Cięcie laserem – kluczowe trendy rozwoju tej technologii cięcia
Adobe Stock – ParilovCięcie laserem światłowodowym (fiber) zyskuje na popularności w wielu branżach przemysłowych jako precyzyjna, wydajna i bardziej opłacalna technologia niż inne metody cięcia różnorodnych materiałów. Jej zalety i przewaga konkurencyjna sprawiają, że obecnie wycinarki laserowe fiber wypierają z rynku większość innych technologii cięcia. Co więcej, technologia ta wciąż ma spory potencjał rozwojowy. Czy więc w najbliższej przyszłości w ofercie rynkowej pozostaną wyłącznie lasery fiber, czy też wycinarki laserowe CO2 wciąż zachowają swój kawałek rynku?
W procesie cięcia przemysłowego różnych materiałów wykorzystuje się różnego rodzaju maszyny i urządzenia, jednak bezsprzecznie największą dynamikę rozwoju mają technologie cięcia laserowego. Wycinarki laserowe są przede wszystkim szybsze i precyzyjniejsze (również w przypadku wycinania bardziej skomplikowanych kształtów). Jednocześnie są uniwersalne, dzięki czemu przy użyciu tego typu maszyn można ciąć bardzo zróżnicowane materiały, w tym silnie refleksyjne.
W grupie wycinarek na pozycję zdecydowanego lidera wysuwa się technologia cięcia laserem typu fiber. Cięcie laserem światłowodowym (laserem fiber) to obecnie najbardziej rozwinięta technologia cięcia laserowego. W tej metodzie cięcia laserem wykorzystuje się diody laserowe do pobudzania i wysyłania fotonów przez włókno światłowodowe na bazie szkła.
Włókno to może być stosunkowo długie i elastyczne, dzięki czemu nie ma potrzeby stosowania bardziej skomplikowanych układów prowadzenia wiązki lasera. Natomiast w układach, które wykorzystują m.in. zwierciadła czy soczewki, istnieje możliwość ich zanieczyszczenia bądź złego ustawienia, czego następstwem będzie osłabienie wiązki laserowej.
Wiązka lasera po opuszczeniu światłowodu, zanim zacznie ciąć materiał, najpierw przechodzi przez zespół soczewek (soczewkę skupiającą i soczewkę kolimatora). Dzięki temu wszystkie fotony w wiązce przemieszczają się już równolegle w skupionej wiązce.
W technologii światłowodowej długość uzyskanej fali światła lasera jest 10-krotnie mniejsza niż w laserze CO2. Dzięki temu można uzyskać większe skupienie energii, dzięki czemu ta technologia daje liczne korzyści.
Dlaczego lasery fiber wypierają z rynku lasery CO2?
Liczne korzyści, jakie można uzyskać dzięki technologii światłowodowej, przekładają się na bez porównania dynamiczniejszy rozwój tej technologii laserowej w porównaniu z laserami gazowymi. Jeszcze dekadę temu proporcje w udziale rynkowym były jednak dokładnie odwrotne.
Rozwijająca się dopiero technologia fiber miała dość ograniczone zastosowanie. Ze względu na stosunkowo niewielką moc źródeł lasera (ok. 1–3 kW) praktyczne możliwości technologii światłowodowej były mocno ograniczone. Wycinarki tego typu wykorzystywało się jedynie do cięcia cienkich blach.
W ciągu kilku lat sytuacja diametralnie się jednak zmieniła – głównie za sprawą rosnącej mocy laserów fiber. Dziś absolutnym standardem są już wycinarki o mocy 6 kW, które dobrze radzą sobie z arkuszami blachy o grubości 20 mm, a nawet 25 mm. Natomiast najmocniejsze lasery mają już moc 30 kW, a nawet większą.
Jak tłumaczy Krystian Rydz, kierownik działu techniczno-handlowego w firmie Seron, lasery fiber zyskują przewagę nad innymi technologiami cięcia dzięki wyjątkowej wydajności, precyzji i niskiemu kosztowi eksploatacji.
– Kluczową zaletą jest też ich wysoka efektywność energetyczna, która znacząco obniża koszty produkcji. Dodatkowo lasery fiber charakteryzują się dłuższą żywotnością i mniejszą potrzebę konserwacji, co przekłada się na ograniczenie przestojów – to następne zalety technologii fiber, które wymienia Krystian Rydz.
