Kiến thức về máy cắt laser fiber từ A đến Z

24/11/2020 Đăng bởi: Trịnh Ngọc Quý

1. Máy cắt laser fiber là gì?

Máy cắt laser là loại máy cnc sử dụng nguồn năng lượng tạo ra từ tia laser để cắt đứt các vật liệu theo các hình dạng được vẽ sẵn từ trước trên máy với độ chính xác cao. Như vậy máy cắt laser có 2 phần chính là phần cơ khí để điều khiển đầu cắt chạy theo bản vẽ và phần nguồn laser cùng với đầu cắt laser để cắt vật liệu

Nguồn laser là một thiết bị hoạt động theo nguyên lý điện quang, tức là điện năng để tạo thành năng lượng laser (tia laser). Nguồn laser thường được đặt tên theo loại vật liệu được sử dụng để tạo ra tia laser, và thường được chia thành 2 nhóm là laser thể khí và laser thể rắn.

Loại laser thể khí phổ biến nhất là laser CO2, tia laser được tạo ra bởi chùm tia plasma phóng trong ống cao áp chứa khí CO2, bước sóng khoảng của laser CO2 10um.

Laser CO2 có một vài nhược điểm là nó tiêu thụ năng lượng điện rất lớn và tuổi thọ của ống phóng laser không cao (chỉ khoảng vài ngàn giờ), cùng với hệ thống gương phản xạ phức tạp để dẫn tia laser đến đầu cắt cũng phải định kỳ thay thế nên chi phí vận hành của máy cắt laser CO2 rất cao.

Laser thể rắn phổ biết trước đây là laser YAG hay còn gọi là laser tinh thể. Sở dĩ gọi như vậy là vì tia laser được phát ra khi người ta chiếu ánh sáng kích thích bằng đèn flash hoặc đèn diode laser vào tinh thể đất hiếm (YAG) sẽ tạo ra chùm tia laser có bước sóng khoảng 1 um (nhỏ hơn 10 lần so với laser CO2). Mặc dù có hiệu suất chuyển đổi điện-quang cao hơn  Co2, nhưng nhược điểm của laser YAG là nhiệt độ của thanh YAG rất cao trong quá trình phát ra tia laser. Nên vấn đề tản nhiệt gặp rất nhiều khó khăn và tuổi thọ của thanh YAG còn thấp và chất lượng chùm tia laser không cao ảnh hưởng đến chất lượng đường cắt.

Với sự phát triển của khoa học, gần đây, người ta đã tạo ra laser fiber hay còn gọi là laser sợi quang là loại laser ưu việt, xử lý triệt để các nhược điểm cố hữu của laser YAG và laser CO2. 

Gọi là laser fiber vì người ta đã phân tán chúng trong sợi fiber (sợi quang). Khi chiếu ánh sáng kích thích vào sợi fiber các nguyên tố đất hiếm phát ra tia laser ngay trong sợi fiber và sau đó được dẫn trực tiếp đến đầu cắt laser mà không cần qua các gương phản xạ nên có hiệu quả chuyển đổi năng lượng tốt. Laser fiber rất linh hoạt, chúng có thể được truyền trong sợi quang uốn cong.

2. Ứng dụng của máy cắt laser fiber

Máy cắt laser fiber được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực như:

  • Cơ khí chế tạo máy: máy cắt laser fiber có thể tạo ra các chi tiết máy với độ chính xác cao, chất lượng đường cắt rất tốt, có thể sử dụng ngay mà không cần qua các khâu xử lý khác như phay, tiện…với chi phí thấp.

  • Thiết bị y tế: Thật khó mà tưởng tượng đến việc chế tạo các thiết bị y tế bằng kim loại tinh xảo, phức tạp mà không có sự góp sức của máy cắt laser fiber.

