Wycinarki plazmowe, przecinarki tlenowe, waterjety, lasery CO₂, lasery światłowodowe – oferta maszyn przemysłowych stworzonych z myślą o cięciu materiałów jest tak szeroka, że bez jej szczegółowej analizy nie sposób dokonać właściwego wyboru. Ocena ta powinna obejmować jednak nie tylko parametry pracy maszyn. Pierwszym krokiem musi być zawsze dokładne przemyślenie i zdiagnozowanie własnych potrzeb – tak teraźniejszych, jak i przyszłych. Już wstępny szkic mentalny uwzględniający jedynie grubość ciętych materiałów pozwala bowiem na dokonanie wyboru ogólnego typu maszyny, otwierając jednocześnie drogę do wyznaczenia bardziej szczegółowych kryteriów. I tak, jeśli zamierzamy ciąć materiały o grubości powyżej 20 mm, pierwszym wyborem powinien być waterjet lub wycinarka plazmowa bądź tlenowa. Jeśli zaś nasza działalność ograniczać się będzie do cięcia materiałów cieńszych, wybór powinien paść na laser.

Kryterium 1: koszty eksploatacji
Jeśli ufać globalnym statystykom, aż 70% operacji cięcia z arkuszy w zakładach przemysłowych realizowanych jest na materiałach o grubości nieprzekraczającej 6,5 mm. Przestaje więc dziwić, że odkrycie możliwości wzmocnienia światła za pomocą zjawiska emisji wymuszonej i budowa pierwszego lasera gazowego bazującego na tej technologii uważane są dziś za dokonania epokowe rewolucjonizujące proces cięcia materiałów arkuszowych. Wprowadzone na rynek pod koniec lat 60. XX wieku przecinarki laserowe CO₂ charakteryzowały się jednak niewielką sprawnością w stosunku do mocy pobieranej z sieci zasilającej. Z czasem – dzięki udoskonaleniu ich konstrukcji – początkową sprawność rzędu 2-3% udało się zwiększyć do wartości wahającej się w granicach 10%. Dalszy postęp w tym zakresie uniemożliwiły jednak ograniczenia fizyczne samych maszyn.

Granicę tę udało się przekroczyć dopiero w 2008 r. wraz z wprowadzeniem na rynek laserów półprzewodnikowych, w których ośrodkiem aktywnym jest domieszkowany, pompowany rdzeń światłowodu. Dzięki wykorzystaniu światłowodu aktywnego o sprawności przetwarzania światła do 70% oraz półprzewodnikowej pompy laserowej o sprawności ok. 50% nowy typ lasera uzyskał wypadkową sprawność rzędu ponad 30%. Różnice te przekładają się bezpośrednio na efektywność energetyczną lasera światłowodowego: urządzenie tego typu o mocy wyjściowej 4 kW pobiera średnio 3 razy mniej prądu niż laser CO₂ o takiej samej mocy, a co za tym idzie – jest dwukrotnie tańsze w eksploatacji. A ponieważ w przypadku cięcia laserowego koszty energii elektrycznej stanowią główną składową kosztów eksploatacyjnych maszyny, poczynione w ten sposób oszczędności sięgają średnio 50%: według danych zebranych przez magazyn „FAB Shop Magazine Direct” godzina pracy lasera CO₂ kosztuje 12,73 dolarów, zaś lasera światłowodowego o tej samej mocy – 6,24 dolarów. Na wartość tę – oprócz cen energii – składają się również wydatki związane z serwisem, w tym z wymianą zużytych części. Jako że głowica lasera światłowodowego nie zawiera zużywalnych komponentów ani luster, maszyna rzadziej wymaga serwisowania, a same koszty serwisu są średnio o 50% niższe niż w przypadku laserów CO₂.

Kryterium 2: szybkość cięcia
Najważniejszą zaletą laserów światłowodowych nie są jednak niskie koszty utrzymania, lecz wysoka prędkość cięcia cienkich materiałów. Jak pokazują wyniki licznych testów, laser światłowodowy o mocy 4 kW jest w stanie ciąć arkusze blachy stalowej o grubości 1 mm z prędkością trzy razy większą niż laser CO2. W przypadku dwukrotnie grubszych arkuszy różnica ta zmniejsza się do dwóch razy. Wyższa prędkość cięcia jest w tym przypadku pochodną budowy głowicy i sposobu generowania wiązki laserowej: wiązka ta w przypadku lasera światłowodowego o mocy 2 kW charakteryzuje się 5 razy większą gęstością mocy i 2,5 raza większą absorpcją długości fali niż w laserze CO₂ o mocy 4 kW. Co więcej, dzięki odpowiedniemu doborowi kombinacji długości ogniskowej soczewki skupiającej (100- -250 mm), długości ogniskowej kolimatora (30-100 mm) oraz średnicy światłowodu (20-200 μm) można do pewnego stopnia sterować średnicą skupionego promienia (w zakresie 20-300 μm), tak by uzyskać jak największą prędkość cięcia. Ponieważ jednak zbytnie zmniejszenie owej średnicy może prowadzić do nadmiernego zwężenia szczeliny cięcia i tworzenia się nawisów materiału na jego dolnej krawędzi, cięcie grubszych materiałów wymaga stosowania relatywnie szerokiej wiązki laserowej, a ta z kolei może być wytworzona tylko kosztem prędkości cięcia. Z tego względu przy grubszych materiałach (> 8 mm) wydajność lasera światłowodowego i CO₂ o tej samej mocy jest z reguły porównywalna, nie stanowiąc o przewadze jednego typu maszyny nad drugim. W tym przypadku decydującą rolę odgrywają koszty eksploatacyjne oraz rodzaj ciętego materiału.

