Углекислотный CO2 лазер – что это такое, как работает и как выбрать оборудование

• Принцип работы углекислотного лазера
• Преимущества CO2-лазеров
• Недостатки CO2-лазера
• Как выбрать лазерный станок
• С какими материалами работает CO2 лазер?
• Лазерная CO2 резка

В мире современных технологий лазеры стали незаменимыми инструментами. Среди множества доступных лазерных устройств одними из самых универсальных и широко используемых являются CO2-лазеры. Они эффективны для множества отраслей промышленности и различных видов работ. Применяются для резки, гравировки, маркировки и медицинских процедур. В этой статье мы ознакомимся с данным видом лазерного оборудования, рассмотрим его принцип работы и критерии выбора CO2 аппаратов. 

Принцип работы углекислотного лазера

CO2 лазеры работают по принципу  усиления света за счет использования газовой среды. Активной средой в данном случае является углекислый газ, который находится в герметичной трубке, оснащенной отражающими зеркалами на каждом конце. Лазерная трубка представляет собой пустотелый стеклянный цилиндр, внутри которого запаяна активная среда. Зеркала образуют оптический резонатор, позволяющий лазерному лучу отражаться назад и вперед, набирая интенсивность с каждым проходом. 

Газовый лазер был первым лазером непрерывного действия и первым лазером, работающим по принципу преобразования электрической энергии в лазерный световой поток.

При стимуляции электрическим током молекулы азота в газовой смеси возбуждаются, набирают энергию и переходят в высокоэнергетическое состояние. Возбужденные молекулы газа CO2 высвобождают фотоны, возвращаясь в свое основное состояние, в результате чего образуется когерентный пучок лазерного излучения. На этом этапе лазер достигает состояния, называемого инверсией населенности - точки, в которой в системе больше возбужденных частиц, чем невозбужденных. Для получения пучка света лазером атомы азота должны потерять свое возбужденное состояние путем выделения энергии в виде фотонов. Это происходит, когда возбужденные атомы азота вступают в контакт с очень холодными атомами гелия, что вызывает высвобождение света азотом.

Головка лазерного излучателя перемещается над заготовкой и последовательно «выжигает» лазером требуемый контур — в соответствие с маршрутом обработки. Лазерный луч генерируется специальной трубкой — и затем с помощью зеркал направляется к лазерной головке. 

Преимущества CO2-лазеров

CO2-лазеры обладают многочисленными преимуществами, которые способствуют их широкому распространению в различных отраслях промышленности. Вот некоторые ключевые преимущества:

Универсальность: CO2-лазеры могут эффективно работать с различными материалами и проводить различные операции с ними, например, металлы, пластмассы, стекло и органические вещества. Управляющие программы, построенные на базе обычных графических эскизов, дают возможность создавать сложные программы. А возможности лазерного станка (даже базовые модели имеют три степени свободы движения «инструмента»-лазера) позволяют превращать заготовку в изделие, на 100% соответствующее своей виртуальной модели.

Рис. 1. Схема прохождения лазерного луча

Точность: Сфокусированный луч CO2-лазера обеспечивает точные результаты резки с минимальным термическим воздействием и без брака. 

Скорость и эффективность: CO2-лазеры быстро обрабатывают различные материалы, увеличивая скорость производства и улучшая технические характеристики полученных изделий. 

Бесконтактная резка: Лазерная резка CO2 - это бесконтактный процесс, исключающий необходимость физического контакта с материалом. Это снижает риск деформации материала и позволяет выполнять резку деликатных или чувствительных материалов.

Экономичность: CO2-лазеры очень экономичны благодаря своей производительности, минимальным количеством отходов материала и низким требованиям к обслуживанию.

Рис. 2. Устройство CO2 лазера 

Недостатки CO2-лазера

Ограниченное поглощение материалами: CO2-лазеры подходят для материалов, которые могут поглощать 10,6-микрометровую длину волны лазерного луча. Такие материалы, как отражающие металлы, прозрачные пластмассы и некоторые виды керамики, имеют ограниченные возможности поглощения, что может осложнить или сделать невозможным лазерную обработку данных материалов.

Высокое энергопотребление: СО2-лазеры в зависимости от их мощности и других факторов могут использовать значительного количества электрической энергии для работы. Энергопотребление может привести к увеличению расходов на электроэнергию, особенно в промышленных условиях, где лазеры используются на протяжении всего дня. 

