A lézervágás fejlődése 4 lépésben

A lézervágás során kulcsfontosságú a kialakított felület minősége. Az elmúlt évtizedekben végbemenő fejlődés, melyen a lézeres technológiák keresztül mentek, 4 alapvető területet érintenek: alapanyag minőség, fúvókák, folyamatvezérlés, és a sugár minősége

A fémmegmunkálás egyik húzóágazata, a lézervágás folyamatosan fejlődik. A vágási sebesség robbanásszerű gyorsulásának köszönhetően az automatizálási megoldások szerepe egyre csak nő, mivel önmagában a nagy sebességgel zajló lézervágás nem elegendő a gyártási folyamat felgyorsításához. Ha egy vágógépnek például folyamatosan le kell állnia, míg a gépkezelő behelyezi az újabb munkadarabot, vagy eltávolítja az elkészült alkatrészt, összességében nem lesz hatékonyabb a munkafolyamat.

Amada_lezervagas_1

Hasonló gondolkodásmód érvényes a felületminőségre is. Bár a felület minősége szubjektív fogalom, azt mindig az alkalmazási előírásoknak megfelelően kell kezelni. Lézeres vágógépekkel egy szempillantás alatt rengeteg alkatrész elkészíthető, azonban ha ezeket az alkatrészeket utána egy másodlagos sorjátlanító eljárásnak kell alávetni, az megint csak nagymértékben lassítja a gyártást. Éppen ezért szükséges a kiváló felületi minőség fenntartása. Korábban ehhez a gépkezelőnek módosítania kellett a program paramétereit, például a kritikus területek megmunkálási sebességét. Ez azonban még nagyobb időveszteséget jelenthet, mintha utólagosan sorjátlanítanánk az alkatrészeket.

A lézertechnológiák a 90-es évek óta hatalmas fejlődésen mentek át. Mára lehetővé vált a nagy vastagságú anyagok utólagos sorjátlanítás, vagy a paraméterek megváltoztatása nélküli megmunkálása is. Mindezt 4 alapvető terület nagymértékű fejlődésének köszönhetjük: anyag minőség, fúvóka technológia, folyamatvezérlés és sugár minőség.

Jobb minőségű alapanyagok

Az elmúlt 15 évben a nagyobb teljesítményű lézerek lehetővé tették, hogy vastagabb lemezeket is vághassunk, azonban ez gyakran a felület minőségének romlását eredményezte. Eleinte különösen nehéz volt vastag anyagokon jó minőségű vágási felületet kialakítani. Ez legfőképp a megfelelő alapanyag hiányának tudható be.

Az acélmegmunkálók számára egyértelművé vált a megfelelő alapanyagok iránti hatalmas kereslet, ezért több „lézer-minőségű” anyagot kezdtek el gyártani. Ma már a lézer-minőségű, a mart felület minőségéhez hasonló eredmény elérésére is alkalmas anyagok elérhetők 13 mm és afölötti vastagságokban is.

Fejlettebb fúvókák

A nagyobb teljesítményű lézereket alkalmazó gépekkel már vastagabb lemezeket is képesek voltak megmunkálni, amihez viszont a fúvókák fejlesztése is elengedhetetlen volt. A coaxial flow fúvókák az oxigénnel történő acélvágást tették lehetővé. Az ilyen folyamatoknál a segédgáz lassan, 0,236 – 0,944 l/s-os sebességgel áramlik. A coaxial vagy dupla fúvókák állandó finom gázáramlást tesznek lehetővé, ami pedig kiváló minőségű felülethez vezet a 10 és 30 mm közti lemezvastagságok esetében.

A fejlődés azonban nem állt meg az oxigénnel történő lézervágásnál. Sokkal népszerűbbé vált a segédgázként nitrogént alkalmazó technológia, mivel ezzel nagyobb vágási sebességet érhettek el a vékony lemezek nagyteljesítményű lézerrel történő vágása közben. Ráadásul a nitrogénes vágás oxidmentes vágási felületet eredményezett, ami azonnal hegeszthető vagy festhető volt.

