Как работает лазерная трубка

Лазерные трубки для станков ЧПУ

Лазерно-гравировальное оборудование с программным управлением предназначено для резки различных материалов и нанесения изображений на поверхность изделий и заготовок. Для обработки металлов и пластиков используют оптоволоконные лазерные станки, со всеми остальными материалами (от ткани до дерева) работают газовые лазеры, о которых и пойдет речь.

Стеклянные колбы для лазерных трубок импортируются из Германии и изготавливаются по специальной технологии, гарантирующей герметичность изделия

Лазерная трубка: конструкция и принцип работы

Формирование луча в CO2 лазерах происходит в стеклянной газовой трубке, которая и является самым главным устройством в станке. Излучатель имеет несколько контуров, изолированных друг от друга и герметично запаянных. В одном отсеке, расположенном в центре, находится смесь из нескольких газов (CO2, He и N2), способных создавать фотоны под действием электроразрядов. Источником импульсов выступают электроды, заведенные внутрь отсека и подключенные к высоковольтному блоку питания. Там же, в контуре с газами, находятся оптические резонаторы (два зеркала, одно из которых полупрозрачное), предназначенные для разгона частиц с целью придания им мощности и скорости. Полупрозрачное зеркало служит точкой выхода потока из трубки, после чего он проходит через систему отражающих зеркал и попадает на специальную линзу, фокусирующую его в тонкий луч. Для придания дополнительной мощности и ускорения процесса разгона фотонов на внутреннюю стенку отделения с газосмесью нанесено катализирующее напыление из серебра, а мощность излучения можно настраивать, регулируя резонаторы.

Создание лазерного потока — это высокотемпературный процесс, так как формирование частиц сопровождается интенсивным тепловыделением. Излишний перегрев очень вреден для газов, которые начинают разлагаться, обедняя смесь, поэтому для своевременного охлаждения газового контура вокруг него циркулирует жидкость, заполняющая второй отсек. Вода поступает в трубку и вытекает из нее через специальные отводы к которым подсоединены шланги. Охлаждение жидкости происходит в емкости, входящей в систему терморегуляции.

Различия газоразрядный лазерных излучателей

Несмотря на то, что конструктивно и визуально все газовые трубки одинаковые, есть несколько ключевых параметров, по которым они различаются:

Основной фактор, определяющий возможности трубки в плане обработки материалов и сферу применения. Мощность самых слабых излучателей не превышает 35-40 Вт. Такие устройства используются больше для гравировки либо для handmade творчества (аппликации и игрушки из фетра, конструкторы из фанеры, бумажные открытки и т. д.), так как качественно резать более толстые материалы они не в состоянии. Среднемощные трубки имеют рабочий диапазон 70-100 Вт и одинаково успешно гравируют и режут материалы (если говорить о фанере, то толщина листа не должна превышать 12 мм, для оргстекла допускается увеличение этого параметра до 15 мм). Станки, оснащенные такими трубками, можно встретить практически на любом не крупном предприятии. Профессиональные излучатели демонстрируют до 200 Вт на максимальных режимах и применяются для резки толстых материалов в промышленных масштабах.

Эксплуатационный период

Параметр, влияющий на продолжительность работы трубки. Минимальный срок эксплуатации устройств составляет 3000 часов, максимальный, гарантированный производителем, доходит до 10000 часов, а при бережном использовании может даже превысить эту цифру. Для этого необходимо следить, чтобы трубка не перегревалась, подключать подходящие блоки розжига и по возможности не использовать трубку на максимальных режимах.

Длина трубки может варьироваться от 700 мм до 2050 мм. Самые маленькие имеют также и меньший диаметр (50-60 мм), в то время как стандартный для всех остальных составляет 80 мм. Небольшие излучатели устанавливают преимущественно в лазерные граверы или компактные настольные станки для резки.

Помимо этого лазерные трубки могут отличаться системой крепления контактных проводов (болтовая, метод пайки), наличием или отсутствием системы принудительного охлаждения резонаторов и силиконовых защитных колпачков.

Материалы для работы с лазерными трубками

Как уже упоминалось, газовые излучатели работают с неметаллами, что обусловлено длиной волны лазера, который отражается от металлических поверхностей. Все остальные материалы лазерный луч обрабатывает качественно и быстро. В список подходящего для работы сырья входят:

• бумага и картон;
• все виды древесных материалов, включая шпон;
• паронит, ферронит, резина, поролон, пенопласт;
• керамика, мрамор, гранит, кожа натуральная и искусственная (эти материалы используются для гравировки);
• ткани, меха, нетканые материалы;
• пластики за исключением ПВХ (выделяет токсичные пары при термообработке).

