Лазерные станки для гравировки и резки: преимущества, сфера использования и принципы работы

Обновлено: 21.02.2021 13:15:09

Эксперт: Андрей Николаевич Кузнецов

*Обзор лучших по мнению редакции expertology.ru. О критериях отбора. Данный материал носит субъективный характер, не является рекламой и не служит руководством к покупке. Перед покупкой необходима консультация со специалистом.

Лазерные станки применяются для гравировки и резки картона, пластика, кожи, фанеры, дерева, металла и других материалов. Это позволяет создавать серийные изделия или используется в качестве хобби. В зависимости от этого важно знать основные параметры выбора станка для лазерной резки, в чем помогут наши эксперты. Еще мы подготовили список лучших моделей, понравившихся покупателям в отзывах и впечатливших профессионалов своими характеристиками.

Сфера применения и принцип работы

Станки для лазерной резки часто используют на предприятиях, изготавливающих рекламные материалы. А также применяют в таких сферах, как строительная, машиностроительная, авиастроительная, судостроительная, легкая промышленность.

Нельзя сказать, что это оборудование слишком сложное в эксплуатации. Вначале ручным способом делается необходимый чертеж заготовки. Затем основу закрепляют на столе лазерного станка для гравировки и резки. Необходимую работу осуществляет специальная лазерная головка. При этом механический контакт между самим инструментом и заготовкой отсутствует.

Луч, который разогревается до высокой температуры, производит резку. В месте разрезания металл расплавится и удалится струей газа.

Виды лазерных головок

В подобном оборудовании используют различные инструменты. Для резки лазером используют 3 вида головок:

Твердотельные. Разогревается такая головка с помощью высоковольтной разрядной лампы. Они работают либо в импульсном, либо в постоянном режиме генерации.
С диодной накачкой. Это новое оборудование. Здесь не применяют разрядные лампы. Вместо них стоят светодиоды. Это более дорогие механизмы, но более безопасные и удобные в эксплуатации. В станках с такими головками нет элементов с высоким напряжением.
СО2-лазеры. Это наиболее современное оборудование. Его применяют и для резки алюминия.

Основные функции

Стол современного лазерного оборудования, как правило, сквозной. На таких столах можно обрабатывать заготовки, имеющие разнообразную длину. Современные конструкции станков можно дополнить различными элементами для повышения функциональности.

Это могут быть:

подъемный стол, благодаря которому можно увеличить высоту по Z оси;
поворотные механизмы, которые используют для обработки изделий цилиндрической формы;
сотовые поверхности, предназначенные для работы с заготовками небольших размеров.

Гравировальный лазерный станок можно автоматизировать, благодаря применению ЧПУ. Такие механизмы будут стоить дорого, но они окажутся более производительными и удобными в работе.

На станках с ЧПУ можно минимизировать ошибки в гравировке или раскрое. Можно сказать, что их просто-напросто невозможно допустить, так как управление происходит благодаря особому, специально разработанному для такого оборудования, программному обеспечению. Трудности могут возникнуть только из-за ошибок, допущенных при разработке эскизов.

На таком оборудовании не нужно выполнять какую-либо ручную работу. Основная задача оператора — наблюдение за бесперебойной работой оборудования и отслеживание качества производимых заготовок. Подобные станки, как правило, оснащены дистанционным управлением.

Объектив

Важный момент в станкостроении: сумма компонентов лазерного станка не всегда гарантирует хороший результат.

Возьмем в пример автопроизводителя. Если заменить на «Ладе» какие-то элементы: двигатель, колеса, коробку передач, то «BMW» у нас всё равно не получится. Для того, чтобы создавать сложное и качественное, нужна компетенция.

Некоторые российские производители делают оптику самостоятельно, рассчитывают оптические каналы. Для чего?

В системе перемещения конечным узлом является объектив, он состоит из нескольких стекол. Каждое стекло является источником отражения, т.е., свет, проходя сквозь стекло, на какой-то небольшой процент отражается назад (чем лучше выполнено стекло, тем меньше).

Объектив имеет некую кривизну, и при отражении свет может фокусироваться. При неудачном раскладе появляется обратный блик, который сфокусируется на зеркале.

