EN
Перевизначення ефективності у металообробці
Ефективність різання металу — це не лише швидкість різання. лазерна різальна машина метал процес досягає справжньої ефективності, коли збігаються три показники: висока продуктивність (кількість виготовлених деталей за зміну), високе використання матеріалу (кількість придатних до продажу деталей з одного листа) та мінімальна кількість додаткових операцій (деталі, які не потребують додаткової обробки перед зварюванням або збиранням). Верстат, що ріже зі швидкістю 40 метрів на хвилину, але залишає заусенці, для усунення яких потрібно 10 хвилин шліфування на кожну деталь, є менш ефективним, ніж верстат, що ріже зі швидкістю 20 метрів на хвилину й забезпечує кромки, готові до зварювання.
Волоконно-оптичний лазерний різальний верстат змінив еталони ефективності після його промислового впровадження. Тоді як системи CO₂-лазерів перетворювали 10–15 % вхідної електричної потужності на енергію для різання, волоконні джерела досягають коефіцієнта корисної дії 30–40 %. Ця різниця означає, що волоконний лазер потужністю 3 кВт споживає приблизно 8–10 кВт електричної потужності порівняно з 20–30 кВт для системи CO₂ з аналогічною вихідною потужністю. За 4 000 годин роботи на рік за тарифом 0,10 $/кВт·год волоконна система економить лише на електроенергії 4 000–8 000 $.
Постачальник компонентів для суднобудівельного заводу, який обробляв стальні листи товщиною 6–12 мм для ребер жорсткості перегородок, замінив плазмовий різальний стіл на волоконно-оптичний лазерний різальний верстат моделі 3015. Плазмова система виготовляла деталі, які вимагали шліфування кромок перед зварюванням через кут нахилу кромки та шлак. Квадратні, вільні від шлаку кромки, отримані за допомогою волоконно-оптичного лазера, повністю усунули необхідність шліфування, скоротивши загальний час обробки — різання разом із вторинними операціями — приблизно на 35 %, навіть попри порівняну швидкість різання на матеріалі товщиною 12 мм.
Оптимізація швидкості за матеріалом та товщиною
Співвідношення «прокол–різання»
Кожен лазерна різальна машина метал операція починається з проколу — лазер утримується в одній точці, щоб пробити матеріал перед початком траєкторії різання. Час проколу варіює від 0,5 секунди для сталі з низьким вмістом вуглецю товщиною 1 мм до 8–12 секунд для матеріалу товщиною 16 мм. Під час проколу витрачаються допоміжний газ і час роботи лазера без створення будь-якої довжини різу, тому саме цей етап є найменш ефективним у процесі лазерної обробки.
Деталь із 20 точками проколу на сталі з низьким вмістом вуглецю товщиною 6 мм при тривалості кожного проколу 1,5 секунди споживає 30 секунд часу без різання. Якщо загальна довжина траєкторії різання становить 3 метри при швидкості 2,5 м/хв (72 секунди різання), то час проколу становить 29 % загального циклу. Зменшення кількості проколів за рахунок оптимізованого розміщення деталей — коли кілька деталей мають спільну лінію різання — безпосередньо підвищує продуктивність без зміни параметрів різання.
Імпульсне пробивання, при якому лазер подає енергію імпульсами тривалістю в мілісекунди замість безперервного випромінювання, скорочує час пробивання на товстих матеріалах на 30–50 % порівняно з безперервним пробиванням. Імпульсний метод утворює вужчу початкову отвір, що дозволяє струменю кисню для різання швидше проникати в матеріал і екзотермічну реакцію починатися раніше в циклі пробивання.
Швидкість різання залежно від матеріалу
Низьковуглецева сталь із допоміжним газом (кисень) при потужності 3 кВт: 1 мм — 10–12 м/хв, 3 мм — 3–4 м/хв, 6 мм — 1,8–2,2 м/хв, 10 мм — 0,9–1,2 м/хв, 16 мм — 0,6–0,8 м/хв. Експоненційне зниження швидкості зі збільшенням товщини означає, що виробники, які переважно обробляють товсті листи, повинні розглянути системи з більшою потужністю: лазер потужністю 6 кВт ріже 16-мм лист зі швидкістю 1,2–1,6 м/хв, що приблизно вдвічі швидше, ніж лазер потужністю 3 кВт на такій самій товщині.
Нержавіюча сталь із азотом як допоміжним газом при потужності лазера 3 кВт: товщина 1 мм — швидкість різання 8–10 м/хв, 3 мм — 2,5–3,5 м/хв, 6 мм — 1,2–1,6 м/хв, 8 мм — 0,7–0,9 м/хв. Азот як допоміжний газ забезпечує повільніше різання порівняно з киснем на вуглецевій сталі, оскільки екзотермічна реакція не виділяє додаткової енергії — процес різання повністю залежить від потужності лазера для плавлення матеріалу, а азот виконує лише механічну функцію видалення розплаву.
