Laserové rezenie kovov zvyčajne prebieha v štyroch krokoch, čo je celkom fascinujúce, keď to rozoberieme. Všetko začína tým, že laserový rezonátor vytvorí silný lúč, ktorý je následne posilnený buď pomocou zmesí CO2 alebo špeciálnych optických káblov. Ďalší krok je dosť pozoruhodný. Presné šošovky tento lúč sústreďujú na veľkosť menšiu než vlas, približne 0,1 mm. Pri takýchto intenzitách dosahuje hustota výkonu viac než 10 miliónov wattov na štvorcový centimeter, čo je dosť na to, aby za pol milisekundy roztavilo uhlíkovú oceľ podľa nedávneho výskumu z Journal of Manufacturing Processes. Na dokončenie práce odfúkajú asistenčné plyny, ako kyslík alebo dusík, roztavený kov, čo umožňuje veľmi úzke rezy. Hovoríme o šírke rezu až 0,15 mm, aj keď ide o nehrdzavejúce oceľové plechy s hrúbkou 3 mm.
Päť základných systémov pracuje spoločne na zabezpečení presnosti a efektivity:
Táto integrácia umožňuje rezať rýchlosťou až 60 m/minútu na mäkkom oceli s hrúbkou 1 mm pri zachovaní tolerancií ±0,05 mm – čo je nevyhnutné pre vysokopresné automobilové a letecké komponenty.
Dnešný priemysel zameraný na kovovú výrobu pracuje predovšetkým s tromi hlavnými laserovými technológiami: CO2, vláknové a kryštalické systémy. CO2 lasery dobre zvládajú rezanie hrubších neželezných kovov, pretože na excitáciu využívajú plyn. Vláknové lasery si postupne prevzali väčšinu trhu pre tenké až stredne hrubé plechy, keďže zosilňujú diódové svetlo pomocou optických vlákien. Podľa najnovších údajov z priemyselného laserového reportu za rok 2024, vláknové lasery dokážu rezať nehrdzavejúcu oceľ hrúbky 3 mm dva až trikrát rýchlejšie ako tradičné CO2 systémy. Kryštalické lasery, vrátane modelov Nd:YAG, sa uchytili v niekoľkých špecifických oblastiach, napríklad pri rezaní titánu, avšak tieto systémy už takmer nestúpajú, hlavne kvôli vyššej náročnosti na údržbu a servis.
Vláknové lasery ponúkajú jasné výhody:
| Výkonnostná metrika | Vláknový laser | CO2 laser |
|---|---|---|
| Rýchlosť rezu (1mm oceľ) | 25 m/min | 8 m/min |
| Náklady na energie/mesiac* | 1 200 dolárov | 3 500 dolárov |
| Pomocná spotreba plynu | o 15 % nižšia | Štandardná |
*Na základe systému 500 kW, prevádzka 24/5
Pre výrobcov spracúvajúcich kovy hrubé do 20 mm, vláknové lasery zabezpečujú návratnosť investície do 18–24 mesiacov vďaka zníženým nákladom na spotrebný materiál a 94 % prevádzkovej dostupnosti (štúdia Metalworking Economics 2024). Zatiaľ čo systémy CO2 sú stále vhodné pre dielne spracúvajúce rôzne materiály, ako sú akryl alebo drevo, spotrebujú o 50–70 % viac energie na rezanie kovov.
Laserové rezy fungujú najlepšie s kovmi, ktoré rovnomerne vedú teplo a pohlcujú laserovú energiu predvídateľnou mierou. K takýmto materiálom patria nehrdzavejúca oceľ, hliník, mäkká oceľ, mosadz a meď. Nehrzdavejúca oceľ sa vyznačuje tým, že sa nerozkladá ľahko, čo je dôvod, prečo sa často používa v lekárskych zariadeniach a potravinárskej technike, kde záleží na čistote. Hliníkova ľahká hmotnosť z neho robí obľúbený materiál pre lietadlá a automobily, kde ušetrenie gramov znamená reálny zisk výkonu. Mosadz a meď sa nie sú tak často rezané laserom, ale hrajú dôležitú úlohu v elektrických systémoch napriek problémom, ktoré spôsobujú. Tieto kovy majú tendenciu odrážať laserový lúč, takže operátori potrebujú špeciálne zariadenia a techniky, aby dosiahli čisté rezy bez poškodenia okolitého priestranstva.
| Typ kovu | Typický rozsah hrúbky | Kľúčové oblasti použitia |
|---|---|---|
| Nehrdzavejúcu oceľ | 0,5–25 mm | Lekárske zariadenia, potravinárska technika |
| Hliník | 0,5–20 mm | Automobilové panely, chladiče |
| Meď | 0,5–8 mm | Plošné spoje, výmenníky tepla |
Pri práci s materiálmi z medi a mosadze sa vyskytuje veľký problém, pretože viac ako 90 percent infračervenej laserovej energie sa odráža späť. Toto odrazivo môže priamo poškodiť laser, ak sa s tým správne nezaobchoduje. Tu prichádzajú do úvahy vláknové lasery. V tomto prípade fungujú lepšie, pretože pracujú na kratšej vlnovej dĺžke okolo 1 060 nanometrov a majú niečo, čo sa nazýva adaptívna modulácia výkonu, ktorá pomáha kontrolovať proces. Vezmime si ako príklad rezanie medených platní s hrúbkou 2 mm. Proces vyžaduje impulzné frekvencie vyššie ako 500 Hz plus asistenciu dusíkového plynu, aby sa počas rezu zabránilo oxidácii. Hoci všetky tieto dodatočné kroky znamenajú spotrebu o 15 až 20 percent vyššiu ako pri rezaní ocele, väčšina výrobcov si myslí, že to stojí za to, aby udržali úroveň presnosti a chránili svoje nákladné investície do zariadení.
Hrúbka spracovávaného materiálu má veľký vplyv na rýchlosť rezu a množstvo energie vynaloženej na proces. Napríklad pri práci s mäkkou oceľou s hrúbkou 5 mm, osvedčená rýchlosť je približne 8 metrov za minútu. Ak však pracujeme s hrubšou oceľou s hrúbkou 20 mm, operátori musia výrazne spomaliť na približne 1,2 m/min, aby sa predišlo frustrujúcemu skrúteniu okrajov. Často sa však ľudia sústredia iba na to, čo je zrejmé – na prípravu povrchu. Rziavé škvrny alebo nekonzistentné povlaky môžu skutočne odchýliť laserový lúč až o pol milimetra, čo vedie k rôznym problémom s rozmermi neskôr. Vyčistenie povrchov pred začatím práce má obrovský vplyv. Priemyselné údaje ukazujú, že tento jednoduchý krok zvyšuje konsistenciu rezu približne o 30 percent a zároveň znižuje vznik nepríjemného struslového usadenia, ktoré komplikuje ďalšiu úpravu.
Vláknové lasery vieme rezať materiály rýchlosťou približne trojnásobnou v porovnaní s tradičnými CO2 systémami, a to pri zachovaní tolerancií do cca 0,1 mm na náročných materiáloch, ako sú nehrdzavejúce oceľové alebo hliníkové plechy. Základná konštrukcia týchto laserov zabezpečuje o cca 30 percent vyššiu účinnosť z hľadiska spotreby energie. Táto účinnosť sa prejaví čistejším rezaním, pri ktorom materiál prakticky topí, namiesto toho, aby bol spálený, a navyše vzniká oveľa menej tepla, ktoré by ovplyvnilo okolité oblasti. Ak sa pozrieme na reálne údaje z výrobných podlah krajiny, firmy uvádzajú úspory medzi 18 a 22 centami na diel, ktoré sú vyrobené z kovov s hrúbkou menšou ako 25 mm. Nie je prekvapením, že sa práve teraz veľa plechových dielní prevedie na vláknovú laserovú technológiu pre svoje hromadné výrobné potreby.
Jedna známa automobilová značka skrátila čas výroby karosériových komponentov takmer o polovicu, keď prešla na vláknové lasery s výkonom 6 kW pre prácu s plechmi z uhlíkovej ocele s hrúbkou 2 až 8 mm. Obdivuhodné je, že tieto nové systémy takmer úplne eliminujú potrebu dodatočného odstraňovania hrboľov, keďže vytvárajú čisté rezy bez nánosov trosky. Povrchová drsnosť dosahuje približne Ra 3,2 mikróna, čo je veľmi hladký povrch. Pre výrobcov, ktorí sa snažia dodržať tesné termíny, tento druh presnosti robí obrovský rozdiel, najmä v prípade, keď výrobcovia áut čoraz viac sústredia svoje úsilie na náročné špecifikácie elektrických vozidiel, kde každý gram a tisícinu počíta.
