Руководство по материалам, которые можно резать с помощью CO2- и волоконных лазерных станков

Руководство по материалам, которые можно резать с помощью CO2-лазеров и волоконных лазеров.

Лазерная резка стала одной из наиболее широко используемых технологий обработки материалов в современном производстве, и это неспроста. Она обеспечивает сочетание скорости, точности, гибкости проектирования и повторяемости, чего обычно не удается достичь традиционным методам резки — механическим пилам, фрезерным станкам, плазменным резакам и гидроабразивным системам — в том же широком спектре применений. От сложных декоративных панелей из акрила и дерева до толстых стальных листов и прецизионных титановых компонентов для аэрокосмической отрасли, станки для лазерной резки продемонстрировали способность обрабатывать необычайно широкий спектр материалов с качеством и эффективностью, что сделало их незаменимыми практически во всех секторах производства.

Однако фраза “станок для лазерной резки”Объединяет две принципиально разные технологии, профили совместимости материалов которых практически полностью различны». Станки для лазерной резки CO2 — которые генерируют свой луч путем электрического возбуждения смеси углекислого газа, производя инфракрасное излучение с длиной волны 10,6 микрометров — отлично подходят для резки неметаллических материалов: дерева, акрила, пластмасс, кожи, текстиля, резины, пенопласта, бумаги и стекла. Станки для резки волоконным лазером — которые генерируют свой луч, накачивая легированное редкоземельными элементами оптическое волокно полупроводниковыми диодами, производя ближнее инфракрасное излучение с длиной волны приблизительно 1064 нанометра, — превосходно подходят для резки металлов: углеродистой стали, нержавеющей стали, алюминия, меди, латуни, титана и широкого спектра конструкционных сплавов.

Это различие не является произвольным. Оно определяется фундаментальными физическими принципами — а именно, тем, как разные материалы поглощают электромагнитное излучение на разных длинах волн. Материал, который сильно поглощает излучение CO2-лазера, может быть практически прозрачным для излучения волоконного лазера, и наоборот. Понимание этой зависимости поглощения от длины волны является ключом к пониманию того, почему генераторы CO2-лазеров и волоконных лазеров подходят для таких разных категорий материалов, почему выбор неправильного типа лазерного генератора для данного материала приводит к плохим результатам и как подобрать правильную технологию для каждой задачи резки.

Эта статья представляет собой всеобъемлющее, структурированное руководство по материалам, которые можно резать с помощью каждой из технологий. В ней рассматриваются материалы, используемые в станках для лазерной резки CO2, и материалы, используемые в станках для лазерной резки волоконным лазером, в отдельных разделах, анализируются области пересечения и исключительные возможности этих двух технологий, предлагаются практические рекомендации по оптимизации параметров в зависимости от типа материала, а также предоставляется система принятия решений для выбора подходящего лазерного генератора, когда теоретически могут применяться обе технологии. Независимо от того, оцениваете ли вы свои первые инвестиции в лазерную резку или расширяете существующие возможности лазерной резки на новые категории материалов, это руководство предоставит необходимые знания о материалах для принятия обоснованных и уверенных решений.

Как работает лазерная резка: CO2 против волоконной лазерной резки

Прежде чем детально рассматривать совместимость материалов с каждой технологией лазерной резки, важно понять физические принципы, определяющие пригодность различных типов лазерных генераторов для разных материалов. Это позволит избежать распространенной и дорогостоящей ошибки выбора станка, основанной на узнаваемости бренда или цене, а не на принципиальной совместимости с предполагаемым применением.

Основное различие между CO2-лазерами и волоконными лазерами.

Генератор CO2-лазера генерирует луч путем электрического возбуждения герметичной или проточной смеси диоксида углерода, азота и гелия внутри резонаторной полости. Возбужденные молекулы CO2 испускают фотонную энергию с длиной волны 10,6 микрометров — в среднеинфракрасной области электромагнитного спектра — которая усиливается оптической обратной связью резонатора в когерентный луч высокой мощности. Этот луч передается к режущей головке через ряд отражающих зеркал, поскольку стандартные оптические волокна и стеклянные линзы неэффективно пропускают излучение с длиной волны 10,6 мкм.

Волоконный лазерный генератор формирует луч с помощью принципиально иного механизма. Полупроводниковые диоды накачки вводят оптическую энергию в оптическое волокно, сердцевина которого легирована иттербием — редкоземельным элементом, энергетическая структура которого поддерживает стимулированное излучение на длине волны приблизительно 1064 нанометра. Легированное волокно одновременно служит средой усиления и волноводом для передачи луча; на выходе получается высокояркий луч ближнего инфракрасного диапазона, который передается непосредственно через стандартное одномодовое оптическое волокно к режущей головке. Полностью волоконно-оптический путь луча исключает необходимость юстировки зеркал в системах CO2 и позволяет создавать компактные, надежные конструкции устройств с очень высокой энергоэффективностью — обычно от 30 до 45 процентов по сравнению с 10–20 процентами для лазерных генераторов CO2.

Как длина волны определяет совместимость материалов

Разница в длине волны между CO2-лазерами и волоконными лазерами — 10,6 мкм против 1,064 мкм, примерно в десять раз — имеет серьезные последствия для совместимости материалов. Каждый материал имеет характерный спектр поглощения, который определяет, какая доля падающего излучения на каждой длине волны поглощается, а не отражается или проходит сквозь него. Материал с высоким коэффициентом поглощения на длине волны лазера эффективно преобразует энергию луча в тепло, обеспечивая эффективную резку. Материал с низким коэффициентом поглощения — будь то из-за отражения луча, его прохождения или и того, и другого — не может быть эффективно обработан независимо от мощности лазерного генератора.

