Innowacje w technologii laserowej

Technologia laserów fiber jeszcze kilka lat temu rozwijała się bardzo burzliwie. Systemy zmieniały się z roku na rok, a znaczące postępy można było obserwować praktycznie z jednych targów na drugie. Firmy co rusz pokazywały przełomowe rozwiązania. Również historia laserów firmy KIMLA pokazuje, że ten rozwój był bardzo szybki. Jakie technologie pojawiły się na przestrzeni ostatniej dekady i co zyskali użytkownicy laserów?

Ponad 11 lat temu, kiedy firma KIMLA rozpoczęła produkcję światłowodowych wycinarek laserowych, od razu okazało się, że są one dużo szybsze od produktów konkurencji, ponieważ wykorzystano opracowany przez firmę innowacyjny bezuchybowy system sterowania z dynamiczną analizą wektorów. To rozwiązanie przeniosło wydajność cięcia laserowego na zupełnie nowy poziom.

Napęd

Pierwsze lasery KIMLA wyposażane były w tradycyjne obrotowe napędy serwo, ale oczywiste było już od początku, że magnetyczne napędy liniowe będą nieporównywalnie lepszym rozwiązaniem, ponieważ nie ma wtedy żadnego obciążenia generowanego przez narzędzie – światło nie stawia oporu, więc poruszana jest tylko masa elementów osi. Napędy liniowe są o wiele dokładniejsze, szybsze i nie występuje w nich zjawisko luzu zwrotnego – dzięki temu można uzyskać jeszcze większe wydajności. Ponadto napędy liniowe nie zużywają się, ponieważ działają bezdotykowo. Do zasilania potrzebują mniej energii, ponieważ nie mają przekładni, na których generowane są straty. Firma KIMLA bardzo szybko wprowadziła możliwość wyposażenia zamawianych laserów w te nowoczesne napędy. Początkowo było to wyposażenie opcjonalne, ale okazało się, że napędy liniowe działają tak dobrze, że postanowiono tę technologię szerzej rozpropagować. Specjalna promocja w tamtym czasie polegała na tym, że firma w ogóle przestała produkować lasery z napędami zębatymi, a wszystkie maszyny na napędach liniowych zaczęła oferować bez dopłaty (która wynosiła ok. 140 000 zł). Po obniżeniu ceny okazało się, że doskonale dopasowała się ona do polskiego rynku. Następnym krokiem było zastosowanie napędów liniowych również w osi Z. Pierwsze napędy linowe montowano w osiach X i Y, natomiast w osi Z stosowane były serwonapędy. Przy bardzo dużych prędkościach należało zabezpieczyć głowicę przed kolizjami. Aby to zrobić, konieczne były dwa kroki – przede wszystkim trzeba było zapewnić możliwość szybszego poruszania się głowicy, i to właśnie zapewniły napędy liniowe w osi Z. Drugi niezbędny krok to system szybszego wykrywania zbliżania się do przeszkody.

Pomiar odległości głowicy od materiału

Wówczas okazało się, że trzeba zająć się również układami pomiarowymi odległości głowicy od materiału. W laserach do cięcia blach wykorzystuje się pojemnościowy system pomiaru, który mierzy pojemność między dyszą a blachą i na tej podstawie określa wysokość głowicy i ją koryguje. W rozwiązaniach standardowych w innych laserach są to częstotliwości na poziomie jednego kilometra, czyli maszyna poprawia swoją pozycję w osi Z 1000 razy na sekundę. Przy szybkich maszynach okazało się to za mało, ponieważ przy prędkości 1 m/s poprawka pozycji realizowana jest tylko co jeden milimetr, więc to jest stosunkowo rzadko. Dlatego opracowano specjalny, nowoczesny system o wysokiej rozdzielczości, który przekazuje do systemu sterowania informacje nie tysiąc, a 20 000 razy na sekundę, czyli działa z częstotliwością 20 kHz. Taki system umożliwia zareagowanie na zbliżającą się przeszkodę lub krzywiznę materiału dużo szybciej. Między innymi również to spowodowało możliwość jeszcze szybszego cięcia, ponieważ mimo tej prędkości ciągle można unikać kolizji.