Пример поврежденных зеркал

Фото объектива сканирующей головки с помутнением

Расстояние между объективом и зеркалом должно фокусироваться либо до, либо после зеркала. Если вкрутить объектив, который не подходит к данному оптическому тракту, и ожидать, что всё будет отлично работать – есть огромный риск попасть в неприятную историю, где у вас испортится какой-то дорогостоящий элемент.

Станки для металла

Для раскроя и гравировки из этого сырья часто применяют модели с CO2 инструментом. Лазерное оборудование можно использовать для нержавейки, стали, латуни, меди, алюминия. Такие агрегаты имеют высокую мощность луча.

Современный рынок наполнен оборудованием такого типа, предназначенным для резки листов металла, толщина которых 2 см. Под каждый вид металла есть своя технология раскройки и гравировки. Например, оборудование для резки нержавейки имеют узлы, с помощью которых детали обрабатываются азотной кислотой. Это вещество способно защитить металл от возгорания и окиси.

Для меди применяют станки с мощным рабочим инструментом. Лазерная резка на таком оборудовании делается на малых скоростях. Для работы с медью используют твердотельные головки.

Обработка стали или латуни на лазерном станке наиболее проста. Для этих металлов не нужны дополнительные устройства. Настройка оборудования достаточно проста.

Излучатель

По сути – это сердце лазерного станка. Сегодня мы рассмотрим именно волоконные лазеры для маркировки и гравировки. Почему они?

Волоконные лазеры с длиной волны излучения 1,06 мкм — это лучший инструмент для обработки металлов. Высокий коэффициент поглощения, минимальное пятно фокусировки и возможность транспортировки излучения по волокну в любую точку, характерные волоконным лазерам, позволяют оставить позади остальные типы излучателей при обработке любых металлов. Как известно, металлы – основа промышленности.

Основные плюсы волоконных лазеров:

Высокое качество излучения (М2<1.2)
Ресурс работы волоконных лазеров более 100 000 часов
Удобство эксплуатации (Гибкий оптический тракт)
Высокие мощностные характеристики
Высокий КПД (до 40%)

Расскажем вам краткую предысторию волоконных лазеров: в конце 1998 г. ведущий советский и американский специалист в области лазерной физики и техники Валентин Павлович Гапонцев основал одну известную компанию, которая, в буквальном смысле, захватила нашу планету. Эта компания разработала и внедрила технологию волоконных лазеров в промышленность, заняв 75% мирового рынка.

Валентин Павлович Гапонцев

Несмотря на то, что волоконные лазеры являются основным продуктом в промышленности, производителей данной технологии не так много, ведь, во-первых, это очень дорогое удовольствие, во-вторых, сложно конкурировать с компанией, созданной Гапонцевым. Такую роскошь могут позволить себе несколько ведущих стран в кластере станкостроение, одна из них – Китай.

Но, важно учесть один момент: лучшие современные китайские волоконные лазеры – аналог источников российского производства десятилетней давности. Безусловно, не все китайские производители ориентируются на Россию, есть представители, которые предлагают более низкую цену на лазеры, но, пожалуй, в сфере лазеров, кроме низкой цены, китайским производителям предложить нечего.

Преимущества:

Жизнь диодов с одиночными излучателями от компании Гапонцева превышает 100 000 часов, что в разы больше зафиксированного срока службы вариантов с диодными матрицами.

Хорошим лазерным излучением считается Гауссовое распределение энергии, когда большая часть энергии сосредоточена в центре. Такое распределение позволяет получать минимальные размеры зоны обработки. У компании Гапонцева источник излучения позволяет выдавать на выходе маленькое пятно, соответственно, множество фотонов фокусируется в одном месте, тем самым плотность мощности излучателя больше.

