Технологические лазеры вчера, сегодня и завтра

СТАТЬЯ ИЗ РУБРИКИ: «ЛАЗЕРЫ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ»

Many years’ work experience of Sfera-Tehno ltd. confirms the fact that minimizing initial inlay for equipment purchasing often leads to a long-term failure of business projects. The company TRUMPF, represented in Ukraine by Sfera-Tehno, is an example of a wise investment which will pay back manyfold. TRUMPF offers reliable industrial laser light sources which broaden the range of laser application. The article explains the effect various factors have on the efficiency of sheet metal machining and offers simple algorithms for estimation of this efficiency depending on material, thickness, production volumes and other factors. Sfera-Tehno experts are always there to provide professional consultations on all the aspects of sheet-machining equipment purchase and operation.

Ни для кого не секрет, что качество продукции, получаемой из дешевых материалов с помощью недорогих технологий и станков, управляемых низкооплачиваемым персоналом, как правило, невысокое. Но при этом ее себестоимость относительно высока, а ее сбыт не позволяет накопить средства для более совершенной техники и квалифицированных специалистов. Разорвать эту порочную цепь чрезвычайно сложно, но можно. Ярким примером тому в области обработки листового металла излучением лазера являются высокоэффективные технологии концерна TRUMPF

Цель определяет средства — простая, понятная и универсальная истина, не требующая доказательств. Этот принцип применим и при решении задач оптимизации современного производства, продукция которого должна быть востребованной, конкурентоспособной, эффективной, а само производство — прибыльным и безопасным.

Существует множество положительных примеров, в том числе — в Украине, когда в короткое время создаются современные предприятия, выпускающие высококачественную продукцию с высокой нормой прибыли. Как правило, успех предопределяет верный выбор цели и соответствующих инструментов для ее достижения. Когда же на пути выбора средств доминируют приоритеты, возникающие из-за субъективных причин, задача поиска оптимального решения становится неразрешимой. Таким субъективным фактором часто становится стремление ограничить бюджет проекта и выбрать решение с минимальной стоимостью.

В условиях развитого рынка предприятия, у которых менеджмент выбирает технологии и технику по принципу: «Любой ценой — использовать самое дешевое!», быстро исчезают или остаются в разряде кустарных производств, потому, что недорогое оборудование обычно оказывается неэффективным. Оно потому-то и недорого, что за него никто высокую цену не платит. Качество получаемой из дешевых материалов и с помощью дешевых станков и технологий, как правило, невысокое, себестоимость продукции при низком качестве обычно высока, как следствие — объемы выпуска и реализации — незначительны. Возникает порочный круг, из которого выбраться чрезвычайно сложно: низкооплачиваемый персонал, использующий дешевое оборудование, производит некачественную и относительно дорогую продукцию, сбыт которой не позволяет накопить средства для приобретения более совершенной техники, повышения квалификации специалистов и соответствующей оплаты их труда, и круг замыкается. Разорвать эту порочную цепь привлечением заемных средств в Украине чрезвычайно сложно, поэтому важно не сделать ошибку в самом начале пути.

К великому сожалению, подобную, заведомо проигрышную для предприятий государственного сектора методологию, поощряет и Украинское тендерное законодательство, устанавливающее приоритеты и правила, которые усложняют сотрудничество с ведущими производителями металлообрабатывающего оборудования, ибо на рынке присутствует огромное количество продуктов, в лучшем случае, являющихся плохими копиями серьезной техники и которые только по формальным признакам и описываемым в рекламных проспектах параметрам «находятся на уровне». Критерий приоритетности минимизации стоимости закупаемого объекта вынуждает выбирать именно такое оборудование. Более того, специально для потребителей из стран со сложным многоуровневым контролем и отсутствием свободной конкуренции сформировалась и прижилась особая методология достижения победы в заформализованных тендерах, при которой продавец низкокачественной продукции получает возможность поднять цену своего товара на фоне предложений ведущих производителей, не имеющих шанса на победу. Кроме того, особенности условий Украины позволяют ограничиться формальным выполнением тендерных условий, которые не дают гарантии эффективного решения задачи и полностью оградить себя от неприятностей и потерь.

Однако обсуждение этой темы выходит за рамки данной статьи.

Более чем двадцатилетний опыт работы специалистов ООО «СФЕРА-ТЕХНО» в области создания производств, обрабатывающих листовые материалы, подтверждает факт, что вульгарный подход к выбору решений с минимальными первичными затратами обычно предопределяет неуспех проектов в длительной перспективе. Анализ бизнес-плана одного из предприятий Украины показал, что выбор эффективной системы, стоящей в 5 раз больше, чем отечественный аналог, позволил бы заказчику выпускать продукцию при равных объемах и несравнимо более высоком качестве на 30% дешевле, чем с использованием недорогого комплекса. К тому же эффективный станок обеспечивает возможность выпускать в 3–5 раз больше продукции за то же время.

К сожалению, задача выбора сложного технологического оборудования чрезвычайно усложняется агрессивной недобросовестной рекламой в условиях ограниченного доступа предпринимателей к объективной информации и при фактическом отсутствии ответственности за предоставление заведомо ложной технической информации.

В данной статье мы постараемся проанализировать влияние различных факторов на эффективность обработки листового металла излучением лазера с использованием данных, предоставленных крупнейшим мировым создателем оборудования и технологий раскроя, гибки и сварки листа — компанией TRUMPF, продукция которой успешно внедряется на предприятиях Германии, США, Японии, Китая, России, Украины и других стран мира. TRUMPF — крупнейший в мире производитель технологических лазеров и единственный в мире производитель, выпускающий на своих предприятиях технологические лазеры всех известных видов.

Лазерная технология развивается с момента создания первого лазера. Луч лазера применяется для раскроя, размерной обработки, сварки, маркировки, термообработки, наплавки. В технологических целях применяются лазеры с мощностью от единиц Ватт до десятков киловатт, работающие в импульсном и непрерывном режимах, генерирующие излучение в диапазоне от ультрафиолета до дальней инфракрасной области.

В промышленности наиболее широко применяются лазеры следующих типов:

Газовые лазеры

CO2-лазеры с быстрой прокачкой

Излучение генерируется при помощи возбуждения разряда в объеме смеси газов — гелия, азота и углекислоты, расположенного в полости резонатора — системы зеркал. Для генерации используют накачку постоянным током или токами высокой частоты. В последнем случае обеспечивается максимальный ресурс работы оптических элементов резонатора, минимизируется расход смеси «лазерных газов», связанные с которыми затраты составляют всего около 0,5 евро в час. Качественные характеристики излучения легко оптимизируются для обработки преимущественно тонких заготовок или листов в широком диапазоне толщин.

Для охлаждения газовой смеси применяется турбина, осуществляющая принудительную ее циркуляцию со скоростью около 1 км/с. Этот принцип охлаждения и определяет название типа лазера «с быстрой прокачкой».

Эффективные современные лазеры с быстрой прокачкой имеют турбины с ротором на магнитной подвеске, которые не требуют обслуживания и работают неограниченно долго.

Стоимость обслуживания газовых лазеров с высокочастотной накачкой невысока и мало зависит от времени эксплуатации. Лазеры с высокочастотной накачкой и быстрой прокачкой имеют простую конструкцию, небольшое количество зеркал, легко ремонтируются в условиях заказчика.

TRUMPFсерийно выпускает газовые лазеры с быстрой прокачкой, имеющие мощность до 20 кВт.

CO2-лазеры с диффузионным охлаждением

Данные лазеры отличаются простотой конструкции и невысокой стоимостью, поскольку для охлаждения смеси не требуют турбины и не содержат мощного вакуумного насоса. Как правило, имеют всего два зеркала. Охлаждение газовой смеси осуществляется за счет прямой теплопередачи водоохлаждаемым электродам газоразрядной камеры. Накачка — только высокочастотная, поскольку только при такой накачке можно избежать коррозии электродов и соответствующего загрязнения смеси газов. Расход смеси лазерных газов не превышает 1 литра в год.

Качественные характеристики излучения всегда оптимальны для обработки преимущественно тонких заготовок (одномодовое излучение).

КПД — чуть ниже, чем у лазеров с быстрой прокачкой.

Стоимость обслуживания газового лазера с высокочастотной накачкой и диффузионным охлаждением (например, лазера TruCoaxTRUMPF) в первые лет пять не превышает 500–600 евро в год.

