Vláknové lasery: Řezání lasery s vysokým výkonem

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.

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.

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.

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?

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.

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.

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.

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).

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.