Бумага представляет собой довольно сложный материал для фигурной резки, так как склонна рваться и сминаться, однако, лазерный луч в состоянии вырезать на ней тончайшие ажурные узоры, сохранив поверхность в целостности

Область применения лазерных трубок

Резка и гравировка материалов с использованием лазерного луча является самой точной и экономически эффективной, поэтому сфера применения станков, оснащенных газоразрядными трубками, очень обширна и включает в себя такие области, как:

• мебельное производство;
• легкую промышленность;
• производство трафаретов;
• рекламный бизнес и интерьерный декор;
• упаковочную промышленность;
• изготовление уплотнительных прокладок;
• ритуальные услуги;
• отрасль по производству сувенирных изделий, магнитов, открыток, визиток, шильд и т. д.

Как работают лазерные трубки CO2

Наиболее популярными во всем мире считаются лазерные станки с ЧПУ , оснащенные лазерной трубкой CO2, которые подходят для работы практически со всеми типами материалов. Первый такой станок был разработан инженером — электриком Чандра Кумар Наранбхай Патель в 1964 году. Газовые лазерные станки на сегодняшний день занимают лидирующую позицию в рейтинге высокомощных лазеров непрерывного действия.

• Лазерная трубка CO2
• Конструкция
• Принцип работы
• Преимущества и недостатки
• На что обратить внимание при покупке?

Лазерная трубка CO2

Ключевым элементом всех лазерных станков является лазерная трубка CO2 . Она представляет собой стеклянную колбу, в которой запаяна газовая смесь, состоящая из трех элементов – азота, гелия и углерода. Реакция обеспечивается за счет воздействия электрического импульса, а итогом становится возникновение лазерного пучка, он представляет собой поток лазерного излучения, который, в свою очередь, преобразуется в луч и может быть отрегулирован оператором станка с ЧПУ.

Лазерная трубка CO2 позволяет осуществлять следующие действия:

• С помощью создания лазерного луча разрезать материал.
• С помощью низкопоточного излучения – наносить гравировку на поверхность изделий.

Мощность трубки определяется моделью и типом станка, а их эксплуатационный срок зависит от мощности и соблюдения правил эксплуатации.

Модели станков, оснащенные лазерными трубками CO2, не могут быть использованы для работы с металлами. Это обусловлено длиной лазерной волны, которая из-за своих параметров отражается поверхностью металла.

Все прочие материалы газовые станки способны обработать максимально быстро и качественно. В качестве сырья подходят:

• бумага;
• картон;
• древесина;
• резина;
• пластмассы (кроме ПВХ);
• камень;
• искусственная и натуральная кожа;
• ткани и меха.

Конструкция

Формирование лазерного луча CO2 начинается в колбе из стекла, имеющей несколько автономных контуров, которые герметично запаяны. В одном из изолированных отделений находится газовая смесь, которая при определенном воздействии способна создавать фотоны.

Источником воздействия при этом служат электроды, которые располагаются внутри отсека. Также в контуре с газовой смесью находятся оптические резонаторы (несколько зеркал, которые предназначены для придания фотонам, образовавшимся под воздействием электрического импульса, скорости и направления).

Зеркало, имеющее частичную прозрачность, служит точкой выхода для светового потока из трубки, после чего он попадает на специальную линзу, которая фокусирует его в тонкий луч. Чтобы обеспечить дополнительную мощность и ускорить движение фотонов, на внутреннюю поверхность отсека с газовой смесью нанесен катализатор из серебра. Мощность излучения при этом регулируется встроенными резонаторами.

Создание лазерного луча представляет собой процесс, сопровождаемый высокими температурами и интенсивным выделением тепла. Чрезмерный перегрев негативно влияет на газы, которые под воздействием тепла разлагаются, обедняя смесь. Поэтому конструкция оснащена охлаждающей системой – во время работы лазерной трубки для охлаждения отсека с газовой смесью вокруг него циркулирует вода. Охлаждение жидкости происходит в емкости, которая входит в терморегулирующую систему станка с ЧПУ.

