XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Наиболее популярными во всем мире считаются лазерные станки с ЧПУ, оснащенные лазерной трубкой CO₂, которые подходят для работы практически со всеми типами материалов. Газовые лазерные станки на сегодняшний день занимают лидирующую позицию в рейтинге высокомощных лазеров непрерывного действия.

Лазерный резак - это машина с компьютерным управлением, которая использует лазерный луч для точной резки или гравировки материала. Лазер это сильно сфокусированный, усиленный световой луч, который заставляет материал локально гореть, плавиться или испаряться. Тип материала, который может разрезать лазер, зависит от типа лазера и мощности конкретной машины.

Ключевым элементом всех лазерных станков является лазерная трубка CO₂. Она представляет собой стеклянную колбу, в которой запаяна газовая смесь, состоящая из трех элементов – азота, гелия и углерода. Реакция обеспечивается за счет воздействия электрического импульса, а итогом становится возникновение лазерного пучка, он представляет собой поток лазерного излучения, который, в свою очередь, преобразуется в луч и может быть отрегулирован оператором станка с ЧПУ.

Формирование лазерного луча CO₂ начинается в колбе из стекла, имеющей несколько автономных контуров, которые герметично запаяны. В одном из изолированных отделений находится газовая смесь, которая при определенном воздействии способна создавать фотоны.

Источником воздействия при этом служат электроды, которые располагаются внутри отсека. Также в контуре с газовой смесью находятся оптические резонаторы (несколько зеркал, которые предназначены для придания фотонам, образовавшимся под воздействием электрического импульса, скорости и направления).

Зеркало, имеющее частичную прозрачность, служит точкой выхода для светового потока из трубки, после чего он попадает на специальную линзу, которая фокусирует его в тонкий луч. Чтобы обеспечить дополнительную мощность и ускорить движение фотонов, на внутреннюю поверхность отсека с газовой смесью нанесен катализатор из серебра. Мощность излучения при этом регулируется встроенными резонаторами.

Как работает лазерный станок?
В станке для лазерной резки CO2 лазерный луч создается в трубке, заполненной газом CO₂. Далее с помощью зеркал и линз лазерный луч направляется на лазерную головку и фокусируется на поверхности материала. Двигатели с электронным управлением перемещают лазерную головку, чтобы вырезать или выгравировать желаемую форму на материале заготовки. Форма определяется входным файлом, который может быть векторным или растровым изображением.
Станки с лазерными трубками CO₂ могут быть:

Непроточными. Их конструктивной особенностью является наличие запечатанных трубок – газ и весь оптический путь находится в трубке, запаянной с двух сторон. Диффузно-охлаждающими. Отсек с газовой смесью в этом случае располагается между двумя плоскими электродами, которые охлаждаются водой. Имеющими быстрое осевое и поперечное потоковое сечение. Тепло, которые выделяется сверх нормы, поглощается при быстром течении газовой смеси, переходящей через внешний охлаждающий контур.

Имеющими поперечно-возбуждающую среду. Конструктивной особенностью при этом является наличие крайне высокого газового давления.

Принцип работы.

Световой поток образуется за счет передачи энергии с помощью молекул азота к молекулам углекислого газа. Активной средой при этом является газовая смесь, состоящая из углекислого газа, азота и гелия, а в некоторых случаях – водорода или ксенона.

При воздействии электрического импульса молекулы азота переходят в состояние возбуждения и передают свою энергию молекулам CO₂. Углерод также переходит в метастабильное состояние и на атомном уровне испускает один фотон, который при столкновении с атомами другой возбужденной молекулы углекислого газа испускает уже два фотона.

Далее в процесс вступают два зеркала, находящиеся в трубке. Одно из них – непрозрачное, изготавливается из меди, а второе, служащее выходом для светового потока и имеющее повышенные показатели прозрачности, из алмаза. Оно частично пропускает поток фотонов, оставляя часть внутри трубки для воспроизводства подобных частиц. Выходя из полупрозрачного зеркала, фотоны попадают в пространственный фильтр, предназначенный для очистки лазера от боковых мод, а затем на фокусирующую линзу.

Так как фотоны имеют одинаковую длину волны, луч лазера не рассеивается, как обычный свет. Излучение лазерной трубкой CO₂ производится на волне с длиной 10,6 мкм, а средняя мощность излучения составляет от 20 Вт до нескольких кВт.

В целом, лазерный станок может выполнять три задачи: резка, гравировка и маркировка. Лазерные станки могут обрабатывать следующие материалы: бумага, картон; древесина; резина; пластмассы (кроме ПВХ); камень; искусственная и натуральная кожа; ткани, гранит, мрамор, каменная плитка, керамика, фарфор, стекло.
Резка. Когда лазерный луч проходит через материал заготовки, он создает разрез. Лазерная резка обычно очень точная и чистая. Внешний вид обрезанных кромок зависит от материала. Например, кромки обрезной древесины обычно имеют более темный коричневый цвет, чем исходная древесина. Края акрила не меняют цвет и после лазерной резки имеют красивый глянцевый блеск. Прорезь у лазерного резака очень маленькая. Для многих материалов ширина пропила составляет от 0,05 мм до 0,5 мм .
Гравировка. Лазерный луч удаляет части верхнего материала, но не прорезает весь материал, формируя на поверхности надпись или рисунок.
Маркировка. Лазер не удаляет материал, а, например, меняет цвет материала. На резчиках с CO2-лазером маркировка в основном используется при работе с металлами. Маркировочный раствор (например, CerMark или Enduramark) наносится на поверхность заготовки. После высыхания маркировочного раствора выполняется гравировка. Тепло от лазера связывает раствор с металлом, в результате чего остается стойкая метка.
Лазерные трубки CO2 имеют свои достоинства и недостатки.

Преимуществами газовых лазеров являются: повышенное качество резки и точность воздействия; высокая скорость обработки материала; высокая производительность; низкие показатели вибрации и шума; возможность обработки практически всех материалов; низкие затраты электроэнергии; минимально возможные показатели брака; универсальность взаимозаменяемость элементов; компактность.

К недостаткам можно отнести: ограниченное время эксплуатации лазерной трубки; хрупкость конструкции; необходимость постоянного охлаждения устройства во время работы; необходимость настройки мощности лазера для разных типов материала; возможные сбои при низкочастотном воздействии.

Литература

Лазеры в технологии/ Ф.Ф.Водоватов, А.А.Чельный, В.П.Вейко, М.Н.Либенсон. Под общ.  ред.  М.Ф.Стельмаха.  М.: Энергия, 1975.  215 с.

Технологическое применение газовых лазеров / Г.Б. Бубякин,

Г.Р. Левинсон, А.Н. Свиридов,  и др. Л.: ЛДНТП. 1970. 32 с.

Крылов К.И., Прокопенко В.Г., Митрофанов А.С.  Применение лазеров  в машиностроении и приборостроении.  Л.: Машиностроение, 1978.  336 с.

Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Кокора А.Н. Лазерная обработка материалов. М.: Машиностроение. 1975. 296 с.

Код для цитирования: Скопировать