SLOVAKIA: Stroje na rezanie Fiber Laserom zo Slovenska

V oblasti rezania materiálov laserom dochádza v poslednom období k postupnému vytláčaniu CO2 laserov pevnolátkovými vláknovými lasermi – fiber lasermi. Pevnolátkové vláknové lasery prinášajú do aplikačnej oblasti rezania celý rad výhod v porovnaní s CO2 lasermi, ktoré v súčasnosti v rezacej technike ešte stále dominujú.

Výhody, ktoré tieto lasery prinášajú, spočívajú až v polovičných úsporách nákladov na prevádzku a údržbu rezacieho stroja, pričom táto výhoda dominantne určuje rýchlosť nárastu a popularitu tejto technológie. Pri malých rezacích strojoch s plochou 3x1,5 m sú už dnes ceny oboch technológií porovnateľné a pri strojoch s väčšou pracovnou plochou sú už stroje s pevnolátkovým vláknovým laserom cenovo výhodnejšie ako stroje s CO2 laserom. V budúcnosti možno pritom očakávať ďalší pokles cien v prospech vláknových laserov. Dnes možno pevnolátkovým vláknovým laserom (4 kW) rezať v excelentnej kvalite konštrukčnú oceľ do hrúbky 20 mm, legovanú oceľ do hrúbky 15 mm, hliník do 10 mm, mosadz do 8 mm a meď do 6 mm. V snahe spomaliť vytláčanie CO2 laserov fiber lasermi sa bohužiaľ aj najvýznamnejší výrobcovia CO2 laserov uchyľujú ku klamlivej reklame presviedčajúc zákazníkov, že pevnolátkové vláknové lasery sú vhodné iba na rezanie tenkých materiálov do 5 mm.

PRVÝ FIBER LASER V ROKU 2010

Obr. 1 Laserový rezací stroj MSF s pracovnou plochou 12x2,5 m

Firma MicroStep, spol. s r. o. predstavila svoj prvý rezací stroj s pevnolátkovým vláknovým laserom na výstave Euroblech 2010 a odvtedy kontinuálne rozširuje a zdokonaľuje svoje výrobky v tejto oblasti. V súčasnosti dodáva na trh stroje s pracovnou plochou 3x1,5 m, 4x2 m, 6x2 m a 12x2,5, resp. 12x3 m, pričom všetky sú vybavené automatickým výmenným stolom a dopravníkom na vynášanie odpadu z rezacej zóny stroja. Všetky stroje sú vybavené vláknovým zdrojom firmy IPG v rozsahu výkonov 1 až 5 kW podľa požiadaviek zákazníka. Každý z týchto strojov môže byť dodaný s možnosťou doplnkového rezania rúr a profilov, pričom rozsah rezania rúr je až do priemeru 500 mm. Na obr. 1 je znázornený stroj typu MSF s pracovnou plochou 12x2,5 m s automatickým výmenným stolom a na obr. 2 stroj s pracovnou plochou 6x2 m rozšírený o rezanie rúr a profilov s dĺžkou 6 m v rozsahu priemerov 30 – 300 mm. Firma má rozpracovaných niekoľko alternatív prídavného rezania rúr a profilov pre rôznu kadenciu výroby v tejto oblasti.

Obr. 2 Laserový rezací stroj MSF s pracovnou plochou 6x2 m rozšírený o rezanie profilov a rúr do priemeru 300 mm

Pri určení celkovej zostavy stroja sa vychádza z toho, že kvalita rezných povrchov, ako aj maximálna rezateľná hrúbka závisia od výkonu laserového zdroja, od toho, ako aplikovaná rezacia hlava umožňuje tvarovať laserový lúč v mieste jeho interakcie s rezaným materiálom a, samozrejme, od schopnosti rezaného materiálu absorbovať energiu lúča. Pokiaľ je výkon aplikovaného zdroja voliteľný, schopnosť absorbovať energiu lúča pre daný materiál je daná vlnovou dĺžkou lúča (pre lúč s vlnovou dĺžkou 1 μm – fiber laser – je absorbcia v hliníku a medi 30 x vyššia, ako pri lúči s vlnovou dĺžkou 10,2 μm – CO2 laser). Z toho vlastne vyplýva že niektoré materiály, ktoré nemožno rezať CO2 laserom, fiber laserom rezať možno, a naopak. Ako teda vplýva optika rezacej hlavy na rezanie?

V prvom rade je potrebné deklarovať, že vzhľadom na desaťkrát kratšiu vlnovú dĺžku lúča fiber lasera možno fokusáciou získať v ohnisku rezacej hlavy menší priemer lúča (t. j. vyššiu hustotu energie), ako v prípade CO2 lasera. Z toho vyplýva, že tenké materiály možno fiber laserom rezať rýchlejšie ako CO2 laserom. Čím však režeme hrubší materiál, tým sa táto výhoda viac mení na nevýhodu, nakoľko pri rezaní vzniká veľmi tenká rezná štrbina a riziko jej zatečenia s rastúcou hrúbkou rezaného materiálu stúpa. Na rezanie hrubých materiálov je preto potrebné mať k dispozícii väčší priemer lúča v ohnisku.