A nitrogén alkalmazásának egyik hátulütője azonban, hogy rendkívül nagy áramlási sebesség szükséges a vágáshoz, így nagyobb sebesség vagy vastagabb lemez esetében ez a technológia nagyobb fúvóka átmérőt és egy nagynyomású nitrogén forrást is igényel. A fúvókák továbbfejlesztésével az optimális áramlást tették lehetővé. A fúvókában található tölcsér állítja elő a coaxial flow-t a nagynyomású vágáshoz, így garantálva a minimális turbulenciát a vágási területen.

Fejlettebb folyamatvezérlés

Ahogy a lézerek teljesítménye nőtt, és a vastagabb anyagok vágása is lehetővé vált, egyre nehezebb volt jó minőségű, szennyeződésmentes felületet kialakítani. A lézervágógépek gyártói felfigyeltek erre a problémára, megoldásként pedig olyan vezérlőket kezdtek el gyártani, melyek sokkal többre voltak képesek, mint a program futtatása: megkönnyítették és megbízhatóvá tették a vágási folyamatokat.

Amada_lezervagas_2

A nagyteljesítményű lézerekkel nitrogén segédgázt alkalmazva könnyedén és oxidmentes vágási felület képezve voltak vághatók a vékony lemezek. Bár kezdetben számos esetben szükséges volt egy másodlagos sorjátlanító eljárás alkalmazása is, mivel az éles sarkoknál a lézer lelassult. Ennek kiküszöbölésére a vágás paraméterein kellett volna változtatni, például a sebességet, teljesítményt és frekvenciát csökkenteni az ilyen sarkoknál. Ez azonban rengeteg plusz időt jelentett a programozásnál, ezért végül a vágás utáni sorjátlanítás mellett döntöttek.

A mai vezérlők mindezt automatizáltan végzik. Kiszámítják a szükséges teljesítmény, impulzus szélesség és frekvencia csökkentés mértékét a sarkokhoz való érkezés sebessége alapján, majd azt, hogy milyen mértékben gyorsuljon fel újra a folyamat a sarok után. Ezzel kiküszöbölhető a túlmelegedés és a szennyeződések képződése a sarkokon.

A lézervágógépek sem képesek a jó minőségű felület kialakítására megfelelő pircelés nélkül. A régebbi gépeknél általában fennállt a veszélye, hogy nem végezik el a pircelést a programozott idő alatt, viszont a folyamatok figyelése nélkül ezt figyelmen kívül hagyta a rendszer, és a lézervágás mindenképpen elkezdődött a beprogramozott időpontban. Emiatt gyakran készültek hibásan vágott alkatrészek. A programozók éppen ezért általában fölöslegesen hosszú pircelési időket állítottak be hogy a folyamat biztosan befejeződjön a lézervágás előtt. Ezzel azonban jelentősen növelték a ciklusidőt.

A régebbi rendszerek egy másik hátránya, hogy kizárólag az előre elkészített programokat hajtották végre, ami nem tette lehetővé, hogy a körülmények előre nem látott változásaihoz alkalmazkodni tudjon a megmunkálás.

Ez volt az a pillanat, amikor a folyamat felügyelet bevezetése megváltoztatta a lézervágást. A gépbe épített fényérzékelők segítségével a vezérlő folyamatosan megfigyelheti a vágási folyamatot. A pircelés és vágás során azonnal elvégezhetők a szükséges módosítások, így folyamatosan a kritériumoknak megfelelő alkatrészek készülhetnek. A pircelés figyelésével a vezérlő érzékeli, mikor fejeződött be a folyamat, csak az után indulhat el az alkatrész kivágása.

A folyamat felügyeletbe az égés és plazma detektálás is beletartozik. Ha az oxigénes vágás során az anyag kontrollálatlanul égni kezd a bevágásban, a kialakult felület minősége nagymértékben romolhat. Ekkor a vezérlő elvégzi a szükséges módosításokat, hogy megfelelően lehűljön a kritikus terület. Mindezt a lézer teljesítményének és sebességének ideiglenes csökkentésével teszi.

Ezzel szemben a plazma detektálást a nitrogént alkalmazó lézervágási folyamatoknál használjuk. Ha például rozsdamentes acélt munkálunk meg, a lézer megolvasztja az acélt, majd a segédgáz, jelen esetben a nitrogén eltávolítja a megolvadt fémet. Ez a folyamat oxidmentes felületet eredményez. Itt azonban kiemelten fontos odafigyelni a sebességre, az éles sarkokra és a lézer fókuszának pontosságára.