Станки с лазерными трубками CO2 могут быть:

• Непроточными. Их конструктивной особенностью является наличие запечатанных трубок – газ и весь оптический путь находится в трубке, запаянной с двух сторон.
• Диффузно-охлаждающими. Отсек с газовой смесью в этом случае располагается между двумя плоскими электродами, которые охлаждаются водой.
• Имеющими быстрое осевое и поперечное потоковое сечение. Тепло, которые выделяется сверх нормы, поглощается при быстром течении газовой смеси, переходящей через внешний охлаждающий контур.
• Имеющими поперечно-возбуждающую среду. Конструктивной особенностью при этом является наличие крайне высокого газового давления.

Лазерные трубки CO2 отличаются по нескольким основным параметрам:

1. Мощность. Это основной фактор, от которого зависят способности станка в отношении скорости и качества обработки материалов. Самые слабые излучатели имеют заявленную мощность в 35–40 Вт, излучатели со средней мощностью – 70–100 Вт и высокомощные трубки – до 200 Вт.

2. Длительность периода эксплуатации. Эта характеристика влияет на продолжительность работы трубки. Минимальное значение параметра составляет 3000 часов, максимальное значение, гарантированное производителем, составляет до 10 000 часов. При бережной эксплуатации срок службы трубки может превысить заявленный в несколько раз.

3. Длина трубки. Может составлять от 700 до 2050 мм. Диаметр самых маленьких трубок составляет от 50 до 60 мм, стандартным значением является диаметр, равный 80 мм.

Принцип работы

Световой поток образуется за счет передачи энергии с помощью молекул азота к молекулам углекислого газа. Активной средой при этом является газовая смесь, состоящая из углекислого газа, азота и гелия, а в некоторых случаях – водорода или ксенона.

Гравировальный станок GCC LaserPro SmartCut III X500 100 W

• Размеры, мм 1900 x 1400 x 1200

• Дисплей 4-строчная ЖК-панель
• Макс. скорость двигателей 1000 мм/с
• Максимальный размер загружаемого материала 1346 x 914 x 50 мм
• Мощность трубки лазера 100 Вт
• Объем памяти 32 МБ (макс. 64 МБ)
• Осей 3
• Потребляемая мощность 1250 Вт
• Рабочее поле 1300 мм x 916 мм
• Тип лазера отпаянный СО2 лазер
• Тип охлаждения лазерной трубки водяное
• Точность повторения +/-0,254 мм или 0,1 % от величины хода

При воздействии электрического импульса молекулы азота переходят в состояние возбуждения и передают свою энергию молекулам CO2. Углерод также переходит в метастабильное состояние и на атомном уровне испускает один фотон, который при столкновении с атомами другой возбужденной молекулы углекислого газа испускает уже два фотона.

Другие газы необходимы при этом для релаксации молекул и снижения объема выделяемого тепла.

Далее в процесс вступают два зеркала, находящиеся в трубке. Одно из них – непрозрачное, изготавливается из меди, а второе, служащее выходом для светового потока и имеющее повышенные показатели прозрачности, из алмаза. Оно частично пропускает поток фотонов, оставляя часть внутри трубки для воспроизводства подобных частиц. Выходя из полупрозрачного зеркала, фотоны попадают в пространственный фильтр, предназначенный для очистки лазера от боковых мод, а затем на фокусирующую линзу.

Так как фотоны имеют одинаковую длину волны, луч лазера не рассеивается, как обычный свет. Излучение лазерной трубкой CO2 производится на волне с длиной 10,6 мкм, а средняя мощность излучения составляет от 20 Вт до нескольких кВт.

Преимущества и недостатки

Лазерные трубки CO2 имеют свои достоинства и недостатки. Преимуществами являются:

• Повышенное качество резки и точность воздействия.
• Высокая скорость обработки материала.
• Высокая производительность.
• Низкие показатели вибрации и шума.
• Возможность обработки практически всех материалов.
• Низкие затраты электроэнергии.
• Минимально возможные показатели брака.
• Универсальность и взаимозаменяемость элементов.
• Компактность.