Неметаллические материалы — дерево, пластмассы, кожа, текстиль и органические полимеры в целом — сильно поглощают излучение в среднеинфракрасном диапазоне около 10,6 мкм из-за колебательных резонансов их молекулярных связей углерод-водород, углерод-кислород и углерод-азот. Именно поэтому лазерные генераторы на CO2 так эффективно режут эти материалы. Металлы, напротив, поглощают излучение гораздо эффективнее на более короткой ближней инфракрасной длине волны 1,064 мкм, где их оптический отклик свободных электронов обеспечивает сильную связь. Именно поэтому волоконные лазерные генераторы являются доминирующей технологией для резки металла. Прозрачные и светлые пластмассы — особенно акрил и поликарбонат — частично или полностью прозрачны на длине волны 1,064 мкм, поэтому волоконные лазерные генераторы не могут эффективно их резать даже при высокой мощности.

Выбор подходящего лазерного генератора для вашего материала

Практическое применение этих физических принципов просто: необходимо определить основной материал или материалы, подлежащие резке, и выбрать тип лазерного генератора, длина волны которого хорошо поглощается этими материалами. Для предприятий, обрабатывающих преимущественно или исключительно неметаллические материалы, подходящим выбором является CO2-лазерный генератор. Для предприятий, обрабатывающих преимущественно или исключительно металлы, подходящим выбором является волоконный лазерный генератор. Для предприятий, обрабатывающих реальную смесь металлических и неметаллических материалов, может потребоваться либо комбинация обоих типов оборудования, либо гибридная система с двумя источниками излучения — решение, требующее тщательного анализа относительных объемов и стоимости каждой категории материалов.

CO2-лазеры излучают на длине волны 10,6 мкм и превосходно подходят для резки неметаллических материалов, молекулярные связи которых сильно поглощают среднеинфракрасное излучение. Волоконные лазеры излучают на длине волны 1,064 мкм и превосходно подходят для резки металлов, оптический отклик свободных электронов которых эффективно поглощает ближнеинфракрасное излучение. Совместимость материалов определяется коэффициентом поглощения, зависящим от длины волны, и выбор неправильного типа лазерного генератора для данного материала приводит к неэффективной резке независимо от мощности станка. Все последующие обсуждения материалов в этой статье основаны на этом физическом принципе.

Материалы, которые могут резать станки для лазерной резки CO2.

Станки для лазерной резки CO2 занимают уникальное положение на рынке лазерной резки благодаря своей способности обрабатывать чрезвычайно широкий спектр неметаллических материалов с высоким качеством кромок и превосходной детализацией. В этом разделе рассматривается каждая основная категория материалов, совместимых с лазерными генераторами CO2, описываются характеристики резки, типичные области применения, а также любые важные ограничения или меры предосторожности, связанные с каждой из них.

Массив дерева

Массивная древесина — от мягкой бальзы до плотных лиственных пород, таких как орех, вишня, дуб и клен — является одним из наиболее широко и успешно обрабатываемых материалов при лазерной резке CO2. Длина волны 10,6 мкм сильно поглощается целлюлозной и лигниновой структурами древесины, что позволяет выполнять чистую резку на высокой скорости с характерным слегка обугленным краем, который многие столяры и дизайнеры считают эстетически привлекательным. Глубина и скорость резки зависят от плотности древесины, содержания влаги и направления волокон; для более плотных и смолистых пород требуются более низкие скорости или несколько проходов для получения чистых сквозных пропилов. Лазерная резка CO2 позволяет создавать сложные геометрические узоры, точные соединения и сложные элементы дизайна, которые были бы непрактичны или невозможны при использовании обычных деревообрабатывающих инструментов, что делает ее стандартным процессом для декоративных панелей, мебельных компонентов, архитектурных экранов, а также подарочной и наградной продукции на заказ.

МДФ и фанера

Древесноволокнистая плита средней плотности (МДФ) и фанера МДФ — наиболее распространенные древесные листовые материалы, используемые для лазерной резки CO2 в производственных условиях. МДФ режется чисто и равномерно благодаря своему однородному составу, образуя гладкие, темные кромки, которые легко красить или обрабатывать. Фанера также хорошо режется, но чередование направления волокон в последовательных слоях может приводить к незначительному изменению качества кромок по толщине панели; лучшие результаты дает высококачественная фанера с сердечником без пустот и равномерной толщиной слоев. Оба материала содержат связующие вещества на основе формальдегида, которые выделяют пары формальдегида во время лазерной резки CO2, что требует эффективной вытяжки паров с соответствующей фильтрацией. Бамбук, который имеет много общих характеристик обработки с твердыми породами древесины, чисто режется с помощью лазерных генераторов CO2 и все чаще используется для экологически чистых изделий, изготавливаемых методом лазерной резки. Плотная, однородная волокнистая структура бамбука обеспечивает четкие кромки с минимальным обугливанием при оптимизированных параметрах, что делает его хорошо подходящим для декоративных панелей, кухонной утвари и экологически чистой упаковки, для которых он все чаще используется. Изделия из древесины, изготовленные с использованием различных технологий, такие как шпон, древесноволокнистые плиты и ориентированно-стружечные плиты (ОСП), также могут быть обработаны с помощью CO2-лазеров, хотя содержание клея и ориентация волокон в каждом типе изделия влияют на конкретные параметры, необходимые для оптимального качества кромки.