Лазеры с диффузионным охлаждением требуют обслуживания, проводимого, как правило, в условиях специализированных сервисных центров, через каждые 30–40 тысяч часов работы.

TRUMPFсерийно выпускает газовые лазеры с диффузионным охлаждением с мощностью до 3,2 кВт.

Общие особенности применения излучения газовых лазеров

КПД лазера составляет около 10%, поэтому система с мощностью лазера 3 кВт в среднем потребляет около 40–50 кВт, из которых 10–20 кВт потребляют система ЧПУ, силовая электроника и вспомогательные системы.

Поскольку не существует прозрачных для излучения с длиной волны 10,6 мкм эластичных сред, излучение от лазера к режущей головке доставляется системой из 3–6 зеркал, которые имеют невысокую стоимость и не требуют замены или регулировки на протяжении нескольких лет. Применение зеркал с изменяемой геометрией позволяет легко управлять такими параметрами лазерного пучка, как диаметр пятна фокусирования, угол расходимости и длина перетяжки (область вблизи фокальной точки с условно цилиндрической формой), что обеспечивает оптимальные условия резки как тонкого листа, так и очень толстых заготовок.

Излучение легко проникает в пространство реза на глубину нескольких миллиметров, что, с учетом окислительного и/или кинетического воздействия струи технологического газа, позволяет эффективно и качественно резать заготовки толщиной от 1 до 20–50 мм.

Потребление режущих газов при соответствующей оптимизации параметров лазерного пучка существенно снижается, что позволяет достичь максимальной производительности при минимальной себестоимости резки заготовок из сплавов на основе железа.

Излучение с длиной волны 10,6 мкм интенсивно отражается поверхностью заготовок из сплавов алюминия и меди. Поэтому лазерный пучок газовых лазеров не очень эффективен при обработке таких материалов.

Излучение газовых лазеров полностью поглощается прозрачными для видимого света экранами из обычного или органического стекла, а также всеми известными полимерами. Кроме того, роговица человеческого глаза совершенно не прозрачна для излучения с длиной волны 10,6 мкм, что исключает повреждение склеры и глазного дна даже при значительной и продолжительной экспозиции. При попадании рассеянного лазерного излучения с длиной волны 10,6 мкм, вызывающего тепловое воздействие, глаз рефлекторно защищается веком. Поэтому системы с газовыми лазерами относительно безопасны в применении.

Твердотельные лазеры

Волоконные

Излучение генерируется благодаря возбуждению атомов активных примесей стеклянной основы основного компонента волоконного лазера, который для эффективного охлаждения выполнен в виде тонкого волокна и именуется активным элементом. Генерация лазерного излучения становится возможной при помещении возбуждаемой активной среды между зеркалами резонатора, роль которых выполняют области того же волокна с измененными свойствами. Возбуждение атомов активных примесей (накачку) осуществляют путем облучения активного элемента излучением мощных светодиодов, которое, в свою очередь, направляется к активному элементу от каждого диода при помощи компактного фокусирующего юстировочного узла и припаянного волокна.

Один модуль волоконного лазера, включающий активную среду и узел накачки, как правило, генерирует излучение с длиной волны около 1 мкм и мощностью до 1 кВт. При необходимости излучение от нескольких лазерных модулей может суммироваться дополнительным оптическим устройством — сумматором, от которого общий пучок направляется транспортным волокном к технологическому модулю. Излучение после сумматора, как правило, имеет не совсем идеальное распределение интенсивности.

Поскольку площадь поперечного сечения активного элемента волоконного лазера чрезвычайно мала, плотность мощности потока световой энергии в нем огромна, что вызывает старение материала. Также со временем уменьшается и светоотдача диодов накачки. Поэтому современные волоконные лазеры оснащаются системами стабилизации мощности. Волоконные лазеры, производимые TRUMPF, комплектуются устройствами измерения мощности в месте подключения к технологическому модулю и соответствующими устройствами автоматического регулирования мощности накачки. При значительном падении мощности из-за износа оптической системы волоконного лазера выдается сообщение о необходимости ремонта.