Станок лазерной гравировки LaserSolid 690 Lite

• Вес с упаковкой 120
• Гарантия 12 месяцев на станок, 3 месяца на трубку, зеркала и линзы
• Размеры с упаковкой 1100х1650х700 мм
• Электропитание AC110V/ 220V±10% / 50~60Hz
• Размеры, мм 1310x1000x560
• Программное обеспечение Coreldraw, АutoCAD, Рhotoshop

• Мощность лазера 60 Вт

• Вес, кг 110

• Энергопотребление

• Минимальная величина знака, мм 0.8х0.8
• Рабочее поле 600×900х450
• Разрешение, DPI 1000
• Скорость гравировки 350 мм/сек
• Скорость перемещения 600 мм/сек
• Тип лазерного излучения СО2
• Точность гравирования

К недостаткам можно отнести:

• Ограниченное время эксплуатации лазерной трубки.
• Хрупкость конструкции.
• Необходимость постоянного охлаждения устройства во время работы.
• Необходимость настройки мощности лазера для разных типов материала.
• Возможные сбои при низкочастотном воздействии.
• Невозможность работы с металлами.

На что обратить внимание при покупке?

При покупке лазерной трубки в первую очередь следует обратить внимание на мощность и срок эксплуатации в часах, которые заявлены производителем. Также рекомендуется осмотреть устройство на предмет наличия сколов и трещин, а также попросить проверить его работоспособность, включив на максимальной и минимальной мощности.

На сегодняшний день станки с ЧПУ, оснащенные лазерными трубками CO2, являются самыми мощными установками, предназначенными для резки, гравировки и прочих видов обработки материалов самого разного типа. Производительность станка и качество изделий при этом напрямую зависит от того, какая лазерная трубка установлена в приборе. От ее мощности и качества зависит точность и скорость обработки изделий.

Скоростная лазерная CO2-установка (гравёр) — что это такое и как устроена?

Сегодня мы изучим интересную вещь, которая появилась у меня в жизни и о которой я обещал рассказать некоторое время назад — это скоростная CO2 лазерная гравировальная установка.

Установка примечательна тем, что позволяет с большой скоростью гравировать и даже нарезать некоторые материалы: максимальная скорость движения луча составляет до 5 м/сек (и это не предел).

Но не всё так радужно. Это максимальная скорость работы сканаторной головы. Реальная рабочая скорость колеблется в пределах до 500 мм/с — это то, что я сам лично применял. А максимальная скорость, на которой мне удавалось успешно гравировать, составила 1000 мм/сек. Скорость зависит от материала, то есть от того, насколько быстро при данной скорости луч сможет нагреть материал для нужной степени обработки (слегка изменить цвет материала, глубоко врезаться в него, полностью отрезать/прорезать).

А вот какими характеристиками установка обладает ещё:

• тип лазера: CO2;
• длина волны лазера: 10,6 мкм;
• рабочий диапазон частот ШИМ лазера: 20-80 кГц (можно играться не только со скоростью перемещения луча, но и с коэффициентом заполнения ШИМ, что позволяет при одной и той же скорости добиваться разных степеней обработки);
• минимальная толщина линии: 0,01 мм по заверениям продавца (не является константой и от чего зависит — об этом будет ниже);
• напряжение питания: 220 вольт;
• управляющий микроконтроллер: BJJCZ EZCAD;
• тип сканаторной головки: заказал RC1001, на 5 метров/сек (головка по умолчанию). Можно поставить SG7110 — «апнутый» вариант для скорости перемещения луча до 8-10 метров/сек. Как показали эксперименты, нисколько не прогадал — головка может перемещать луч с такой скоростью, но только понадобится лазер ватт на 500, чтобы он мог с такой скоростью что-то успевать прожигать 🙂 Таким образом, получается, что я даже возможности своей головки не использую на 100%, так как луч просто не будет успевать прожигать. И, как я уже говорил выше, максимальная протестированная скорость перемещения луча у меня составила 1000 мм/сек. И на этой скорости тоже успешно обрабатывалось. А так, обычная скорость перемещения колеблется в пределах от 100 до 250 мм/сек. Но это не является медленным, так как скорость в принципе тоже достаточно высокая. А если гравируются какие-то небольшие вещи, скажем, размером до 50х50 мм, то даже нанесение сложных узоров выглядит практически мгновенно. Сканирующий принцип перемещения луча — это недурно, для достижения высокой скорости;
• операционная система для управления программой гравировки: Win XP/7/8/10 (32/64 bit);
• программа на компьютере для управления установкой: EZCAD.

