Najistotniejszym czynnikiem wpływającym na szybkość zarabiania pieniędzy przez laser jest wydajność, a wydajność to ilość wyprodukowanych elementów w jednostce czasu. Należy przy tym pamiętać, że aby policzyć wydajność rzeczywistą lasera nie możemy brać pod uwagę wyłącznie czasu wycinania ponieważ często okazuje się, że czynności przygotowawcze istotnie ograniczają rzeczywisty wydajność cięcia ponieważ wszelkie zmiany, czy wdrożenia nowej części do produkcji powodują przestoje w pracy lasera, w którym to czasie laser nie zarabia.
Niewielu zdaje sobie sprawę z tego, że różnice pomiędzy wydajnościami różnych laserów mogą być wielokrotne. Często przedsiębiorcy zmieniają maszyny czy technologie dla poprawienia wydajności o 20-30%, a sam wybór lasera może zdecydować o tym czy w ciągu godziny wykonamy 1000 czy 5000 konkretnych części. Na tak dużą różnicę ma wpływ wiele czynników.
Światłowód czy CO2?
W ostatnich kilku latach dynamiczny rozwój laserów światłowodowych (fiber) bardzo zachwiał równowagę na rynku laserów. Przez 30 lat obecności na rynku technologii CO2 niewiele się zmieniło w możliwościach tych laserów ponieważ firmy je produkujące doszły już do granic możliwości fizycznych zwiększania sprawności, która nie przekracza kilku procent. Dlatego właśnie laser CO2 o mocy wyjściowej 4kW może potrzebować aż 80kW zasilania. Lasery światłowodowe mają nieporównywalnie większą sprawność dochodzącą obecnie do 35% co powoduje, że źródło lasera światłowodowego o mocy 4kW pobiera tylko 12kW.
Różnice pomiędzy laserami CO2, a światłowodowymi dotyczą również długości fali światła. Lasery CO2 generują światło o długości fali ok 10um, a lasery światłowodowe ok 1um. Z praw fizyki wynika, że wielkość plamki skupionego światła zależy od długości fali więc światło lasera światłowodowego można skupić do znacznie mniejszej średnicy niż z lasera CO2. Moc lasera wpływa na możliwość stopienia konkretnej objętości materiału w jednostce czasu, a zatem na prędkość cięcia. Jeśli laserem światłowodowym jesteśmy w stanie wycinać kilkukrotnie węższą szczeliną to przy użyciu tej samej mocy możemy ciąć proporcjonalnie szybciej. Nie bez znaczenia jest również absorpcja. Metale mają zdolność odbijania światła, a ilość odbitego światła zależy od długości fali. Część światła padającego na materiał zostaje odbite, w związku z tym tylko pewien procent mocy generowanej przez laser uczestniczy w procesie cięcia. Światło generowane przez lasery światłowodowe jest znacznie lepiej pochłaniane przez metale co w konsekwencji również prowadzi do zwiększenia prędkości cięcia.
Dzięki powyższym czynnikom lasery światłowodowe przy takiej samej mocy potrafią ciąć materiał nawet kilkakrotnie szybciej. Dotyczy to w szczególności cienkich materiałów ponieważ przy ich cięciu można użyć bardzo dużego skupienia wiązki. Wraz ze zwiększaniem grubości cięcia konieczne jest powiększanie średnicy skupionej wiązki ponieważ jeśli w grubym materiale będziemy wycinali zbyt wąską szczelinę wówczas zanim gaz zdąży wydmuchać ze szczeliny stopiony materiał zdąży on powtórnie zastygnąć powodując „spawanie” materiału. Właśnie z powodu konieczności zwiększenia średnicy skupionego promienia przy zwiększaniu grubości ciętego materiału dysproporcje pomiędzy wydajnością tych laserów zmniejszają się. Należy jednak pamiętać, że pomimo zmniejszenia różnic w wydajnościach wciąż koszt godziny pracy lasera światłowodowego pozostaje do 4 razy niższy niż w przypadku laserów CO2. Wynika z tego, że nawet jeśli uzyskamy taką samą prędkość cięcia przy bardzo grubych blachach to wciąż koszt wycięcia części na laserze światłowodowym pozostaje do 4 razy niższy.