Акрил и прозрачные пластмассы

Акрил Полиметилметакрилат (ПММА) — пожалуй, материал, наиболее тесно связанный с лазерной резкой CO2. Длина волны 10,6 мкм сильно поглощается акрилом, что позволяет осуществлять чистую и быструю резку с характерной полированной кромкой, которая является оптически прозрачной и не требует дополнительной обработки. Это качество полированной кромки, которое не может воспроизвести ни один механический или абразивный процесс резки, является центральным элементом преимущества лазерной резки акрила в производстве вывесок, дисплеев, осветительных приборов и в дизайне. Литой акрил обеспечивает лучшее качество кромки, чем экструдированный акрил, поскольку он имеет более однородную молекулярную структуру, которая более стабильно реагирует на лазерный нагрев. Акрил доступен в широком диапазоне цветов, включая прозрачные, полупрозрачные и непрозрачные марки, все из которых хорошо режутся с помощью лазерных генераторов CO2. Возможности резки варьируются от фольгированных марок толщиной 0,5 мм до листов толщиной 25 мм и более в мощных системах, что делает лазерную резку CO2 предпочтительным процессом практически для всего ассортимента акриловых изделий.

Другие пластмассы и полимеры

CO2-лазерные генераторы позволяют резать широкий спектр конструкционных пластмасс, помимо акрила. Поликарбонат Полиэтиленкарбонат (ПК) хорошо режется с помощью CO2-лазеров, но имеет тенденцию к образованию слегка пожелтевших кромок из-за термического обесцвечивания материала вблизи зоны резки; он, как правило, лучше подходит для гравировки и надрезания, чем для сквозной резки толстых материалов. Полиоксиметилен (ПОМ, также известный как Делрин или ацеталь) чисто и точно режется с помощью CO2-лазеров, образуя гладкие белые кромки, требующие минимальной постобработки — свойство, используемое в прецизионных инженерных компонентах, таких как шестерни, втулки и конструкционные кронштейны, где важна точность размеров. ПЭТГ и ПЭТ хорошо режутся с помощью CO2-лазеров, образуя чистые кромки, подходящие для упаковки, дисплеев и потребительских товаров. Большинство полиамидов (нейлонов) и полиэфиров также эффективно режутся, хотя перед началом производства следует оценить совместимость конкретного сорта и любых добавок с дымовыми газами.

Резина и пенопласт

Натуральный каучук и большинство синтетических каучуковых составов — за исключением силикона, который плохо режется лазерами CO2 — хорошо обрабатываются лазером CO2. Лазерная резка резиновых прокладок, уплотнений, уплотнительных колец и профилей нестандартной формы позволяет изготавливать изделия с высокой точностью и чистыми кромками, что исключает затраты на оснастку и сокращает время изготовления по сравнению с традиционной вырубкой, сохраняя при этом необходимую точность размеров для герметизирующих применений. Неопреновый каучук, EPDM и нитриловый каучук хорошо режутся лазерами CO2 и широко используются в автомобильной, промышленной и морской герметизации. Полиуретановая пена хорошо режется лазерами CO2 при соответствующих уровнях мощности, что позволяет изготавливать на заказ упаковочные вставки, акустические панели и компоненты из пенопласта со сложной геометрией, для производства которых традиционными методами потребовалась бы дорогостоящая специализированная оснастка. Полиэтиленовая пена и пенопласт EVA также поддаются обработке, хотя параметры мощности и скорости необходимо тщательно настраивать, чтобы избежать чрезмерного плавления на кромке реза. Следует избегать использования пенополистирола из-за токсичных паров стирола, которые он выделяет при нагревании — лазерная резка CO2 не подходит для этого конкретного типа пенопласта, независимо от мощности или скорости.

Искусственная кожа и искусственная кожа

Натуральная кожа — всех сортов, от тонкой кожи для одежды до толстой кожи для седел и обивки — является одним из материалов, наиболее хорошо поддающихся обработке лазером CO2. Край среза получается чистым, герметичным и устойчивым к расслоению — качество, которое невозможно воспроизвести с помощью штамповки и механической резки без дополнительной обработки кромки. Это герметичное свойство кромки особенно ценно при производстве кожаных изделий, обуви, автомобильной обивки и модных аксессуаров, где качество кромки является видимым и имеет центральное значение для воспринимаемой ценности готового изделия. Лазерная резка CO2 также позволяет гравировать и текстурировать поверхность кожи в декоративных целях и для брендирования. Обработкой лазерами CO2 следует подвергать только натуральную кожу и синтетическую кожу на основе полиуретана, не содержащую ПВХ; искусственная кожа на основе ПВХ выделяет хлористый водород при лазерной резке, поэтому ее следует избегать.

Ткани и текстиль

Технические и модные ткани, включая хлопок, полиэстер, нейлон, шелк, шерсть, войлок и широкий спектр смесовых и технических текстильных материалов, обычно разрезаются с помощью CO2-лазеров в швейной, автомобильной, фильтрационной и текстильной промышленности. В синтетических тканях край, вырезанный лазером, термически запаивается, предотвращая расслоение и устраняя необходимость в оверлочной строчке на срезах. Эта возможность позволяет создавать сложные выкройки с запаянными краями за одну операцию, сокращая этапы производства и повышая однородность краев по сравнению с механической резкой. Ткани из натуральных волокон, таких как хлопок и лен, не запаиваются так же, как синтетические, но все же чисто разрезаются с помощью CO2-лазеров. Лазерная резка тканей требует очень низких уровней мощности и высоких скоростей резки во избежание пригорания, а также эффективного дымоудаления для управления продуктами сгорания текстиля.