Розміщення деталей та використання матеріалу
Алгоритмічна оптимізація
Ручне розміщення — коли оператор візуально розміщує контури деталей на листі — забезпечує використання матеріалу на рівні 60–70 %. Автоматизоване програмне забезпечення для розміщення, що застосовує алгоритмічну оптимізацію, аналізує тисячі варіантів розміщення за кілька секунд і досягає рівня використання матеріалу 75–85 %. Різниця в 15 процентних пунктів у цеху, що переробляє 200 тонн сталі щомісяця за ціною 800 $/тону, становить приблизно 24 000 $ щомісячної економії на матеріалах.
Оптимізація враховує обмеження щодо орієнтації деталей, вимоги до напрямку зерна, можливості різання за спільною лінією та тепловий менеджмент. Деталі з довгими прямими краями вигідно різати за спільною лінією, коли суміжні деталі мають спільну лінію різання, що скорочує загальну довжину різання й усуває матеріал «скелета» між деталями.
Управління «скелетом»
Залишковий лист після видалення деталей — «скелет» — представляє втрати матеріалу, які жодна оптимізація розміщення не може повністю усунути. Вага «скелета» становить 15–25 % від початкової ваги листа у добре оптимізованих компоновках. Виробники відшкодовують вартість «скелета» шляхом вторинної переробки металевого брухту, однак різниця між закупівельною та продажною ціною — реалізація брухту за 40–60 % від початкової вартості матеріалу — означає, що кожен відсотковий пункт покращення коефіцієнта використання матеріалу безпосередньо впливає на маржу витрат на матеріал.
Конструювання деталей з метою підвищення ефективності розміщення — уникнення зайвих виступів, стандартизація орієнтації деталей, групування деталей однакової товщини — забезпечує покращення, яких неможливо досягти за допомогою будь-якої програмної постобробки. Аналіз конструкції з точки зору технологічності виготовлення перед розміщенням є найефективнішою дією щодо підвищення ефективності використання матеріалу.
Поширені запитання
Наскільки швидше вирізання волоконним лазером порівняно з плазмою на тонких металевих заготовках?
Волоконний лазер вирізає низьковуглецеву сталь товщиною 1–3 мм у 3–5 разів швидше, ніж плазма, із значно кращою якістю зрізу. На матеріалі товщиною 6–12 мм перевага у швидкості зменшується до 1,5–2 разів. На матеріалі товщиною понад 20 мм швидкість плазмового різання часто перевищує швидкість волоконного лазера через більшу ефективність передачі енергії плазмового дугового розряду на товстих перерізах.
Що визначає максимальну швидкість різання на волоконному лазерному верстаті?
Потужність лазера є основним фактором — швидкість приблизно лінійно зростає з потужністю до межі теплопровідності матеріалу. Тип та тиск допоміжного газу впливають на швидкість видалення розплаву. Стан поверхні матеріалу впливає на поглинання лазерного променя. Лазерні різальні верстати Rayman CNC оснащені бібліотеками параметрів, які оптимізують швидкість різання для поширених типів матеріалів.
Як використання матеріалу впливає на загальну вартість різання?
Вартість матеріалу становить 60–75 % від загальної вартості деталі в типовому виробництві листового металу — решту складають витрати на робочу силу, амортизація обладнання та витратні матеріали. Підвищення коефіцієнта використання матеріалу на 10 % зменшує його споживання приблизно на 13 % порівняно з попереднім базовим рівнем, тому оптимізація розміщення деталей на листі є найефективнішим за показником ROI засобом підвищення ефективності.
Які витрати на витратні матеріали для різання металів волоконним лазером?
Допоміжний газ (кисень/азот) є найбільш витратним споживаним матеріалом — його витрата становить 3–8 одиниць на годину залежно від товщини матеріалу та типу газу. Захисні лінзи коштують 20–50 одиниць і потребують заміни кожні 200–500 годин роботи. Сопла (вартість 10–30 одиниць) служать 500–1 000 годин. Середня вартість усіх споживаних матеріалів становить 5–12 одиниць на годину роботи.
Як складність деталі впливає на ефективність лазерного різання?
Кожне додаткове пробивання додає час, протягом якого різання не відбувається. Для складних деталей з багатьма внутрішніми елементами (отворами, пазами) час пробивання зростає пропорційно більше, ніж для простих деталей, що ріжуться лише по контуру. Розміщення складних деталей разом із простішими на одному листі дозволяє збалансувати співвідношення «час пробивання до часу різання» протягом усього виробничого циклу.
Яка точка окупності модернізації потужності лазера?
Підвищення потужності лазера з 3 кВт до 6 кВт зазвичай подвоює швидкість різання для матеріалів товщиною понад 8 мм. Для виробників, які обробляють понад 30 % матеріалів товщиною понад 6 мм щонайменше 2 000 годин на рік, підвищення продуктивності зазвичай забезпечує окупність витрат на підвищення потужності протягом 18–24 місяців.