Moderní řezání kovových materiálů – ekonomické a ekologické faktory

• Foto

Laserová technologie se v průmyslu objevuje v celé řadě oblastí, nejčastěji se s ní však setkáváme v oblastech popisu a dělení materiálů. Nekovové materiály se zpracovávají nejčastěji pomocí plynových CO₂ laserů, v případě zpracování kovů je však možností více.

CO₂ LASERY

Pro dělení kovů se nejdéle – stejně jako u nekovových materiálů – využívají lasery typu CO₂. Tato zařízení poskytují zpravidla poměrně vysokou kvalitu řezu, ovšem za cenu vysokého příkonu stroje. Do tohoto příkonu řada dodavatelů ve svých reklamních materiálech nezapočítává náklady na chlazení laserové soustavy, neboť efektivita převodu elektrické energie na světelnou je u CO₂ laseru v porovnání s modernějšími typy vláknových laserů poměrně nízká. Přebytečný – tedy nepřevedený – výkon se následně mění na tepelnou energii, kterou je třeba ze soustavy odčerpávat. Příkon chladící soustavy se tak často blíží příkonu samotného laseru a při výpočtu efektivity je třeba brát i na tento faktor ohled.

Další nevýhodou pro dělení kovů u CO₂ laserů je jejich ne právě ideální vlnová délka 10,640 nm, která není většinou kovů příliš efektivně absorbována. Na obranu tohoto druhu zařízení je však třeba říci, že právě díky vlnové délce se využití těchto zařízení neomezuje pouze na kovy, ale je možné s nimi dělit výrazně širší škálu materiálů.

CO₂ lasery jsou lasery plynové, kde paprsek vzniká elektrickou stimulací směsi plynů. U výkonných laserů, které jsou určeny pro práci s kovem je tak vyžadován přísun technických plynů o vysoké čistotě, které dále zvyšují náročnost a nákladnost celého procesu.

Posledním faktorem, který je třeba brát v potaz je koherentnost paprsku CO₂ laseru. Abychom zbytečně nezabíhali do technických termínů – jedná se o možnost zaostření řezného paprsku na co nejmenší plochu. Ani v této oblasti bohužel CO₂ lasery nepatří mezi favority. Z praktického hlediska to znamená, že tam kde CO₂ laser pro dělení kovu o dané síle potřebuje výkon v řádech kilowattů, vláknový laser si vystačí s optickým výkonem v řádu stovek wattů.

YAG LASERY

Další variantou laseru, který je velmi často využíván k dělení kovových materiálů je laser typu YAG. Jedná se o pevnolátkový laser, ve kterém samotný paprsek vzniká v krystalu rubidia a je stimulován u modernějších typů pomocí LED diod, u starších typů pomocí xenonových výbojek. Vlnová délka laseru je 10× nižší než u CO₂ typu, tedy 1,064 nm a je tak vhodnější k práci s kovovými materiály. Koherentnost paprsku bohužel nedosahuje ani v případě YAG laseru extra vysokých hodnot a proto je potřeba relativně vysoký výkon i pro řez v tenčích materiálech. Chlazení optické soustavy je i v tomto případě poměrně náročné a je třeba jej započítávat do celkové energetické náročnosti výroby.

YAG zdroje mají relativně nízkou životnost a tyto stroje tak potřebují jejich občasnou výměnu. Omezená je jak životnost xenonových výbojek, tak i samotného krystalu.

Přenos paprsku od zdroje záření do řezné hlavice stroje se u YAG laserů provádí soustavou speciálních zrcadel, kde dochází vždy ke ztrátě výkonu a přeměně části dopadající světelné energie na tepelnou, proto i tato zrcadla musí být chlazena aktivním oběhem chladicí kapaliny.