К сожалению, волоконные лазеры весьма чувствительны к воздействию отраженного излучения, которое может возникать как в месте нарушения юстировки системы транспортирования излучения, так и быть результатом отражения части энергии излучения от поверхности обрабатываемого изделия. Поэтому современные волоконные лазеры оснащаются системой защиты от разрушения активного волокна вследствие воздействия отраженной энергии.

Анализу причин разрушения активного волокна волоконного лазера посвящена, например, работа: «DamageMechanismsinComponentsforFibreLasersandAmplifiers», A. Carter, B. Samson, K. Tankala, D. P. Machewirth, V. Khitrov, U. H. Manyam, F. Gonthier, F. SeguinProc. of SPIE Vol. 5647.

Ремонт волоконных лазеров требует специального оборудования и условий, поэтому, как правило, волоконные лазеры ремонтируются только в условиях завода-изготовителя или специальных сервисных центров.

Стоимость эксплуатации волоконных лазеров на протяжении первых 2–5 тысяч часов определяется, главным образом, стоимостью электроэнергии и затратами, связанными с обслуживанием системы охлаждения. Из-за дороговизны оптических модулей и сложности ремонта стоимость эксплуатации волоконных лазеров за длительное время в среднем такая же, как и у газовых лазеров с быстрой прокачкой.

Дисковые

Излучение дисковых лазеров создается за счет возбуждения атомов активной примеси среды, в качестве которой обычно используется гранат, активируемый ионами иттербия или неодима. Активный элемент диодных лазеров, выпускаемых TRUMPF, выполнен в виде диска толщиной менее 0,3 мм, который для реализации охлаждения наклеен непосредственно на водоохлаждаемое зеркало. Малая толщина диска и высокая теплопроводность граната обусловливают чрезвычайно высокую температурную стабильность режимов дисковых лазеров.

Диаметр диска составляет 6–16 мм, поэтому плотность мощности излучения в материале диска весьма невысока. Кроме того, оптическая прочность граната на несколько порядков выше прочности оптического стекла, из которого изготавливают волокно волоконных лазеров. Поэтому, в отличие от них, оптические компоненты дисковых не чувствительны к воздействию отраженного излучения и ресурс их активных элементов практически не ограничен.

Возбуждение (накачку) осуществляют мощные светодиоды, излучение которых направляется на диск при помощи параболического зеркала.

Диоды накачки устанавливаются в кассете при помощи обычных разъемов.

Система plug-and-playконтролирует режим работы каждого диода. Система контроля мощности стабилизирует режим работы лазера, для чего при падении светоотдачи диодов автоматически увеличивается ток, протекающий через диоды. При значительном износе или выходе из строя диодов нагрузка перераспределяется на ра­бо­тоспособные диоды, о чем оператор получает уведомление. Система управления лазером TruDiskTRUMPFобеспечивает стабильную работу при выходе из строя одного или двух диодов накачки.

Конструкция блока накачки лазеров TRUMPFтакова, что любой из диодов может быть извлечен и установлен оператором непосредственно во время работы лазера.

Один современный блок дискового лазера TruDiskTRUMPFгенерирует пучок с оптимальными для резки тонкого листа свойствами (TEM00) с мощностью до 4 кВт.

Наращивание мощности достигается последовательной установкой дисковых модулей.

В настоящее время TRUMPFсерийно выпускает промышленные технологические дисковые лазеры с мощностью одного устройства в непрерывном режиме до 16 кВт.

При необходимости мощность нескольких дисковых лазеров может суммироваться оптическим устройством, аналогичным применяемым для волоконных лазеров, однако при этом качество излучения неизбежно снижается, поскольку полностью совместить пучки невозможно. Такая задача возникает, например, при необходимости выполнения лазерной сварки листов толщиной до 20–30 мм, для чего требуется излучение мощностью более 30 кВт.

Излучение доставляется от дискового лазера к технологическому модулю с помощью обычного оптического волокна.

Длина волны излучения дисковых лазеров близка 1 мкм.

Стоимость эксплуатации дисковых лазеров TRUMPFвключает затраты на обслуживание системы охлаждения и системы очистки воздуха. При эксплуатации более 15–20 тысяч часов затраты, связанные с использованием дисковых лазеров, примерно равны затратам при эксплуатации волоконных и газовых лазеров.