Бумага и картон

Бумага, картон и плотная бумага относятся к числу наиболее простых материалов для резки с помощью CO2-лазеров, поскольку требуют очень низких уровней мощности и позволяют достигать чрезвычайно высоких скоростей резки и очень высокой точности деталей. CO2-лазерная резка является стандартным процессом для изготовления прототипов упаковки на заказ и мелкосерийной упаковки, пригласительных открыток, бумажных изделий и декоративных элементов, архитектурных моделей и торговых витрин. Возможность резать, бинуть и перфорировать бумагу и картон за одну операцию — просто изменяя мощность лазерного генератора — обеспечивает гибкость рабочего процесса, недоступную при высечке для мелкосерийной и вариативной резки.

Стекло и камень (только гравировка)

С помощью CO2-лазеров можно гравировать поверхность стекла и камня — луч вызывает локальное термическое напряжение, которое создает матовую или травленую текстуру поверхности, — но сквозная резка в практическом производстве невозможна. Хрупкость обоих материалов означает, что термические градиенты, возникающие при попытках сквозной резки, приводят к неконтролируемому растрескиванию, а не к чистому разделению. Закаленное стекло ни в коем случае нельзя обрабатывать лазером, поскольку его внутреннее напряженное состояние означает, что любое образование трещины приводит к мгновенному катастрофическому разрушению. CO2-лазерная гравировка стекла и камня широко используется для персонализированных подарков, наград, памятных камней и архитектурного декора.

Тонкие цветные металлы (с ограничениями)

CO2-лазерные генераторы могут резать тонкие цветные металлы — алюминиевую фольгу и листы толщиной примерно от 3 до 5 мм, а также тонкие листы меди и латуни, хотя их производительность значительно уступает волоконным лазерным генераторам при работе с этими материалами на эквивалентных уровнях мощности. Длина волны 10,6 мкм поглощается металлами хуже, чем 1,064 мкм, что требует большей мощности и меньшей скорости для достижения эквивалентной глубины проникновения. Для предприятий, основная потребность которых в резке связана с неметаллическими материалами, но которым иногда необходимо резать тонкие металлы, мощный CO2-лазерный генератор представляет собой универсальное решение; для любого предприятия со значительными потребностями в резке металла волоконный лазерный генератор является явно лучшим выбором.

Что лучше всего делает CO2?

Лазерные генераторы CO2 демонстрируют наилучшие результаты при обработке органических и полимерных неметаллических материалов — древесины и изделий из древесины, акрила и большинства конструкционных пластмасс, натуральной кожи, текстиля, резины, пенопласта, бумаги и картона. Сочетание сильного поглощения на длине волны 10,6 мкм, чистого качества кромки с минимальными требованиями к постобработке и возможности обработки широкого спектра материалов на одном станке делает лазерную резку CO2 стандартной технологией для производства вывесок, дисплеев, мебели, одежды, упаковки и изделий ручной работы.

Станки для лазерной резки CO2 способны обрабатывать исключительно широкий спектр неметаллических материалов, каждый из которых имеет свои специфические характеристики резки и области применения. Дерево, акрил, конструкционные пластмассы, резина, пенопласт, кожа, текстиль, бумага и картон — все они хорошо поддаются лазерной резке CO2 при соответствующих параметрах. Стекло и камень можно гравировать, но не резать насквозь. Тонкие цветные металлы можно резать с ограничениями. Общим фактором является сильное поглощение длины волны 10,6 мкм молекулярными структурами органических и полимерных материалов, что является физической основой универсальности лазерной резки CO2 для неметаллических материалов.

Материалы, которые могут резать станки для резки волоконным лазером

Волоконно-лазерные станки для резки стали доминирующей технологией для резки металла в промышленном производстве, и этому есть веские причины. Высокая энергоэффективность, превосходное качество луча, длительный срок службы и отличные характеристики при резке всего спектра конструкционных металлов, включая материалы с высокой отражательной способностью, которые представляют собой сложную задачу для других лазерных технологий, делают их предпочтительным выбором для любого предприятия, основная задача которого – резка металлов. В этом разделе рассматриваются основные категории металлов, совместимые с волоконно-лазерными генераторами.

Углеродистая сталь и низкоуглеродистая сталь

Углеродистая сталь Углеродистая сталь и низкоуглеродистая сталь являются наиболее распространенными материалами, обрабатываемыми волоконным лазером, и представляют собой область применения, для которой технология была наиболее тщательно оптимизирована. Волоконные лазерные генераторы с длиной волны 1,064 мкм сильно поглощаются железной матрицей стали, что позволяет достигать высоких скоростей резки при относительно невысокой мощности. При использовании кислорода в качестве вспомогательного газа экзотермическая реакция окисления вносит дополнительную энергию в процесс резки, обеспечивая очень высокие скорости резки низкоуглеродистой стали толщиной до 25 мм и более в системах высокой мощности. При использовании азота в качестве вспомогательного газа можно получить чистые, блестящие кромки без оксидов, пригодные для прямой сварки или покраски. Углеродистая сталь используется практически во всех отраслях промышленности — автомобильной, строительной, производстве промышленного оборудования, сельскохозяйственной техники и металлоконструкций — и сочетание ее низкой стоимости, высокой доступности и превосходной лазерной обрабатываемости делает ее наиболее распространенным материалом на большинстве предприятий, занимающихся волоконной лазерной резкой.

Нержавеющая сталь

Нержавеющая сталь Нержавеющая сталь — второй по распространенности металл, используемый для лазерной резки волоконным лазером, обрабатываемый в огромных объемах для применения в пищевой, фармацевтической, химической, архитектурной и потребительской отраслях. Волоконные лазерные генераторы эффективно режут нержавеющую сталь в широком диапазоне толщин — от фольги толщиной 0,5 мм до листовой стали толщиной 30 мм в мощных системах. Азот является стандартным вспомогательным газом для резки нержавеющей стали, обеспечивая яркие, без оксидов кромки, которые сохраняют коррозионную стойкость сплава и не требуют дополнительной обработки перед сваркой, пассивацией или непосредственным использованием в агрессивных средах. Мощные волоконные лазерные генераторы — 6 кВт и выше — достигают скорости резки тонкой нержавеющей стали, недостижимой с помощью CO2-лазеров даже при эквивалентных или более высоких уровнях мощности, что отражает превосходную поглощающую способность нержавеющей стали на длине волны волоконного лазера.