Okazuje się jednak, że wśród popularnych marek na próżno szukać laserów światłowodowych, które były by istotnie szybsze niż wcześniejsze modele ze źródłem CO2, często po przejściu na lasery światłowodowe wydajność wzrasta zaledwie o 10-20%. Dzieje się tak ponieważ często firmy dla szybszego wprowadzenia nowej technologii na rynek nie projektują maszyny pod nową technologię od początku, a jedynie na istniejące konstrukcje z laserów CO2 instalują źródło światłowodowe. Niestety tym samym marnują potencjał nowej technologii. Dlaczego bowiem skoro liniowa prędkość cięcia laserów światłowodowych może być kilkukrotnie wyższa większość laserów wycina tylko do 20% wydajniej? Okazuje się, że głównym powodem są systemy sterowania CNC, które były projektowane z myślą o wykorzystaniu w maszynach skrawających, a zostały adaptowane do sterowania laserami. Lasery wycinają wielokrotnie szybciej niż frezarki i niektóre parametry systemu sterowania są dla laserów niewystarczające. Jednym z nich jest częstotliwość działania regulatora pozycji, jest to parametr określający ile razy na sekundę maszyna poprawia swoje współrzędne. W dostępnych systemach sterowania parametr ten osiąga wartość 2000Hz czyli pozycja jest korygowana 2000 razy na sekundę. Czy to dużo? W maszynach skrawających posuwy robocze są na tyle niskie, że korygowanie pozycji z taką częstotliwością jest w zupełności wystarczające. Natomiast w przypadku laserów ze źródłem typ fiber prędkości cięcia mogą dochodzić do 1m/s co powoduje, że pozycja będzie korygowana tylko co pół milimetra –to dużo za mało dla zachowania poprawnej geometrii. W szczególności problem ten dotyczy skomplikowanych kształtów, otworów, narożników które zostały by zdeformowane w takich warunkach. Jedyne co pozostaje producentom stosującym takie systemy sterowania to ograniczanie prędkości cięcia przy pokonywaniu kształtów. Co prawda odległości pomiędzy poprawkami pozycji zagęszczają się na tyle, że kształt może być poprawny ale tracimy czas, i to dużo czasu! Okazuje się że większość laserów podczas pokonywaniu zakrętów zwalnia wielokrotnie bardziej niż wymagały by tego prawa fizyki ze względu na przemieszczane masy.
Firma Kimla od 20 lat produkuje i rozwija systemy sterowania o bardzo dużej wydajności, które w momencie pojawienia się laserów światłowodowych pozwoliły w pełni wykorzystać ich potencjał. Dzięki temu, że częstotliwość regulatorów pozycji systemu sterowania Kimla to 20kHz można dziesięciokrotnie częściej korygować współrzędne, co powoduje, że głowica można poruszać się po skomplikowanych kształtach kilkakrotnie szybciej bez pogorszenia geometrii. Różnice są na tyle widoczne, że jeden laser Kimla może zastąpić do kilku wycinarek laserowych innych firm.
Stosowane powszechnie systemy sterowania mają jeszcze jedną przypadłość. Cała koncepcja ich działania pochodzi z lat 50-tych ubiegłego wieku, gdy to raczkujące procesory miały niewielką wydajność, a programy zapisywane były na taśmie perforowanej. Wówczas właśnie powstały pierwsze maszyny CNC, które posługiwały się programami zapisanymi w na tym papierowym nośniku, a ze względu na to, że wiele komend w formacie programu opisującego geometrię do obróbki zaczynało się od litery G zapis ten nazwano G-kodem. Pomimo szybkiego rozwoju technik komputerowych producenci systemów sterowania CNC do dziś nie wprowadzili nowych standardów, a ich rozwój na przestrzeni lat przypomina raczej ewolucję niż rewolucję. Na początku programy były tworzone ręcznie ale zajmowało to bardzo dużo czasu. Dopiero w latach 80 zaczęły pojawiać się pierwsze programy do automatycznej generacji ścieżki narzędzia, które na podstawie wczytanej geometrii automatyczne tworzyły G-kod. Było to duże ułatwienie ponieważ czas programowania maszyny skrócił się z dni do godzin ale wciąż nie było opłacalne uruchamianie takiej maszyny do wykonania pojedynczych części. Wchodząc w nowy wiek w zasadzie już nie spotykało się ręcznego programowania maszyn CNC, a programy CAM wciąż się rozwijały i pozwalały na coraz wygodniejsze i szybsze generowanie programów. Pozostał tylko jeden problem – do wykonania jakiejkolwiek obróbki były potrzebne 2 osoby. Operator maszyny i technolog z programem CAM, który dla operatora generował programy obróbkowe. Sam operator najczęściej nie mógł sam wiele na maszynie zrobić. Ponadto proces wdrożenia nowego detalu często wymaga wielu poprawek i dostosowania technologii co powoduje, że przed uruchomieniem produkcji proces generowania ścieżki narzędzia trzeba wielokrotnie powtarzać.
W laserach Kimla zastosowano system sterowania, w którym zintegrowano wszystkie funkcje niezbędne do przygotowania, skorygowania i wycięcia detali. Ponadto system ten zawiera moduł optymalnego rozkładu (nesting), zarządzania produkcją oraz pozwala na współpracę z systemami ERP do obsługi firmy. Nie ma już konieczności pomocy technologa do wycięcia wymaganych detali ponieważ operator w prosty sposób może wszystkie niezbędne czynności wykonać bezpośrednio na systemie sterowania lasera. Jeśli jednak wyniknie potrzeba, aby to technolog przygotowywał projekty na laser, oprogramowanie sterownika można zainstalować na komputerze zewnętrznym i pracować w klasyczny sposób.
Napędy laserów
W maszynach CNC stosowane są różne rodzaje napędów, ale prawie zawsze są to napędy w których obrotowy ruch silnika zamieniany jest na ruch liniowy za pomocą śruby tocznej lub listwy zębatej. W przypadku laserów od wielu lat podstawowym rozwiązaniem jest napęd zębaty, ponieważ pozwala na napędzanie stosunkowo długich osi z dużą prędkością. Jednak takie rozwiązanie ma istotne wady, które stanowią ograniczenie dla możliwości maszyny. Jak każde podzespoły przeniesienia napędu pracujące we wzajemnym kontakcie podlegają zużyciu. Jest to szczególnie ważne przy dużych prędkościach i obciążeniach dynamicznych, których w laserach nie brakuje. Szczególnie mocno problem ten uwidacznia się w laserach ze źródłem światłowodowym ponieważ możliwość cięcia z dużymi prędkościami powoduje pokusę przekraczania technicznych możliwości tego typu napędów co prowadzi do szybkiego ich zużycia i kosztownych remontów. Dla napędów obrotowych alternatywą są magnetyczne napędy liniowe, które nie posiadają jakichkolwiek elementów obrotowych ponieważ wykorzystują bezpośrednio pole magnetyczne do przemieszczania głowicy. Napęd liniowy składa się ze ścieżki magnetycznej wykonanej z magnesów trwałych oraz forsera z rdzeniem i cewkami, który porusza się ponad ścieżką magnetyczną. Napęd ten jest bezdotykowy i nie posiada elementów zużywających się. Bezdotykowy jest również pomiar pozycji, który dokonywany jest za pomocą liniału z precyzyjnie naniesionymi prążkami przypominającymi kod kreskowy. Głowica optyczna poruszająca się nad liniałem odczytuje położenie głowicy i na tej podstawie koryguje jej pozycję. Liniały takie mają bardzo wysoką rozdzielczość sięgającą 1nm, a dokładność układu pomiarowego pozycji to 0.005mm/m. Dzięki zastosowaniu liniałów pomiarowych odczyt położenia dokonywany jest bezpośrednio co pozwala na uniknięcie błędów wprowadzanych przez systemy z napędem zębatkowym.
Firma Kimla opracowała specjalne napędy liniowe dedykowane do wycinarek laserowych. Charakteryzują się one wysoką gęstością mocy, ponieważ w aplikacjach tak dynamicznych jak wycinanie laserem stosunek mocy do masy napędu ma kluczowe znaczenie. Dzięki tej innowacji przekroczona została bariera samoograniczającej się wydajności, która spowodowana jest dużą masą komercyjnie dostępnych silników liniowych. Znaczne zwiększenie mocy napędu bez podnoszenia jego masy pozwoliło na przekroczenie niedostępnej dotąd bariery .
Większość producentów laserów nie ma własnych systemów sterowania i bazuje na rozwiązaniach kupowanych od firm trzecich co powoduje ograniczenia kompetencji serwisowych, często naprawy trwają niewspółmiernie długo do zaistniałego problemu, a koszty generowane poprzez wymianę podzespołów „po omacku” wymykają się z pod kontroli. Powszechne stały się również praktyki nie naprawiania uszkodzonych modułów, zamiast tego w przypadku awarii proponowana jest jedynie możliwość jego wymiany, często za cenę niewspółmiernie większą od rzeczywistych kosztów uszkodzonych elementów. Duże firmy posiadające rozbudowane struktury dystrybucyjne chętnie stosują tą praktykę z powodu konieczności skompensowania wysokich kosztów ich utrzymania. Często też celowo elementy systemów sterowania projektuje się w taki sposób aby ich naprawa nie była możliwa, a jedynym sposobem uruchomienia maszyny była ich wymiana w całości.
