Czy lasery CO2 znikną z rynku?

Czy lasery CO2 znikną z rynku? Kimla

Przez wiele lat były jedynymi laserami używanymi w przemyśle do wycinania materiałów. Są wyjątkowo uniwersalne, ponieważ w zasadzie wszystkie materiały, które można ciąć laserem nie są dla tej długości fali przezroczyste. A właśnie ta przezroczystość jest największym ograniczeniem w cięciu laserem.

Lasery CO2 generują światło o fali długości 10,6 μm i jest to tzw. daleka podczerwień. W dużym uproszczeniu najłatwiej ją porównać do promieniowania cieplnego przedmiotów o wysokiej temperaturze. Jeśli wystawimy rękę na działanie słońca albo zbliżymy ją do rozgrzanej powierzchni lub do ognia, czujemy ciepło. Właśnie to jest daleka podczerwień.

Laser CO2 ​​​​​​ sprawdzi się lepiej niż fiber

Światło o tej długość fali nie przechodzi przez szkło, przezroczyste tworzywa sztuczne, celulozę, drewno ani bawełnę, dlatego przedmioty z tych materiałów mogą być cięte za pomocą lasera CO2 . Jeśli materiał jest przezroczysty, światło przez niego przechodzi, nie powodując jego przecięcia. Cięcie polega bowiem na stopieniu lub spaleniu materiału w miejscu skupienia lasera i wydmuchaniu stopionych lub spalonych produktów przez gaz, który nazywany jest gazem tnącym lub asystującym.

Lasery fiber mają falę o długości 1,06 μm, co oznacza, że jest ona 10-krotnie krótsza. Takie światło przechodzi przez większość materiałów przezroczystych czy transparentnych dla światła widzialnego. Właśnie dlatego laserem fiber nie da się ciąć np. pleksi ani szkła.

Zalety laserów fiber

Lasery fiber mają jednak wiele innych bardzo korzystnych cech, szczególnie przy cięciu metali. Najważniejszą jest to, że (jak wynika z praw fizyki) im krótsza jest długość fali, tym bardziej można skupić promień światła. Najłatwiej to wytłumaczyć na przykładzie płyt DVD, w których do odczytu używa się czerwonego lasera i na których można zapisać około 5 GB danych. Z kolei na płytach Blu-ray można zapisać wielokrotnie więcej danych, ponieważ światło niebieskie ma krótszą długość fali, promień można bardziej skupić i dzięki temu można zmieścić na płycie więcej bitów.

W przypadku laserów chodzi również o szerokość wycinanej szczeliny. Lasery CO2 wycinają materiały, pozostawiając znacznie szerszą szczelinę niż lasery fiber. Jeśli musimy do cięcia wytapiać szerszą szczelinę, proces będzie się odbywał wolniej niż w przypadku większego skupienia promienia. Dzieje się tak, ponieważ do wytopienia węższej szczeliny potrzebna jest mniejsza ilość energii, czyli przy wycinaniu daną mocą można ciąć szybciej.

Światło laserów fiber jest również lepiej absorbowane przez materiały. Szybkość cięcia laserem fiber może być więc nawet 5-krotnie wyższa niż laserów CO2.

Sam laser fiber to nie wszystko

Dlaczego więc większość producentów laserów CO2 po przejściu na lasery fiber zwiększyła wydajność swoich wycinarek laserowych o 30–40%, a nie 5-krotnie. Wynika to z tego, że wielu producentów wycinarek poszło drogą na skróty – często do istniejących wycinarek w miejsce laserów CO2 montując laser fiber. 

To oczywiście pozwoliło zaoszczędzić mnóstwo prac projektowych, ale jednocześnie jest obarczone mnóstwem kompromisów. Najważniejszym z nich jest stosowanie systemów sterowania, które działają według koncepcji nadążnej czy uchybowej. Opracowano ją ponad 50 lat temu do stosunkowo powolnych maszyn skrawających. To rozwiązanie stosuje się do dziś w większości systemów sterowania CNC.

O ile jednak np. we frezarkach czy tokarkach sprawdza się nie najgorzej, o tyle w laserach stanowi już największe ograniczenie. Spowodowane jest to tym, że takie systemy mogą być albo szybkie, albo dokładne – a lasery potrzebują systemów sterowania szybkich i dokładnych. Niestety dotychczas takich technologii nie było i producenci laserów – żeby uniknąć deformacji na skomplikowanych kształtach, narożnikach czy otworach – sztucznie ograniczają prędkość posuwu na tych kształtach. Dochodzi więc do tego, że wycinarka ze źródłem lasera o dużej mocy marnuje jego potencjał, wykorzystują tylko jego ułamek.

Jaki napęd do lasera fiber?

Żeby ten potencjał wykorzystać w pełni, niezbędne jest zastosowanie nowych technologii napędów, systemu sterowania i specjalnych konstrukcji struktur ruchomych wycinarki – żeby były one jednocześnie lekkie i sztywne.

W wycinarkach z laserem CO2 napędy posuwu osi były realizowane za pomocą listew i kół zębatych napędzanych obrotowymi silnikami serwo. Ze względu na mechaniczny kontakt zębów i występujące tarcie elementy te zużywały się, a powstający luz zwrotny wraz z upływem czasu powodował stałe pogarszanie się jakości i dokładności cięcia.

Zastosowanie przy takiej konstrukcji napędów lasera fiber znacznie przyspieszyło degradację układów napędowych. Wynikała ona ze znacznie większych prędkości i częstotliwości zmian kierunku ruchu. Oczywiste w tym przypadku było zastosowanie magnetycznych napędów liniowych, które działają bezdotykowo, a ruch generowany jest bezpośrednio przez siłę generowaną przez pole magnetyczne. Takie rozwiązania są znacznie szybsze, dokładniejsze, a także w ogóle nie występuje w nich zjawisko luzu zwrotnego.

Ponadto praktycznie w ogóle się nie zużywają, ponieważ pola magnetycznego nie można zużyć. Wycinarka laserowa z takimi napędami po 10 latach użytkowania może być tak dokładna jak nowa. Niestety takie rozwiązania były dotychczas bardzo drogie, dlatego niewiele firm decydowało się na ich stosowanie. Również systemy sterowania nowoczesnych laserów fiber musiały ulec zmianie. Dopiero zastosowanie systemów bezuchybowych z dynamiczną analizą wektorów otworzyło nowe możliwości przed wycinarkami laserowymi fiber. 

Przykładem wdrożenia nowoczesnych technologii sterowania i napędów są wycinarki laserowe firmy Kimla. Dzięki zastosowaniu produkowanych przez firmę Kimla magnetycznych napędów liniowych i bezuchybowych systemów sterowania osiągają wydajność liczoną w krotnościach użycia innych podobnych maszyn.

Czy więc lasery CO2 znikną z rynku? Raczej nie, ponieważ wciąż istnieją materiały, których lasery fiber ze względu na długość fali generowanego światła nie mogą ciąć. Obecnie do najważniejszych zastosowań laserów CO2 należą: wycinanie wykrojników introligatorskich i innych elementów ze sklejki, wycinanie tkanin technicznych (np. na poduszki powietrzne) czy wycinanie elementów reklamowych z polimetakrylanu metylu (czyli popularnego pleksi).

Tagi artykułu

Zobacz również

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę