Urządzenia laserowe do cięcia i grawerowania
Na rynku dostępnych jest wiele urządzeń, które mogą pozwolić na cięcie oraz grawerowanie różnych materiałów takich jak metale, tworzywa sztuczne, tworzywa naturalne, czy kompozyty. Wycinanie materiałów jest procesem mającym na celu uzyskanie określonej geometrii detalu z formatki materiału. Proces grawerowania w zależności od stopnia zagłębienia w materiał można podzielić na znakowanie, gdzie efektem procesu jest jedynie zmiana struktury powierzchni materiału, grawerowanie 2D, w którym grawerowana powierzchnia jest równoległa do powierzchni materiału oraz grawerowanie 3D, które umożliwia uzyskanie trójwymiarowych wizerunków (np. płaskorzeźb). Pośród wielu maszyn sterowanych numerycznie, które umożliwiają wykonywanie omówionych powyżej procesów coraz większą popularnością cieszą się urządzenia laserowe, które jako medium obróbcze wykorzystują wiązki laserowe o różnych długościach fal. Urządzenia te można podzielić na kilka grup wg różnych kryteriów, np. ze względu na przeznaczenie: maszyny do cięcia, maszyny do grawerowania, maszyny do grawerowania i cięcia. Jednak ze względu na to, że powyższy podział jest bardzo często uzależniony od materiału jaki jest obrabiany najczęściej stosowanym rozróżnieniem maszyn laserowych jest kryterium związane z rodzajem zastosowanej wiązki laserowej. Najczęściej wykorzystywanymi w maszynach przemysłowych laserami są wiązki CO2, Fiber, Mopa, YAG, Green oraz UV. Różnią się one długościami fal oraz możliwościami pod kątem obróbki różnych materiałów. Poniżej opisano poszczególne rodzaje najczęściej wykorzystywanych wiązek laserowych.
CO2 – jest to laser gazowy o długości fali równej 10,6 µm. Ośrodkiem, w którym generowana jest wiązka laserowa jest mieszanina gazów. Jej główną część stanowi dwutlenek węgla. Dodatkowo w skład mieszaniny gazów wchodzą azot, wodór i hel. Emisja wiązki możliwa jest po dostarczeniu impulsu elektrycznego. Wtedy atomy azotu wpadają w drgania, a następnie przekazują energię atomom dwutlenku węgla, co prowadzi do emisji fotonu i generacji wiązki laserowej. Lasery CO2 o mocach do około 200W wykorzystywane są do ciecia, znakowania oraz grawerowania tworzyw sztucznych i naturalnych oraz do przy zastosowaniu past grawerskich do znakowania metalu. Przy zastosowaniu generatora o większej mocy (rzędu kilkuset watów lub kilku kilowatów) możliwe jest również ciecie metali.
Fiber - jest to laser, w którym wiązka emitowana jest we wnętrzu aktywnego włókna optycznego za pomocą diod laserowych, a następnie transportowana do głowicy laserowej za pomocą światłowodu. Długość fali lasera Fiber wynosi około 1,064 µm. Podobnie jak w przypadku laserów CO2, również w przypadku laserów Fiber zakres zastosowań zależy od mocy lasera. Laser Fiber o mocach rzędu kilkudziesięciu watów stosowane są głównie w znakowarkach laserowych i wykorzystywane są do znakowania metali oraz niektórych tworzyw sztucznych. Źródła laserowe Fiber o mocach kilkuset watów lub kilku kilowatów stosowane są do cięcia metali.
Mopa – jest to laser, który swoją charakterystyką bazuje na źródle laserowym typu Fiber. Różnicą jest zastosowanie w laserze Mopa dodatkowego wzmacniacza światłowodowego, który skaluje sygnał z głównego oscylatora małej mocy. Zastosowanie takiego układu pozwala na wyeliminowanie występowania efektów nieliniowych, które mogą powodować zmiany długości fali oraz mocy wiązki. Laser Mopa wyróżnia się możliwością manipulowania szerokością pasma oraz możliwością kolorowego znakowania metali przy doborze odpowiednich parametrów.