Установка работает только по органическим материалам. Металлы не берёт вообще (по крайней мере, лист алюминия, который я подкладываю на платформу установки во время обработки, чтобы её не портить нагаром). Кому требуется обработка металлов, нужен другой тип лазера с другой длиной волны, например, волоконно-оптический (оптимально). Или ультрафиолетовый — «стильно, модно, молодёжно», работает вообще по всему. Но сильно небюджетно. И медленно. И слабо. Скажем, как вам 700 тыс. руб. (как минимум) за 5 ватт лазер? То-то и оно…

Но тут сделаю оговорку — «с пристрастием» ещё не тестил этот момент и, как выясняется, по реальному опыту людей — тут не всё так однозначно 😉 И практика, как всегда, отличается от теории — об этом ещё будет ниже…

Общий внешний вид установки с кратким описанием её компонентов показан ниже:

Установка в некотором роде удивляет с самого начала, и глаза «слегка так» лезут на лоб, когда пытаешься поднять лазерную часть — так как её вес составляет порядка 35-40 кг! А кажется на вид такой лёгкой, алюминиевой…

Лазерная часть связана с «системным блоком» неразъёмными проводами, что довольно сильно усложняет переноску установки — приходится переносить шажками то одну часть, то другую:-). Хотя, с другой стороны, я понимаю, почему они так сделали (я так думал сначала): для надёжности, чтобы не было никаких замыканий в разъёмах. С другой стороны, разъёмы так или иначе присутствуют (что выяснилось позже после разборки и изучения внутренней начинки), просто они находятся внутри лазерной части и внутри системного блока. А могли бы их сделать снаружи, подтыкаемыми вручную. Видимо, не додумали…

Как можно видеть, на одной из фотографий рядом с установкой поставлена линейка. Именно таким образом и происходит установление фокусного расстояния до начала работы, то есть расстояния от середины сечения линзы, до гравируемого объекта. Чтобы потребителю было проще, изготовители на заводе приклеили небольшой жёлтый треугольный указатель прямо на головку, от которого и нужно замерять расстояние линейкой до стола. Именно это расстояние и будет расстоянием от объекта до середины сечения линзы — я потом ради интереса выкрутил линзу и лично перепроверял это расстояние, корректно ли выставлен этот треугольник — да, в принципе корректно («в принципе», так как замерял «на коленке» и мог немножко ошибиться в ту или иную сторону).

Для ускорения позиционирования заготовки, особенно при производстве каких-то серийных изделий, головка снабжена двумя красными лазерными маркерами, которые точками облегчают позиционирование (они у меня постоянно выключены, так как для моих целей я не вижу в них нужды):

Также, как можно увидеть, головка связана с управляющим блоком разъёмом D-Sub, а конкретнее его подвидом DB-25.

Кроме того, снизу мы видим выходную линзу. Попробуем её выкрутить, чтобы посмотреть, что же там внутри. Линза прикручена к головке не просто так, а через переходник, вместе с которым можно её и выкрутить. Обычно этого делать не нужно, можно выкручивать просто линзу из переходника, но «ради искусства» мы пойдём «по усугублённому» варианту:

Итак, что мы там внутри видим:

Как можно видеть, в головке находятся два зеркала, которые отклоняют луч по XY, а также виден канал входа лазера из лазерной трубки. Приводы зеркал являются очень быстродействующими, позволяющими с высокой точностью (повторяемостью линий, с отклонением в 0,0001 мм) и скоростью производить позиционирование лазерного луча, даже если это связано с резкими сменами направления движения.

Принцип действия показан в этом видео с 1:17:

Итак, линза выкручена, посмотрим на неё поближе (кликабельно):

Так как обычное стекло непрозрачно для CO2-излучения (инфракрасного спектра), думаю, что здесь использован селенид цинка (ZnSe).

Кстати об использованной линзе: здесь применяется так называемая F-theta линза, которая позволяет отклонять лазерный луч от вертикальной оси на некоторое расстояние, при этом луч описывает не часть окружности, как это происходит у обычных линз, а движется по плоскости, сохраняя свой фокус (слева — пример обычного объектива, справа — F-theta или, другими словами, «телецентрического»):

От фокусного расстояния линзы зависит то, какого размера площадь она сможет обрабатывать (кликабельно):

Вкратце, по показанной выше картинке: чем больше фокусное расстояние, тем большую площадь может обработать лазер. При этом, учитывая наличие сканирующей головки, лазер будет двигаться весьма быстро — многократно быстрее, чем у стандартного CO2 XY-резака. Казалось бы, «живи и радуйся», и многие на этом моменте, наверное, смекнули: «а что, если использовать такого типа лазер вместо стандартного CO2 XY- резака?!».