VLÁKNOVÉ LASERY

Z ekologického, ale i z ekonomického hlediska v dnešní době dopadají pravděpodobně nejlépe lasery vláknové (fiber laser), kde samotný paprsek vzniká ve speciálním optickém vlákně obohaceném rubidiem. Pro zesílení výkonu na požadovanou úroveň se využívá speciálních pumpovacích LED diod. Tento zdroj lze bez nadsázky označit za nejekologičtější hned z několika důvodů. Jeho životnost je velmi vysoká – zpravidla v rozmezí 70 000 – 100 000 pracovních hodin stroje. Pro svůj provoz zdroj nevyžaduje kromě elektrické energie žádné další vstupy. (Pro upřesnění – vláknový řezací laser vyžaduje přísun kyslíku, dusík či tlakového vzduchu jako asistenčního plynu při své činnosti. Tyto technické plyny však nejsou potřeba pro samotný vznik laserového paprsku jako v případě CO₂ laseru, ale pouze k posílení či utlumení exotermické reakce při samotném řezu.) Paprsek se vyznačuje extrémně vysokou koherentností, dovolující čistý řez o minimální šířce i při relativně nízkém výkonu. Díky vysoké efektivitě převodu elektrické energie na světelnou vzniká pouze omezené množství parazitní tepelné energie, proto chlazení tohoto typu laseru je velmi nenáročné. Celá řezná soustava s chlazením má tak v porovnání jak s CO₂ lasery tak s lasery typu YAG pouze minimální energetickou náročnost, zařízení je jednoduché na obsluhu a má pouze minimum spotřebního materiálu, který je zastoupen tryskou plynu a ochranným sklíčkem, které brání v přístupu asistenčního plynu do prostoru optiky hlavy. Další výhodou pak je vedení samotného paprsku od zdroje k řezné hlavě, které se provádí optickým vláknem, uloženým v pancéřovaném kabelu. Nejsou zde tedy žádná zrcátka vyžadující pravidelné čištění či seřizování, jak je tomu u předchozích typů.

Abychom však na vláknové lasery nepěli jen samou chválu, je třeba zmínit i jejich negativa. Na současné úrovni technologického rozvoje se jejich výhody dané především koherentonstí paprsku projeví nejvíce při dělení kovů do síly cca 15 – 20 mm. Nad touto hranicí poskytují CO₂ lasery vyšší řezné rychlosti a v celkovém součtu i lepší ekonomické parametry.

PRAKTICKÝ PŘÍKLAD

Dovolte mi závěrem zmínit jeden praktický příklad, sloužící k porovnání efektivity laserů YAG a laserů vláknových. Před pouhými dvěma lety jsme k nám do firmy pořídili jako vzorový stroj laser typu YAG. Jeho pořizovací cena byla znatelně nižší, než cena laseru vláknového o srovnatelném výkonu, proto jsme předpokládali zájem ze strany menších firem. Dnes je tento laser bohužel již zcela neprodejný. Proč? Zařízení má optický výkon 620 W. Celkový příkon tohoto zařízení při plném výkonu a včetně chladící soustavy se pohybuje kolem hodnoty 38 kW. S použitím kyslíku jako asistenčního plynu dovoluje řezat černý ocelový plech do síly 3 – 4 mm. Cena tohoto stroje se pohybovala lehce pod hranicí 2 milionů Kč. Dnes v naší nabídce naleznete vláknový laser HSG se zdrojem Raycus 300 W, který – opět s použitím kyslíku – dovoluje řezat ocelový plech o shodné síle, tedy opět 3 – 4 mm. Toto zařízení je na rozdíl od laseru YAG prakticky bezúdržbové, jeho cena jen mírně přesahuje hranici 1 720 000 Kč a navíc jeho příkon je zanedbatelný – ve špičce nepřesáhne včetně chladicí soustavy hodnotu 4 kW.

ZÁVĚREM

Pokud tedy pro Vaši společnost přemýšlíte o nákupu technologie, myslete ekologicky a ekonomicky. Nehleďte na cenu stroje a na jeho výkon, protože tyto parametry ani zdaleka zákazníka neinformují o tom, co ho zajímá – co může řezat, kolik údržby stroj vyžaduje, jaké další vstupy kromě elektrického proudu vyžaduje a jaká bude cena za řez. Přestože se zdá, že se jedná o otázky čistě ekonomické, povedou odpovědi k výběru stroje s vysokou efektivitou a minimem používaných asistenčních plynů a snadnou údržbou. A takový stroj bude výhodný nejenom ekonomicky, ale nabídne i nejmenší vliv na životní prostředí.

Autor

• Tůma Petr