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光学创新是激光切割增长的关键

发布时间:[2019-07-23 11:01:38]

多年来,制造商不断推动设备制造商改进激光切割机械,保持兴奋和不断增长的需求。热情中存在短暂的高原,但机器制造商不断在他们的实验室和测试设施中辛苦工作,寻找解决方案,以限制商店在限制时发现的效率限制。

通常,这些解决方案的形式是切割头和它所容纳的光学元件的变化。实际上,可以说这些组件比激光切割机的任何其他组件都更多地进行研究和开发。头部和光学设计的每一项重大进步都对激光切割的持续可行性至关重要。要了解我们在这个领域的进展情况,我们必须回顾一下我们的起点。

起源

CO 2激光机第一被用于成型,特别是在大的工具和模具制造商,在1980年代末。当时开创性的技术允许切割,测试和调整零件,而无需花费大量资金为大型冲压机制造硬工具。

到20世纪90年代中期,这个词已经传播开来。激光正在寻找进入越来越多的加工车间的途径,从炮塔冲床中进行钣金加工。虽然仍然比炮塔慢,但激光可以切割不常见的形状而不需要复杂的工具组合或步冲,这会留下锯齿状,粗糙的边缘。


随着越来越多的公司将激光器添加到他们的车间,机械制造商受到压力,要求他们的激光器提高效率。最初的进展利用了新兴的计算能力,最显着的是部分嵌套,它采用复杂的算法来检查所需的切割。根据材料及其形状和尺寸,软件优化了每张纸的加工。共线切割,镜面零件几何形状和零件切割零件(零件由其他零件的较大切口加工而成)等新功能使制造商能够从纸张中获取更多零件,从而最大限度地提高纸张利用率。激光切割比以往任何时候都更有利可图,采用激光切割的制造商开始落后。

寻求效率

在这个早期生长期间,激光头只用一个焦距的镜头进行操作。原始设计导致了早期激光制造的两个主要挫折:调整焦距和清洁镜头。这两项任务都是手动的,困难的和耗时的,使机器在很长一段时间内处于空闲状态。机器供应商知道,为了提高整体性能并跟上控制进展,他们不得不将注意力转向光束传输。

具有多个焦距镜头的机器很快就开始进入市场。切换镜头的选项使得切割各种材料变得更快更容易。但切换镜头仍然很麻烦。需要移除整个头部; 然后将镜头组件从头部取出并用新镜头组件取代; 然后将机头放回机器上,重新定位,重新聚焦 - 机器闲置时。为了激光切割继续增长,下一代磁头必须解决镜头处理问题。

进入自动对焦。采用先进的头部结构技术,光束聚焦现在可以根据被切割的材料进行调整,无需人工干预。事实证明,自动对焦可以改变游戏规则。当从一种材料更换为另一种材料时,操作员不再需要手动调整焦点以获得最大速度和良好的边缘质量。CO 2激光器可以无缝切换从低碳钢和氧气切割到用氮气切割不锈钢,调整其焦点以获得最大速度和边缘质量。通过消除手动处理所涉及的错误空间,自动对焦还提高了准确性。

接下来是墨盒式的头(参见图1)。墨盒可以轻松切换镜头而无需解构整个头部。过去需要10到30分钟的镜头更换,并且通过将更改缩短到几秒钟,商店可以更好地使用更多样化的材料,而不会牺牲生产力。

自动化推动创新

到20世纪90年代中期,激光器变得风靡一时,但对效率的渴望并没有消失。墨盒式磁头,自动对焦和嵌套都提高了加工过程的速度,但现在快速移动材料以保持稳定是一个问题。

 
盒式激光头有助于缩短镜头更换时间。

第一个自动化以托盘交换器的形式引入。这允许激光切割一个托盘,而另一个操作员卸下加工零件和装载的原材料。这将纸张之间的停机时间缩短到大约30秒。额外的自动化,如自动装载/卸载系统和多层塔,在1997年左右开始进入市场,甚至更多地减少了转换时间,更少依靠操作员在机器上移除零件和重新装载材料。