Но подождите радоваться… Проблема здесь заключается в том, что чем больше фокусное расстояние, тем больше минимально возможный диаметр точки лазера! Физика, будь она неладна… Проще говоря, чем больше фокусное расстояние, тем грубее получится гравировка/резка. То есть мы конечно можем теоретически обрабатывать большую площадь достаточно быстро, но это будет весьма грубо и потребует большой мощности лазера, так как диаметр точки увеличится и потребуется применять большую мощность, так как существующая мощность «распылится» на большую площадь точки…

Это утверждение хорошо иллюстрирует весьма показательная картинка одного из производителей F-theta линз, где нужно смотреть нижнюю строку (CO2 10.6um), где во втором столбце показана обрабатываемая площадь, в третьем столбце — какое для этого потребуется фокусное расстояние, а предпоследний столбец — самое интересное, — он показывает диаметр получающейся лазерной точки (Light Spot(um), на этом фокусном расстоянии.

Нетрудно заметить, как критически растёт диаметр точки с увеличением фокусного расстояния (в приведённых выше размерах, um — это нанометры). То есть если мы хотим обрабатывать большую плоскость, никак не получится обрабатывать её микронным лучом… Хотя, тут тоже есть «лайфхак»: некоторые волоконно-оптические лазеры комплектуются головкой с динамической подстройкой фокуса. То есть мы обрабатываем большую плоскость и фокусирующая система ездит вверх/вниз, постоянно удерживая необходимый размер точки. Не слишком распространённая опция, насколько мне известно (могу ошибаться). Информации об этом вопросе у меня почти нет, поэтому не могу сказать, используются ли там F-theta линзы или иного типа и как они устроены. Знаю только, что такое есть, и используется, вроде как, для удержания размера точки при заглублении в материал — т. е. чем глубже мы врезаемся в материал, тем больше «уходит» фокус. И система динамической фокусировки предназначена для решения этой проблемы.

В принципе, подобное легко сделать самостоятельно: выше на фото установки можно было видеть ручку для вращения — на самом верху для ручной подстройки расстояния от лазера до обрабатываемой поверхности. Ставим туда шаговый двигатель, обратную связь (энкодер), чтобы гарантировать, что двигатель вращается и не пропускает шаги, соединяем с микроконтроллером и вуаля…

Ещё одна проблема заключается в том (и это было выявлено экспериментально лично мной), что подобного типа лазер может работать в непрерывном режиме при максимальной мощности максимум порядка 10-15 секунд, после чего начинает раздаваться высокочастотный звон, теряется фокус и диаметр лазерной точки увеличивается раз в 20!

Я разговаривал с производителем, где он сказал, что причина этого неустранима — это перегрев. Поэтому единственный способ борьбы с этим — уменьшать мощность или увеличивать интервалы между обработками, если необходимо работать на таких мощностях…

То есть этот лазер никак не получится использовать в качестве полноценной скоростной замены CO2 XY-резака.

Однако тут напрашивается следующее решение: на известном китайском сайте 100-ваттные CO2 лазерные стеклянные трубки стоят порядка 18 000 руб. Скоростная лазерная сканирующая головка SG7110 со скоростью перемещения луча до 8 м/сек — примерно 20 000 руб. Объединяем эти два компонента и вуаля: имеем скоростной мощный лазерный CO2-резак:

Стартап? Хммм… Как минимум просится самодельное устройство для домашнего применения… Кстати говоря, подобное устройство будет выгодно отличаться от стандартных CO2 XY-резаков ещё и тем, что в таких обычных резаках резка некоторых материалов может повредить линзу (ПВХ, если не ошибаюсь). И, к тому же, линзовая система весьма уязвима, так как находится близко к обрабатываемому материалу. В отличие от стандартных CO2 XY-резаков, у лазеров со сканирующей головкой линзовая система находится весьма далеко от обрабатываемого материала и её легко защитить, поставив между ней и материалом дымоотсос.