YAG – wiązka emitowana jest z ośrodka aktywnego, którym jest monokryształ za pomocą umieszczonych w źródle diod laserowych (lamp). W odróżnieniu od laserów Fiber wiązka transportowana jest za pomocą klasycznego układu złożonego z luster. Lasery Yag mogą być wykorzystywane do cięcia metali oraz przy źródłach o mniejszych mocach do znakowania. Laser Yag charakteryzuje się dużo mniejszą żywotności w porównaniu z laserami Fiber z racji na bardziej skomplikowany układ generacji wiązki. Obecnie na rynku wykorzystywane są różne rodzaje laserów YAG, które charakteryzują się różnymi długościami fal np. laser neodymowy YAG emituję wiązkę o długości 1,064 µm.
Green – w odróżnieniu od wcześniej wymienionych laserów, których długości fal odpowiadały pasmu podczerwieni laser Green jest wiązką widzialną a jej długość fali wynosi około 532 nm. Wiązka generowana jest diodową pompą laserową dużej mocy. Z racji na podwojoną częstotliwość generowanej wiązki możliwe jest przestrzenne grawerowanie materiałów nieliniowych np. kryształów oraz innych tworzyw sztucznych.
UV – laser ten charakteryzuje się długością fali o wartości 355 nm (ultrafiolet), dzięki temu z racji na mniejszy przekrój poprzeczny wiązki możliwe jest precyzyjne znakowanie oraz uzyskanie mniejszych odkształceń oraz większej rozdzielczości znakowania. Lasery UV stosowane są do precyzyjnego znakowania m.in. żywności, produktów medycznych oraz płytek PCB.
Urządzenia laserowe w zależności od przeznaczenia mogą charakteryzować się różną budową oraz sposobem prowadzenia wiązki laserowej. Głównym podziałem maszyn służących do obróbki laserowej jest podział na plotery/wycinarki laserowe oraz znakowarki laserowe.
Plotery laserowe wykorzystywane są najczęściej do cięcia oraz grawerowania tworzyw sztucznych, naturalnych, kompozytów (m.in. sklejka, plexi, papier, laminaty, drewno itd). W ploterach laserowych najczęściej stosowane jest źródło laserowe CO2. Zasada działania plotera polega na doprowadzeniu wiązki laserowej do głowicy sterowanej numerycznie za pomocą specjalnego układu elektronicznego oraz współpracującego z nim oprogramowania. Ruch głowicy laserowej może być realizowany na kilka sposobów np. za pomocą silników krokowych lub napędów serwo oraz przekładni z paskami zębatymi, przekładni z listwami zębatymi lub przekładniami ze śrubą kulową. Rodzaj zastosowanego napędu zależy głównie od wymaganej precyzji cięcia oraz wymaganej dynamiki ruchu przy grawerowaniu. Plotery laserowe mogą pracować w dwóch trybach. Pierwszym z nich jest tryb cięcia, w którym głowica porusza się zgodnie ze zdefiniowanymi w programie wektorami. Drugim trybem jest grawerowanie, w czasie którego głowica porusza się po liniach równoległych wewnątrz obszaru rysunku. Prowadzenie wiązki optycznej odbywa się za pomocą układu luster (w przypadku ploterów laserowych CO2). Obecnie na rynku wprowadzane są też rozwiązania hybrydowe, gdzie poza wiązką laserową CO2 ploter wyposażony jest też w źródło Fiber, gdzie wiązka może być prowadzona również za pomocą układu luster lub za pomocą światłowodu. Rozwiązane hybrydowe daje możliwość obróbki poza wymienionymi wcześniej materiałami metali (np. cięcie cienkich folii oraz grawerowanie).
Drugą grupę urządzeń laserowych stanowią wycinarki laserowe. Ich zasada działania jest analogiczna do ploterów laserowych. Różnica wynika z zastosowanych podzespołów oraz rodzaju operacji wykonywanych na maszynie. Wycinarki stosowane są do cięcia materiałów, najczęściej wykorzystuje się je do cięcia metali lub grubszych arkuszy tworzyw. Z racji na konieczność zapewnienia większej precyzji oraz na masę komponentów (np. większe głowice laserowe) do napędu stosowane są najczęściej napędy serwo wraz z przekładniami z listwami zębatymi lub śrubami kulowymi. W nowoczesnych maszynach coraz częściej stosowane są też napędy bezpośrednie – silniki liniowe. W wycinarkach laserowych stosowane są najczęściej źródła laserowej CO2, Yag oraz Fiber. Z racji na rozwój źródeł Fiber coraz częściej wypierają one pozostałe technologie z racji na łatwiejszą eksploatację, większą wydajność, mniejsze zużycie prądu oraz zdecydowanie większą żywotność. W wycinarkach laserowych wiązka może być transportowana za pomocą układu luster (CO2, YAG) lub za pomocą światłowodu (Fiber). Wycinarki laserowe z racji na mniejszą dynamikę ruchu w trybie zwrotnym najczęściej stosowane są do cięcia materiałów, natomiast możliwe jest też znakowanie detali po konturze w trybie z ograniczoną mocą wiązki laserowej. Jest to przydatna funkcja służąca np. do oznaczania numerów wyciętych detali.