Алюминий и алюминиевые сплавы

Алюминий Алюминий и его сплавы обрабатываются волоконными лазерными генераторами, хотя их высокая отражательная способность на длине волны 1,064 мкм и высокая теплопроводность требуют большей мощности лазерного генератора и тщательной оптимизации параметров по сравнению со сталью эквивалентной толщины. Высокояркие волоконные лазерные генераторы, превосходное качество луча которых обеспечивает более высокую плотность мощности в фокусе при заданной выходной мощности, значительно улучшили производительность резки алюминия по сравнению с более ранними волоконными лазерными системами меньшей яркости. Для резки алюминия используется азот в качестве вспомогательного газа, что позволяет получать чистые, блестящие кромки с минимальным образованием шлака. Алюминий широко используется для лазерной резки волоконным лазером при изготовлении автомобильных кузовных панелей, аэрокосмических конструкционных компонентов, электронных корпусов, архитектурной облицовки и морской арматуры, а его малый вес в сочетании с высококачественными характеристиками лазерной резки делает его все более важным материалом на рынке волоконной лазерной резки.

Медь и медные сплавы (латунь, бронза)

Медь и медные сплавы — латунь Медь-цинк и бронза (медь-олово) — одни из самых сложных металлов для волоконных лазерных генераторов из-за их очень высокой отражательной способности на длине волны 1,064 нм в полированном, неокисленном состоянии. Полированная медная поверхность может отражать более 95 процентов падающего излучения волоконного лазера, а отраженная энергия может повредить лазерный генератор, если не предусмотрены адекватные системы защиты. Современные мощные волоконные лазерные генераторы, оснащенные защитой от обратного отражения и оптимизированные для материалов с высокой отражательной способностью, могут эффективно резать медь и латунь — возможность, которая позволила внедрить эту технологию в электротехнику, электронику и декоративную металлообработку, где медь и латунь являются основными материалами. Оптимизация параметров для меди и латуни требует внимания к подготовке поверхности, выбору вспомогательного газа и плавному изменению мощности для инициирования образования сквозного отверстия до начала непрерывной резки.

Титан и титановые сплавы

Титан Титан и его сплавы, включая широко используемый сплав Ti-6Al-4V, являются отличными кандидатами для лазерной резки волоконным лазером. Титан обладает хорошей поглощающей способностью на длине волны волоконного лазера, относительно высокой температурой плавления, но низкой теплопроводностью, что концентрирует энергию лазера в зоне резки и обеспечивает чистые, точные разрезы при использовании аргона в качестве вспомогательного газа, что предотвращает окисление поверхности титана во время резки. Использование кислорода в качестве вспомогательного газа при резке титана крайне не рекомендуется, поскольку это вызывает интенсивное экзотермическое окисление, приводящее к образованию шероховатых, сильно окисленных кромок и в крайних случаях способное воспламенить титан. Лазерная резка титана волоконным лазером является стандартной практикой в аэрокосмической отрасли, производстве медицинских изделий и спортивного оборудования, где особенно ценится сочетание механических свойств титана и точности и гибкости лазерной резки.

Оцинкованная сталь и металлы с покрытием

Оцинкованная сталь — низкоуглеродистая сталь с цинковым покрытием, нанесенным для защиты от коррозии, — широко используется в автомобильной, строительной и вентиляционной промышленности для обработки волоконными лазерами. Цинк испаряется в процессе лазерной резки, образуя пары оксида цинка, которые опасны при повышенных уровнях воздействия и требуют эффективной системы удаления паров с соответствующей фильтрацией, рассчитанной на аэрозоль оксидов металлов. Качество резки оцинкованной стали, как правило, хорошее, хотя цинковое покрытие может образовывать несколько больше шлака, чем чистая низкоуглеродистая сталь при эквивалентных параметрах, и скорость резки может потребоваться снизить по сравнению с непокрытой сталью той же толщины. Предварительно оцинкованная листовая сталь — где цинковое покрытие наносилось до формовки и резки — и горячеоцинкованные конструкционные профили также поддаются обработке, хотя толщина и равномерность покрытия влияют на оптимизацию параметров. Другие металлы с покрытием — сталь с порошковым покрытием, окрашенная сталь и анодированный алюминий — также могут быть обработаны волоконным лазером, с аналогичными соображениями относительно образования паров от материалов покрытия и потенциальной необходимостью корректировки параметров относительно непокрытой подложки. Перед началом производства необходимо провести анализ продуктов разложения конкретных составов покрытий, особенно содержащих соединения хрома, чтобы убедиться в адекватности существующих систем вытяжки дымовых газов.

Инструментальные стали и высоколегированные стали

Инструментальные стали и высоколегированные конструкционные стали, включая марки, используемые для режущих инструментов, штампов и изнашиваемых компонентов, могут эффективно обрабатываться волоконным лазером, хотя высокое содержание углерода и легирующие добавки, придающие этим материалам их механические свойства, также изменяют их режущие характеристики по сравнению с низкоуглеродистой сталью. Высокоуглеродистые стали склонны к упрочнению в зоне термического воздействия, прилегающей к месту резки, что может вызвать растрескивание кромок в толстых сечениях и потребовать снятия напряжений после резки в сложных условиях эксплуатации. Высоколегированные стали со значительным содержанием хрома, молибдена или ванадия, как правило, хорошо режут на пониженных скоростях по сравнению с низкоуглеродистой сталью, при этом обычно предпочтительнее использовать азот в качестве вспомогательного газа для минимизации деградации кромки, связанной с окислением.