Ha valamilyen hiba történik, a nitrogén és az olvadt acél plazmát alkotnak. A plazma detektálás ezt kiszűri, és megakadályozza a munkadarab hibás megmunkálást az előtolási sebesség csökkentésével.

Új lézerek, új paraméterek

A nagyvállalatoknál milliókat fordítanak kutatás fejlesztési folyamatokra, hogy minél jobb minőségű lézer sugarat állítsanak elő. A jobb minőségű sugárral sokkal megbízhatóbban vághatunk acélt, rozsdamentes acélt vagy alumíniumot. Bár korábban ezek a fejlesztések többnyire a CO2 lézereket érintették, ma már számos gyártó foglalkozik szilárdtest lézerek, pontosabban fiber lézerek és a direkt-dióda technológia fejlesztésével is.

Amada_lezervagas_3

A CO2 lézerek hatalmas változást hoztak a fémmegmunkálásban. Bár a CO2 lézerek fejlődésének köszönhetően tart ott a lézervágási technológia, ahol ma tart, mégis a fiber lézereket tartják az ipari lézerek következő generációjának. Mindez azért lehetséges, mert fiber lézert alkalmazó gép esetében sokkal alacsonyabbak a karbantartási költségek, könnyebb a kezelése, emellett sokkal magasabb sebességekkel képes dolgozni, mint a CO2 lézerek. Éppen ezért a fiber lézer technológia az egyik leggyorsabban fejlődő ipari alkalmazás napjainkban. A fiber lézerek kiváló minőségű felületet képeznek a vékonyabb anyagoknál, azonban ahogy a vastagság nő, a minőség romlik. A sugár minőségét általában sugárparaméter-szorzatban (BPP) mérik. A hagyományos CO2 lézerek BPP értéke 8-9 mm*mrad, ami az acél, rozsdamentes acél és alumínium kiváló minőségű vágásához elegendő. Ezzel szemben a fiber lézerek általában 1-3 mm*mrad-os BPP értékekkel rendelkeznek, ami a vékony lemezek nagy sebességű vágásánál enged kimagaslóan jó minőségű felületkialakítást. A vastagabb lemezek megmunkálását illetően viszont továbbra is a CO2 lézerek jelentik a legjobb megoldást, mivel a fiber lézerekkel sokkal alacsonyabb minőségű felület érhető el ilyen folyamatokban.

Nemrégiben azonban kifejlesztettek egy új technológiát, amivel mindez megváltoztatható. Az új módszerrel a fiber lézerek paramétereit oly módon változtathatjuk meg, hogy lehetővé váljon a vastag lemezek jó minőségű vágása is. Így feleakkora teljesítmény mellett egy fiber lézer ugyanolyan felületi minőséget érhet el, mint egy hagyományos CO2 lézer, legyen szó akármilyen vastagságról. Mindez azt jelenti, hogy egyetlen fiber lézerrel minden anyagtípust és vastagságot megmunkálhatunk anélkül, hogy a lencséket kellene cserélgetni.

A CO2 lézerek minőségének reprodukálását különleges lencsék és tükrök segítségével érték el. A különleges optikák hatására a bevágás szélesebb lesz, így több segédgáz áramlik a vágásba és csökkenti a pont sűrűségét. A fiber lézerek BPP értékének megváltoztatásával a megfelelő beállítások mellett elérhető a CO2 lézerek sugárminősége, így nincs szükség különleges beállításokra és további kiegészítő eszközökre, hogy a fiber lézereket is alkalmazzuk vastag lemezek vágására.

Ez az új technológia kétségkívül megváltoztatja majd a lézervágási piacot. Számos gyártó fejlesztett ki olyan direkt-diódás rendszereket, melyekkel további hatékonyságbeli előrelépések érhetők el és egyedülálló előnyökkel rendelkeznek. Bár még nem teljesen világos, hogyan fogja ez a technológia befolyásolni a lézeres piacot, már számos bizonyítékot láthattunk arra, hogy milyen kiváló minőségű felület előállítására képesek ezek a lézerek.

A lézeres technológiák folyamatosan változnak. Sorra bukkannak fel a gyorsabb, hatékonyabb rendszerek, és még mindig rengeteg a fejlődési lehetőség.

Forrás:Amada Europe

További információ:

Az Amada hivatalos honlapján.