Ostatnią grupę urządzeń laserowych stanowią znakowarki laserowe. Służą one do znakowania oraz grawerowania różnych materiałów w zależności od rodzaju zastosowanej wiązki laserowej. Znakowarki laserowe mogą być wyposażone we wszystkie omówione wcześniej źródła laserowe: CO2, Fiber, Mopa, Yag, Green, UV. Cechą charakterystyczną odróżniającą znakowarki od ploterów i wycinarek jest sposób prowadzenia wiązki. W przypadku znakowarek wykorzystuje się skanery galwanometryczne. Ich zasada działania opera się na układzie ruchomych luster, które na podstawie sygnałów z układu sterującego ustawiają się pod odpowiednim kątem tak aby przeskanować wymaganą powierzchnię w osiach XY. Dodatkowo skanery wyposażone są w soczewki skupiające wiązkę laserową. Zaletą zastosowania skanera galwo jest możliwość sterowania położeniem wiązki laserowej bez konieczności zmiany położenia całej głowicy. Rozwiązanie to daje dużą precyzję oraz bardzo dużą dynamikę ruchu, która jest praktycznie nieosiągalna przy zastosowaniu napędów mechanicznych z racji na ich masę oraz bezwładność. Dodatkowo skanery galwo charakteryzują się zwartą, zamkniętą konstrukcją, dzięki czemu ryzyko zabrudzenia lub zniszczenia układu luster jest znacznie mniejsze niż w przypadku klasycznych rozwiązań. W niektórych przypadkach znakowarki laserowe mogą być stosowane również do cięcia materiałów. Na przykład do cięcia precyzyjnych wzorów z papieru na wycinarkach laserowych CO2 lub do cięcia cienkich metalowych folii na znakowarce laserowej Fiber.
W zależności od przeznaczenia urządzenia oraz możliwości przedstawione powyżej urządzenia laserowe są wykorzystywane w wielu gałęziach przemysłu. W przypadku ploterów laserowych CO2 zakres ich zastosowań jest bardzo duży. Przy ich użyciu można wykonywać różnego rodzaju wyroby dla branży reklamowej np. spersonalizowane napisy, logotypy, gadżety, banery, reklamy. Dodatkowo maszyny te mogą być również stosowane w przemyśle meblarskim do wycinania oraz grawerowania elementów wykonanych z drewna, w przemyśle odzieżowym do wycinania wykrojów na ubrania, w branży papierniczej oraz opakowaniowej np. do wycinania dekoracji i zaproszeń z papieru, opakowań kartonowych itp. Zakres zastosowań ploterów laserowych CO2 jest bardzo szeroki i zależy w dużej mierze od potrzeb oraz inwencji twórczej osób obsługujących maszyny. Poza wymienionymi branżami ciekawym zastosowaniem jest również wykorzystanie ploterów laserowych w branży kamieniarskiej np. do grawerowania wizerunków lub napisów oraz w branży elektronicznej np. do wycinania klawiatur membranowych do urządzeń. Jak widać obszar zastosowań ploterów laserowych CO2 jest bardzo szeroki. Podobnie sytuacji prezentuje się w przypadku znakowarek laserowych. Dodatkowo znakowarki wyposażone w źródła przeznaczone do pracy z metalami (np. Fiber, Mopa, Yag) są wykorzystywane w innych branżach, w których wykorzystuje się produkty metalowe, np. w branży jubilerskiej do znakowania wzorów na biżuterii lub w wielu firmach produkcyjnych, w których konieczne jest znakowanie wyrobów np. numerów seryjnych, kodów kreskowych oznaczeń detali itd. Ponadto znakowarki laserowe wykorzystywane są we wszystkich pozostałych branżach, które wymagają oznakowania wyrobów np. logotypów, numerów seryjnych, informacjach o parametrach produktów itd.