Диодные

Диодные лазеры преобразуют электрическую энергию в энергию лазерного излучения непосредственно в объеме p‑nперехода. По сути, диодный лазер — это мощный светодиод, изготовленный из особых материалов и оснащенный резонатором. Увеличение выходной мощности осуществляется суммированием пучков от нескольких лазерных диодов.

Длина волны диодных лазеров находится в пределах 0,9–1,1 мкм, что определяет высокую эффективность поглощения такого излучения металлической поверхностью.

TRUMPFсерийно выпускает диодные лазеры TruDiodeс мощностью до 6 кВт, оснащенные системой автоматического управления мощностью, системой plug-and-playсборки модулей, узлом коммутации и другими необходимыми для интеграции в промышленные комплексы элементами.

К сожалению, качественные характеристики излучения диодных лазеров отличаются от показателей волоконных или дисковых, что обусловливает преимущественное применение диодных лазеров только для сварки, наплавки, термообработки.

Стержневые

Твердотельные лазеры, у которых активный элемент имеет форму стержня, обладают особенностями применения, связанными с ограниченностью теплопроводности самой активной среды, а также зависимостью ее коэффициента преломления от температуры. При работе такого лазера температура по сечению стержня меняется неравномерно, и ее распределение зависит от продолжительности и мощности работы, вызывая труднопредсказуемое искажение волнового фронта лазерного пучка. Поэтому твердотельные лазеры, у которых активный элемент выполнен в виде стержня, используются практически исключительно либо при работе с малым уровнем мощности, не превышающем 200–500 Вт, либо в импульсном режиме.

При работе в импульсном режиме каждый следующий импульс генерируется только после того, как температура в сечениях стержня выравнивается.

TRUMPFвыпускает лазеры данного типа с названием TruPulse, и они нашли широкое применение при прецизионной размерной обработке, скрайбировании, микросварке и пайке, резке тонких пленок и решении других деликатных задач.

Особенности промышленного применения твердотельных лазеров

КПД дисковых и волоконных лазеров достигает 24–30%. КПД диодных лазеров еще выше, поскольку в диодном лазере происходит прямое преобразование энергии.

Система с волоконным или дисковым лазером с мощностью излучения 3 кВт потребляет около 25–30 кВт, из которых больше половины уходит на питание системы ЧПУ, силовой электроники и вспомогательных устройств.

Длина излучения твердотельных лазеров, как правило, близка к 1 мкм. Такое излучение эффективно поглощается поверхностью металлических заготовок. Эта особенность определяет оптимальные условия применения излучения твердотельных лазеров для обработки листов с толщиной от нескольких десятков микрометров до 1–3 мм. При больших толщинах перемещение энергии излучения вглубь материала требует интенсивного кинетического воздействия струи технологического газа, что существенно повышает стоимость такого процесса.

Обычное оптическое стекло прозрачно для излучения с длиной около 1 мкм, что позволяет транспортировать лазерный пучок по тонкому стеклянному волокну на большие расстояния почти без потерь. Технологические системы с твердотельными лазерами, как правило, имеют волоконные системы транспортирования излучения от лазера к технологическому модулю.

К сожалению, малая длина волны излучения твердотельных лазеров делает очень критичным состояние поверхности обрабатываемой заготовки. Также весьма важной при эксплуатации систем с твердотельными лазерами является тщательность ухода за оптическими элементами режущей головки, поскольку при длине волны около 1 мкм любые непрозрачные объекты с размерами от 3–5 мкм, находящиеся на поверхности линз и защитных стекол, интенсивно нагреваются и вызывают соответствующие повреждения.

Главные преимущества таких систем:

  • высокая производительность при обработке тонколистовых металлических заготовок;
  • способность эффективно обрабатывать заготовки из сплавов на основе алюминия и меди;
  • возможность доставлять излучение от одного лазера к нескольким технологическим комплексам;
  • возможность размещать лазер в более благоприятных условиях, чем условия в цеху предприятия;
  • возможность создания лазерных сетей, к которым с помощью управляемых коммутаторов подключаются несколько лазеров и несколько технологических модулей;
  • экономичность.

