Грамотное охлаждение лазерной трубки станка с ЧПУ

Лазерные станки с ЧПУ быстро завоевали популярность в самых различных областях бизнеса. Причиной тому — их высокая универсальность, доступная цена, простота управления и обслуживания. А главное — очень высокое качество обработки и возможность работать с широким спектром материалов (включая хрупкие и непрочные — ткань, бумагу, кожу, резину и т. д.).

Подобные характеристики обязаны физическим особенностям процесса обработки лазером. При воздействии луча высокой энергии, материал в области реза мгновенно нагревается и испаряется. Однако за счёт быстроты этого процесса соседние слои заготовки остаются нетронутыми — тепло не успевает распространиться по материалу. Это обеспечивает высокую аккуратность краёв шва — никаких «лоскутов» и подпалин!

В то же время лазерный луч имеет малую площадь «пятна» (менее квадратного миллиметра), что обеспечивает недостижимую для других способов обработки толщину шва. Таким образом, резка и гравировка заготовок на лазерном станке с ЧПУ гарантировано отличается высоким качеством. Кроме того, обработка лучом происходит бесконтактно — отсутствуют силы резания, а значит не надо механически крепить заготовку. Достаточно положить её на рабочий стол под собственным весом. Это предохраняет поверхность изделия от возможных повреждений при механическом креплении. Поэтому лазерный станок вполне может обрабатывать не только «сырые» материалы, но и готовые изделия (к примеру, гравировка задней панели Айфона может осуществляться без риска повредить сложную электронику гаджета!).

Источник лазерного излучения

Как известно из физики, для инициации лазерного излучения необходимы три условия:

• наличие активной среды (источника фотонов требуемой частоты);
• энергия накачки (внешнее питание, облучение или химическая реакция активной среды);
• оптический резонатор.

При соблюдении всех условий, система инициирует монохромное когерентное лазерное излучение с длинной волны, зависящей от типа активной среды.

Основная масса недорогих (и самых распространённых на рынке) лазерных станков с ЧПУ оснащаются газовыми лазерами. Т. е. для инициации излучения в этих машинах используется активная газовая среда (чаще всего это смесь СО2 и азота с небольшой долей гелия). В качестве энергии накачки используется электричество высокого напряжения (питание осуществляется от специального трансформатора). Газовая смесь запаяна в стеклянную трубку, имеющую длину от 0,5 до 1,5 метров (для более мощных трубок характерны и большие размеры). Таким образом, лазерная трубка представляет собой компактный источник лазерного излучения. Устанавливается горизонтально, в задней части станка (позади основного рабочего отсека).

«Газовый» лазер для станков с ЧПУ выбран по нескольким причинам. Во-первых, такие лазеры сравнительно дёшевы. Во-вторых, обладают высокой стабильностью генерируемого излучения (что положительно сказывается на качестве обработки). И в-третьих, отличаются низкими затратами энергии — т. о. удельная стоимость обработки изделий при использовании газового лазера получается низкой.

Охлаждающая система лазерной трубки

Довольно существенный недостаток «газовых» лазеров — повышенное тепловыделение в процессе работы. Излишки тепла снижают мощность лазерной трубки и значительно сокращают её ресурс. Поэтому эксплуатация лазерных трубок без принудительного охлаждения является недопустимой!

Для поглощения избытков тепла служит система охлаждения. Во всех лазерных станках с ЧПУ применяется жидкостная охлаждающая система, полуоткрытого типа, с принудительным нагнетанием и пассивным либо активным охлаждением теплоносителя.

Система функционирует следующим образом: охлаждающая жидкость (чаще всего используют обычную чистую воду) проходит сквозь двойной корпус лазерной трубки (полость между стенками служит в качестве «рубашки» охлаждения). Для этого предусмотрены специальные входной/сливной штуцеры, впаянные в тело трубки. Штуцеры располагаются по краям трубки — подающий установлен вблизи излучающего конца трубки (жидкость сперва подаётся к самому горячему краю трубки — излучающему торцу), а сливной располагается с обратного («глухого») конца лазерной трубки.

Подающий штуцер соединён гибким патрубком с жидкостным насосом (погружного типа). Насос расположен на дне бака, являющегося основным «хранилищем» необходимого запаса охлаждающей воды. Закачиваемая под давлением жидкость проходит сквозь всю лазерную трубку и через сливной штуцер (и гибкий шланг) сливается обратно в бак. Таким образом, ёмкость для хранения жидкости выполняет роль теплообменника (нагретая вода охлаждается при контакте с основой массой жидкости).

Требования к функционированию охлаждающей системы

Для надёжного охлаждения лазерной трубки мощностью 40-60 Вт (типичные параметры для базовой комплектации лазерного станка) необходимо пропускать сквозь неё не менее 5-7 л/мин. Температура жидкости при этом не должна превышать 17-20 °С.

Однако для соблюдения этих параметров в системе с пассивным охлаждением требуется не менее 100 литров жидкости! Это определяет значительные габариты системы, а также сложность её размещения в производственном помещении. И, несмотря на это, возможности системы весьма ограничены: ведь при интенсивной обработке жидкость в баке может нагреться выше 25 град. — для продолжения работы придётся либо разбавлять её дополнительной холодной водой, либо останавливать станок и дожидаться естественного остывания жидкости.

«Подручные» средства для охлаждения жидкости или целой ёмкости (вроде снега или льда) доступны не всегда. К тому же, при каждой «дозаправке» есть риск загрязнения воды и выхода из строя охлаждающей системы. Для интенсификации охлаждения жидкости можно дооснастить пассивный бак-ёмкость змеевиком от бытового холодильника, кондиционера или автомобильной печки. Известно множество «кустарных» систем подобного типа — некоторые даже вполне функциональны.

Однако лучшим способом организации грамотного охлаждения лазерной трубки станка с ЧПУ является применение чиллера. Чиллер представляет собой специальное устройство для хранения запаса жидкости и его активного охлаждения (с автоматическим поддержанием необходимой температуры). Для этого чиллер оснащён водяным радиатором (по нему циркулирует охлаждающая жидкость), системой принудительного обдува радиатора, температурными датчиками и управляющим блоком.

Чиллер позволяет точно задавать температуру охлаждающей жидкости. При этом устройство будет само регулировать температур, строго выдерживая заданный уровень независимо от нагрузки на лазерный станок (и степень разогрева охлаждающей жидкости). Благодаря активной системе охлаждения, чиллер позволяет сократить потребную ёмкость жидкости со ста литров (в случае пассивного бака) до всего лишь семи!

Этим обеспечивается не только улучшение характеристик охлаждения, но снижение габаритов системы охлаждения. Единственным недостатком чиллера является его сравнительно высокая стоимость.