UPD. Гораздо позже, когда статья уже была написана, мне стало интересно, а есть ли уже такое? Оказалось, что есть! Но не сильно распространено (видимо, габариты, цена (от 450 000 руб.) и специфичность задач — решают). Так что тут я был абсолютно прав:

Попробуем разобрать и изучить, как же устроен внутри блок лазерного излучателя. Для этого отвинчиваем заднюю крышку, а также снимаем боковую стенку — весьма просто снимается, выдвигается на манер сдвижной дверцы (кликабельно):

Внутри можно увидеть CO2 лазерную трубку с радиочастотной (Radio Frequency (RF)) накачкой активной среды, а также источник постоянно работающего лазерного указателя красного цвета и воздушный блок охлаждения с радиатором для охлаждения лазерной трубки во время работы. Кстати сказать, на этом блоке установлены весьма шумные оборотистые вентиляторы, которые после включения развивают такой шум, что в этом помещении, если необходимо общаться с кем-либо ещё, приходится говорить достаточно громко, чтобы тебя услышали.

Насколько мне удалось выяснить по поводу радиочастотных лазеров, они появились ещё в восьмидесятые годы (СЛЭБ/SLAB-лазеры) и представляют собой устройства, в которых между двумя плоскими параллельно расположенными медными пластинами, имеющими большую площадь и находящимися друг от друга на небольшом расстоянии, измеряющимся в несколько миллиметров, закачана активная среда — CO2 газ. Такой лазер носит ещё название «щелевого лазера». Ниже показан вариант такого лазера, только он отличается от нашего варианта наличием водяного охлаждения (у нас воздушное):

Через эту среду поперечно пропускается высокочастотный (48-100 МГц) разряд, который возбуждает эту среду. Несмотря на то, что CO2-лазеры носят такое название, тем не менее, в их трубках используется смесь газов, и большинство производителей применяют смеси из CO2+N2+He. Радиочастотное излучение, проходя через эту среду, приводит к возбуждению молекул азота.

Радиочастотные лазеры позитивно отличаются от лазеров на стеклянных трубках тем, что могут работать на высоких частотах и имеют в целом более высокое качество луча (что делает их незаменимыми в сфере гравировки органических материалов). Кроме того, герметичная конструкция, не имеющая проходных отверстий, устраняет проблемы с проницаемостью газов.

Ещё одним отличительным качеством RF-лазеров является стабильная линейность управления мощностью в диапазоне от 2 до 100%, в то время как у лазеров на стеклянных трубках наблюдаются проблемы с контролем мощности при её установке на 20% и меньше. И именно поэтому, RF-лазеры активно применяются в медицине и других случаях, где необходимо точно контролировать мощность, особенно на малых её значениях.

Цифры частот возбуждающего излучения — это те, которые мне удалось найти и увидеть в реальных устройствах. Возможно, диапазон является несколько иным, так что это только ориентировочно, и они могут быть не совсем точны, чтобы охватить весь диапазон возможностей.

Благодаря малому зазору между медными пластинами, а также блоку охлаждения выделяющееся тепло эффективно отводится из зоны возбуждения.

Конкретно по моему лазеру — производитель заявляет наработку на отказ у радио трубки в районе 20 000 часов, чему я, честно говоря, не особо верю, но, поживём — увидим… Говорят, что со временем происходит деградация CO2 газа, однако трубка имеет возможность его перезаправки.

Предположительно использована лазерная радиочастотная трубка D35 DAVI RF:

На выходе из лазерной трубки можно видеть достаточно объёмный алюминиевый куб. Насколько я понимаю, внутри него располагается призма для сведения двух лучей (CO2 и красной лазерной указки) воедино. Выглядит это примерно как-то так (не точно прям так, но приблизительно):

Картинка holographypro

Теперь посмотрим, как устроен системный блок установки. Для начала взглянем на него снаружи:

Кроме того, на задней части блока расположен разъём для подключения шагового двигателя вращающего устройства:

Это устройство используется для вращения обрабатываемого объекта, если он цилиндрической формы — чашки, кружки, стаканы, термосы и т. д. и т. п.

Насколько я понимаю, здесь используется двигатель типоразмера NEMA 23, который имеет примерные размеры (ШхД): 57х77 мм. Двигатель стандартный, двухфазный, с сопротивлением каждой фазы 1,15 Ом (замерял).

Ну, здесь из интересного, похоже, всё. Перейдём к начинке блока… Для этого отвинчиваем переднюю панель и выдвигаем правую боковую сдвижную стенку. Сразу же видим большой блок питания:

Насколько я понимаю, этот блок питания предназначен для запитки лазерной трубки, так как провод от него уходит именно туда.

Но в целом всё выглядит достаточно пустым. Посмотрим, что происходит с другой стороны…

Здесь всё гораздо интереснее, можно сразу увидеть микроконтроллер, расположенный сверху, а также три отдельных блока питания и микрошаговый драйвер для шагового двигателя:

Посмотрим на них подробнее:

Так можно видеть, что на картинке блоки питания обозначены цифрами 1,2,3.