Излучение с длиной волны примерно от 0,4 до 2,5 мкм практически беспрепятственно проникает в глаз человека сквозь роговицу. Поскольку рецепторы глаза нечувствительны к инфракрасному излучению с длиной волны более 0,84 мкм и защитные функции зрачка и века при облучении невидимым излучением не используются, излучение твердотельных лазеров легко может повредить сетчатку глаза, не вызывая у человека никаких ощущений. К сожалению, такие повреждения аккумулируются, вызывая необратимые разрушения глазного дна.

В настоящее время не существует эффективных средств индивидуальной защиты от излучения мощных твердотельных лазеров.

Важным фактором опасности твердотельных лазерных систем является использование волоконных систем транспортирования излучения. При изгибе волокна с радиусом меньше предельного перестают выполняться условия полного внутреннего отражения, и лазерный пучок мгновенно прожигает оболочку.

Таким образом, излучение твердотельных лазеров чрезвычайно опасно. По этой причине все современные системы, оснащенные технологическими твердотельными лазерами, в обязательном порядке поставляются с герметичной кабиной. Наблюдение за процессом допускается только сквозь специальный светофильтр либо с помощью видеокамеры.

Бурное развитие технологий, совершенствование конструкции и быстрое снижение стоимости твердотельных лазеров определило их широкое внедрение в промышленности, однако особенности взаимодействия излучения с длиной волны 1,03–1,07 мкм с металлами и биологическими объектами определяет ограничение области их преимущественного применения — для высокоскоростной резки и сварки заготовок в диапазоне толщин от 10–20 мкм до 3–5 мм. При этом существуют два простых принципа, которые следует учитывать при выборе твердотельных лазеров:

1. При использовании излучения с длиной волны около 1 мкм производительность сварки и резки пропорциональна мощности излучения. То есть, скорость резки пучком твердотельного лазера с мощностью 3 кВт в три раза выше, чем при использовании лазера 1 кВт. Поэтому мощность лазера должна соответствовать планируемым объемам раскроя и номенклатуре обрабатываемых материалов.

2. Чем выше мощность твердотельного лазера, тем меньше режущего газа расходуется на метр реза, и экономия при покупке маломощного дискового или волоконного лазера может обернуться еще большими потерями, связанными с большим расходом режущего газа. Для минимизации себестоимости резки стального листа толщиной до 5 мм желательно следовать принципу — 1 кВт мощности на 1 мм толщины листа. То есть, при резке листа углеродистой или нержавеющей стали толщиной 1 мм необходим лазерный пучок с мощностью не менее 1 кВт. При толщине 3 мм — 2–3 кВт соответственно.

Зависимость скорости лазерной резки и расхода режущего газа от толщины заготовки для случаев использования газового лазера с мощностью 5 кВт и твердотельного лазера с мощностью 3 кВт показана на диаграмме 1.

Скорость резки листа толщиной до 3 мм излучением твердотельного лазера с мощностью 3 кВт примерно на 30% выше, чем при использовании излучения газового лазера, имеющего мощность 5 кВт и работающего в режиме высокоскоростной резки. При толщине листа более 4 мм существенно производительнее система с газовым лазером. Кроме того, при резке листа толще 2–4 мм излучением твердотельного лазера перерасход режущего газа в сравнении с резкой излучением газового лазера достигает 30–100%.

Для сравнения выбраны системы с именно такими уровнями мощности лазерного излучения, поскольку комплексы с газовым лазером с мощностью 5 кВт имеет такую же стоимость, как и система с твердотельным лазером с мощностью 3 кВт.

Приведенные данные получены путем анализа технологических таблиц реальных промышленных систем лазерной резки. На графике видно, что при обработке заготовок из нержавеющей стали толще 5–6 мм расход газообразного азота на метр реза возрастает до значений, делающих применение обычных систем с твердотельными лазерами чрезвычайно дорогостоящим процессом, и если нержавеющая листовая сталь толщиной более 5–6 мм преобладает в номенклатуре обрабатываемых материалов, целесообразно рассмотреть использование не твердотельного, а газового лазера или системы гидроабразивной резки.

В условиях предприятий Украины важно также учитывать состояние поверхности доступных заготовок из листовой стали. При наличии слоя ржавчины и окалины на поверхности листа применение излучения твердотельного лазера может стать весьма проблематичным, и в таких случаях следует отдать предпочтение установке с газовым лазером.

