Лазерные станки. Часть 1: история, принципы работы и эволюция

Немного истории

Сложно представить высокотехнологичное производство без использования лазерного оборудования. По сравнению с другими традиционными способами обработки материалов, лазеры дают нам бо́льшую скорость и точность, а еще меньшее количество отходов. Также трудно представить без лазеров и современную медицину.

Основоположником лазерных технологий считается Альберт Эйнштейн, который в начале XX века сформулировал теорию генераторов-усилителей когерентного света. Однако уровень технологий того времени не позволил пойти дальше теории, и до 1960 года практического применения она не получила. В 1960 году американский физик Теодор Майман создал первый работающий опытный образец лазера в исследовательском центре Hughes Research Laboratories. В этом лазере в качестве активной среды использовался синтетический рубин, он излучал луч глубокого красного цвета с длиной волны 694,3 нм. Тогда это вызвало переполох в научном обществе: говорили о лучах смерти, новом оружии и тому подобном – но эйнштейновская технология своего практического применения так и не нашла.

Первый лазер в мире. 16 мая 1960 г., Малибу, Калифорния. Создано Теодором Майманом

Чуть позже были разработаны сразу несколько технологий получения лазерного луча, а самое широкое применение они получили в лазерной резке. Значимым для промышленности стал процесс лазерной резки с использованием смеси углекислого газа (СО₂). Этот процесс был изобретен инженером-электриком Кумаром Пателем в 1964 году в лаборатории Bell Labs. Кстати, в том же году был разработан процесс лазерной резки с использованием кристалла, также в Bell Labs, но уже другим инженером.

В конце 1960-х годов лазеры широко использовались в аэрокосмической, горнодобывающей и других видах промышленности для резки различных материалов, включая металлы.

К 1980-м годам в различных отраслях промышленности по всему миру было установлено примерно 20 000 коммерческих станков для лазерной резки на общую сумму около 7,5 миллиардов долларов.

За последние полвека технология шагнула далеко вперед, став доступнее и безопаснее. Значительно расширились и сферы применения лазеров. Профессор Уильям Стин написал в своей книге «Лазерная обработка материалов», что с момента изобретения лазера мы вступили в новую промышленную революцию.

Доступность и возможности лазерного оборудования напрямую зависят от применяемого способа получения лазерного луча. Несмотря на то, что сейчас появилось множество различных технологий (волоконные, полупроводниковые и т.п.), наиболее распространенными остаются станки с лазерной трубкой на базе углекислого газа. Именно они прочно завоевали статус недорогого и долговечного оборудования, которое готово справиться с обработкой большинства материалов. Это во многом определяет их применение, в том числе и в образовательной сфере. Именно о таких станках мы и будем говорить дальше.

Принцип работы лазерного станка

В станках с CO₂-лазером  луч зарождается в специальной трубке, наполненной газовой смесью на основе оксида углерода, и с помощью системы зеркал и линз передается на рабочую поверхность. Технология мало изменилась с момента изобретения в середине прошлого века, но станки стали гораздо компактнее и безопасней своих предшественников.

Во время работы станка происходит сильный нагрев лазерной трубки, поэтому ее надо охлаждать. Для этого нужны специальные устройства – охладители (чиллеры). Большинство станков с СО₂ использует жидкостное охлаждение. В простейшем варианте это обычная вода, прокачиваемая компрессором через контур охлаждения лазерной трубки. Расходовать воду в больших количествах не рентабельно, поэтому контур охлаждения делают замкнутым, а выходящую из контура нагретую воду как раз и прокачивают через охладитель. Другое устройство, необходимое для работы лазерного станка, – это вытяжка. Во время работы дым и пары материала, образующиеся при лазерной резке, необходимо удалять из рабочей зоны. Иначе они будут оседать на линзах, зеркалах и внутренних частях оборудования, приводя к поломкам станка. Вытяжку обычно присоединяют к вытяжной вентиляции, чтобы отвод вредных веществ происходил безопасно. В большинстве станков охладитель и вытяжка – это дополнительное оборудование, расположенное рядом и требующее отдельного подключения к электропитанию. В итоге образуется не одно, а целых три стоящих рядом устройства. Они еще и занимают достаточно большую площадь. Даже настольные лазерные станки требуют похожей схемы подключения.

Перед работой большинства станков необходимо провести достаточно долгую и сложную процедуру калибровки. Продолжительность и сложность зависят от типа и толщины используемого материала, а также правильного расположения материала на рабочем столе станка.

Эволюция

А теперь мы бы хотели перейти к обзору следующей ступени эволюции лазерных станков. Несколько лет назад стали появляться компактные модели. Внешне они похожи скорее на большие струйные принтеры. Именно к таким небольшим, но высокотехнологичным устройствам относится лазерный станок Makeblock LaserBox. Его корпус выполнен из прочного пластика. А управляется он всего одной кнопкой. Кроме того, система охлаждения спрятана внутри и выполнена в герметичном замкнутом контуре, заполненном охлаждающим раствором. Вытяжная система хоть и выведена в отдельный блок, но очень компактна. А еще она снабжена HEPA-фильтром, чтобы частицы дыма и большинство вредных примесей не попадали в окружающий воздух. Вытяжная система подключается не через отдельную розетку, а через специальный кабель, соединяющий ее с корпусом станка. Поэтому для работы понадобится всего одна  розетка.

Станок оснащен умной системой управления. Она с помощью встроенной широкоугольной камеры и интеллектуального алгоритма умеет по специальной метке считывать и загружать в управляющую программу все параметры используемого материала. Если применяемый материал не содержит метки, то станок самостоятельно измерит его толщину в полуавтоматическом режиме. Это избавляет от долгой и сложной настройки. Встроенная камера сканирует любое изображение и может сразу отправить его на гравировку или резку.

Makeblock LaserBox обладает еще целым рядом функций, которые заметно выделяют его среди другого современного лазерного оборудования. Кроме того, безопасность при работе с ним реализована на высшем уровне. Но про это мы расскажем в следующих частях обзора.