Вкратце о лазерах

Для того, чтоб не переписывать заново Википедию, скажем что в промышленности под лазером понимается устройство состоящее из лазерного излучателя (источника лазерного излучения) и средств доставки излучения (луча лазера) в необходимую точку.

Лазерный излучатель (генератор или источник лазерного излучения)  - это устройство позволяющее получить то самое лазерное излучение - когерентное, монохроматическое, поляризованное и узконаправленное излучение.

Если сказать более просто - то лазер излучает фотоны (или волны) исключительно одной частоты и строго в одном направлении. Например любой источник видимого света излучает свет во все возможные стороны (например Солнце или лампа накаливания на 360 градусов, светодиод от 180 до 20 градусов), а лазер излучает узконаправленный луч с расхождением всего в несколько долей градуса, то есть практически линию.

Монохроматичность и когерентность излучения означает что все излучение имеет одинаковую длину волны и все волны имеют одинаковую фазу (то есть колебания не гасят друг-друга). Именно эти свойства позволяют получить возможность подбирать излучение, максимально поглощаемое обрабатываемым материалом.

Как известно, все материалы поглощают одни длины волн, пропускают другие, и отражают третьи. Именно на этом свойстве длине волны основан подбор необходимого типа лазера для конкретного материала.

Основные типы лазеров используемые в промышленности (ненаучная классификация):

  1. углекислотные (СО) лазеры - длина волны 10,6 микрон (длинноволновое инфракрасное излучение), поглощается практически всеми материалами: пластиками, металлами, древесными материалами;
  2. волоконные инфракрасные лазеры - длина волны 1-2 микрона, обычно 1064нм (ближневолновое инфракрасное излучение);
  3. твердотельные лазеры - длина волны 0,5-2 микрона.

Вторым и не менее важным свойством лазера является способность фокусироваться в точку - при этом диаметр точки определяется используемой оптикой (линзы и зеркала) и ограничен длиной волны, то есть вне зависимости от используемой оптики у длинноволнового излучения минимальная точка всегда будет больше чем у коротковолнового. Другими словами, чем короче длина волны тем больше энергии будет передано на единицу площади обрабатываемого материала (выше удельная мощность пятна лазера).

Но тут тоже есть нюанс - хотя коротковолновые лазеры выглядят более эффективными по удельной мощности, но их излучение поглощается только поверхностью, а длинноволновое излучение СО-лазера поглощается всей "толщиной" материала. Возьмем, например, фанеру: отлично режется любым СО-лазером (10,6микрон) , не режется вообще "волоконным лазером" с длиной волны 1,06микрон. То есть, вне зависимости от плотности излучения фанера, как и дерево в целом, не поглощает короткие волны.

Но вне зависимости от типа излучателя, луч лазера необходимо сфокусировать в точку - для этого используются одна или несколько линз и/или зеркал. И необходимость сфокусировать луч вызвана в первую очередь тем, что из излучателя луч выходит диаметром от 5 до 40мм в зависимости от мощности и типа излучателей. И именно в этом кроется ключевое отличие лазерной резки (впрочем как и плазменной и гидроабразивной) от механических способов обработки - конусность реза.

Конусность реза при лазерной резке

Так как луч выходящий из излучателя имеет определенный диаметр (в случае с нашими станками 8 и 10мм), а линза фокусирует его в точку (после которой луч ОПЯТЬ будет расходится) то лазерную резку необходимо воспринимать как резку КОНУСНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ, угол конуса которого определяется фокусным расстоянием линзы и как не странно, толщиной материала.

Не вдаваясь в подробности оптики, как науки, для луча диаметром 10мм угол среза материала составит:

  • для линзы с фокусным расстоянием 1,5дюйма (38мм) - 82,52 градуса, то есть отклонение от перпендикулярности составит 7,5 градусов;
  • для линзы с фокусным расстоянием 2,0дюйма (50,8мм) - 84,38 градуса, то есть отклонение от перпендикулярности составит 5,6 градуса;
  • для линзы с фокусным расстоянием 3,0дюйма (76,2мм) - 86,25 градуса, то есть отклонение от перпендикулярности составит 3,75 градуса.

Казалось бы, берем линзу с фокусным расстоянием 10-20 дюймов и все проблемы с конусностью решены, но именно в этом месте те самые подробности науки оптики не дадут это сделать! Забегая вперед и опуская формулы и рисунки, отметим, что с ростом фокусного расстояния увеличивается диаметр "пятна" и падает удельная мощность (мощность излучения на единицу площади поверхности материала). То есть, если взять линзу 20 дюймов и излучатель 100ватт, то лазер просто не сможет прорезать материал либо сделает это очень медленно.

Немного о физике процесса лазерной резки

Луч, который выходит из излучателя, проходит через линзу и фокусируется на поверхности материала для передачи на минимальную площадь материала максимальной энергии. Забегая вперед, фокус линзы может установлен выше или ниже поверхности материала. Когда луч лазера попадает на поверхность материала начинается первый этап лазерной резки: "пробивка".

Особенностью "пробивки" материала, является то, что материал еще не прорезан насквозь и значит поток воздуха из сопла лазера не может выдуть из зоны реза продукты испарения и сгорания, и даже наоборот - поток воздуха доходит до дна углубления уже выжженого лазером, и разворачивается обратно унося с собой все продукты "термодеструкции" материала. Именно в этот момент на поверхности образуется ярко выраженное пятно называемое "точка врезки", и именно в этот момент брызги расплавленного материала настолько непредсказуемы, что могут повредить оптику лазера, пройдя с огромной скоростью при этом сквозь продуваемое воздухом сопло лазера диаметром всего лишь 1-3мм. С точки зрения термических процессов в материале в этот момент происходит значительное повышение температуры - так как нет нормального охлаждения, и может происходить термическое разложение материала. Образующееся в процессе пробивки отверстие может иметь диаметр в 5-10 больший чем ширина лазерного реза в обычном режиме. В зависимости от материала и мощности лазера это пятно может иметь разный вид, например на фанере и мдф, вокруг точки врезки образуется темное пятно диаметром до 5мм, на акриле, если снять защитную пленку, белесый налет до 15мм в диаметре. 

Такие особенности пробивки или врезания в материал необходимо учитывать при подготовке файлов, так как если для изделия какая-то сторона предполагается лицевой с идеальной обработкой, и именно на этой грани находится точка врезки, то об идеальном результате можно забыть, так как убрать следы можно будет только дальнейшей обработкой: шлифовкой и полировкой.

После того, как луч прожег материал насквозь, начинается второй этап, собственно лазерная резка. Во время этого процесса воздух выходящий из сопла полностью выдувает продукты сгорания из зоны реза под материал, откуда они удаляются системой аспирации или по-простому вытяжкой. Термические процессы в этот момент определяются:

  1. скоростью потока воздуха или газа в зоне реза
  2. давлением воздуха или газа для продувки зоны реза
  3. теплоемкостью газа
  4. и самое главное, теплопроводностью материала.

 

вернуться в раздел "Wiki"

вернуться в раздел "Способы обработки пластиков, фанеры и двп/МДФ, тканей и кожи, и других материалов"

 

статья дополняется....