Kryterium 3: rodzaj ciętego materiału
W branży przemysłowej zdecydowaną większość ciętych materiałów stanowią różnego rodzaju blachy – ze stali czarnej, stali nierdzewnej, żeliwa, tytanu lub węglika. Główną przewagą laserów światłowodowych jest w tym przypadku możliwość cięcia materiałów odbijających światło (takich jak aluminium, miedź czy mosiądz) bez ryzyka uszkodzenia urządzenia. Dobrze radzą sobie również z cięciem większości tworzyw sztucznych (z wyjątkiem PET i żywic fenolowych), a także ceramiki i węgla.

Z kolei lasery CO₂ okazują się bezkonkurencyjne w cięciu żywic epoksydowych, PET-ów, a także szkła, papieru, kauczuku, drewna i skóry. Warto je więc wybrać, jeśli firma – poza zleceniami standardowymi – świadczy również usługi specjalne na różnego typu materiałach, w tym o grubości powyżej 8 mm.

Kryterium 4: moc urządzenia
Wybór między laserem światłowodowym a CO₂ stanowi bardzo istotny, ale nie ostatni krok na drodze do sfinalizowania decyzji zakupowej. Niezależnie od tego, który z typów lasera wybierzemy, następnym etapem powinien być odpowiedni dobór jego mocy. Należy przy tym pamiętać, że podstawową funkcją lasera jest cięcie materiałów cienkich. Tak więc wybór urządzenia o dużej mocy w celu maksymalizacji zakresu jego aplikacji, w tym rozciągnięcia go na materiały grube, z ekonomicznego punktu widzenia wydaje się nietrafiony. Powyżej pewnego pułapu (ok. 20 mm grubości materiału) każda próba poszerzenia zakresu cięcia będzie się bowiem wiązała z koniecznością zwielokrotnienia jego mocy, co w ostatecznym rozrachunku okazuje się wysoce nieekonomiczne. Przykładowo, do przecięcia arkusza blachy o grubości 20 mm potrzebny będzie laser 4 kW, a ta sama operacja na materiale o grubości 25 mm wymaga już lasera 6 kW. Dużo tańszym rozwiązaniem będzie w tym przypadku zakup przecinarki plazmowej lub tlenowej – zwłaszcza że przy cięciu grubych arkuszy oferują one jakość porównywalną do tej uzyskanej w wyniku cięcia laserowego.

Kryterium 5: dynamika pracy
Rzeczywista wydajność lasera nie zależy jednak wyłącznie od jego typu i mocy, ale także od dynamiki pracy danej maszyny warunkowanej m.in. jakością systemu sterowania. Podstawowym problemem przy jej ocenie jest jednak niemierzalny charakter: liczba koniecznych do uwzględnienia parametrów jest bowiem tak duża, że ich odczytanie i skorelowanie wymaga specjalistycznej wiedzy. Stąd też najlepszym sposobem na dokonanie ostatecznego porównania maszyn poszczególnych producentów jest przeprowadzenie prób cięcia na miejscu.

Aby były obiektywne, próby takie powinny być przeprowadzane w obecności klienta na dostarczonym przez niego materiale i modelu CAD. Przygotowując model, należy zadbać, aby uwzględniał on wszystkie kształty powszechnie stosowane w technice, a więc m.in. okręgi, prostokąty, elipsy, a także polilinie i kształty typu spline, tj. obiekty składające się z dużej liczby krótkich, połączonych ze sobą, odcinków. To właśnie na nich najłatwiej bowiem przetestować jakość systemu sterowania i wydajność wycinania.

Aby uzyskany wynik był miarodajny, próbę taką należy przeprowadzić na kilku maszynach różnych producentów. Jej rezultaty najlepiej zamieścić w tabeli, która umożliwi przejrzyste porównanie osiągów poszczególnych laserów. Analizując próbki, warto zwrócić uwagę także na dokładność odwzorowania kształtów, w tym wielkość i częstotliwość występowania określonych deformacji (zafalowań przy narożnikach, odchyłek od kształtu okręgu). Dopiero zestawienie wyników oceny wizualnej i danych zebranych w tabeli pozwoli nam uzyskać pełny obraz pracy lasera, a tym samym wybrać maszynę najlepiej odpowiadającą naszym oczekiwaniom.

Użyteczność laserów w znakowaniu materiałów

_ _ _ _ _ _ _ _ _

Sprostowanie:

Artykuł ukazał się w MM Magazynie Targowym STOM 2016. W tytule tabeli zamieszczonej w wersji drukowanej słowo "znakowanie" zostało omyłkowo zastąpione słowem "cięcie". Nagłówek w poprawnej formie powinien otrzymać brzmienie: "Użyteczność laserów w znakowaniu materiałów". Za zaistniały błąd przepraszamy.