Pomiar temperatury

Kolejnym krokiem w rozwoju było zastosowanie systemów pomiaru temperatury za pomocą minikamer termowizyjnych wbudowanych w głowicę tnącą. To był duży przełom, ponieważ są to systemy, które zapewniają klientowi bezpieczeństwo pracy, w szczególności przy większych mocach laserów. Problemem było to, że głowice innych producentów, nawet jeśli miały pomiar temperatury optyki, to nie do tyczył on bezpośrednio soczewki, ale jej obudowy – było to łatwiejsze w implementacji. Jednak szkło kwarcowe, z którego jest wykonana soczewka, jest stosunkowo słabym przewodnikiem ciepła. Jeżeli na jej środku temperatura zacznie się podnosić z powodu uszkodzenia lub zanieczyszczenia, to zanim dotrze ona do krawędzi soczewki i zostanie przekazana obudowie, a czujnik zatrzyma pracę maszyny, może być już za późno i wszystko w głowicy może być spalone. Dostrzegając ten problem, firma KIMLA wbudowała w głowicę mikrokamery termowizyjne na podczerwień, które analizują w czasie rzeczywistym temperaturę soczewki dokładnie w miejscu, w którym ona powstaje. Dzięki temu operator ma dokładną wiedzę o aktualnej temperaturze w najgorętszej części soczewki. Wbudowana automatyka dodatkowo ostrzega, że niedługo trzeba będzie wymienić soczewkę, bo temperatura rośnie. Gdyby użytkownik nie zareagował, to po przekroczeniu kolejnego progu maszyna automatycznie się zatrzyma.

Pomiar ciśnienia w komorze soczewek

Moce laserów rosną cały czas. Jeszcze kilka lat temu standardem były 2-3 kW, potem
4 kW, teraz 6 czy 10 kW, a na rynku już sprzedaje się coraz więcej laserów 12-kilowatowych. Im większa jest moc, tym ryzyko uszkodzenia również jest większe, dlatego potrzebnych jest więcej zabezpieczeń. I dlatego funkcje umożliwiające większą kontrolę, szczególnie w głowicy, są niezmiernie ważne. Oprócz głowic termowizyjnych zaczęto wprowadzać kolejne, dodatkowe funkcje kontrolne – pomiar ciśnienia oraz wilgotności w komorze soczewek. To jest ważne, ponieważ przy bardzo dużych mocach powierzchnie antyrefleksyjne soczewek mogą do pewnego stopnia absorbować wilgoć. Jeżeli będzie jej za dużo, to w momencie, gdy oświetlimy ją światłem o dużej mocy, wilgoć będzie się starała natychmiast od- parować. W wyniku tego pojawiają się mikropęknięcia na powierzchni warstw antyrefleksyjnych, co spowoduje szybsze zużycie soczewek. Jako ciekawostkę można dodać, że często zdarza się, że soczewki w laserach, które są wykorzystywane rzadko, mają krótszą żywotność od tych wykorzystywanych w sposób ciągły, np. codziennie. Firma KIMLA postanowiła więc wprowadzić nadciśnienie azotu w komorze głowicy. Polega to na tym, że minimalna ilość azotu cały czas jest doprowadzana do głowicy. Dzięki temu w jej wnętrzu, gdzie są zamontowane soczewki, udało się praktycznie wyeliminować szkodliwą wilgoć.

Gwarancja na głowicę

Pomimo wszystkich zabiegów zmierzających do zwiększania nie- zawodności głowic laserów światłowodowych wciąż pozostają one najsłabszym ogniwem całego sys- temu, a większość elementów eksploatacyjnych podlegających zużyciu znajduje się właśnie w głowicy.Soczewki, szkiełka, ceramiki czy dysze w przypadku zużycia należy wymienić. O ile szkiełka, ceramiki i dysze operator wymienia samodzielnie w ciągu kilku minut, to już soczewki muszą być wymieniane w warunkach laboratoryjnych przez doświadczonych specjalistów. To kosztuje, ponieważ wymiana soczewek w głowicy najczęściej polega na zdemontowaniu głowicy przez serwis, zabraniu jej do laboratorium serwisowego, czę- sto za granicą, i po wymianie i ka- libracji ponownej wizycie serwisu na instalację. Może to kosztować nawet kilkadziesiąt tysięcy złotych. Firma KIMLA, dostrzegając problemy z wymianą optyki głowicy, opracowała inny sposób serwisowania. Polega on na tym, że gdy klient zamówi wymianę soczewek, serwis przyjeżdża tylko raz i wymienia głowicę na świeżą z nowymi soczewkami. Laser może ciąć już po pierwszej wizycie, oszczędzając tygodni oczekiwania na naprawę głowicy. Dodatkowo kiedy zleca się wymianę soczewek w firmie KIMLA, głowica jest niejako na wiecznej gwarancji, ponieważ drobne uszkodzenie wewnętrzne i naturalne zużycie innych elementów głowicyfirma bierze na siebie. Ponadto dzięki pojedynczej wizycie i serwisowaniu bez pośredników koszt wymiany optyki w głowicach KIMLA mógł spaść kilkukrotnie w stosunku do standardów rynkowych.