Vláknové lasery:
účinnost a efektivita

Při pořizování vláknového laseru je potřeba zvážit několik důležitých parametrů, které mají významný vliv na efektivitu stroje, ale i na ekonomiku provozu. Nejdůležitějším parametrem je výkon laserového zdroje, který určuje rozsah tloušťky materiálů a to, jak efektivně bude možné tyto materiály zpracovávat, ale zároveň významně ovlivňuje pořizovací náklady. Je tedy rozhodně na místě věnovat při výběru stroje tomuto parametru dostatečnou pozornost.

První laser, který umožňoval řezání kovů, dosahoval výkonu jenom několik stovek wattů a byl schopen řezat díly z plechů s tloušťkou maximálně 3 mm, a to poměrně nízkou rychlostí. Další snahou vývojářů proto bylo další navyšování výkonu, od kterého se očekávalo zvýšení účinnosti laseru i zvětšení rozsahu řezaných materiálů. V průběhu vývoje technologie se však zjistilo, že navýšení výkonu laseru nepřináší úměrné zvětšení tloušťky řezaného materiálu. První vláknové laserové řezací stroje se mohly pochlubit poměrně malými výkony mezi 1–2 kW. Při přechodu na výkony vyšší než 2 kW se však nárůst řezné tloušťky postupně zpomaloval.

Zde je však potřeba zdůraznit, že tloušťka řezu nemusí mít vždy přímou souvislost jenom s výkonem zdroje. Jedna věc jsou laboratorní testy prováděné za optimálních podmínek, avšak řezání plechů různého materiálového složení a v různé kvalitě v reálném průmyslovém prostředí může dosahovat rozdílných výsledků. Proto je třeba při rozhodování o výběru laserového zdroje počítat s výkonovou rezervou. Výkonová rezerva má vliv na šířku procesního okna, což je rozsah jednotlivých parametrů, pro které je kvalita řezání přijatelná. Čím nižší je výkonová rezerva, tím obtížnější je vybrat správné parametry a řezat materiály, jejichž kvalita je horší.

Pro řez neželezných kovů, korozivzdorných ocelí, hliníku, titanu nebo tenkých plechů z černé oceli se u vláknových laserů využívá jako asistenční plyn dusík. Silnější plechy z černé oceli se pak řežou pomocí kyslíku. Při řezání kyslíkem vzniká mnohem větší řezná spára v porovnání s dusíkem, což znamená, že rychlost řezání je mnohem nižší. Stroj s vyšším výkonem pak umožňuje řezat větší rozsah plechů z černé oceli za pomoci dusíku, a dosahovat tedy vyšší účinnosti.

V laboratořích společnosti Kimla, která je výrobcem vysokovýkonných vláknových laserů, probíhá neustálý vývoj a testování laserové technologie. Studie srovnávající možnosti řezu různými výkony laserů nám může pomoci vyhodnotit efekt a přínos navýšení výkonu stroje. Jak je patrné z níže uvedených grafů, výhoda řezání tenčích plechů pomocí dusíku je opravdu velká a řezání je téměř pětkrát rychlejší ve srovnání s řezáním pomocí kyslíku se stejným výkonem laserového zdroje. Při řezání silnějších plechů se tento rozdíl částečně snižuje, ale zůstává stále poměrně významný. Je třeba poznamenat, že se kvůli vyššímu tlaku při řezání pomocí dusíku používá větší množství plynu, ale nižší cena dusíku a jeho mnohem vyšší účinnost tyto rozdíly vynahrazuje.

Údaje v grafech také potvrzují, že maximální tloušťka řezaného materiálu závisí na výkonu laseru. Například laser o výkonu 3 kW je schopen řezat plechy o tloušťce 15 mm, ale maximální tloušťka při řezání pomocí dusíku je jen 4 mm. Je-li výkon zdvojnásoben na 6 kW, pak se mezní tloušťka řezání pomocí dusíku zvyšuje na 6 mm. Rychlost řezu plechů s tloušťkou 4 mm je potom v porovnání s výkonem 3 kW a s použitím kyslíku až šestkrát vyšší. Investice do vyššího výkonu laserového řezacího stroje se tedy z tohoto pohledu ukazuje jako velmi rentabilní. Před přijetím rozhodnutí o volbě výkonu zdroje je však potřeba zvážit účinnost celého procesu řezání laserem.

Dynamika stroje je vlastnost, která definuje změny rychlosti v závislosti na obrysech řezaného dílu, po kterých se stroj pohybuje. Je ovlivněna rychlostí, zrychlením a náběhem.

Rychlost řezu je omezena druhem a tloušťkou plechu, výkonem laseru, ohniskovou vzdáleností a tlakem plynu a také průměrem a vzdáleností trysky. Na druhé straně je rychlost pohybu hlavy omezena tvarem dráhy, po níž se hlava pohybuje, a plyne zejména z hodnot linearity a hodnot zrychlení a odstředivého zrychlení, které se projevuje v zakřivených částech dráhy. V závislosti na druhu a tloušťce materiálu je omezení rychlosti řezání a pohybu hlavy v různé míře rozhodující pro celkovou účinnost stroje.

