Se stroji TRUMPF přes celé spektrum tlouštěk plechů
Volba laseru
01 Pevnolátkový nebo CO2 laser? Diskuse stále trvá. Přitom je odpověď vlastně velmi snadná: Rozhodující je způsob použití.
Otázka závodní dráhy Stejně jako výkonný terénní vůz, který zvládne i pouštní rallye, se i CO2 laserové stroje propracují jakoukoliv tloušťkou materiálu a nemají téměř problémy ani s jeho proměnlivou kvalitou.
„Obě technologie se vzájemně doplňují. Při vysokotlakém řezání tenkého plechu je pevnolátkový laser dobrý, rychlý a efektivní. Pro řezání silnějších plechů dusíkem je nyní stejně jako dřív vhodnou volbou CO2 laser, zejména pokud jde o kvalitu řezných hran.“
Claus Schaupp, Marquardt & Schaupp, s. r. o.
ic se nejí tak horké, jak se to uvaří. Intenzivní diskuse o ideálním zdroji záření, která po dlouhou dobu probíhala mezi výrobci laserových zařízení a výzkumnými ústavy, měla mezi zákazníky mnohem uvolněnější podobu. Uživatelům – ať už to byli menší firmy nebo velcí výrobci – jde o to, jakou úlohu je třeba řešit, a o kompletní balíček „laser plus stroj“. Rozhodující je efektivita a hospodárnost výrobního zařízení. Proto se uživatelé záměrně rozhodují buď pro svižný vůz, nebo robustní džíp. Laserový řezací stroj s technologií CO2 tak potvrzuje svou pozici jako mnohostranný „terénní vůz“. S výkonem laseru až osm kilowattů řeže ocel o tloušťce od 0,5 do více než 30 milimetrů – to je ideální při zvládání náročných rallye u mnoha subdodavatelů, pro něž je důležité rychlé střídání variant a malé velikosti sérií. CO2 laser v těchto situacích poskytuje při tavném řezu tenkých až silných materiálů dobré až vynikající výsledky, je technicky propracovaný a je dimenzován na každodenní náročnou práci v průmyslu.Pevnolátkový laser je naproti tomu
N
určen pro tenké materiály a vysokou rychlost řezu. Tento „závodní vůz“ se sice popere i se silnější konstrukční ocelí – čeho ale nedosáhne, to je flexibilita a všestrannost jeho protějšku využívajícího plyn. Musí se například vejít do silného nerezu, ale jeho nejoblíbenější závodní drahou je plech tlustý maximálně pět milimetrů. To, čím se oba zdroje záření v první řadě při svém použití liší, je vlnová délka laseru. Zatímco CO2 laser pro průmyslové použití vysílá záření ve střední infračervené oblasti s vlnovou délkou deseti mikrometrů, mají pevnolátkové lasery s výkonem několika kilowatt přibližně desetkrát menší vlnovou délku přibližně jednoho mikrometru. Menší vlnová délka záření má rozhodující důsledky pro proces obrábění. Protože mnoho kovových materiálů silněji absorbuje světlo s malou vlnovou délkou, je přinejmenším u tenkého plechu možná vyšší efektivita výrobního procesu. Barevné kovy jako například měď lze čistě řezat pouze touto vlnovou délkou. CO2 laser oproti tomu řeže lépe při tloušťce plechu od pěti milimetrů.
Stejně jako silniční závodní vozy dávají i laserové stroje s pevnolátkovým laserem přednost určitému „povrchu“, totiž konstrukční oceli a tenkému plechu; na nich dosahují extrémní rychlosti.
Pomocí CO2 laseru lze na stroji na řezání trubek vyrábět komplexní zásuvné spoje.
Dokonce i v silné konstrukční oceli zajistí CO2 laser skvělý řez.
CO2 laser svaří nádobu a víko na neprodyšné pouzdro palivového filtru.
„Flexibilita CO2 laseru je u nás velmi žádána, protože zvládá všechny materiály jako konstrukční ocel, hliník i nerez s tloušťkou plechu do 25 mm.“ Dietmar Dirks, Röhrig, s. r. o. a spol., k. s.