Драгоценные металлы

Золото, серебро, платина и другие драгоценные металлы могут быть обработаны волоконными лазерными генераторами для ювелирных изделий, часового производства, стоматологии и электронных контактов. Высокая ценность драгоценных металлов делает лазерную резку — с минимальным пропилом и, следовательно, минимальными отходами материала — особенно привлекательной с экономической точки зрения по сравнению с механическими методами резки. Волоконные лазерные генераторы обеспечивают чистые и точные разрезы золотых и серебряных сплавов, используемых в ювелирных изделиях, а также платиновых сплавов, используемых в высокотехнологичных промышленных и стоматологических приложениях. Отражательная способность полированного серебра даже выше, чем у меди, что требует тех же мер защиты от обратного отражения и тщательной оптимизации параметров, что и для металлов с высокой отражательной способностью в целом.

Что лучше всего удается волокну?

Волоконно-оптические лазерные генераторы демонстрируют наилучшие результаты при обработке металлов во всем инженерном спектре — от тонколистового металла на высокой скорости до толстостенных пластин на высокой мощности, от обычной низкоуглеродистой стали до сложных материалов, таких как медь, титан и драгоценные металлы. Сочетание сильного поглощения металлическими материалами длины волны 1,064 мкм, высокой энергоэффективности, превосходного качества луча и надежной полностью волоконно-оптической системы доставки луча делает волоконно-оптическую лазерную резку доминирующей технологией в металлообработке, автомобилестроении, производстве компонентов для аэрокосмической отрасли и строительной инженерии во всем мире.

Станки для лазерной резки волоконным лазером способны обрабатывать весь спектр конструкционных металлов — углеродистую и низкоуглеродистую сталь, нержавеющую сталь, алюминий, медь и латунь, титан, оцинкованные и покрытые металлы, инструментальную сталь и драгоценные металлы — каждый со своими специфическими требованиями к параметрам и выбору вспомогательного газа. Общим элементом является сильное поглощение металлическими материалами излучения с длиной волны 1,064 мкм, что обеспечивает высокие скорости резки, глубокое проникновение и точные, чистые кромки по всему диапазону толщины металла, от тонкой фольги до толстой пластины.

CO2 против волокна: совместимость материалов вкратце.

После детального изучения материальных возможностей каждой технологии, в этом разделе проводится сравнение — определяются области пересечения обеих технологий, области, в которых каждая из них обладает уникальными возможностями, и как сделать выбор между ними, когда обе технологии теоретически жизнеспособны.

Перекрывающиеся материалы: где можно использовать оба варианта.

Небольшое количество категорий материалов попадает в диапазон обработки как CO2-лазерами, так и волоконными лазерами, хотя обычно с разными характеристиками производительности. Тонкая нержавеющая сталь, алюминиевая фольга и листы — толщиной менее 1–2 мм — могут быть разрезаны мощными CO2-лазерами, хотя волоконные лазеры эквивалентной или меньшей мощности обеспечивают значительно более высокие скорости резки и лучшее качество кромок на этих материалах. Превосходная поглощающая способность металла на длине волны 1,064 мкм обеспечивает волоконным лазерам стабильное преимущество в скорости резки металлов, что делает их экономически предпочтительным выбором для любого объема производства тонкой резки металла, даже если CO2-лазер технически способен справиться с этой задачей. Некоторые темные или наполненные углеродом пластмассы и композиты, поглощающие свет на длинах волн 10,6 мкм и 1,064 мкм, могут обрабатываться обеими технологиями, хотя качество резки будет различаться — генератор CO2 обычно обеспечивает более гладкие и чистые края на пластмассах, в то время как волоконный генератор может обеспечить более быструю резку на углеродсодержащих марках с высокой поглощающей способностью на длине волны 1,064 мкм. Анодированный алюминий может быть подвергнут поверхностной гравировке как с помощью генераторов CO2, так и с помощью волоконных лазеров, хотя внешний вид метки различается в зависимости от длины волны: волоконные генераторы обычно создают более темные и контрастные метки на анодированных поверхностях.

Эксклюзивные материалы: то, что может сделать только CO2.

Прозрачный и светлоокрашенный акрил, поликарбонат, ПЭТГ и большинство прозрачных или полупрозрачных пластиков находятся исключительно в зоне действия лазерного генератора CO2, поскольку длина волны волоконного лазера в значительной степени проходит сквозь эти материалы, не поглощаясь. Дерево, МДФ, фанера и все листовые материалы из древесины, а также натуральная и необработанная кожа, текстиль и ткани, бумага и картон, резина и большинство пенопластов, а также непроводящие органические материалы в целом, относятся исключительно к области применения CO2-лазера. Для любого предприятия, чьи основные потребности в материалах относятся к этим категориям, лазерная резка CO2-лазером не просто предпочтительнее — это единственная жизнеспособная технология лазерной резки.

Эксклюзивные материалы: то, что может сделать только волокно.

Толстые металлы — углеродистая сталь, нержавеющая сталь и алюминий толщиной примерно от 3 до 5 мм — находятся исключительно в пределах практического диапазона резки волоконным лазером. Медь и латунь любой толщины, требующие резки с высокой скоростью, также находятся в зоне действия волоконного лазера. Титан, драгоценные металлы и высоколегированные конструкционные стали лучше обрабатываются волоконными лазерами. Для любого предприятия, основным материалом которого является металл, обрабатываемый в больших объемах и с высокой скоростью, резка волоконным лазером является явно подходящей технологией.

