a subdodavatele

Veletrhy Intec a Z 2021, které se budou konat v příštím roce od 2. do 5. března, opět promění Lipsko v centrum strojírenství a evropského subdodavatelského průmyslu. V nelehkých dobách nabídnou důležitou pomůcku pro orientaci v zásadních změnách, kterými průmysl prochází. Vystavovatelé z Česka mají na veletrzích Intec a Z ty nejlepší předpoklady navázat, či dále prohloubit obchodní vztahy s významnými společnostmi z Německa a celé Evropy. Ministerstvo průmyslu a obchodu plánuje společnou expozici českých firem v rámci programu na podporu exportu.

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