Fóliované plechy nebo barevné kovy jako měď a mosaz? Pro pevnolátkový laser žádný problém.
„Pevnolátkové lasery jsou energeticky efektivní, a proto mají podstatně nižší spotřebu energie. Budu s nimi řezat tenký plech, ten tvoří asi 50 procent mé výroby.“ John Feijen, Metaal Techniek BV
Při svařování karosářských dílů se projeví silné stránky pevnolátkového laseru: rychlé a přesné vedení paprsku umožňuje zmenšení přírub – a to i při ovládání na dálku.
S jemnými až filigránskými vzory si pevnolátkový laser dobře poradí, jak je vidět na tomto ciferníku z nerezu.
Pevnolátkový laser se prosadí ve sféře 3D a u tenčích plechů. V budoucnu stále ještě budeme mít stroje s technologií CO2, u karosářských dílů s tloušťkou 2,5 milimetru však přejdeme na pevnolátkový laser“.
Erhard Hujer, Hujer Lasertechnik, s. r. o.
Pro hloubkové svařování rotorů turbín z nerezu je CO2 laser správně zvoleným nástrojem.
Rozhodující je zde příkřejší úhel dopadu laserového paprsku na tlustý plech, který vyhovuje CO2 laseru, ale brzdí pevnolátkový laser a vytváří tak nežádoucí miniaturní otřep. Při posuzování hospodárnosti se názory značně rozcházejí. Je třeba se dopracovat k tomu, které faktory mají skutečně silný vliv na náklady. Faktor spotřeby proudu a plynu činí – v rozporu se značnou pozorností, která se mu přikládá – pouze asi tři procenta nákladů na díl. Zůstávají náklady na obsluhu, které zpravidla nezávisí na stroji, a náklady na stroj. Záchytný bod poskytne hodinová sazba stroje, ale ještě důležitější je odpověď na otázku, kolik dílů za hodinu stroj vyrobí. Když oba aspekty sloučíme, zjistíme výši nákladů v eurech na jeden díl. Příklad: Při tavném řezu nerezu do čtyř milimetrů dosahuje zařízení TruLaser 5030 fiber s pevnolátkovým laserem o výkonu 3 kW až třikrát rychlejšího posuvu než srovnatelná varianta stroje s technologií CO2 s výkonem laseru 5 kW. To zkracuje dobu obrábění dílu až o 45 procent a výrazně snižuje náklady na jeden díl. Pevnolátkový laser skýtá i další potenciál pro úsporu nákladů, protože jej lze integrovat do sítě a využívat na více strojích. Především zařízení, která nepracují čtyřiadvacet hodin denně, jsou pro to mimořádně vhodná. V kombinovaném
stroji je laser například aktivní pouze po omezenou část doby obrábění dílu, protože stroj provádí vysekávání nebo se konfiguruje. V laserových svařovacích zařízeních je to kvůli instalaci přípravků podobné. Pevnolátkové lasery zde mohou výrazně zvýšit efektivitu, protože je lze během milisekund přepnout z jedné aplikace na jinou. Stroje jsou inteligentně řízeny systémem LaserNetwork a automaticky si vyžádají laserový paprsek tehdy, když jej potřebují k obrábění. Je to systém, který má budoucnost. <
Pevnolátkové lasery jsou vhodné pro perforaci a strukturování solárních článků. Dokáží rovněž vytvářet kódy typu Data Matrix.
„Pro CO2 lasery i pevnolátkové lasery bude i v budoucnu vznikat množství nových aplikací,“ je přesvědčen Klaus Wallmeroth.
„V oboru laserového obrábění ještě mnoho procesů nebylo zcela pochopeno,“ říká Michael von Borstel.
02
Mírové soužití?