Čoraz viac podnikov v oblasti leteckého priemyslu začalo pri práci s hliníkovými konštrukčnými dielmi, ako sú tie používané na výrobu rebier krídel a úsekov trupov vyrobených z zliatiny 7075-T6, využíva vláknové lasery. Prečo? Pretože tieto lasery pracujú približne na vlnovej dĺžke 1 070 nm, čo pomáha znížiť problémy s odrazivým materiálom. To znamená, že dokážu prerezať dosky s hrúbkou 10 mm rovnomerne rýchlosťou okolo 15 metrov za minútu a zároveň udržať odchýlky hrúbky pod 0,5 %. V súčasných trendoch sa ukazuje, že takmer 9 z každých 10 nových návrhov lietadiel v skutočnosti zahŕňa nejakú formu hliníkových komponentov vyrobených laserovým rezom. Preto je pre výrobcov takmer nevyhnutné mať k dispozícii kvalitné systémy vláknových laserov, ak chcú spĺňať prísné kvalitné požiadavky štandardu AS9100, ktoré sú bežné v celom leteckom priemysle.
Dusík slúži ako neutrálne pomocné plyny pri tlakoch medzi 12 a 20 bar, ktoré udržiavajú odolnosť materiálu proti korózii. Keď k tomu dôjde, oxidácia sa zabráni a vytvárajú sa čisté hrany, čo zabezpečuje ideálne vlastnosti týchto súčastí pre využitie napríklad v medicínskych zariadeniach alebo v potravinárskom priemysle. Vezmime si napríklad nehrdzavejúcu oceľ značky 304 s hrúbkou 6 mm. Pri použití vláknového laseru s výkonom 2 kW dosahujúceho rýchlosť približne 10 až 12 metrov za minútu zvyčajne získame tepelne ovplyvnenú zónu merajúcu najviac 0,1 mm. Podľa nedávnych výskumov uverejnených v správe Metal Fabrication Report 2024 môže prechod z kyslíkových metód na dusíkovú pomoc znížiť náklady na dodatočné úpravy približne o tretinu. Niektoré dôležité parametre, ktoré stojí za zmienku, sú:
Vysoká odrazivosť hliníka (85–92% pri vlnovej dĺžke 1 µm) vyžaduje pulzné režimy laseru, aby sa zabránilo odchýleniu lúča. Vláknový laser s výkonom 4 kW prereže hliník 6061-T6 s hrúbkou 8 mm rýchlosťou 15 m/min pomocou stlačeného vzduchu pri tlaku 6–8 bar. Na zvládnutie tepelnej vodivosti:
Tento prístup zabezpečuje presnosť ±0,05 mm, čo je ideálne pre presné komponenty, ako sú batériové panely pre automobilový priemysl.
Rezanie s pomocným kyslíkom je štandardné pri uhlíkovej oceli hrubšej než 3 mm, kde exotermická reakcia zvyšuje rýchlosť rezu až o 40 %. Pre oceľ S355JR s hrúbkou 10 mm pri výkone 3 kW dosahujú rýchlosti 8–10 m/min. Avšak nadmerná oxidácia môže spôsobiť vznik strusky na spodnej strane. Účinné opatrenia zahŕňajú:
Pre konštrukčné komponenty, ako sú oceľové nosníky, kombinované metódy používajúce kyslíkové rezy v kombinácii s dusíkovými dokončovacími prechodmi pomáhajú dosiahnuť normy ISO 9013 pre presnosť rozmerov a kvalitu hrany.
Laserové rezanie je presný proces, pri ktorom sa silný laserový lúč používa na roztavenie, spaľovanie alebo odparovanie materiálu na rezanie.
Vláknové lasery ponúkajú vyššiu presnosť, lepšiu energetickú účinnosť a nižšie náklady na údržbu v porovnaní s CO2 lasermy.
Kovy, ako je nehrdzavejúca oceľ, hliník, mäkká oceľ, mosadz a meď, sú vhodné na laserové rezanie vďaka svojej tepelnej vodivosti a schopnosti pohlcovať laserovú energiu.
Hrúbka materiálu ovplyvňuje rýchlosť rezu a spotrebu energie. Hrubšie materiály často vyžadujú nižšiu rýchlosť rezu, aby sa zabránilo deformácii okrajov.
EN
Hot News