  • Ngành ô tô: Ngành công nghiệp ô tô phát triển từng giây. Sử dụng máy cắt laser fiber làm cho ngành công nghiệp này dễ dàng hơn trong việc đối phó với sự tiến bộ hàng ngày trong thiết kế và công nghệ. Những chiếc máy cắt laser rất tuyệt vời để cắt các bộ phận nhỏ và phức tạp được sử dụng trong xe ô tô với độ chính xác tuyệt vời.

  • Ngành điện tử: Những chi tiết tinh vi của ngành công nghệ điện tử chỉ có thể thực hiện được với máy cắt laser fiber

  • Ngành trang trí nội ngoại thất và quảng cáo: ngày nay ở khắp mọi nơi, từ sân bay, các nhà hàng, khách sạn hay các biệt thự sang trọng bạn dễ dàng bắt gặp các sản phẩm mỹ thuật trang trí được cắt bằng máy cắt laser như các vách ngăn cnc, tranh cnc, cửa lan can cầu thang, biển quảng cáo…

3. Có phải máy cắt laser fiber có thể cắt được tất cả các loại vật liệu không?

Không. Laser fiber có bước sóng 1064nm, bước sóng này được hấp thụ rất tốt bởi vật liệu kim loại như sắt, inox, nhôm, đồng, titan, ceramic (một dạng oxit nhôm)… nên nó có thể cắt hầu hết các kim loại, nhưng nó không cắt được vật liệu bằng phi kim như mica, gỗ, da, nhựa…vì các vật liệu này không hấp thụ tốt bước sóng của laser fiber.

4. Chi phí vận hành máy cắt laser fiber có cao không?

So với các phương pháp cắt kim loại khác như: cắt plasma, cắt laser Co2, cắt tia nước thì máy cắt laser fiber có chi phí vận hành thấp nhất và chi phí bào trì thấp nhất.

5. Máy cắt laser fiber có thể cắt dày tối đa bao nhiêu? Tốc độ cắt thế nào?

Độ dày cắt phụ thuộc vào công suất của nguồn laser. Ví dụ với nguồn laser fiber công suất 1kW thì có thể cắt sắt có độ dày tối đa 12mm, inox 4mm.

Bảng tốc độ cắt tương ứng với công suất nguồn laser fiber

Vật liệu

Độ dày (mm)

500w

700W

1000W

1500W

2000W

3000W

4000W

m/phút

m/phút

m/phút

m/phút

m/phút

m/phút

m/phút

 

 

 

 

 

 

 

 

SẮT

1

10

12

15.3

20

22

25

30

1.5

8

9

12

15

15

20

 

2

6

6

7

8

11

13

20

2.5

4.5

4.5

5

6

7

9

 

3

3

3.5

3.8

4

4

6

10

4

1.5

2.2

2.5

3

3.2

4.8

5.5

5

0.8

1.8

2

2.5

2.6

3.2

4

6

 

1.4

1.5

1.8

2.2

2.8

3.2

8

 

1

1.5

1.5

1.6

2.2

2.8

10

 

 

1.1

1.1

1.3

1.5

2.0

12

 

 

0.5

0.9

1.0

1.3

1.5

14

 

 

 

0.55

0.8

1.0

 

16

 

 

 

 

0.6

0.7

0.7

18

 

 

 

 

 

0.6

0.7

20

 

 

 

 

 

0.55

0.7

 

 

 

 

 

 

INOX

0.5

20

25

30

 

 

 

 

0.6

 

 

 

 

 

 

 

0.8

16

20

25

 

 

 

 

1

10

13.5

18

20

22

28

40

1.2

8

10

15

17

18

22

 

1.5

6

8

12

13

15

16

 

2

4

5

7

9

12

14

20

2.5

2

3

5

7

9

10

 

3

1

2

3.8

5

5.5

7

12

3.5

 

 

 

 

 

6.3

 

4

 

1

1.6

2.5

3.5

5

6.5

5

 

 

 

1.8

2.2

2.5

4.5

6

 

 

 

1.2

1.5

2

3.5

8

 

 

 

 

1

1.4

2

10

 

 

 

 

 

0.8

1

12

 

 

 

 

 

 

0.8

15

 

 

 

 

 

 

0.6

Ghi chú: Bảng trên chỉ mang tính tham khảo, Tùy theo chất lượng vật liệu và chất lượng khí cắt, tốc độ cắt có thể khác so với bảng trên.