O budoucnosti laseru a o otázce, zda pevnolátkový laser jednou přece jen nevytlačí CO2 laser, diskutují Klaus Wallmeroth a Michael von Borstel, kteří ve společnosti TRUMPF zodpovídají za vývoj a výrobu obou těchto typů laseru. Srdečně vás vítáme na diskusním setkání o tom správném laseru ... Klaus Wallmeroth (se smíchem přerušuje): Diskusní setkání? To vás musím zklamat. Můj kolega i já jsme hluboce přesvědčeni o oprávněnosti existence obou typů laseru. Michael von Borstel: Mírové soužití proto, že jak pevnolátkový laser, tak také CO2 laser si svými specifickými výhodami ještě dlouho udrží své místo na slunci. Pokud je to tak, proč se v poslední době tato diskuse tak rozhořela a dostala se téměř do polohy otázky víry?
Wallmeroth: Myslím, že je zatím jednoznačně patrný marketingový záměr zainteresovaných kruhů. Mnozí se zjednodušenou argumentací snaží zavděčit škatulkujícímu způsobu myšlení. Von Borstel:Volba správného laseru je dána aplikační úlohou. Rozhodující jsou individuální požadavky příslušné aplikace. Co je doménou laseru v pevné fázi? Wallmeroth: Při obrábění tenkých plechů má pevnolátkový laser – čili diskový nebo vláknový laser – navrch a přesvědčuje
při tavném řezu vysokou rychlostí. Má to fyzikální důvody: Při řezání plechu o malé tloušťce vznikají mimo jiné v důsledku vysokých rychlostí ploché řezy a v důsledku toho je malý úhel dopadu. Pevnolátkové lasery pracují s vlnovou délkou jednoho mikrometru, a tak se za těchto podmínek velmi snadno absorbují, takže diskový nebo vláknový laser postupuje vpřed mimořádně rychle. Totéž platí pro barevné kovy: Měď nebo mosaz absorbuje laser s menší vlnovou délkou výrazně lépe než paprsek CO2 laseru s vlnovou délkou 10 mikrometrů. Proto také pořízení laseru v pevné fázi vyjde dráže ... Wallmeroth: To je v mnoha případech pravda, ale díky vysoké rychlosti obrábění a díky tomu snížení nákladů na jeden díl se tato vyšší investice velmi rychle vrátí. A ve stále větším počtu případů lze tyto pořizovací náklady už zpočátku udržet na nízké úrovni, a to tehdy, když více strojů spolupracuje v síti TRUMPF LaserNetwork. Pomocí tzv. optického vlákna se například kombinovaný stroj TruMatic 3000 fiber a robotická buňka TruLaser Robot 5020 dělí o jeden diskový laser TruDisk – hospodárněji už to nejde. A co tedy, pane von Borstele, zbývá pro CO2 laser? Von Borstel: S vlnovou délkou deseti mikrometrů má CO2 laser jasnou výhodu s přibývající tloušťkou plechu. U CO2 laseru je tomu jinak než u pevnolátkového laseru: čím více se řez blíží 90 stupňům, tím lépe. Od úhlu dopadu 80 stupňů může výkon laseru optimálně zasáhnout do plechu. Pokud teplota stoupá, účinek se dokonce ještě zesiluje. Ale nejen při tavném řezu silné konstrukční oceli, nerezu a hliníku, ale i v celém spektru tlouštěk plechu přesvědčuje CO2 laser jako univerzální nástroj s trvale vysokou kvalitou řezu a dobrým posuvem.
„Dále optimalizujeme CO2 laser a stále lépe přizpůsobujeme laserový paprsek požadavkům příslušné aplikace.“ Michael von Borstel efektivitu díky další optimalizaci spojování výkonů. Kromě toho se laserový paprsek stále lépe přizpůsobuje specifickým aplikačním požadavkům. U pevnolátkového laseru, pane Wallmerothe, existují dvě koncepce, disk a vlákno. Platí i zde princip soužití? Wallmeroth: Skutečně. Relativně robustní disk obsadil sféru několikakilowattových výkonů. Vláknový laser citlivý na zpětné odrazy slouží především v oblasti jemného řezání. Lze si přesto představit, že společnost TRUMPF jednoho dne vybaví vláknovým laserem klasický stroj na obrábění plechu? Wallmeroth: V současnosti nepozorujeme žádný vývoj, který by vyvracel naše přesvědčení, že pro několikakilowattové stroje je vhodnějším pevnolátkovým laserem diskový laser. Proto vidím vláknový laser jako vhodný spíše v těch obráběcích strojích, které jsou koncipovány pro zcela speciální segmenty – jako již dnes například typová řada TruLaser Cell 3000. Při dovybavení laserem TruFiber se projeví silné stránky tohoto zdroje záření při jemném obrábění velmi jemných dílů, jako jsou například lékařské přístroje a implantáty.