Z racji na stosunkowo niski koszt przedstawionych powyżej maszyn firmy i zakłady bardzo często decydują się na zakup maszyny, z powodu szybkiego zwrotu kosztów inwestycji. Małe firmy, które rozpoczynają działalność w początkowej fazie decydują się na usługowe wykonywanie zamówień w zewnętrznych firmach, jednak ze względu na wysokie koszty usług oraz wymagania logistyczne takie jak pakowanie i wysyłka materiału szybko decydują się na zakup maszyny. Decyzja o zakupie maszyny najczęściej uwarunkowana jest ilością wykonywanych detali. Na przykład firmy, które muszą oznakować każdy wychodzący z fabryki wyrób bardzo często dołączają urządzenie znakujące w łańcuch produkcyjny tak aby przyspieszyć cały proces.
Sytuacja wygląda nieco inaczej w przypadku wycinarek laserowych o większych gabarytach i mocach. Wykorzystywane są one w wielu branżach związanych z przemysłem metalowym do wycinania detali z arkuszy blach. Najczęściej obrabianymi materiałami na wycinarkach laserowych są stale (stal czarna oraz nierdzewna) a także aluminium. W tym przypadku wiele firm stoi przed podjęciem decyzji o inwestycji w maszynę a także podjęciem decyzji o specyfikacji maszyny. W przypadku dużego zapotrzebowania na własną produkcję firmy decydują się na zakup maszyny pod kątem swoich potrzeb i na tej podstawie dobierają źródło laserowe oraz inne parametry maszyny np. pole robocze. Wiele firm w celu uniknięcia przestojów maszyny decyduje się dodatkowo na oferowania usług cięcia zewnętrznym firmom co umożliwia szybszy zwrot kosztów zakupu maszyny. W takim przypadku dobierane są jak najbardziej uniwersalne parametry maszyny, tak aby uzyskań wszechstronność i możliwość oferowania cięcia materiałów różnych grubości oraz formatów.
Rynek urządzeń laserowych rozwija się w bardzo szybkim tempie. Wraz z rozwojem źródeł laserowych wprowadzane są coraz bardziej wydajne oraz bardziej wytrzymałe źródła laserowe. Dodatkowo źródła przy takich samych mocach staja się coraz bardziej kompaktowe. Na rynku pojawiają się też rozwiązania mające na celu zwiększenie funkcjonalności maszyn. Jednym z takich rozwiązań są hybrydowe plotery laserowe, które mogą być wyposażone w źródło laserowe CO2 oraz Fiber. Źródła te mogą być wykorzystywane na zmianę. Dzięki zastosowaniu dwóch źródeł laserowych ploter może być wykorzystywana do obróbki zarówno tworzyw sztucznych, naturalnych, materiałów kompozytowych jak i metali. Kolejnym innowacyjnym rozwiązaniem jest stosowanie głowic znakujących w innych maszynach sterowanych numerycznie np. ploterach frezujących, ploterach tnących lub tnąco-bigujących. Z racji na kompaktowe wymiary głowicy znakującej nie zabiera ona dużo miejsca natomiast daje dodatkową funkcjonalność w postaci możliwości oznaczania wykonywanych detali np. numerami seryjnymi lub kodami kreskowymi.
Poza rozwojem komponentów optycznych źródeł laserowych takich jak źródła, elementy prowadzące wiązkę, soczewki itd. rozwój rynku urządzeń laserowych powiązany jest również z wdrażaniem coraz bardziej zaawansowanych rozwiązań od strony układów napędowych. Ma to na celu stworzenie rozwiązań, które sprostają parametrom układów optycznych, tak aby możliwe było pełne wykorzystanie potencjału źródeł laserowych. Jednym z takich rozwiązań jest stosowanie napędów liniowych do realizacji ruchu osi głowic. Zastosowanie takich napędów pozwala na uzyskanie bardzo dużej dynamiki ruchu, a także dużej precyzji. Poza zastosowaniem napędów liniowych do realizacji ruchu głowic laserowych możliwe jest również ich stosowanie do napędu stołów roboczych znakowarek laserowych. Zastosowanie takiego stołu pozwala na rozszerzenie pola roboczego znakowarki (pole jest ograniczone przez wielkość zastosowanej soczewki) przy zachowaniu precyzji jaką zapewnia napęd optyczny galwo.
Źródła:
- https://atmsolutions.pl/
- https://atmsolutions.pl/newsroom