6. Vì sao với cùng công suất nguồn laser các nhà cung cấp lại báo khả năng cắt độ dày khác nhau?

Đối với cắt laser, có 2 ngưỡng cắt là khả năng cắt tối đa và khả năng cắt đẹp.

Khả năng cắt tối đa:là khả năng cắt đứt vật liệu nhưng chất lượng đường cắt có thể không đảm bảo và có thể không phù hợp với nhiều ứng dụng.

Khả năng cắt đẹp: là khả năng cắt với chất lượng đường cắt đảm bảo dùng được cho nhiều ứng dụng.

Vì vậy với cùng công suất có nhà cung cấp ghi khả năng cắt đẹp có nhà cung cấp ghi khả năng cắt tối đa để thu hút khách hàng (các nhà cung cấp giá rẻ hay dùng cách này) dù họ biết rằng khả năng cắt tối đa nhưng có thể không dùng được.

Ngoài ra, chất lượng đường cắt, như độ dày cắt cũng phụ thuộc một phần vào người vận hành. Nếu người vận hành có kinh nghiệm, chỉnh đúng thông số sẽ cho chất lượng đường cắt và độ dày cắt cao nhất.

7. Các bộ phận chính của Máy cắt laser fiber

Máy cắt laser fiber gồm có 3 bộ phận chính:

  1. Nguồn laser fiber

  2. Đầu cắt laser

  3. Bàn máy và các trục chuyển động

Nguồn laser fiber: Có rất nhiều nhà sản xuất nguồn laser fiber trên thế giới như IPG, Trumf, nLight, SPI…mỗi nhà cung cấp đều có những ưu và nhược điểm riêng, khó có thể kết luận một cách chắc chắn là cái nào tốt hơn. Nhưng nếu xét về tính phổ biến (được sử dụng rộng rãi) và về doanh số hàng năm thì nguồn IPG của Đức đang là số 1 trên thế giới.

Đầu cắt laser: Cũng có rất nhiều nhà sản xuất chỉ chuyên sản xuất đầu cắt laser như Precitec của Đức, Raytools của Thụy Sỹ (sản xuất ở TQ), WSX của Trung Quốc…gần đây thì IPG cũng sản xuất mỏ cắt laser nhưng chưa được dùng phổ biến. Do giá thành còn rất cao nên mỏ cắt Precitec chỉ thường được sử dụng trên các dòng máy có công suất lớn hoặc các dòng máy cao cấp.

Bàn máy và các trục chuyển động: Là nơi để đặt vật liệu cắt, nó có các trục X, Y Z để di chuyển mỏ cắt theo bản vẽ.

Có 2 loại kết cấu bàn máy:

Loại dùng sắt hộp: đây là dạng kết cấu dễ thực hiện nhất và có chi phí chế tạo rẻ nhất, nên được rất nhiều nhà sản xuất máy giá rẻ sử dụng. Sắt hộp có độ dày hạn chế, loại dày nhất chỉ khoảng 12mm và nó không được chế tạo để làm bàn máy cho máy cắt laser vốn cần độ chính xác và độ ổn định cao.

Nhược điểm của loại kết cấu bàn máy bằng sắt hộp là trọng lượng khá nhẹ và sắt hộp sẽ bị biến dạng theo thời gian khi hoạt động ở tốc độ cao.

Mặc dù nhà sản xuất cố tình đổ xi măng vào trong thép hộp để bàn máy năng hơn và trui nhiệt để sắt hộp cứng hơn nhưng cũng chỉ là để qua mắt người sử dụng chứ không giải quyết được hạn chế này.

