Lasery to urządzenia, które są w użytku już prawie 70 lat. Wykorzystywane są w wielu różnych gałęziach przemysłu, m.in. jako wycinarki, które pozwalają na bardzo precyzyjne i dokładne cięcie blach. Od momentu powstania technologia laserowa przeszła już kilka modyfikacji, co nieraz zmieniało zupełnie rynek, pozwalając producentom wybić się z nowymi rozwiązaniami.
Pierwsze lasery, które powstały w latach 60. ub.w., były wykonane na bazie rubinu. Później powstały lasery helowo-neonowe. Urządzenia te mają jednak bardzo małe moce, zupełnie nienadające się do cięcia. Szybko narodził się pomysł na stworzenie lasera molekularnego. Nazwa „molekularny” pochodzi od tego, że akcję laserową generuje nie atom pojedynczego pierwiastka, tylko molekuła, czyli dwutlenek węgla. Lasery CO2 są to lasery gazowe. Cała akcja laserowa odbywa się w mieszaninie 3 gazów – dwutlenku węgla, azotu i helu. Jak na dzisiejsze czasy są to urządzenia o niskiej sprawności. Zdecydowana większość energii, którą dostarczymy do takiego lasera, są to straty – ok. 95%, więc sprawność wynosi jedynie 5%. Oznacza to, że do zasilania lasera CO2 o mocy np. 4 kW trzeba byłoby dostarczyć co najmniej 80 kW energii elektrycznej. Koszty eksploatacyjne lasera CO2 są więc zdecydowanie większe od współczesnych urządzeń.
Jak działa wycinarka na bazie lasera CO2?
Proces cięcia wygląda w każdym laserze podobnie, choć występują pewne różnice. Laser CO2 wymaga dostarczenia do głowicy wiązki lasera za pomocą luster, czyli tzw. latającej optyki. Generowany jest promień, który jest prowadzony wzdłuż lasera, a następnie lustrami jest doprowadzany do samej soczewki głowicy. Promień jest następnie skupiany i w miejscu skupienia stapia się metal. Gaz, który, który jest doprowadzony do głowicy, wydmuchuje ten stopiony metal, tworząc szczelinę, przez co następuje proces cięcia. Lasery CO2 były obecne na rynku przez 30 lat. W tym czasie wyklarował się rynek i kilka znanych marek stało się liderami ze względu na liczbę sprzedawanych urządzeń. Tak było do momentu, kiedy pojawiły się pierwsze lasery na bazie ciała stałego.
Lasery światłowodowe
Nowa nazwa miała odróżnić ten laser od lasera gazowego CO2. W tym przypadku akcja laserowa, czyli wzmocnienie światła, następuje wewnątrz medium, będącym pewnego rodzaju szkłem domieszkowanym substancjami aktywnymi, w którym odbywa się pompowanie i emisja wymuszona. Są to różnego rodzaju kryształy YAG domieszkowane metalami ziem rzadkich.Na bazie tego powstały pierwsze lasery, które generowały długość fali tzw. bliskiej podczerwieni. Właściwości tego lasera i sposób oddziaływania z materią, w tym przypadku głównie z metalami, są odmienne. Możemy to sobie wyobrazić, np. wystawiając twarz do słońca – czujemy wtedy ciepło bez dotykania go. Podobnie jest, gdy zbliżymy rękę do ognia lub kaloryfera. To właśnie daleka podczerwień, czyli to, co generuje laser CO2. Natomiast laser światłowodowy pracuje na bliskiej podczerwieni. Jest ona podobna do tej, którą, generuje pilot do telewizora – oko ludzkie jej nie rejestruje, jest tuż poza jego zakresem widzialnym. Lasery te różnią się również długością fali. Laser na ciele stałym generuje światło dziesięciokrotnie krótsze niż laser CO2 – długość fali lasera CO2 to 10,6 mikrometrów, a lasera światłowodowego – 1,06 mikrometra. W konsekwencji można dużo bardziej skupić wiązkę światła, co wpływa na proces cięcia. Najłatwiej sobie to wyobrazić, porównując płytę DVD i Blu-Ray. Na płycie DVD możemy zapisać ok. 5 GB danych – tam jest laser czerwony. Na płycie Blu-Ray możemy zapisać ok. 25 GB danych – tam jest laser niebieski, który ma krótszą falę i może wiązkę lasera bardziej skupić i „upchnąć” więcej bitów na płycie.W przypadku cięcia laserem chodzi o szczelinę, którą wytniemy – im jesteśmy w stanie wyciąć węższą szczelinę, tym musimy wytopić mniej materiału. Przy tej samej mocy możemy w danej jednostce czasu wykonać szczelinę na dłuższym odcinku, czyli po prostu szybciej ciąć. Dysproporcje mogą być nawet pięciokrotne – laser światłowodowy o tej samej mocy co laser CO2 potrafi wycinać szybciej ze względu właśnie na możliwość większego skupienia oraz ze względu na to, że światło lasera światłowodowego jest lepiej absorbowane przez metale. W przypadku laserów CO2 np. cięcie miedzi jest praktycznie niemożliwe, ponieważ miedź jest dla lasera CO2 niemalże jak idealne lustro. Bardzo trudno jest ciąć nim materiały refleksyjne, jak np. mosiądz czy aluminium. Natomiast światło laserów światłowodowych dużo lepiej jest absorbowane przez te materiały, dlatego cięcie miedzi i materiałów aluminiowych na la- serze światłowodowym jest możliwe, podobnie jak cięcie blachy ocynkowanej, które było dużym problemem na laserze CO2.