Компания TRUMPF выпускает надежные промышленные устройства для управления параметрами пучка, применение которых расширяет диапазон эффективного использования волоконных и дисковых лазеров для целей раскроя заготовок с толщиной свыше 5 мм. Так, например, система TruLaser 5030 fiber, оснащенная дисковым лазером TruDisk TRUMPF мощностью 8 кВт, способна эффективно кроить листовую нержаве­ющую сталь толщиной до 30 мм включительно, однако эффективность такой обработки остается ниже, чем эффективность раскроя излучением газовых лазеров с длиной волны 10,6 мкм.

Разработаны простые алгоритмы оценки эффективности применения оборудования для лазерной резки в зависимости от номенклатуры обрабатываемых материалов, спектра толщин заготовок, объемов производства, режимов работы предприятия и других факторов. Специалисты ООО «СФЕРА-ТЕХНО» оказывают профессиональную консультативную помощь заказчикам, реализующим проекты с любым разумным бюджетом и помогают выбирать наиболее подходящее оборудование для лазерной обработки и его опциональный состав.

Затраты, связанные с выполнением лазерного раскроя, составляют всего 20–30% стоимости среднестатистической детали из листового металла. Эти затраты состоят из следующего:

Приведенная амортизация оборудования

Определяется стоимостью выбранного комплекса и его реальной производительностью, которая зависит не только от значения достижимой максимальной скорости резки.

При обработке тонких заготовок с толщиной от 0,5 до 2–3 мм достигаются скорости раскроя, превышающие 30–50 м/мин., и холостые переходы занимают значительное время. Поэтому наиболее важным показателем реальной производительности резки тонкого листа является динамика обработки, определяемая быстродействием системы управления и возможностью приводов перемещать режущую головку в пространстве с заданной скоростью и ускорениями, достигающими 40 м/с 2. Кроме того, при обработке заготовок с толщиной до 1–1,5 мм крайне важным становится оптимизация исполнения подготовительно-заключительных операций.

Например, при изготовлении деталей металлической мебели или торгового оборудования в пределах контура заготовки с размерами 1,5 × 3 м может разместиться 1–3 детали с суммарным периметром реза 15–20 метров. При использовании твердотельного лазера и соответствующей скорости резки 45 м/мин. вся обработка листа занимает менее 20–30 секунд. В таком случае совершенно оправданным становится применение системы автоматической загрузки/разгрузки TRUMPFс челночным столом с продолжительностью цикла перезагрузки не более 18 секунд, а использование даже очень недорогой системы без челночного стола или имеющей медленно функционирующий челночный стол, ставит пользователя в заведомо проигрышное положение в сравнении с конкурентом, эксплуатирующим более эффективный комплекс.

Приведенная стоимость необходимых комплектующих и деталей, а также материалов

Определяется стоимостью ЗИП и расходных материалов. Стоимость лазерных газов для мощных газовых лазеров не превышает 0,5–1 евро в час.

Средняя за срок амортизации стоимость расходных элементов систем с твердотельными и газовыми лазерами примерно одинакова и составляет 2–4 евро в час.

Стоимость технологических (режущих) газов

Зависит от материалов и параметров заготовок, а также типа и мощности лазера. При обработке заготовок из нержавеющей стали и алюминия толще 5–8 мм данная статья затрат становится основной.

При использовании твердотельных лазеров потребность в режущих газах и требования к их качеству существенно выше, чем в случае эксплуатации комплекса с газовым лазером.

Затраты, связанные с созданием инфраструктуры (фундамент, отопление, освещение и т. д.)

Уровень данных затрат мало зависит от типа лазера и технологической системы.

Электроэнергия

Системы с твердотельными лазерами потребляют примерно в 2 раза меньше электроэнергии, чем системы с газовыми лазерами такой же мощности. Однако в общей структуре затрат при лазерной резке стоимость электроэнергии не превышает 0,2–0,5%, и переход от использования газового лазера к применению дискового или волоконного с мотивацией достижения экономии электроэнергии совершенно лишен смысла.

Иные энергоносители (сжатый воздух)

Собственно технологический модуль любой системы лазерной резки потребляет очищенный сжатый воздух для защиты системы транспортирования излучения и/или приводов системы. Также очищенный сжатый воздух может использоваться в качестве технологического газа при раскрое тонких листов.