Každá rezacia hlava na fiber laser pozostáva z kolimačnej časti, ktorá lúč vychádzajúci z prenosového vlákna zrovnobežní a z časti s rezacou šošovkou, ktorá lúč zaostrí. Pod rezaciu šošovku je privedený rezací plyn (pri rezaní konštrukčných ocelí je to kyslík a pri rezaní legovaných ocelí dusík).

Ak označíme:

• Fcol – ohniskovú dĺžku kolimačnej šošovky,
• Ffoc – ohniskovú dĺžku rezacej šošovky,
• Øfib – priemer optického vlákna, ktorým je privedený laserový lúč do hlavy,
• Øfoc – priemer lúča v ohnisku a
• M = Ffoc/Fcol – pomer ohniskových vzdialeností kolimačnej a rezacej šošovky,

potom pre priemer lúča v ohnisku platí vzťah: Øfoc = M x Øfib

Ako je vidieť, priemer lúča v ohnisku možno meniť zmenou pomeru ohniskových dĺžok kolimačnej a rezacej šošovky, t. j. parametra M. To je možné riešiť výmenou šošoviek (iné pre tenký, iné pre hrubý materiál). Obrovskou nevýhodou výmeny šošoviek obsluhou je však ľahké znečistenie hlavy (už okom neviditeľné znečistenie spôsobuje stratu rezných vlastností). Táto hrozba je mnohokrát výraznejšia u fiber lasera, ako to bolo u CO2 lasera. Podobne, ako v prípade CO2 lasera, okrem priemeru lúča v ohnisku a dĺžky drieku v ohnisku je významným rezným parametrom aj poloha ohniska vzhľadom na povrch materiálu. Zmena polohy ohniska pri rezaní daného materiálu sa zvykne nastavovať ručne, resp. Automaticky, z riadiaceho systému stroja prostredníctvom motora zabudovaného v rezacej hlave.

HLAVA MINIMALIZUJE ZNEČISTENIE ŠOŠOVKY

V strojoch MSF firmy MicroStep je aplikovaná hlava firmy HIGHYAG (SRN) typu BIMO FSC, ktorá hrozbu znečistenia šošovky odstraňuje, nakoľko nevyžaduje výmenu šošoviek pre korektnú činnosť v celom rozsahu rezaných hrúbok do 20 mm. Kolimátor hlavy obsahuje dve motoricky posuvné zostavy šošoviek. Pomocou jednej z nich meníme priemer lúča v ohnisku a pomocou druhej meníme polohu ohniska voči povrchu rezaného materiálu.

Obr. 3 Rezacia hlava HIGHYAG BIMO FSC na stroji MSF

Celá hlava je hermeticky uzavretá a nie je potrebné meniť šošovky pri zmene hrúbky rezaného materiálu. Rezacia šošovka je proti spätnému znečisteniu pri dierovaní chránená ochranným oknom. Udržiavanie tohto okna v čistote je jedinou úlohou obsluhy.

Ponúkané rezacie hlavy HIGHYAG umožňujú pri priemere optického vlákna 100 μm meniť priemer lúča v ohnisku Øfoc v rozsahu 160 až 420 μm. Posuv polohy ohniska je v rozsahu ± 15 mm.

Rezacia hlava HIGHYAG BIMO FSC je najsofistikovanejšou rezacou hlavou, ktorá je dnes dostupná na trhu. V hlave je zabudovaný kapacitný snímač na riadenie reznej výšky, t. j. vzdialenosti dýzy nad rezaným materiálom. Hlava môže byť vybavená aj monitorom znečistenia ochranného okna. Na obr. 4 je znázornená táto rezacia hlava inštalovaná na stroji MSF pri rezaní profilu.

Ku kvalite rezania najmä v oblasti hrubých konštrukčných ocelí významne prispieva aj systém riadenia rezacieho plynu v rezacej hlave. Na strojoch MSF sú aplikované špičkové plynové jednotky firmy Hoerbiger, vyvinuté špeciálne na riadenie plynov pre laserové rezacie stroje. Konzola je vybavená rýchlymi piezoelektrickými ventilmi umožňujúcimi extrémne rýchle prepínanie plynov v procese rezania a veľmi presným proporcionálnym ventilom riadenia tlaku plynu.

Obrovskou výhodou vláknového lasera je, že na jeho činnosť nie sú potrebné laserové plyny, ako aj jeho vyššia účinnosť. Nominálny príkon 4 kW vláknového lasera je cca 18 kW, vrátane chladiča a v prípade 4 kW CO2 lasera je to cca 57 kW. Odpadajú aj náklady na údržbu spojené so životnosťou výbojových trubíc, turbíny v chladiacom okruhu laserových plynov, vákuového čerpadla atď., ktoré pri CO2 laseri predstavujú významnú položku. Tieto zdroje sa stanú v budúcnosti dominantnými.

TEXT: ALEXANDER VARGA; PHOTO © MicroStep, spol. s r.o.