Излучатели компании Гапонцева дают выходную мощность до 100 000 Вт и наилучшее качество луча при низких затратах энергии.
Рассмотрим сегмент недорогих импульсных лазеров до 100 Вт:

У всех недорогих излучателей есть ограничения по количеству изменяемых параметров излучения:

Диапазон частот меньше и хуже: у российских производителей частота настраивается от 1,5 кГц до 2 МГц, нет ограничений, связанных с промежуточными значениями, за счет чего выбирать диапазон чистоты можно плавно, в отличие от китайского излучателя. В китайском же излучателе частота настраивается от 20 кГц до 80 кГЦ, причем у них нет промежуточных значений (20, 25, 30 и т.д.), из-за чего диапазон выбора частоты меньше, соответственно, появляется большая дискретность.
На китайских станках длительность импульса зачастую не перенастраивается.
В китайских излучателях отсутствует такая важная вещь, как защита от обратного излучения. Важность этого момента поясним подробнее: если луч находится не в фокусе, то весь этот процесс отражается и идёт обратным ходом в оптическую систему, что приводит к разрушению линз.

Например, при обработке меди (ведь она лучше всего отражает) есть риск сжечь лазерный излучатель, а ремонт в каком-нибудь сервисном центре невозможен – исправить проблему может только производитель.

В итоге получается, что возможности у станка с китайским лазерным излучателем изначально ограничены:

Нет возможности обрабатывать отражающие материалы. Хорошо отполированные изделия из серебра или меди, обладая станком с некачественным излучателем и плохим объективом, не отгравируешь.

Начало букв «съедено», потому что у излучателя не хватает энергии, чтобы обработать поверхность равномерно.
Цветная лазерная гравировка отпадает, потому что для этого процесса необходима подстройка под изделие, а именно стабильное излучение с очень тонкими настройками. Китайский излучатель будет искажать цвет, например, фиолетовый будет с зеленым оттенком из-за нестабильного сканирования, нелинейного перемещения луча и разных импульсов (должны идти один к одному).

Пример искажения цвета

Качество маркировки фотографий максимально искажено.

Плохой образец маркировки фото — детализация отсутствует, линии сожжены.

Система перемещения

Сейчас мы рассмотрим волоконные лазеры с такой системой перемещения, как сканаторная. Почему она? Планшетные волоконные лазеры не нашли своего широкого рынка, поэтому большинство волоконных систем маркировки и гравировки перемещают луч с помощью отклонения зеркал-сканаторов.

На данный момент сканаторный тип — это самый скоростной вариант перемещения луча, но сложность данной системы в том, что в оптике всё искажается, и нужно грамотно настроить оборудование, чтобы перемещение луча в нём было линейным и точным (отклонение в 20 мкм уже считается критичным).

Тут мы приходим к качеству компонентов. Практически все страны умеют производить зеркала и системы перемещения — в отличие от создания волоконных лазеров это не так сложно. Но производство зеркал — очень ответственный элемент лазерного станкостроения, и качество этого элемента очень сильно влияет на работу станка. На поверхность сканатора наносится покрытие, которое является важным в процессе отражения излучения от зеркала. Если покрытие повредить или зеркало будет неровным, то волновой фронт лазерного излучения искажается, тем самым импульс доходит «размазанным», что влияет на качество воздействия на материал.

У китайских систем зачастую попадаются зеркала разного качества, из-за которых вы можете попасть в ситуацию, где у лазерного станка отходит покрытие, и сканатор перестает выполнять свои функции. Ведь, если у зеркала некачественное напыление, то оно не может эффективно отражать луч, вследствие чего часть излучения начинает поглощаться, что приводит к разрушению отражающей поверхности зеркала, тем самым эксплуатировать по назначению данный элемент в станке невозможно.

Если зеркала с плохим покрытием поставить в систему мощностью более 30 Вт, то они уже не выдерживают, собирают «накопительный эффект» и через несколько месяцев перестают функционировать. И тут трудно доказать, что владелец станка невиновен, производителю проще сослаться на его невнимательность («поцарапали», «неверно использовали», «грязное помещение» – крайним всё равно окажется эксплуататор). Есть и ответственные производители, но тут важно в них разбираться, а это не просто, ведь их сотни.

Стоимость станка

На цену такого оборудования влияют множество факторов. Стоимость небольшой модели колеблется в пределах 90 — 100 тыс. руб. Более мощный станок с разнообразными приспособлениями выйдет дороже — от 200 до 500 тыс. руб. и выше.

Современные лазерные станки надежны, качественны и производительны. Их удобно применять для средних и небольших цехов. Цена на покупку оборудования такого рода может быть достаточно высокой, но за счет экономии материала и скорости работы, окупаемость станка будет быстрой.