Wycinanie w metalu przy pomocy lasera

Wycinanie w metalu za pomocą lasera to możliwość uzyskiwania niemal dowolnych kształtów w połączeniu z wysoką jakością cięcia i dużą prędkością. Dzięki doborowi odpowiedniej technologii można pracować z różnymi gatunkami metalu i szerokim zakresem grubości blach. Na tle innych metod cięcia technika laserowa daje największą swobodę, jeśli chodzi o złożoność i przebieg linii cięcia, a także o jej kształt czy położenie względem krawędzi albo otworów.

Metody wycinania elementów z blach

Cięcie jest jedną z metod obróbki, która jest najszerzej wykorzystywana w zastosowaniach przemysłowych. Pozwala zarówno na przygotowanie materiałów do prowadzenia dalszych procesów technologicznych, jak i stanowi sposób na uzyskanie gotowego wyrobu. W przypadku wykonywania elementów metalowych cięcie jest zwykle pierwszą z czynności pozwalającą na uzyskanie półproduktu, z którego następnie za pomocą obróbki ubytkowej – np. frezowania, toczenia, wiercenia czy dłutowania albo obróbki plastycznej, jak choćby kucia czy gięcia są wytwarzane gotowe przedmioty lub ich części składowe. Cięcie jest również wstępnym etapem pozyskiwania komponentów do tworzenia zaawansowanych konstrukcji w wyniku spawania czy mechanicznego łączenia elementów. O ile przy przygotowaniu do kolejnych stadiów produkcji za pomocą metod ubytkowych czy cieplnych cięcie jest najczęściej używane do nadania właściwych rozmiarów prętom lub kęsom metalu, o tyle podczas wytwarzania półproduktów, które zostaną zespawane lub zmontowane elementami złącznymi surowcami będą zazwyczaj profile albo blachy. Uzyskiwanie za pomocą cięcia finalnego wyrobu ma zwykle miejsce w przypadku blach – zauważa ekspert z firmy P.P.H.U. Głowacki, specjalizującej się w produkcji elementów złącznych i profesjonalnej obróbce metalu.

Cięcie blach płaskich wiąże się zwykle z wycinaniem ich w taki sposób, żeby zyskały określone rozmiary i tworzyły odpowiedni kształt. W zależności od charakterystyki produktu, który ma być wykonany, można zastosować tu różne rodzaje obróbki. W przypadku potrzeby uzyskiwania niezbyt skomplikowanych linii cięcia blachy mogą być dzielone mechanicznie, np. przy użyciu odpowiednich gilotyn lub nożyc. Jeśli kształt ma być złożony i zawierać krzywe albo zakładać wycięcie części materiału ze środka gotowego elementu optymalną metodą będzie zwykle cięcie na wykrojniku. Obie te metody zakładają zastosowanie klasycznej obróbki plastycznej i są szeroko stosowane, zwłaszcza jeśli proces technologiczny zakłada późniejsze, a niekiedy jednoczesne gięcie lub tłoczenie. Zdarza się jednak, że ostateczny kształt wyrobu ma być bardzo złożony, a jednocześnie wymagania w stosunku do jakości samej powierzchni cięcia są bardzo wygórowane. W takich sytuacjach optymalne może być zdecydowanie się na tzw. cięcie erozyjne, np. w postaci obróbki strumieniowo-ściernej lub na jedną z metod obróbki cielnej.

W przypadku cięcia blach chętnie wykorzystywaną metodą jest tzw. cięcie strumieniem wody. W rzeczywistości jest ona jedynie nośnikiem, a za usunięcie cząsteczek metalu ze strefy cięcia odpowiada materiał ścierny tzw. granet. Cięcie strumieniowe polega na oddziaływaniu na powierzchnię metalu strumieniem cieczy podawanej pod bardzo dużym ciśnieniem, do której wprowadzany jest granet, najczęściej w postaci bardzo drobnych ziarenek krzemu. Zawiesina materiału ściernego jest kierowana punktowo przez dyszę o niewielkiej średnicy, pozwalając na uzyskanie wysokiej precyzji. Choć cięcie wodą pozwala na osiągnięcie gładkiej powierzchni, to nie może być używane przy pracy z elementami metalowymi o większej grubości.

Sposobem na uzyskanie równie dobrej jakości cięcia, a także na wycięcie niemal dowolnego kształtu z blachy o nieco większej grubości będzie skorzystanie z obróbki termicznej i zastosowanie cięcia laserowego.

Na jakiej zasadzie działa laser używany do wycinania w metalu?

Cięcie laserem jest jedną z form obróbki termicznej. Podobnie jak inne metody zaliczane do tej kategorii np. cięcie plazmą polega ono na rozgrzaniu metalu do temperatury, w której ulegnie on upłynnieniu, co pozwoli na przerwanie jego ciągłości. W przypadku laserowego wycinania w metalu energia niezbędna do zmiany stanu skupienia ciętego materiału pochodzi nie z plazmy czy płonącego gazu, a strumienia zogniskowanych fotonów. Największymi zaletami cięcia laserowego jest możliwość precyzyjnego sterowania położeniem głowicy, a zatem uzyskiwania nie tylko dużej dokładności rozmiarowej, ale również bardzo skomplikowanej linii cięcia. Ponadto istotna jest także wysoka prędkość cięcia, a także gładkość uzyskiwanej powierzchni. Nie bez znaczenia jest też fakt, że mocno skoncentrowana wiązka lasera oddziałuje na materiał jedynie w bezpośrednim sąsiedztwie linii cięcia, a tym samym nie powoduje szerszych zmian w jego strukturze. W porównaniu z innymi metodami cięcia termicznego cięcie laserowe nie wiąże się z emisją znacznych ilości toksycznych oparów.

Proces cięcia laserem jest dość złożony, choć sam mechanizm niezwykle prosty. Emitowana przez laser wiązka światła o znacznej energii jest doprowadzana przy wykorzystaniu odpowiednich zwierciadeł do głowicy oraz ogniskowana na niewielkiej przestrzeni za sprawą znajdujących się w niej soczewek. Ze względu na charakterystykę struktury metalu większość promieni jest przez niego absorbowana, a pochłanianie to wiąże się ze zmianą energii świetlnej na cieplną. Jest to możliwe, gdyż wolne elektrony przejmując dodatkową porcję energii, są wprowadzane w drgania, powodujące powstanie dużej ilości ciepła. Znaczne zwiększenie temperatury prowadzi do spadku siły wiązań międzycząsteczkowych metalu, a zatem do zmiany stanu skupienia materiału i przejścia w fazę płynną, a następnie gazową. Po przebiciu materiału powierzchnie przylegające do wysyłanej przez laser wiązki ulegają stopniowemu ochłodzeniu.

Ważnym elementem cięcia laserowego jest także strumień gazu, który towarzyszy promieniowaniu świetlnemu. Jego rolą jest zarówno usuwanie cząstek roztopionego metalu ze strefy cięcia za sprawą swego wysokiego ciśnienia, jak i zapewnienie atmosfery ochronnej, która ograniczy przedostawanie się zanieczyszczeń czy tworzenie się tlenków na jego powierzchni. Rodzaj używanego gazu dostosowuje się do ciętego materiału oraz do sposobu, w jaki jest on następnie wykorzystywany. Do najczęściej stosowanych technik laserowego cięcia metalu zalicza się cięcie przez topienie i wydmuchiwanie, cięcie przez wypalanie oraz cięcie z odparowaniem.