Zrychlení je čas, který stroj potřebuje k dosažení nastavené rychlosti, ale někdy je třeba jej omezit v místech zakřivení, aby celková hodnota sil způsobených lineárním a odstředivým zrychlením nebyla vyšší než síly vyvíjené výkonem pohonů.

Naopak náběh je rychlost, při které zrychlení roste, a je omezena tuhostí stroje a hnacích mechanismů, protože nedostatečný náběh by mohl vést k náhlým trhnutím, a pohyb by tak nebyl plynulý. Avšak velká omezení náběhu mohou způsobit, že požadované rychlosti nebude nikdy dosaženo. To by znamenalo výrazný pokles účinnosti stroje.

Zrychlení je významné pro účinné řezání tenkých plechů. Rychlost, kterou umožňuje daný výkon laseru, však může být natolik vysoká, že u dílů, jejichž dílčí úseky jsou příliš krátké, nebude možné této rychlosti dosáhnout. U některých materiálů je hlavním faktorem omezujícím účinnost dynamika a výkon laseru má při tom až druhořadý význam. Tento problém je méně viditelný při řezání silnějších plechů, protože rychlosti řezání nejsou tak vysoké a vzdálenost, na které dochází ke zrychlení, je relativně krátká.

Společnost Kimla analyzovala také účinnost řezání v závislosti na tloušťce plechu a výkonu laseru, a to na konkrétním dílu o velikosti 420 x 180 mm, jehož tvar je zobrazen na obrázku, v závislosti na tloušťce plechu a výkonu laseru.

Je-li tloušťka plechu 0,8 mm, má výkon zdroje téměř zanedbatelný význam. Plech je tak tenký, že stroj se pohybuje po poměrně krátkých úsecích a při dané dynamice není schopen zrychlit na maximální možnou rychlost řezu. Je-li tloušťka plechu větší než 2 mm, rozdíly začínají být patrné, ale nikoliv drastické. Při tloušťce 4 mm začíná hrát důležitou roli výkon, ale největší rozdíly, pokud jde o účinnost, se projeví při výkonu 6 kW. Další zvyšování výkonu vede k lepší účinnosti, ale rozdíly jsou minimální.

Dalším důvodem snížení účinnosti u plechů s tloušťkou větší než 3 mm mohou být doby propalů. Je-li tloušťka kovu větší než 4 mm, není laser schopen použít propalování za chodu a musí se při každém propálení zastavit, propálit materiál a až pak začne vyřezávat obrys. V závislosti na tloušťce plechu může propálení trvat 30–600 ms. Jsou-li díly silné a je-li v nich velký počet otvorů, může nastat situace, kdy je celková doba propalování větší než doba řezání, což je nepřijatelné.

Při porovnání výkonů 6 kW a 12 kW bychom mohli předpokládat nárůst účinnosti až o 80 %, ale při analýze doby potřebné k vyřezání vzorku dílu s přihlédnutím k časům potřebným k propálení a omezením plynoucím z dynamiky stroje skutečné rozdíly nepřesahují 10 %. Je třeba poznamenat, že hodnoty účinnosti řezání, které jsou uvedené v grafu, se týkají určitého vzorku dílu a budou se mírně lišit v závislosti na tvarech a na počtu otvorů.

Analýza rozdílů v účinnosti při řezání silných plechů lasery s výkonem 6 kW a 12 kW s použitím kyslíku ukazuje, že při výkonu převyšujícím 6 kW prakticky nedochází k žádnému zvýšení účinnosti řezání, které by plynulo z rychlosti plnění paprsku. Očekávat můžeme mírné zvýšení účinnosti v důsledku mírně rychlejšího propálení při vyšším výkonu, ale celková účinnost řezání při navýšení výkonu z 6 kW na 12 kW se nezvýší o více než 15 %.

Shrneme-li toto srovnání, vidíme, že zásadní rozdíl v účinnosti se projeví pouze u materiálů, u kterých daný výkon umožňuje řezání s použitím dusíku. Například laser o výkonu 6 kW může řezat pomocí dusíku plechy z černé oceli o tloušťce do 6 mm. Laser o výkonu 10 kW do 10 mm. To znamená, že zjevný rozdíl v účinnosti při snížení výkonu z 10 kW na 6 kW bude platit pro plechy o tloušťce 8 mm a 10 mm. Díky tomu je zjevné, že využití výkonnějších laserových řezacích strojů je hospodárnější v případech, kdy výrobce řeže většinu dílů z plechů a desek v tomto rozsahu tlouštěk. Pokud však na druhou stranu zprůměrujeme navýšení účinnosti pro celý rozsah tlouštěk plechů a desek, pak jeho hodnota nepřesáhne 10–15 %.

Jak se ukázalo, volba výkonu řezacího stroje má výrazný vliv na efektivitu a účinnost stroje. Pro další ekonomické zhodnocení technologie je potřeba analyzovat také další faktory, které dále ovlivňují náklady nebo návratnost investice na pořízení stroje. Důležitá je třeba pořizovací cena nebo účel, pro který se stroj do provozu pořizuje. Toto téma si však zaslouží další samostatný článek.