Je tedy v oblasti laseru ještě nějaká neprobádaná oblast? Von Borstel: V oboru laserového obrábění ještě mnoho procesů nebylo zcela pochopeno. To znamená, že často sice víme, co se děje, ale nevíme, proč se to děje. Takto nám například nová infračervená technologie Ústavu pro proudové přístroje Stuttgartské univerzity (IFSW) umožnila pohled „klíčovou Už se technologie CO2 laseru vyčerpala? dírkou“. Díky tomu víme, že paprsek CO2 laseru je po celé délce Von Borstel: Myslím, že konce zdaleka ještě nedosáhla. I když řezu absorbován rovnoměrně, zatímco u pevnolátkového laseru je je CO2 laser zavedená technologie, neustále se zlepšuje. Nejnovější absorpce nerovnoměrná. To potom způsobuje turbulence a vývoj zvýšil energetickou efektivitu CO2 laserů i procesní výstřiky. Wallmeroth: Velmi mnoho se nyní děje v oblasti laserů s krátkým pulsem. Pro řezání materiálů, jako je tvrzené sklo nebo plasty vyztužené uhlíkovými „Relativně robustní disk obsadil vlákny, které nelze obrábět jinými metodami, jsou vyvíjeny vysoce výkonné lasery s vlnovou délkou v sféru několikakilowattových zelené části spektra. Tyto lasery slibují zajímavé výkonů.; naproti tomu vláknový nové aplikace například v oblasti elektromobilů a fotovoltaiky. Kromě toho bychom neměli zapomínat laser citlivý na zpětné odrazy na bouřlivý vývoj u diodových laserů! Stručně slouží především v oblasti shrnuto: Nástroj „laser“ zůstává mladý i 50 let po vyrobení prvního laserového zábleskového zařízení. jemného řezání.“ Pro CO2 laser stejně jako pro pevnolátkový laser i v budoucnu bude vznikat mnoho nových aplikací. <
Klaus Wallmeroth
03 a
CO2 laser Vysoce kvalitní, odolné a flexibilní: Stroje značky TRUMPF s CO2 laserem si poradí s jakoukoli tloušťkou plechu.
Stroj TruLaser 3030 obrábí s řeznou hlavou plechy až do tloušťky 25 milimetrů.
Inteligentní řešení z trubek a profilů? Stroj TruLaser Tube 7000 zajistí vysoce kvalitní řez.
Snadno automatizovatelné a flexibilní: stroje TruLaser Cell 7040 pro 3D řezání a svařování laserem.
CO² laser – dostupné stroje: TruLaser 1030 +++ TruLaser řady 2000 +++ TruLaser řady 3000 +++ TruLaser řady 5000 +++ TruLaser řady 7000 +++ TruLaser 8000 +++ TruLaser Cell 1100 +++ TruLaser Cell řady 7000 +++ TruMatic 6000 +++ TruMatic 7000 +++ TruLaser Tube řady 5000 +++ TruLaser Tube řady 7000 +++
Strojem TruLaser 8000 lze obrábět plech o délce až 16 metrů.
Pevnolátkový laser – dostupné stroje: TruLaser 1030 fiber +++ TruLaser 5030 fiber +++ TruLaser řady 7000 fiber +++ TruLaser Cell 1100 fiber +++ TruLaser Cell řady 3000 +++ TruLaser Cell 7040 fiber +++ TruLaser Cell 8030 +++ TruLaser Robot 5020 +++ TruMatic 3000 fiber +++
Vyvinuto pro řezání dílů tvarovaných zatepla: 3D laserový řezací stroj TruLaser Cell 8030.
S jedním laserem TruDisk řeže TruLaser 5030 fiber tenký plech velmi hospodárně.
Jeden příklad za všechny: Stroj TruMatic 3000 fiber je ideální pro použití v síti a kombinuje laserové řezání a vysekávání.
Robot TruLaser 5020 rychle a čistě ve 3D vytváří svary se složitou geometrií.
Pevnolátkový laser Hbité, přesné a efektivní: Stroje TRUMPF s pevnolátkovým laserem si při řezání a svařování rychle poradí.
03 b
04
Nové aplikace při obrábění materiálů, revoluční kroky ve vývoji a stroje nového typu: ohlédnutí za více než 50letou historií laseru.
Milníky 1979 // 1960 // V květnu 1960 zažehl Dr. Theodore H. Maiman první laserové zábleskové zařízení. Rezonátorem byl rubín, zdrojem záření záblesková výbojka.
1967 // Řezání plechu První funkční řeznou plynovou tryskou začíná rozmach řezání laserem, růst subdodavatelského trhu a rozvoj snadno ovladatelných průmyslových laserových strojů.
Firma TRUMPF představuje první kombinovaný laserový vysekávací stroj. Jako zdroj záření slouží CO2 lasery s výkonem 500 a 700 wattů z USA.
// Společnost TRUMPF se představuje jako výrobce laserů. Její první CO2 laser TLF 1000, který sama vyvinula a vyrobila, disponuje výkonem paprsku přesahujícím jeden kilowatt a je prvním kompaktním laserovým rezonátorem s vysokofrekvenčním buzením.
1964 // CO2 laser S touto kategorií vstupují do odvětví obrábění materiálů vysoce výkonné lasery. I v nepřetržitém režimu poskytují vysoký výkon při přijatelné energetické efektivitě.
1971 // kolem r. 1965 // Značení laserem Již brzy se vyskytla myšlenka použít laser k vyrývání značek do materiálů. Trvalo však téměř deset let, než byly k dispozici snadno ovladatelné systémy vhodné pro průmyslové využití.
Carl Haas začíná ve Schrambergu s vývojem pevnolátkových laserů. Dnes patří jeho firma do skupiny TRUMPF.
// Svařování Tailored Blanks. „Plechy uříznuté na míru” výrazně pomáhají při výrobě lehčích a úspornějších vozidel. Dnes se po celém světě používá více než 400 automatických laserových svařovacích zařízení na tyto plechy a jejich počet se dále zvyšuje.
„Využíváme síť LaserNetwork, v níž laserový rezonátor zásobuje více komponent jako například laserový stroj, kombinovaný stroj a svařovací robot. To nám na světovém trhu poskytuje rozhodující konkurenční výhodu.“ Dr.-Ing. Mathias Kammüller, předseda představenstva divize obráběcích strojů/elektrického nářadí společnosti TRUMPF
1992 // Řezání stentů Lékařské přístroje jsou dobrým příkladem toho, jak laser může do určitého odvětví přinést revoluci: Když po celém světě výrazně vzrostla poptávka po stentech, byl laser při jejich výrobě nástrojem první volby.
1995 // TRUMPF rozšiřuje výrobní program integrací výrobních postupů, jako je laserové svařování a obrábění trubek. V řezacím zařízení s plochým ložem TRUMATIC LY 2500 poprvé pevnolátkový laser obrábí tenké plechy.
2012 // V modelu TruLaser 1030 fiber představuje společnost TRUMPF stroj, který se vyznačuje nízkými investičními i provozními náklady a snadným ovládáním. Diskový laser TruDisk 2001 umožňuje vysokou rychlost posuvu v tenkém plechu do tloušťky tří milimetrů a použití v síťovém režimu.
1988 // Pulsy s diodovým laserem „Výhradně pevnolátkový laser “ výrazně zvyšuje svou efektivitu a výkon a proniká do aplikací využívajících svařování, vrtání,značení a ve stále vyšší míře i řezání.
// TRUMPF představuje model TRUMATIC L 3000, laserové řezací zařízení s plochým ložem a pohyblivou optikou. Nepohybuje se obrobek, ale obráběcí hlava „poletuje“ nad plechem.
2010 // Kromě CO2 laseru si místo na slunci získává také diskový laser – jako společný zdroj záření pro dvě aplikace v síti LaserNetwork nebo jako vysoce výkonné řešení pro obrábění tenkého plechu ve stroji TruLaser 5030 fiber.
2011 // 40 let laseru ve společnosti TRUMPF – po celém světě je na trhu již 20 000 CO2 laserů.
Glosář ze světa laseru
Klíčové pojmy Absorpce (= lat. pohlcení) znamená při obrábění materiálu laserem pohlcování laserového záření obrobkem. Stupeň absorpce – tedy množství pohlceného laserového záření – se při stejné vlnové délce u různých materiálů liší. A opačně platí: V jednom materiálu se při různých vlnových délkách projeví různé stupně absorpce. Navíc závisí stupeň absorpce na úhlu dopadu, na teplotě, stavu agregátu a vlastnostech povrchu materiálu. Obráběcí optika Obráběcí optika zaostřuje laserový paprsek zrcadly nebo čočkami. Kromě toho obsahuje rozhraní pro stroj, například pro snímače, a může přivádět pomocné látky a plyny. CO2 plynový laser Běžný typ laseru pro obrábění materiálů. Laserové záření vzniká ve směsi plynů z oxidu uhličitého (CO2), dusíku (N2) a hélia (He). Molekula CO2 generuje laserové záření. Dusík a hélium slouží jako pomocné plyny. Vlnová délka CO2 laseru
Divergence (= lat. rozbíhavost) Laserové paprsky jsou nasměrované. Nejsou to však rovnoběžné paprsky, ale odchylují se a tím pádem se rozbíhají. Tato rozbíhavost se označuje pojmem divergence. Úhel otevření (úhel divergence) udává, jak moc se laserové paprsky rozbíhají. Pevnolátkový laser Běžný typ laseru pro obrábění materiálů. Aktivním prostředím je dotovaný krystal nebo dotované sklo. Typickými příklady jsou: Nd:YAG a Yb:YAG (neodymem a ytterbiem dotovaný yttritohlinitý granát ) a Yb:sklo. Vlnová délku laseru v pevné fázi převážně závisí na dotovacím iontu a pro uvedená prostředí činí asi jeden mikrometr. Procesní parametry Ovlivňující veličiny, jimiž lze proces obrábění řídit. Například jsou to: výkon laseru, hustota výkonu, průměr laserového svazku, poloha ohniska, rychlost obrábění a provozní režim.
Řezný plyn Plyn, který podporuje proces obrábění. Při řezání laserem například pracovní plyn vytlačuje roztavený materiál z řezné spáry. Vedení paprsku Dráha mezi zdrojem záření a obráběcí optikou a součástky, které vedou laserový paprsek. Laserové paprsky lze vést volně, například v ochranných trubkách a vlnovcích. Laserové paprsky laseru v pevné fázi a diodového laseru lze vést k obráběcí optice laserovými optickými kabely. Kvalita paprsku Základní vlastnost laserového paprsku. Kvalita paprsku popisuje chování paprsku při šíření a tím i možnost jeho zaostření. Kvalita paprsku je určena rozbíhavostí (divergencí) laserových paprsků za prvním krčkem a průměrem krčku. Charakteristické veličiny, které popisují kvalitu paprsku, jsou poloměr laserového svazku v krčku, hodnota M² a tzv. Kfaktor.
TRUMPF Special vydává společnost TRUMPF Werkzeugmaschinen GmbH + Co. KG, Johann-Maus-Straße 2, 71254 Ditzingen, www.trumpf.com Za obsah zodpovídá Dr.- Ing. Mathias Kammüller, šéfredaktorka Anke Roser, redakce pr+co. gmbh, Stuttgart, Norbert Hiller, Julia Schmidt Fotografie KD Busch, Udo Loster, Gernot Walter, sazba a výroba pr+co. gmbh, Stuttgart; Gernot Walter, Markus Weißenhorn Reprodukce Reprotechnik Herzog GmbH, Stuttgart, výroba frechdruck GmbH, Stuttgart