Размер оборудования: Лазеры могут сильно отличаться по размеру, например газовые маркеры бывают очень компактными и портативными, занимая небольшое пространство в мастерской, но есть и большие устройства, которые могут вызывать трудности при эксплуатации. Для их установки может потребоваться специальное рабочее пространство и надлежащие системы вентиляции. Также для обслуживания и ремонта CO2-лазеров необходимы специальные знания и технический опыт.

Ограниченная глубина реза: Глубина реза CO2-лазера ограничена, так как при резке более толстых предметов энергия лазерного луча может рассеиваться, не успевая полностью проникнуть в материал, это может привести к плохому разрезанию или необходимости нескольких проходов.

Меры предосторожности: При неправильной эксплуатации станка могут возникнуть проблемы с безопасностью для работников и самого прибора. CO2-лазеры испускают невидимый инфракрасный лазерный луч, который необходимо контролировать. На предприятии должны обязательно соблюдаться все меры предосторожности, персонал и операторы станков должны быть обучены и проинструктированы. Для защиты глаз необходимо использовать защитные очки, специальную одежду и своевременно настраивать станок. 

Рис. 3. Оплавленность лазерной трубки в результате некачественно закрепленного контактного провода

Как выбрать лазерный станок

Применение и совместимость материалов: Определите основное назначение лазерного станка и материалы, с которыми собираетесь работать. Различные типы лазеров могут иметь преимущества в конкретных областях применения, например, волоконные лазеры для резки металла или CO2-лазеры для органических материалов и неметаллических подложек.

Требования к мощности и скорости: Более мощные лазеры могут эффективнее резать толстые материалы, а более высокая скорость обработки повышает производительность. Учитывайте баланс между мощностью, скоростью и точностью для эффективный работы. 

Ограничения рабочего пространства и размеров: Заранее продумайте, где будет располагаться аппарат и какие максимально допустимые размеры для вас подходят. Узнайте физические размеры и площадь основания станка, чтобы убедиться, что он может быть размещен на вашем предприятии без помех для работы или угрозы безопасности.

Бюджет и расходы

Определите свой бюджет на приобретение и обслуживание лазерного станка. Учитывайте не только первоначальную стоимость покупки, но и такие факторы, как текущее обслуживание, расходные материалы и потребление электроэнергии. 

Баланс между экономической эффективностью, а также производительностью и качеством имеет решающее значение.

Поддержка и обучение

Оцените уровень технической поддержки, обучения и послепродажного обслуживания, предоставляемого производителем или поставщиком. Правильное обучение и поддержка помогут оптимизировать работу оборудования, устранить неполадки и обеспечить плавную интеграцию лазерного станка в рабочий процесс.

Функции безопасности 

Обратите внимание на функции безопасности, встроенные в лазерный станок. Ключевые элементы безопасности, такие как блокировки, кнопки аварийной остановки и защитные кожухи. 

Лазерная фокусировка

Возможности фокусировки лазера определяют уровень детализации и точность резки и гравировки. Необходим аппарат, который позволяет регулировать фокус лазера для работы с материалами различной толщины и достижения требуемого уровня точности.

Рис. 4. Царапина в нижней части стеклянной колбы, послужившая причиной утечки газов

С какими материалами работает CO2 лазер? 

Рис. 5. Возможности обработки материалов CO2 лазерами

Лазерная CO2 резка 

Лазерная резка CO2 - это метод точной резки различных материалов. В нем используется мощный лазерный луч, генерируемый газовым лазером на диоксиде углерода (CO2), для испарения или расплавления материала. 

Лазерный луч быстро нагревает поверхность материала, вызывая его испарение или плавление. Сфокусированный луч и система управления ЧПУ обеспечивают точное перемещение и позиционирование, позволяя создавать сложные конструкции и формы с высокой точностью. Этот процесс универсален и подходит для широкого спектра материалов, включая металлы, неметаллы и органические материалы. В результате получаются чистые срезы с минимальными искажениями или заусенцами, что снижает необходимость вторичной обработки. Лазерный CO2 резак  отличается своей эффективностью, производительностью и способностью выполнять сложные задачи в различных отраслях промышленности.

Рис. 6. Лазерная гравировка фанеры Co2 лазером