System sterowania
Lasery CO2 sprzed 30-40 lat były dużo wolniejsze od współczesnych urządzeń – nie tylko ze względu na właściwości światła, ale także rozwiązania systemu sterowania i układy napędowe.W tamtych czasach nie było na rynku systemu sterowania dedykowanego laserom.Producenci zaczęli stosować systemy sterowania z frezarek i tokarek, czyli maszyn skrawających.W maszynach europejskich często były to systemy znanych producentów automatyki z Europy, a w japońskich stosowano ich rodzime rozwiązania. Systemy te w maszynach skrawających spisują się doskonale. Ich tryb pracy to jest tzw. tryb nadążny, czyli taki, w którym głowica nieco się spóźnia za pozycją wyznaczaną przez interpolator, czyli komputer w systemie sterowania. Gdy maszyna porusza się wolno, to spóźnienie jest niewielkie, natomiast wraz ze wzrostem prędkości spóźnienie się zwiększa. Tu pojawia się problem ze stosowaniem tych systemów w przypadku la- serów.Przy maszynach skrawających samo skrawanie ma ograniczoną prędkość, bo frez czy nóż tokarski nie mogą się poruszać zbyt szybko. Wynika to z wytrzymałości narzędzia i te spóźnienia były bardzo małe – rzędu setnych czy dziesiątych części milimetra, co na dokładność odwzorowania kształtu nie ma większego wpływu. W przypadku laserów, które poruszają się z większą prędkością, wszystkie skomplikowane kształty, narożniki czy zaokrąglenia byłyby zdeformowane. Producenci stosują różnego typu zabiegi minimalizujące ten efekt, ale głównie polegają one na tym, że system sztucznie zwalnia prędkość posuwu na tych skomplikowanych kształtach do wartości, przy której deformacja kształtu jest akceptowalna. Problem polega na tym, że prędkość, do której trzeba zwolnić na zakręcie, jest wielokrotnie niższa. Dopóki lasery były wyposażone w źródła CO2, które nie były zbyt szybkie, ten problem nie był dostrzegalny. Okazało się, że producenci laserów, którzy wcześniej robili wycinarki CO2, poszli na skróty – w istniejące rozwiązania techniczne korpusów, napędów, systemów sterowania laserów CO2 włożyli źródła światłowodowe.Ich maszyny zwiększyły wydajność jedynie o 30-35%, a nie pięciokrotnie, tak jakby to wynikało z możliwości samego źródła. Firma KIMLA 20 lat temu opracowała bezuchybowy system sterowania z tzw. dynamiczną analizą wektorów, który niezależnie od prędkości ma głowice dokładnie w tych samych współrzędnych co interpolator i dzięki temu urządzenie może się poruszać po skomplikowanych kształtach z nieporównywalnie większą prędkością. Wynalazek ten został stworzony początkowo na potrzeby frezarek. Po 10 latach przez przypadek okazało się, że to jest gotowy system sterowania idealnie dopasowany do potrzeb źródeł światłowodowych. Na targachw Hannowerze 10 lat temu okazało się, że dzięki temu można produkować najszybsze wycinarki laserowe na świecie. Te dysproporcje były olbrzymie – w blasze o grubości 1,5 mm stali nierdzewnej można było wykonać 8 otworów o średnicy 4 mm na sekundę. W tej chwili firma KIMLA ma zainstalowane w Polsce ponad 200 wycinarek laserowych, za granicą drugie tylei cały czas zwiększa produkcję.