Về mặt cảm quan bạn sẽ dễ dàng thấy được bàn máy làm bằng sắt hộp trông có vẻ mỏng manh mặc dù nhà sản xuất có che đậy cỡ nào, thậm chí khai dối trọng lượng bàn máy (có những máy làm bằng sắt hộp trọng lượng chỉ khoảng 3 tấn đối với máy 1500 x 3000 mm nhưng nhà cung cấp báo trọng lượng lên đến 5, 5 tấn).

Loại dùng thép tấm dày hàn thành khối: Ở vị trí lắp thanh trượt và thanh răng, thép tấm có độ dày lên đến 20 mm, có các xương tăng cứng bên trong bàn máy. Ngoài ra bên trong bàn máy được chia thành nhiều ngăn có cửa đóng mở bằng xi lanh khí nén. Mỏ cắt di chuyển đến ngăn nào thì chỉ ngăn đó được mở, các ngăn khác đóng lại để tăng hiệu quả hút khói trong quá trình cắt. Chỉ có khoảng 10% các nhà sản xuất máy cắt laser trên thế giới dùng loại kết cấu này. Do nhược điểm của loại bàn máy này là chế tạo phức tạp và giá thành cao nên chỉ có các nhà sản xuất hàng đầu thế giới và những nhà sản xuất quan tâm đến chất lượng mới sử dụng.

8. Máy cắt laser fiber sử dụng các loại khí nào?

Nhiệm vụ của tia laser là làm nóng chảy vật liệu, sau đó khí thổi từ mỏ cắt sẽ thổi bay phần kim loại nóng chảy để tạo thành đường cắt. Khí này gọi là khí cắt hoặc khí phụ trợ (assist gas).

Vậy máy cắt laser fiber sử dụng các loại khí cắt nào? Có 3 loại khí cắt thông dụng là O2, N2 và khí nén. Tùy theo loại vật liệu cần cắt và yêu cầu về chất lượng đường cắt mà sẽ chọn loại khí phù hợp.

Khí O2: Thường được sử dụng để cắt sắt (thép carbon). Vì ở nhiệt độ cao (do tia laser tạo ra) khí oxy sẽ phản ứng với thành phần carbon trong sắt giúp tăng nhiệt độ hơn nữa nên chỉ cần một áp suất khí O2 nhỏ (dưới 1 bar) là đã có thể tạo thành đường cắt đẹp trên thép carbon.

Đặc biệt sắt càng dày thì có nhiều carbon nên phản ứng oxy hóa càng mạnh, nhiệt độ càng tăng cao nên áp suất khí thổi cần càng nhỏ. Vì vậy khi cắt sắt càng dày thì càng ít hao khí O2.

Khi cắt Inox cũng có thể dùng khí O2, nhưng đường cắt sẽ bị đen do oxy hóa. Nên đối với nhu cầu không cần đường cắt phải trắng thì có thể dùng khí O2 để tiết kiệm chi phí. Ngoài ra, với cùng công suất nguồn laser, khi dùng khí O2 có thể cắt inox dày hơn so với khi cắt bằng khí N2.

Khí N2: Dùng để cắt inox và các loại kim loại không chứa carbon (Nhôm, đồng, Ceramic…). Để chất lượng đường cắt trên inox được trắng sáng thì áp suất khí N2 phải lớn từ 17 – 20 bar và độ tinh khiết phải từ 99.995 % trở lên. Nếu áp suất không đủ thì đường cắt không đẹp và có nhiều ba vớ. Nếu độ tinh khiết của khí N2 thấp thì đường cắt xấu và bị ố vàng.

Có thể dùng khí N2 để cắt sắt với tốc độ cao hơn và chất lượng đường cắt tốt hơn (không bị chảy khi cắt chi tiết nhỏ) so với khi cắt bằng Oxy. Chỉ áp dụng được với sắt mỏng (độ dày bằng với độ dày cắt inox) và chi phí cắt sẽ cao do khí N2 có giá thành cao.

