6, 10, 15 czy 20 kW? Realia cięcia laserem fiber o (bardzo) dużej mocy
KimlaTo oczywiste, że ludzie chcą zarabiać na swoich wycinarkach laserowych. Wielu uważa, że zwiększenie mocy lasera zwiększy ich zarobki. Czasami to prawda, a czasami nie. Warto więc dokładnie przeanalizować, jak zwiększenie mocy lasera wpłynie na zarobki.
Kiedy zakres mocy lasera jest dość niski, każde jej zwiększenie bezpośrednio widać w ogólnej wydajności. Wraz ze wzrostem mocy proporcjonalnie wzrasta prędkość cięcia, ale kiedy części są małe, odcinki, po których porusza się laser, nie pozwalają na pełne wykorzystanie prędkości cięcia możliwej do uzyskania przy danej mocy lasera. Dlatego też zwiększanie mocy lasera w przypadku małych części nie jest już efektywne. Nie ma więc sensu zwiększanie mocy przy cienkich blachach i małych detalach.
Czy duża moc lasera zawsze ma sens?
Powyższe rozważania dotyczyły cięcia w azocie. Po przekroczeniu pewnej grubości blachy należy przejść na cięcie tlenem. W jego przypadku posuw jest znacznie mniejszy i nie zwiększa się wraz ze wzrostem mocy. Oznacza to, że zwiększanie mocy ma sens tylko dla blach o średniej grubości.
Przykładowo, przy mocy 6 kW maksymalna grubość cięcia w azocie wynosi 6 mm. Po przekroczeniu tej wartości należy rozpocząć cięcie w tlenie, które odbywa się z dużo mniejszą prędkością, co zmniejsza ogólną wydajność. Kiedy zwiększymy moc do 8 kW, maksymalna grubość cięcia w azocie wynosi 8 mm, dla 10 kW jest to 10 mm, a dla 12 mm potrzebujemy 12 kW i tak dalej.
Podsumowując, wysoka moc lasera fiber ma sens tylko w przypadku cięcia materiału o średniej grubości. W przypadku cienkich blach nie można stosować wysokich mocy, ponieważ ogranicza nas dynamika maszyny. Natomiast w przypadku grubych blach ogranicza nas technologia cięcia tlenem.
Jeśli więc największą część naszej pracy dotyczy blachy o grubości 8 mm, powinniśmy kupić laser o mocy co najmniej 8 kW. Analogicznie, jeśli jest to np. 12 mm, powinniśmy kupić laser o mocy 12 kW.
Z powyższej zależności wynika, że dalsze zwiększanie mocy – do np. 15 kW czy 20 kW – powinno prawie całkowicie wyeliminować konieczność cięcia grubych blach w tlenie. Badania laboratoryjne to potwierdzają. Czy jednak na tak duże moce jest gotowy przemysł?
Duża moc lasera światłowodowego to potencjalne problemy
Szybki rozwój źródeł laserów światłowodowych w ostatnich latach spowodował, że na rynku są już dostępne lasery fiber o mocy moce rzędu 20 kW, a nawet 30 kW. Okazuje się jednak, że ich implementacja w maszynach tnących nie jest taka prosta. Oferowanie ekstremalnie dużej mocy świetnie wygląda w reklamie, ale czy ogromny koszt zakupu rzeczywiście może się opłacić?
Największym problemem jest absorpcja i utrata energii w głowicy tnącej, co powoduje przegrzewanie się elementów optycznych. Im wyższa moc lasera, tym bardziej szkodliwe stają się efekty termiczne. Żeby cięcie laserem przebiegało prawidłowo, konieczna jest kontrola wielu parametrów procesu. Jednym z nich jest wysokość punktu ogniskowego, która musi być precyzyjnie ustawiona dla każdego rodzaju i grubości ciętego materiału.
Ze względu na właściwości optyczne szkła, z którego wykonane są elementy optyczne w głowicy, położenie punktu ostrości zmienia się wraz ze wzrostem ich temperatury. A to zaburza proces cięcia. Efekt ten nazywany jest „focus shift” (przesunięcie punktu skupienia).
Jest to trudne do kontrolowania, ponieważ na początku cięcia soczewki są zimne, ale z czasem się nagrzewają. Zmienia się więc punkt skupienia, co powoduje pogorszenie jakości cięcia lub nawet jego zatrzymanie. Efekt ten jest proporcjonalny do mocy lasera – przy mocach do 6 kW efekt jest nieistotny, jednak przy wyższych staje się problemem.
Soczewki asferyczne częściowym rozwiązaniem
Częściowym rozwiązaniem jest zastosowanie specjalnych soczewek asferycznych z powłokami antyrefleksyjnymi o niskiej absorpcji. Absorpcja i problem z przegrzewaniem powłok jednak rośnie z czasem, ponieważ element optyczny szybko ulega degradacji podczas pracy z dużymi mocami. A im większa moc, tym szybsza degradacja.
Dodatkowo dochodzi do przypadkowych uszkodzeń optyki. Powodują je niewidoczne zanieczyszczenia, które mogą dostać się do głowicy podczas montażu lub wymiany szkła ochronnego.
Im wyższa moc lasera, tym większe ryzyko poważnych awarii spowodowanych błędem operatora lub niewłaściwą obsługą. Przy niskich mocach uszkodzenie jednego elementu optycznego nie powoduje uszkodzenia elementów sąsiednich. Z drugiej strony,kolei przy wysokich mocach, destrukcja układu optycznego postępuje tak szybko, że może dojść do reakcji łańcuchowej, która niszczy wszystkie części głowicy (łącznie ze światłowodem), zanim operator zdąży zareagować.
Nieproporcjonalny wzrost wydajności lasera o dużej mocy
Wspomniane wyżej zjawiska powodują, że wiele firm, które zdecydowały się na zakup laserów o bardzo dużej mocy (w nadziei na znaczny wzrost wydajności), nie jest w stanie z niej skorzystać. Okazuje się, że przegrzewanie się układu optycznego i jego częste awarie generują ogromne koszty i długie przestoje. Użytkownicy takich laserów często zmuszeni są do obniżenia mocy do poziomu, przy którym laser pracuje stabilnie. Często jest to nawet połowa mocy, za którą zapłacili.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Należy też pamiętać, że choć przy podwojeniu mocy można uzyskać dwukrotnie większą prędkość cięcia liniowego, to nie przekłada się to na podwojenie całkowitej wydajności produkcji.
Oprócz ograniczenia wydajności przy wysokich mocach ze względu na grubość blachy, jak wspomniano wcześniej, zwiększenie mocy nie zwiększa liniowo liczby części produkowanych podczas jednej zmiany. Zwiększając moc lasera, nie skrócimy przecież szybkiego przemieszczania się między częściami. Nie skrócimy także czasu wymiany palet czy czynności przygotowawczych ani np. przerwy obiadowej dla operatora.
Jeśli zamiast lasera 6 kW wybierzemy 15 kW, to cena takiego lasera może być dwukrotnie wyższa. Średnia wydajność produkcji na takiej maszynie – jeśli weźmie się pod uwagę cały zakres grubości materiału – w przeliczeniu na liczbę wycinanych elementów wzrośnie jednak tylko o około 30%. Okazuje się więc, że przeznaczając tę samą kwotę na zakup dwóch laserów o mocy 6 kW, zwiększamy wydajność produkcji o 100%. Należy też pamiętać, że jeśli ma się dwa lasery, to w przypadku przestoju jednego z nich drugi może kontynuować cięcie, zapewniając ciągłość produkcji.
Podsumowując, oferowanie bardzo dużych mocy lasera rzeczywiście wywołuje ekscytację i daje efekt „wow”. Nie przekłada się jednak bezpośrednio na oczekiwane rezultaty – podobnie jak samochód o mocy 1000 KM nie przejedzie przez miasto dużo szybciej niż samochód o mocy 100 KM.
Duża moc do cięcia cienkich blach – to jednak możliwe
W firmie Kimla przeanalizowaliśmy, jakie czynniki ograniczają wydajność lasera światłowodowego. Okazuje się, że przy cieńszych blachach największym ograniczeniem wydajności nie jest moc źródła lasera, ale dynamika ruchów maszyny. Ponadto wielu producentów laserów stosuje systemy sterowania przeznaczone głównie do frezarek i tokarek, które są zbyt wolne. Marnują więc potencjał nowoczesnych źródeł światłowodowych ze względu na konieczność zwalniania przy skomplikowanych kształtach.
Firma Kimla opracowała więc bezobsługowy system sterowania laserem pozycyjnym z dynamiczną analizą wektorów. Ma on unikalne cechy, które pozwalają na stosowanie nawet bardzo dużych mocy przy cięciu cienkich blachach.
To przełomowe rozwiązanie opiera się na magnetycznych napędach liniowych, które pozwalają użytkownikom na osiągnięcie ekstremalnie wysokiej dynamiki pracy – nawet w przypadku skomplikowanych kształtów małych części. Dzięki takiemu rozwiązaniu jeden laser Kimla może zastąpić kilka innych wycinarek laserowych.
Ograniczenia związane z optyką lasera dużej mocy zostały rozwiązane dzięki zastosowaniu innowacyjnego systemu monitorowania głowicy tnącej „Lens Care”. Stale kontroluje on temperaturę wszystkich elementów optycznych i na podstawie tych pomiarów koryguje położenie ogniska, rozwiązując problem przesunięcia punktu skupienia. Pozwala również na ciągłą kontrolę stanu optyki i automatyczne wyłączenie lasera w przypadku wystąpienia anomalii (co zapobiega poważnym awariom).
Zasadność zakupu laserów o bardzo dużych mocach powinna być zawsze indywidualnie analizowana. W wielu przypadkach może się bowiem okazać, że duża moc znacznie podniesie koszty zakupu i użytkowania lasera, a niekoniecznie zwiększy wydajność produkcji.
O Autorze