– Kolejnym atutem jest ich zdolność do cięcia różnorodnych metali: od stali czarnej, stali nierdzewnej, stali ocynkowanej po miedź i aluminium. To sprawia, że są wszechstronnym rozwiązaniem. Szybkość i precyzja w obróbce, zwłaszcza cienkich blach, a także niski koszt jednostkowy cięcia sprawiają, że technologie alternatywne stają się mniej konkurencyjne – dodaje Krystian Rydz.
Wspomniane zalety laserów typu fiber powodują, że obróbka blach przy użyciu laserów CO2 zdecydowanie traci dziś na znaczeniu. Czy jednak nadejdzie taki czas, że na rynku pozostaną tylko wycinarki światłowodowe?
Według Przemysława Kimli, właściciela firmy Kimla, lasery fiber już wyparły lasery CO2 z ponad 90% zastosowań. Wynika to z tego, że są szybsze, tańsze, prostsze w obsłudze, a przy tym zużywają tylko 1/4 energii elektrycznej co lasery CO2. Lasery fiber w przemyśle metalowym zdominowały rynek i chyba żaden producent laserów do cięcia blach nie oferuje już laserów CO2.
– Są oczywiście obszary, w których lasery CO2 wciąż znajdują zastosowanie. To przede wszystkim materiały niemetalowe, które często są znacznie lepiej cięte na laserze CO2 – mówi Przemysław Kimla i dodaje: – Przykładem jest przemysł opakowaniowy, a dokładnie obróbka sklejki wykrojników introligatorskich, których laser fiber nie jest w stanie ciąć. Wynika to z tego, że włókna w drewnie są dla tej długości fali przezroczyste i rozpraszają światło lasera. Również w branży tworzyw sztucznych czy reklamie cięcie pleksi na laserze CO2 wciąż jeszcze jest bezkonkurencyjne.
Dalszy wzrost mocy lasera nie zawsze zwiększy wydajność
Jednym z najbardziej widocznych trendów rozwojowych w obszarze laserów fiber na przestrzeni ostatniej dekady był wzrost ich mocy. Naturalnie wciąż jeszcze są dostępne źródła laserów o mocy kilku kilowatów. Przedsiębiorstwa produkcyjne mogą jednak wybierać również spośród wycinarek laserowych o mocy kilkunastu kilowatów, a topowe modele laserów do cięcia osiągają już moc 30 kW.
Jak zauważa Marcin Czajor, szef sprzedaży na Polskę w firmie Eagle Lasers, wzrost mocy laserów fiber to niewątpliwy trend w branży, a firma Eagle Lasers jest pionierem we wprowadzaniu na rynek systemów o dużej mocy. Dążenie do szybszego cięcia i obróbki grubszych materiałów napędza ten rozwój.
– Na tegorocznych targach EuroBlech premierę miała m.in. nasza wycinarka iNspire o mocy 40 kW, która potrafi przyspieszyć proces cięcia nawet o 30% – podkreśla Marcin Czajor. – Sama moc lasera to jednak nie wszystko. Cały system wycinania laserowego musi być zoptymalizowany, aby można było w pełni wykorzystać jego potencjał, a wszelkie procesy załadunku, rozładunku i sortowania muszą za nim nadążać. Dopiero wtedy to ma sens i się opłaca.
– Kluczowe są komponenty, takie jak polimerobetonowe korpusy odporne na oddziaływanie ciepła, trawersy z włókna węglowego i niezawodna głowica tnąca. Dopiero odpowiednia integracja tych wszystkich elementów umożliwia efektywne, powtarzalne i precyzyjne cięcie – dodaje Marcin Czajor.
Warto mieć też na uwadze, że rosnąca moc lasera w teorii może zwiększyć wydajność cięcia, ale może być także przyczyną pewnych problemów. Im większa bowiem jest moc lasera, tym większa jest temperatura w miejscu przejścia wiązki lasera przez elementy układu optyki. W efekcie mogą się one podgrzewać do niepożądanych wartości, co może prowadzić do nieprawidłowej pracy lasera.
Przede wszystkim dużo krótsza może być żywotność soczewki, uszkodzeniom mogą ulec również warstwy antyrefleksyjne, a nawet może wystąpić tzw. thermal lensing. Wszystkie te następstwa będą prowadzić do zmniejszenia wydajności cięcia, a nawet do kosztownych przerw w produkcji.