Как решить, когда оба варианта приемлемы

Если обе технологии теоретически осуществимы — для тонких металлов или темных пластмасс, которые можно резать обеими, — решение должно основываться на преобладающем материале в производственном процессе, требуемом качестве резки и общей стоимости владения. Если предприятие в основном режет металлы с эпизодическими задачами по резке неметаллов, то, как правило, оптимальной конфигурацией является волоконный лазерный генератор для металлов и CO2-лазерный генератор для неметаллов — каждый из которых используется для той категории материалов, с которой он лучше всего справляется. Если предприятие режет действительно широкий спектр материалов, где коммерчески важно объединить все на одном станке, то мощный CO2-лазерный генератор обеспечивает наиболее широкий охват материалов на одной платформе, при этом допускается некоторый компромисс в производительности при резке металлов по сравнению со специализированной волоконной системой.

CO2-лазеры и волоконные лазеры имеют в значительной степени взаимодополняющие, а не перекрывающиеся области применения. CO2-лазеры обладают исключительным преимуществом при обработке прозрачных пластмасс, дерева, кожи, текстиля и органических материалов; волоконные лазеры — при обработке металлов толщиной более тонких листов. Там, где оба варианта жизнеспособны, выбор определяется преобладающим набором материалов и требуемым качеством резки. Понимание этой взаимодополняемости является основой рационального планирования работы нескольких станков на предприятиях с разнообразными требованиями к обработке материалов.

Советы по оптимизации качества резки в зависимости от типа материала

Знание того, какой лазерный генератор использовать для конкретного материала, необходимо, но недостаточно для получения стабильных и высококачественных разрезов. Конкретное сочетание мощности лазерного генератора, скорости резки, положения фокуса и выбора вспомогательного газа должно быть оптимизировано для каждого материала, толщины и области применения. В этом разделе представлены практические рекомендации по ключевым параметрам и наиболее распространенным ошибкам, которых следует избегать.

Основные параметры: мощность, скорость, фокусировка и вспомогательный газ.

Мощность лазерного генератора и скорость резки — два наиболее важных параметра процесса, и их необходимо сбалансированно подбирать как по отношению друг к другу, так и к свойствам материала. Слишком большая мощность при заданной скорости приводит к чрезмерному подводу тепла, расширению пропила, увеличению образования шлака и ухудшению качества кромки из-за пригорания или плавления. Слишком малая мощность приводит к неполному проплавлению или требует настолько низких скоростей, что накопление тепла все равно ухудшает качество кромки. Оптимальное сочетание мощности и скорости для каждого материала и толщины должно определяться путем систематических испытаний, начиная с параметров, рекомендованных производителем, и корректируя их на основе наблюдаемого качества резки.

Фокусное положение — расположение минимального диаметра пятна луча относительно поверхности материала — контролирует плотность мощности и режим проникновения. Для тонких материалов позиционирование фокуса на поверхности или чуть выше максимизирует плотность мощности и обеспечивает наиболее чистый рез при минимальной ширине пропила. Для толстых материалов небольшая отрицательная расфокусировка — фокусная точка ниже поверхности — может улучшить проникновение за счет поддержания более высокой плотности мощности на большей глубине пропила. Тип и давление вспомогательного газа являются критически важными переменными, которые взаимодействуют как с химическим составом материала, так и с механикой резки. Кислород обеспечивает экзотермическую реакцию для углеродистой стали, позволяя достигать высокой скорости при умеренной мощности лазерного генератора; азот обеспечивает инертную поддержку для нержавеющей стали, алюминия и цветных металлов, создавая кромки без оксидов за счет более высокого давления газа и требований к мощности лазерного генератора; сжатый воздух экономически выгоден для многих неметаллических материалов, где окисление кромок не является проблемой качества.

Распространенные ошибки и как их избежать

Наиболее распространенная ошибка при выборе параметров лазерной резки — попытка резать новый материал, используя параметры, перенесенные с другого материала, без корректировки. Даже в рамках одной и той же широкой категории материалов — разные породы древесины, разные составы акрила, разные марки стали — свойства материала достаточно сильно различаются, чтобы требовать корректировки параметров для обеспечения стабильного качества. Структурированный подход — начиная с предоставленных производителем базовых параметров, внося корректировки по отдельным переменным и документируя результаты — позволяет получить надежные, воспроизводимые знания о процессе, которые принесут пользу предприятию в долгосрочной перспективе.

Вторая распространенная ошибка — пренебрежение ролью чистоты вспомогательного газа и стабильности давления для качества резки. Загрязненный кислород в качестве вспомогательного газа вызывает непостоянные реакции окисления стали, что приводит к переменной скорости резки и шероховатости кромок. Недостаточное давление азота при резке нержавеющей стали или алюминия позволяет кислороду из атмосферы проникать в пропил, вызывая окисление и изменение цвета кромок, не соответствующих техническим требованиям. Регулярная проверка и техническое обслуживание системы подачи вспомогательного газа — регуляторов, шлангов, сопла и фильтрующих элементов — так же важны для качества резки, как и сами параметры лазерного генератора. При резке неметаллических материалов необходимо убедиться, что поток вспомогательного газа достаточен для очистки зоны резки от дыма и мусора без нарушения целостности материала — это особенно важно для легких тканей и тонкой бумаги.