Khí nén: Có thể dùng máy nén khí cao áp (áp suất từ 14 – 20 bar) để cắt sắt và inox nhằm giảm chi phí. Khi cắt inox bằng khí nén thì đường cắt sẽ có màu vàng sậm (đẹp hơn so với khi cắt bằng oxy nhưng xấu hơn so với khi cắt bằng N2). Khi cắt sắt bằng khí nén đường cắt không đẹp bằng khi cắt bằng oxy, nhưng có thể chấp nhận được. Tuy nhiên chỉ cắt được sắt dưới 5mm bằng khí nén.

8.  Điều gì quyết định đến chất lượng máy cắt laser fiber?

Với cùng nguồn laser fiber và mỏ cắt laser như nhau thì sự khác biệt lớn giữa các nhà cung cấp máy cắt laser fiber là ở cấu tạo của bàn máy, các trúc chuyển động và quá trình điều khiển khí cắt. Chính điều này quyết định đến chất lượng của máy cắt laser fiber.

Bàn máy làm bằng sắt hộp sẽ có giá rẻ hơn nhưng về lâu dài chất lượng máy sẽ nhanh chóng xuống cấp sau khoảng 1 – 2 năm do hiện tượng sắt hộp bị biến dạng theo thời gian khi hoạt động ở tốc độ cao.

Bàn máy làm bằng sắt tấm hàn thành khối có kết cấu vững chắt và lâu bền theo thời gian.

Có người nói tại sao thấy sắt hộp được dùng nhiều cho máy cắt plasma mà không thể dùng cho máy cắt laser? Máy cắt laser có tốc độ không tải và độ chính xác cao hơn gấp 10 lần so với máy cắt plasma. Vì vậy nếu muốn máy laser có cùng đẳng cấp như plasma thì cứ việc dùng sắt hộp.

Có một số nhà cung cấp máy cắt laser có bàn máy làm bằng sắt hộp nhưng họ lại quảng cáo là “Bàn máy bằng thép đúc nguyên khối”. Hãy cẩn thận với những lời quảng cáo lừa dối này. Bàn máy cắt laser không thể đúc được do kích thước lớn và nó có cấu trúc rổng bên trong để làm đường hút khói bụi.

Việc tuân thủ các yêu cầu của nhà cung cấp thiết bị và tạo môi trường tốt cho nguồn laser làm việc cũng là điều hết sức quan trọng. Nguồn laser fiber được lắp trong tủ có gắn điều hòa nhiệt độ chắc chắn sẽ làm việc ổn định và lâu bền hơn so với việc đặt nó trong môi trường bình thường và có nhiều bụi.

Kỹ thuật điều khiển khí cắt trên máy cắt laser cũng rất quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng máy.

Đối với đường khí O2 phải có van chỉnh áp suất tự động, chỉ cần nhập giá trị áp suất mong muốn trong bảng thông số trên màn hình, áp suất sẽ tự động được chỉnh đến giá trị mong muốn mà không cần người vận hành can thiệp.

Ngoài ra, khi khí trong bình sắp hết, áp suất sẽ giảm, nếu trên máy  có trang bị cảm biến áp suất, máy sẽ tự động dừng và báo trên màn hình để người vận hành biết mà thay bình khí rồi tiếp tục cắt. Nếu không có cảm biến này, máy sẽ vẫn tiếp tục cắt trong điều kiện thiếu áp suất và sẽ làm hư toàn bộ các chi tiết đang cắt trở về sau nếu người vận hành không phát hiện kịp thời.     

Đối với đường khí N2, do áp suất lớn lên đến 20 bar nên trên thị trường rất hiếm van điều chỉnh áp suất tự động cũng như cảm biến áp suất cho đường khí này (hoặc nếu có thì giá thành rất cao). Do đó, khi lắp đặt, một van chỉnh áp bằng tay và đồng hồ đo áp suất sẽ được lắp đặt gần bảng điều khiển để tiện cho người vận hành theo dõi và điều chỉnh áp suất khí N2. Trên các máy giá rẻ thậm chí không có van và đồng hồ này.

Nguồn: tham khảo trên Internet

Viết bình luận của bạn: