Laserové řezání kovů obvykle probíhá ve čtyřech krocích, které jsou docela fascinující, když si je rozebereme. Celý proces začíná tím, že laserový rezonátor vytvoří silný světelný paprsek, který je následně zesílen buď pomocí směsi CO2 plynu, nebo speciálními optickými kabely. Co se stane poté, je až pozoruhodné. Extrémně přesné čočky soustředí tento paprsek na velikost menší než lidský vlas, zhruba na 0,1 mm v průměru. Při těchto intenzitách dosahuje hustota výkonu více než 10 milionů wattů na čtvereční centimetr, což je dostačující k tomu, aby za necelou půl milisekundy roztavilo uhlíkovou ocel, jak uvádá nedávný výzkum z Journal of Manufacturing Processes. K dokončení práce poté asistující plyny, jako je kyslík nebo dusík, odvážou roztavený kov a umožňují tak extrémně úzké řezy. Mluvíme o šířkách řezu až 0,15 mm i u nerezových plechů o tloušťce 3 mm.
Pět základních systémů spolupracuje za účelem zajištění přesnosti a efektivity:
Tato integrace umožňuje řezací rychlosti až 60 m/minutu na měkké oceli o tloušťce 1 mm při zachování tolerance ±0,05 mm – což je zásadní pro vysokopřesné automobilové a letecké komponenty.
Současný průmysl výroby kovových konstrukcí pracuje převážně se třemi hlavními laserovými technologiemi: CO2, vláknové a krystalové systémy. CO2 lasery zpravidla dobře zvládají řezání tlustších neželezných kovů, protože pro excitaci využívají plyn. Vláknové lasery si postupně převzaly velkou část trhu pro práci s tenkými a středně silnými plechy, protože zvyšují výkon diodového světla pomocí optických vláken. Podle nejnovějších údajů z průmyslové zprávy o laserových technologiích za rok 2024, vláknové lasery dokážou řezat nerezovou ocel o tloušťce 3 mm přibližně dvě až třikrát rychleji než tradiční CO2 systémy. Krystalové lasery, včetně modelů Nd:YAG, se uplatňují v poměrně úzkých specifických oblastech, například při řezání titanu, avšak tyto systémy už téměř nezaznamenávají růst, hlavně kvůli náročnosti na údržbu a servis.
Vláknové lasery nabízejí zřetelné výhody:
| Výkonnostní metrika | Vláknitý laser | CO2 Laser |
|---|---|---|
| Rychlost řezání (1mm ocel) | 25 m/min | 8 m/min |
| Náklady na energie/měsíc* | $1 200 | $3 500 |
| Spotřeba asistenčního plynu | 15 % nižší | Standard |
*Na základě systému 500 kW, provoz 24/5
U výrobců zpracovávajících kovy do tloušťky 20 mm poskytují vláknové lasery návratnost investice během 18–24 měsíců díky snížené spotřebě náhradních dílů a 94% provozní dostupnosti (Studie ekonomiky obrábění kovů 2024). I když systémy CO2 zůstávají vhodné pro provozy zpracovávající různé materiály, jako je akryl nebo dřevo, spotřebovávají o 50–70 % více energie na řezání kovů.
Laserové řezání funguje nejlépe s kovy, které rovnoměrně vedou teplo a pohlcují laserovou energii předvídatelnou rychlostí. Mezi takové materiály patří nerezová ocel, hliník, uhlíková ocel, mosaz a měď. Nerezová ocel se vyznačuje tím, že se nekazí snadno korozí, a proto se často používá v lékařských zařízeních a potravinářském průmyslu, kde záleží na čistotě. Lehkost hliníku z něj činí oblíbený materiál pro letadla a automobily, kde úspora každé unce přináší reálné výkonové výhody. Mosaz a měď se sice laserem řežou méně často, ale přesto hrají důležitou roli v elektrických systémech, navzdory potížím, které způsobují. Tyto kovy mají tendenci odrážet laserový paprsek, a proto musí operátoři používat speciální vybavení a techniky, aby dosáhli čistých řezů bez poškození okolních oblastí.
| Typ kovu | Typický rozsah tloušťky | Klíčové oblasti použití |
|---|---|---|
| Nerezovou ocel | 0,5–25 mm | Lékařská zařízení, zařízení pro zpracování potravin |
| Hliník | 0,5–20 mm | Automobilové panely, chladiče |
| Měď | 0,5–8 mm | Desky plošných spojů, výměníky tepla |
Při práci s materiály jako měď a mosaz se vyskytuje velký problém, protože tyto materiály odrážejí zpět více než 90 procent infračervené laserové energie. Tento odraz může v případě nesprávného zpracování skutečně poškodit samotný laser. Zde přicházejí do hry vláknové lasery. Ty zde fungují lépe, protože pracují na kratší vlnové délce kolem 1 060 nanometrů a mají něco, co se nazývá adaptivní modulace výkonu, která pomáhá věci kontrolovat. Vezměme jako příklad řezání měděných desek o tloušťce 2 mm. Tento proces vyžaduje pulzní frekvenci vyšší než 500 Hz a také pomocný dusíkový plyn, který zabraňuje oxidaci během řezání. I když všechny tyto dodatečné kroky znamenají spotřebu zhruba o 15 až 20 procent vyšší energie ve srovnání s řezáním oceli, většina výrobců považuje tento kompromis za hodný, aby udržela přesnost na požadované úrovni a chránila svá drahá investiční zařízení.
Tloušťka zpracovávaného materiálu má velký dopad na rychlost řezání a množství spotřebované energie během procesu. Například při práci s 5mm uhlíkovou ocelí jsou vhodné rychlosti kolem 8 metrů za minutu. Při práci s tlustší ocelí, například 20mm, je však nutné operátory zpomalit na přibližně 1,2 m/min, aby se zabránilo nepříjemnému zkreslení hran. Něčeho si lidé často nevšímají – a to je příprava povrchu. Rzi nebo nekonzistentní povlaky mohou skutečně vychýlit laserový paprsek až o půl milimetru, což vede k různým rozměrovým problémům později. Důkladné vyčištění povrchů před zahájením práce pak znamená obrovský rozdíl. Průmyslová data ukazují, že tento jednoduchý krok zvyšuje stabilitu řezání přibližně o 30 % a zároveň snižuje vznik nepříjemného struslového usazení, které komplikuje následné zpracování.
Vláknové lasery mohou řezat materiály rychlostí asi třikrát vyšší než tradiční CO2 systémy, a to při zachování tolerance do cca 0,1 mm na obtížných materiálech, jako je nerezová ocel a hliníkové plechy. Konstrukce na bázi pevného stavu těchto laserů zajišťuje o 30 % vyšší účinnost z hlediska spotřeby energie. Tato účinnost se promítá do čistších řezů, kdy materiál téměř roztaví místo toho, aby byl spálen, a navíc ovlivňuje okolní oblasti výrazně nižším množstvím tepla. Podle reálných údajů z výrobních podlah po celé zemi ušetří společnosti mezi 18 a 22 centy na dílku vyrobeném z kovů o tloušťce menší než 25 mm. Není proto divu, že mnoho dílen zabývajících se s plechy přechází na vláknovou laserovou technologii pro své hromadné výrobní potřeby.
Jedna velká firma v oblasti automobilových dílů snížila čas potřebný na výrobu karosářských dílů téměř o polovinu, když přešla na vláknové lasery o výkonu 6 kW pro práci s plechy z uhlíkové oceli o tloušťce 2 až 8 mm. Opravdu působivé je, že tyto nové systémy v podstatě úplně odstranily potřebu dodatečného odstraňování otřepů, protože vytvářejí čisté řezy bez nánosů strusky. Konečná úprava povrchu dosahuje hodnoty Ra 3,2 mikronů, což je velmi hladký povrch. Pro výrobce, kteří musí dodržovat těsné termíny, může tento druh přesnosti znamenat obrovský rozdíl, zejména v době, kdy výrobci automobilů čelí rostoucím nárokům na specifikace elektromobilů, kde každý gram hmotnosti a milimetr tolerance hraje roli.