Przemysław Kimla przekonuje, że oczywiście moc lasera jest bardzo ważna, jednak nie jest to jedyny parametr, który decyduje o wydajności procesu cięcia. Wprawdzie zwiększanie mocy przy jej małych wartościach pozwoli na istotne zwiększenie grubości ciętego materiału, a jednocześnie na zwiększenie szybkości tego procesu. Im jednak większe są wartości tej mocy, tym uzyskane efekty z dalszego jej zwiększania są coraz mniej widoczne.
Jest to efekt tego, że każda maszyna CNC ma pewne ograniczenia, które wynikają z praw fizyki. W tym przypadku chodzi o przyspieszenie i prędkość poruszania się podczas wycinania skomplikowanych kształtów. Jeśli ze względu na ograniczone przyspieszenie wycinarka laserowa na krótkim odcinku nie będzie mogła się rozpędzić do prędkości, z którą laser przy danej mocy mógłby ciąć arkusz blachy o danej grubości, wówczas dalsze zwiększanie mocy lasery absolutnie nie przyniesie żadnych korzyści.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
– Dlatego tak ważne jest zwracanie uwagi na to, jaki system sterowania zainstalowano w interesującym nas laserze. Większość systemów nie jest bowiem w stanie sprostać możliwościom wynikającym z dużych mocy i jest ona marnowana – tłumaczy Przemysław Kimla.
I dodaje, że tradycyjne systemy znane z obrabiarek CNC to systemy uchybowe, w których wraz ze zwiększeniem prędkości ruchu zwiększa się opóźnienie głowicy za interpolatorem – a to powoduje błędy odwzorowania kształtów. Większość producentów laserów do cięcia blach musi więc sztucznie zwalniać w trakcie wycinania skomplikowanych kształtów i na zakrętach, żeby tych niekorzystnych efektów uniknąć.
– Prowadzi to niestety do znacznego ograniczenia wydajności lasera, w szczególności wyposażonego w mocne źródło. Przykładowo zwiększenie mocy z 2 kW do 4 kW może zwiększyć średnią wydajność niemal 2-krotnie, ale zwiększenie z 4 kW do 8 kW – już tylko o 50%, a z 8 kW do 15 kW – tylko o 25%. Zamiast więc zwiększać moc wycinarki laserowej w nieskończoność, znacznie lepiej po prostu kupić 2 lasery o mniejszej mocy, których wydajność będzie w sumie podwójna – wyjaśnia Przemysław Kimla, stwierdzając: – Obecnie kompromisem w tym zakresie jest moc lasera do 12 kW. I o ile większe moce są dostępne, o tyle sens inwestowania w nie najczęściej ogranicza się do specyficznych przypadków wąskiej grupy zastosowań. Firma Kimla opracowała innowacyjny bezuchybowy system sterowania, który pozwala na znaczne większe wykorzystanie potencjału mocy lasera fiber, ponieważ maszyna jest tak samo dokładna niezależnie od prędkości ruchu.
Nie sama moc lasera się liczy
Moc lasera i inne jego parametry – a w efekcie uzyskiwane wartości przyspieszenia i prędkości cięcia – mają ogromne znaczenie dla wydajności całego procesu. Nie tylko one są jednak istotne.
– Wydajność w procesie cięcia laserowego zależy od kilku kluczowych czynników, które muszą być spójnie ze sobą powiązane. Sama moc lasera to tylko część układanki. Optymalizacja parametrów cięcia, automatyzacja i innowacyjne technologie ogromnie wpływają na zwiększenie prędkości i zachowanie najwyższej jakości – mówi Marcin Czajor i podkreśla: – Istotnym elementem jest zmniejszanie liczby przestojów dzięki prewencyjnej konserwacji i szybkiemu serwisowi. Warto też zwrócić uwagę na pełną integrację wycinarki laserowej z innymi procesami produkcyjnymi, co usprawnia przepływ materiałów i redukuje ręczne interwencje.
Warto bowiem mieć na uwadze, że nawet najszybsza wycinarka laserowa nie sprawi, że proces cięcia zawsze będzie wydajniejszy. Jeśli np. załadunek nowych arkuszy blachy i odbiór wyciętych elementów będzie odbywał się manualnie, siłą rzeczy będzie to trwało dłużej. W efekcie wycinarka laserowa przez dużą część dnia pracy może stać bezczynnie, czekając na wznowienie procesu wycinania.