自动化材料处理以及更强大的控制功能使激光切割效率大幅提升。对于大大小小的商店来说,拒绝激光制造它在地板上的位置变得更加困难。

随着生产力需求的增加,机器制造商需要设计一种方法来改变生产环境中的焦距和光束尺寸。他们提出了两种解决方案:使用不同镜头物理交换磁头的系统,以及自适应光学系统的引入。自适应光学系统通过放松或挤压光学元件来工作,允许机器改变光束的光斑尺寸,从而改变其焦点。

纤维改变了一切

光纤激光器从根本上改变了我们对激光切割中所有内容的思考方式。CO 2机器使用的气体混合物,攻丝气体分子的扩增性能和一系列透镜引导光来自光纤机器的光在一组二极管中产生,并通过光纤电缆传播,类似于用于数据传输的电缆。这种特殊的光纤,如图3中的绿色所示,在将光束通过传输光纤发送到激光切割头之前放大光束。

光纤激光器还将制造商引入新的光束波长(光束中光波的实际长度,不要与光束直径,形状或功率密度混淆)。光纤激光器的1微米光束波长增加了某些金属的吸收,因此增加了可加工材料的范围,包括铜和黄铜。

提供光纤激光束

通过将多个光学元件减少到一个,不仅移除了移动部件 - 在制造过程中几乎总是一件好事 - 但是消除了与这些部件一起进行的清洁和更换。光纤还提供了显着的节能效果,对任何商店来说都是一个吸引人 与纤维激光器相比,典型的CO 2具有约10%的壁塞效率等级,约为35%。换句话说,在光纤激光器消耗的所有功率中,35%的功率进入切割。

光纤机器还采用TEM00模式。TEM或横向电磁模式是功率密度分布。TEM00或高斯模式在中心具有高能量密度。TEM01或环形模式在光束周边具有更高的能量密度,这反过来又有助于激光切割厚材料

由于焦点处的功率密度增加,光纤机器的TEM00模式使其在薄材料中比CO 2快得多,但这也使得厚材料工作变得困难。CO 2系统构建者通过添加TEM01模式来应答。TEM01模式在厚材料方面要好得多,并且产生了非常好的边缘质量。但是,这种模式不是薄材料高速切割的最佳模式。这使CO 2比在厚材料纤维更有效,但它也牺牲上更薄的材料的进给速率。

两全其美

激光切割行业再次处于十字路口,寻找能够平衡CO 2厚片功率和薄片光纤速度的激光器。工程师将注意力转向头部设计和光学系统以获得答案。他们找到了一种改变模式形状的方法。这似乎是答案。一些光纤激光系统现在有两全其美的表现在速度为在薄的材料最大的生产和切割厚的材料像一个高功率的CO的能力2。

第一光纤激光器对他们的CO一个显著跳跃2与插装式头设计和自动对焦对应。然而,随着功率的增加,商店发现他们以更高的速度通过光纤镜头。


二氧化碳机器利用气体分子和一系列透镜的放大特性来引导光线。

这将我们带到今天,以及最新的磁头和光学器件协同工作以应对关键挑战的方式。光纤激光器现在提供全封闭头,以保护镜头免受污染。封闭的头部使其内部工作难以进入,但是,由于OEM现在能够构建到头部的技术,操作员实际上并不需要进入头部。最新的头部除了消除镜头维护。一些全封闭和自动化的磁头能够改变光束尺寸和聚焦,无需任何动手操作员干预。

某些机器甚至可以改变光束的形状,在TEM00和TEM01之间交替进行交替。这使得制造商能够在单个光纤激光器上处理几乎任何厚度的任何材料,而无需改变或清洁光学器件。

纵观激光切割的历史,磁头及其光学系统已经帮助克服了业内增长的一些最大障碍。下一个重要问题:全自动全封闭光纤头设计是否会使CO 2激光器过时?如果是的话,那天何时到来?我的,我们走了多远。

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