Cięcie przez topienie i wydmuchiwanie jest możliwe dzięki strumieniowi gazu pod dużym ciśnieniem, który usuwa ze strefy cięcia topiony metal. Metody tej używa się przy cięciu stali wysokostopowych, stopów kobaltu, tytanu oraz aluminium i magnezu. Dla zapewnienia ochrony przed możliwością tworzenia się na powierzchni tlenków metalu wykorzystuje się gazy obojętne, np. azot lub argon. Cięcie przez wypalanie odbywa się przy użyciu gazu aktywnego, np. tlenu, powietrza albo mieszanki argonu z tlenem. Strumień gazu, który działa na metal w strefie cięcia, powoduje reakcję egzotermiczną, która dostarcza dodatkowej energii cieplnej, a także powoduje wyrzucanie części topionych cząsteczek poza szczelinę podobnie, jak w przypadku cięcia przez topienie i wydmuchiwanie. Zaletą tej metody jest mniejsze zapotrzebowanie na moc lasera, a zarazem niższy koszt całej operacji. Cięcie egzotermiczne jest wykorzystywane zwykle przy obróbce stali stopowych, w tym wysokostopowych, a także stopów niklu, miedzi oraz tytanu. Cięcie z odparowaniem polega na szybkim nagrzewaniu materiału do wysokich temperatur, co wymaga używania wiązki laserowej o dużej gęstości, czyli wysokiego stosunku energii do średnicy. Dostarczanie dużej ilości energii powoduje przechodzenie metalu w stan lotny. Metoda ta jest używana przy cięciu blach o niewielkiej grubości.

Wycinanie w metalu laserem CNC

Technologia cięcia laserowego przy wycinaniu w metalu sprawdza się świetnie nie tylko ze względu na możliwość osiągania wysokiej dokładności i jakości ciętych powierzchni, ale również na to, że może być całkowicie zautomatyzowana. Lasery wykorzystywane do cięcia są urządzeniami, które zaliczamy do kategorii CNC, czyli maszyn sterowanych numerycznie. Oznacza to, że wszystkie parametry pracy są określane przez komputer oraz determinowane przez zatwierdzony program działania. Najważniejszym wyróżnikiem urządzeń CNC jest to, że ich element roboczy, w tym przypadku głowica lasera porusza się po zaprogramowanej wcześniej ścieżce, odtwarzając cyfrowy model wprowadzony do sterownika urządzenia.

Przed przystąpieniem do cięcia operator lasera musi więc wprowadzić do niego odpowiednie dane w postaci pliku cyfrowego. W czasie pracy dzięki układowi serwomechanizmów oraz  czujników położenia głowica lasera zostanie ustawiona w odpowiednim położeniu względem materiału, po czym zacznie się przemieszczać, emitując wiązkę w odpowiednich momentach, tj. w obszarach gdzie ma przebiegać linia cięcia. Stosowane w automatyce przemysłowej rozwiązania w postaci m.in. odpowiednich silników czy enkoderów, gwarantują przemieszczanie głowicy po wybranej trajektorii, umożliwiając wycinanie elementów okrągłych, odcinków prostych i łamanych o dowolnym przebiegu. Wycinanie laserowe można stosować przy uzyskiwaniu dowolnego rozkładu cięć, także przy bardzo złożonych wzorach.

Technologia cięcia laserowego CNC jest jedną z najdoskonalszych technik wycinania w metalu. Łączy ona w sobie zarówno wysoką jakość i szybkość cięcia z błyskawicznym i niezwykle precyzyjnym pozycjonowaniem głowicy, co pozwala na pracę z dużą szybkością również w przypadku realizacji bardziej skomplikowanych zadań. Zaletą tej techniki jest uzyskiwanie wysokiej powtarzalności kolejnych wycinanych elementów, jak również możliwość powracania do raz zaprogramowanych ustawień. Cięcie laserowe sprawdzi się w przypadku każdego zastosowania, jeśli chodzi o wycinanie w blachach. Ze względu na specyfikę pracy urządzeń CNC warto z niego korzystać zwłaszcza przy liniach cięcia trudnych do uzyskania innymi technologiami czy w sytuacjach, gdy przygotowanie wykrojnika byłoby zbyt czasochłonne i kosztowne w stosunku do planowanej skali produkcji, a także wówczas, gdy wyroby mają mieć mocno zindywidualizowany charakter.