Jaka przyszłość technologii cięcia laserem?
Ponieważ dalsze zwiększanie mocy laserów fiber nie musi przynosić analogicznego wzrostu korzyści, dalszy rozwój technologii cięcia laserem – zwłaszcza laserem fiber – będzie podążał w nieco innym kierunku.
Marcin Czajor z Eagle Lasers przekonuje, że technologia cięcia laserowego będzie zmierzać w stronę większej automatyzacji i inteligentnych systemów zarządzania produkcją: – Eagle Lasers zrobiło już krok w przyszłość z nową koncepcją FlowIN, której premiera odbyła się na targach EuroBLECH. FlowIN umożliwia sortowanie i rozdzielanie elementów w tempie cięcia, co pozwala na automatyczne sortowanie bez opóźnień – z maszyny wychodzą tylko gotowe części.
– Innowacje, takie jak FlowIN, nie tylko zwiększają wydajność, ale także minimalizują odpady i maksymalizują wykorzystanie materiałów, wpisując się w globalny trend zrównoważonej produkcji. Przyszłość to inteligentne systemy, które samodzielnie optymalizują procesy, oraz technologie oszczędzające energię, co już zaczynamy wdrażać w naszych rozwiązaniach – dodaje Marcin Czajor.
Według Krystiana Rydza z firmy Seron w najbliższej przyszłości możemy spodziewać się dalszej miniaturyzacji źródeł lasera i zwiększenia jego mocy. Umożliwi to jeszcze szybsze i precyzyjniejsze cięcie przy jednoczesnym obniżeniu kosztów energetycznych. Technologie automatyzacji – takie jak robotyka i sztuczna inteligencja – będą integrowane z wycinarkami laserowymi, co poprawi wydajność i jakość procesów. Dodatkowo rozwój technologii 3D cięcia laserowego może umożliwić precyzyjne cięcie trójwymiarowych kształtów. A to otworzy nowe możliwości w zaawansowanej produkcji, zwłaszcza w przemyśle lotniczym czy motoryzacyjnym.
W najbliższej przyszłości możemy też oczekiwać dalszego umacniania się pozycji laserów fiber na rynku. Na horyzoncie bowiem nie ma innych laserów niż fiber, przekonuje Przemysław Kimla. Natomiast próby np. zastosowania technologii diodowej nie przyjęły się na rynku ze względu na duże ograniczenia i kłopoty z serwisowaniem.
– Dlatego głównie ze względu na ogromny popyt należy oczekiwać dalszego rozwoju laserów fiber – mówi Kimla i dodaje, że w ostatnim czasie coraz popularniejsze staje się też cięcie powietrzem. Z tego względu firma Kimla oferuje już gotowe rozwiązanie, w których w ogóle nie są potrzebne gazy techniczne dostarczane zewnętrznie.
Ważnym trendem w rozwoju technologii cięcia laserem będzie zwiększanie efektywności energetycznej wycinarek laserowych przy wydłużaniu ich żywotności. Wpisuje się to w obecne trendy ogólnoprzemysłowe, m.in. w koncepcję gospodarki o obiegu zamkniętym. Firmy, które w codziennej działalności wykorzystują wycinarki laserowe, z pewnością będą oczekiwać dalszego zwiększania ich ogólnej efektywności, jakości cięcia i łatwej obsługi, a także ewentualnej możliwości rozbudowy systemu laserowego – w tym integracji z innymi systemami automatyzacji produkcji.
Z całą pewnością również w procesach cięcia laserem coraz częściej będą wykorzystywane zaawansowane technologie z obszaru Przemysłu 4.0 i internetu rzeczy. Nowoczesne czujniki pozwolą gromadzić większą ilość danych z procesu cięcia, które następnie (np. przy wykorzystaniu algorytmów sztucznej inteligencji) będą na bieżąco analizowane.
Na tej podstawie będą podejmowane decyzje, które pozwolą zoptymalizować cały proces. W efekcie pozwoli to zredukować liczbę błędów i ilość odpadów produkcyjnych, zminimalizować ryzyko wystąpienia usterki czy też przyspieszyć cały proces.
I choć obecnie lasery CO2 mają niszę na rynku, prowadzone dalsze prace rozwojowe nad laserami światłowodowymi mogą sprawić, że technologia fiber w jeszcze większym stopniu (a może nawet całkowicie) wyprze z rynku lasery gazowe.
O Autorze