Для достижения стабильно высокого качества резки любого материала необходима систематическая оптимизация мощности лазерного генератора, скорости резки, положения фокуса, а также типа и давления вспомогательного газа для каждой конкретной комбинации материала и толщины. Структурированная разработка параметров — начиная с базовых значений производителя, внося контролируемые корректировки и документируя результаты — формирует библиотеку знаний о процессе, которая обеспечивает быструю и надежную настройку для новых материалов и толщин. Внимание к обслуживанию системы вспомогательного газа столь же важно, как и выбор параметров лазерного генератора, для достижения стабильного качества резки, соответствующего техническим требованиям.

Заключение

В данной статье представлено исчерпывающее руководство по материалам, которые можно резать с помощью CO2-лазерных и волоконно-лазерных станков, охватывающее физические принципы, определяющие совместимость материалов, полный спектр материалов, обрабатываемых каждой технологией, сравнение областей применения двух технологий, а также практические рекомендации по оптимизации параметров для обеспечения стабильного качества резки.

Главная идея заключается в том, что CO2-лазеры и волоконные лазеры не являются конкурирующими технологиями для одних и тех же применений — это взаимодополняющие технологии с в значительной степени различными областями применения материалов, определяемыми фундаментальной физикой. CO2-лазеры, излучающие на длине волны 10,6 мкм, являются однозначным выбором для неметаллических материалов: древесины и изделий из древесины, акрила и конструкционных пластмасс, натуральной кожи, текстиля, резины, пенопласта, бумаги и картона. Полированная пламенем кромка акрила, герметичный разрез текстиля и чистая карбонизация древесины, которые обеспечивает лазерная резка CO2, — это качества, которые не может воспроизвести ни одна другая лазерная технология, и они лежат в основе незаменимой роли этой технологии в производстве вывесок, дисплеев, мебели, модной одежды и изделий ручной работы.

Волоконные лазерные генераторы, излучающие на длине волны 1,064 мкм, являются безусловным выбором для обработки металлов: углеродистой стали, нержавеющей стали, алюминия, меди, латуни, титана и всего спектра конструкционных сплавов. Высокая энергоэффективность, превосходное качество луча, длительный срок службы и производительность при работе с высокоотражающими металлами сделали их доминирующей технологией в металлообработке, автомобилестроении, производстве компонентов для аэрокосмической отрасли и строительной инженерии во всем мире — и это доминирование только усилилось по мере того, как мощность и яркость волоконных лазерных генераторов продолжали расти, а цены на них снижались.

Для предприятий, перерабатывающих различные материалы, могут быть оправданы обе технологии — каждая из них применяется для той категории материалов, для которой она лучше всего подходит. Для предприятий, чьи требования явно относятся к области применения одной из технологий, выбор очевиден. Для предприятий, работающих на стыке двух технологий — резки тонких металлов и неметаллов с использованием одной платформы — решение определяется преобладающим составом материалов и требуемым качеством резки для каждого типа материалов.

Обладая знаниями, представленными в этой статье, покупатели оборудования, инженеры-технологи и операторы станков могут принимать обоснованные, ориентированные на конкретные задачи решения о технологии лазерной резки — решения, которые максимизируют производительность, качество резки и окупаемость инвестиций для всего спектра материалов, необходимых в их производстве.

Получите решение для лазерной резки

Знание того, какая технология лазерной резки подходит для ваших материалов, является аналитической основой — для ее практического применения необходим доступ к оборудованию, которое соответствует заданным параметрам, имеет надежную конструкцию и поддерживается технической экспертизой для обеспечения его бесперебойной работы на протяжении всего срока службы.

Актек Лазер Компания является профессиональным производителем станков для лазерной резки с более чем десятилетним опытом работы с промышленными и коммерческими клиентами, работающими с широким спектром материалов, отраслей и производственных требований. Ее продуктовый портфель охватывает весь спектр потребностей в лазерной резке: волоконные лазерные станки мощностью от 1500 Вт до 30 кВт и выше для высокоскоростной прецизионной резки углеродистой стали, нержавеющей стали, алюминия, меди, латуни, титана и всех конструкционных сплавов, доступные в стандартных плоскостных форматах, конфигурациях со сменными платформами для высокопроизводительного производства, системах резки труб и профилей, а также крупноформатных конфигурациях для тяжелых условий эксплуатации при промышленной резке толстых листов; и CO2-лазерные станки для резки и гравировки, оптимизированные для неметаллических материалов, включая акрил, дерево, кожу, текстиль, резину, пенопласт и картон, где длина волны 10,6 мкм обеспечивает качество кромки и универсальность обработки материалов, недоступные для волоконных лазерных генераторов.

Все системы построены на основе высококачественных лазерных генераторов от всемирно известных брендов, сертифицированных по стандартам CE и FDA, и доступны с индивидуальными конфигурациями — мощностью лазерного генератора, зоной резки, уровнем автоматизации, системой подачи вспомогательного газа и интерфейсом управления — в соответствии со специфическими требованиями к материалам и производству. Полный цикл сервисного обслуживания включает в себя предпродажные консультации по применению и рекомендации по выбору типа лазерного генератора, профессиональную установку и ввод в эксплуатацию, комплексное обучение операторов, включающее оптимизацию параметров для конкретных материалов, конкурентоспособную поставку запасных частей и оперативную техническую поддержку после продажи. Независимо от того, требуется ли вам волоконный лазерный станок для резки металла, CO2-лазерный станок для резки неметаллических материалов или рекомендации по настройке оптимальной комбинации обеих технологий для производства изделий из смешанных материалов, команда инженеров-разработчиков готова рекомендовать и поддержать решение, которое наилучшим образом соответствует составу материалов, объему производства и долгосрочным бизнес-целям.

Лазерное оборудование

Контактная информация

Получить лазерные решения