Общие затраты, связанные с очисткой и осушением сжатого воздуха для системы лазерной резки, могут достигать 0,5–1 евро в час.

Накладные расходы

Определяются общей организацией участка на предприятии.

Остальные 70–80% в структуре цены детали — стоимость металлической заготовки. Поэтому для достижения максимальной эффективности производства изделий из листа первостепенную важность имеет именно совершенство алгоритмов оптимизации планов обработки и проектирования самих изделий.

Теме использования средств оптимизации планов обработки и конструкций будет посвящена отдельная публикация.

При выполнении раскроя различных материалов системы управления современных установок назначают режим обработки автоматически для каждого фрагмента индивидуально с учетом особенностей условий теплоотвода. Благодаря этому исключаются субъективные ошибки и обеспечивается одинаково высокое качество обработки всего изделия вне зависимости от геометрии отдельных фрагментов. При резке тонколистовой углеродистой стали с использованием кислорода в качестве технологического газа оптимальный уровень мощности ориентировочно составляет:

  • при толщине листа 1 мм — 1100 Вт;
  • при толщине листа 2 мм — 1200 Вт;
  • при толщине листа 3 мм — 2000 Вт;
  • при толщине листа 5 мм — 3800 Вт;
  • при толщине листа 10 мм и более — не менее 5000 Вт.

В местах с ограниченным теплоотводом (например, при вырезании мелких фрагментов, отверстий с размерами менее толщины листа, острых вершин углов, различных перемычек) используется импульсный режим работы лазера с регулируемой скважностью и частотой следования импульсов.

То есть, даже если система лазерной резки содержит многокиловаттный газовый лазер, при раскрое тонкого листа он все равно работает в режиме с небольшой выходной мощностью в диапазоне от 1 до 2 кВт. Точность выбора параметров обработки определяет ее качество и эффективность. В цену современных установок лазерного раскроя включена стоимость системы технологического обеспечения, технологические таблицы режимов врезки, выхода на контур фрагмента, выполнения резки по траектории с различным радиу­сом и т. д. При недостаточной мощности излучения резка выполняется медленно и с перерасходом режущего газа. При превышении мощности существенно снижается качество обработки. Поэтому выбор лазера как с недостаточной, так и с избыточной мощностью приводит к потере эффективности процесса раскроя.

Соотношение значимости различных основных статей эксплуатационных затрат при выполнении раскроя углеродистой и нержавеющей листовой стали с использованием систем лазерной резки с газовым лазером TruFlow 5000 и твердотельным лазером TruDisk 3001 TRUMPF, имеющих одинаковую стоимость и работающих при оптимальном для конкретной задачи уровнем мощности, проиллюстрировано приведенными диаграммами: (см. PDF)

Данные получены при использвании газового лазера мощностью 5 кВт и твердотельного лазера мощностью 3 кВт. Специфика процесса взаимодействия излучения с длиной волны около 1 мкм, генерируемого дисковыми, волоконными и диодными лазерами, определяет практически линейную зависимость производительности резки от мощности лазера. В то же время стоимость лазерных технологических комплексов от мощности используемого лазера зависит в меньшей степени.

Недостаточный уровень мощности твердотельного лазера определяет низкую производительность резки и необходимость компенсации недостатка мощности интенсивным кинетическим воздействием струи технологического газа.

Приведенные выше данные показывают, что при решении различных задач раскроя его эффективность определяют различные факторы: производительность, стоимость технологических газов и обслуживания оборудования. Энергопотребление, на котором часто ошибочно делается акцент, является далеко не самым значимым фактором, особенно при резке листовой нержавеющей стали и алюминия.

Твердотельные лазеры не стали альтернативой газовым лазерам, а, скорее, дополнили их на рынке средств лазерной резки и сварки.

При выборе типа системы лазерной обработки нужно учитывать, прежде всего, требуемую производительность и спектр обрабатываемых материалов по типу и толщине заготовок.

В любом случае целесообразно решать задачи комплексно и с учетом перспектив дальнейшего развития. Эксперты ООО «СФЕРА-ТЕХНО» окажут Вам необходимую информационную поддержку.

Рекламодатели

Партнёры

Новостная рассылка

Будьте в курсе наших последних новостей. Оформите бесплатно персональную новостную рассылку.