Stále více společností v oboru leteckého průmyslu začíná používat vláknové lasery pro práci s hliníkovými konstrukčními díly, jako jsou například nosníky křídel nebo části trupu vyrobené z slitiny 7075-T6. Proč? Tyto lasery pracují při vlnové délce okolo 1 070 nm, což pomáhá snižovat problémy s odrazivostí materiálu. To znamená, že mohou bez přetržení řezat desky o tloušťce 10 mm rychlostí asi 15 metrů za minutu a udržovat přitom odchylky tloušťky pod 0,5 %. Podle nedávných trendů skutečně 9 z 10 nových návrhů letadel obsahuje nějakou formu hliníkové součástky vyrobené laserovým řezáním. V důsledku toho se pro výrobce stalo téměř nezbytným mít k dispozici kvalitní systémy vláknových laserů, aby mohli splnit přísné kvalitativní požadavky AS9100, které jsou v leteckém průmyslu běžným standardem.
Dusík slouží jako inertní asistní plyn při tlacích mezi 12 a 20 baru, aby udržel materiál odolný proti korozi. Pokud k tomu dojde, oxidace je zabráněno a vznikají čisté hrany, což činí tyto součásti ideálními pro věci jako jsou lékařské přístroje nebo komponenty používané v potravinářském průmyslu. Vezměme například nerezovou ocel třídy 304 o tloušťce 6 mm. Při použití vláknového laseru o výkonu 2 kW běžícího rychlostí přibližně 10 až 12 metrů za minutu obvykle zaznamenáme tepelně ovlivněnou zónu měřící nejvýše 0,1 mm. Podle nedávného výzkumu uveřejněného v Metal Fabrication Report 2024 může použití dusíku místo kyslíkových metod snížit dodatečné náklady na dokončování zhruba o třetinu. Některé důležité parametry, které stojí za zmínku, jsou:
Vysoká odrazivost hliníku (85–92 % při vlnové délce 1 µm) vyžaduje pulzní režimy laseru, aby se zabránilo odchýlení paprsku. Vlákenný laser o výkonu 4 kW řeže hliník 6061-T6 o tloušťce 8 mm rychlostí 15 m/min s použitím stlačeného vzduchu při tlaku 6–8 bar. Pro řízení tepelné vodivosti:
Tento postup zajišťuje přesnost ±0,05 mm, což je ideální pro přesné komponenty, jako jsou držáky baterií pro automobily.
Řezání s pomocným plynem kyslíkem je standardní pro uhlíkovou ocel tlustší než 3 mm, kde exotermická reakce zvyšuje rychlost řezání až o 40 %. Pro ocel S355JR o tloušťce 10 mm a výkonu 3 kW dosahují rychlosti 8–10 m/min. Nadměrná oxidace však může způsobit vznik strusky na spodní straně. Účinná opatření zahrnují:
U konstrukčních komponentů, jako jsou nosníky, pomáhají hybridní metody kombinující kyslíkové řezání s dokončovacími průchody v dusíku splnit normy ISO 9013 pro rozměrovou přesnost a kvalitu hrany.
Laserové řezání je přesný proces, při kterém silný laserový paprsek taví, spaluje nebo vypařuje materiál pro řezání.
Vláknové lasery nabízejí vyšší přesnost, lepší energetickou účinnost a nižší náklady na údržbu ve srovnání s CO2 laserovými zařízeními.
Kovy jako nerezová ocel, hliník, uhlíková ocel, mosaz a měď jsou vhodné pro laserové řezání díky své tepelné vodivosti a schopnosti pohlcovat laserovou energii.
Tloušťka materiálu ovlivňuje rychlost řezání a spotřebu energie. Silnější materiály často vyžadují nižší rychlost řezání, aby nedošlo ke zkreslení okraje.
EN
Hot News