Блок номер 1, похоже, предназначен для применения в качестве источника питания шагового двигателя, а также вентиляторов лазерной трубки (хотя, может быть и только для шагового двигателя).

Судя по тому, какие мне приходилось видеть в продаже готовые наборы из сканирующей лазерной головки и блока питания, блок, обозначенный на картинке цифрой 2, предназначен как раз для запитки сканирующей головки.

В свою очередь, блок под номером 3, похоже, предназначен для питания контроллера и красных лазерных маркеров.

Посмотрим теперь на параметры контроллера шагового двигателя:

Как можно видеть, первые четыре DIP-переключателя (1-4) позволяют выставить рабочий ток и, судя по их положению, он здесь выставлен на 2.84А.

Оставшиеся четыре переключателя (5-8), позволяют выставить параметры микрошагового режима и, судя по их положению, он здесь выставлен на 12800 шагов на один оборот вала.

Судя по таблице, это не самое максимальное значение возможного количества шагов, тем не менее, видимо, по результатам тестов (заводских), этого вполне хватает для достижения стабильных результатов гравировки по цилиндрическим поверхностям.

Теперь посмотрим на микроконтроллер, который расположен наверху, на специальной полочке:

Как я уже говорил выше, управляется вся установка с помощью микроконтроллера BJJCZ EZCAD, который, как можно видеть на картинке выше, имеет джамперы для переключения из режима работы с CO2 лазерным модулем на оптоволоконный модуль (IPG). Таким образом, насколько можно судить, плата является универсальной и, похоже, производитель ставит её в лазерные установки разного типа. Первичная настройка производится с помощью переключателей-джамперов на самой плате, а тонкая настройка производится уже на компьютере с использованием идущий в комплекте лицензионной версии программы «EZCAD». Но, насколько я понимаю, что касается джамперов, это делается на производстве, так как конечному потребителю никакие джамперы переключать не надо — установка готова к работе «прямо из коробки».

Тем не менее, настройки на нужный тип лазера в идущей в комплекте программе EZCAD на заводе введены не были, так что мне пришлось это делать самостоятельно. Насколько мне известно, это широко распространённая практика. Несмотря на это, установка работала сразу; тем не менее, со временем я понял, какие «улучшайзинги» надо ввести, чтобы результат был лучше.

Лазерная установка содержит ряд недокументированных возможностей, так что мне пришлось разбираться с этим самостоятельно. Например, я реализовал удалённое управление блоком с помощью esp32, установив её прямо внутри корпуса системного блока.

Esp32 получает команды по wi-fi и управляет системным блоком: даёт ему команду на начало обработки в нужный момент, а системный блок, в свою очередь, отчитывается перед esp32 о том, что обработка завершена и esp32 форвардит эту информацию дальше, потребителю, то бишь мне. Для чего это надо? Очень просто: самодельный робот для серийного конвейерного производства. Большего, к сожалению, не скажу, должна же оставаться какая-то загадка 🙂 А кому это реально будет нужно, тот сможет докопаться до всего сам…

Ну и, наконец, наверное, самое главное, чего все ждали — тесты!

Ниже тест первый, где я просто показываю, в каких режимах могут работать красные маркеры:

Тест второй, где я гравирую на фанере свой ник:

В жизни гравированные канавки выглядят очень глубоко, поэтому первоначально мне показалось, что они имеют глубину около 4 мм, однако после произведения замеров с применением хвостовика штангенциркуля (вставляя хвостовик прямо в канавку; весьма удобный способ для измерения всяких проёмов, узких отверстий, канавок — если кто не знал), штангенциркуль показал 1.51 мм (кликабельно):

ШИМ я выставляю на 80 кГц — максимально возможное значение в показанном выше поле для ШИМ, несмотря на то, что трубка вроде как на 20 кГц максимум. По крайней мере, даже снижение значения ниже 80 оказывает влияние. Возможно там есть какой-то маппинг и эти 80 кГц раскидываются пропорционально на существующие 20 кГц. Пока не понял этот момент — идут тесты…

В третьем тесте я пробую гравировать пару сложных узоров. Один более тусклый, где луч движется со скоростью 200 мм/сек, а в другом более насыщенный, где скорость движения луча составила 100 мм/сек:

В обоих тестах настройки остались прежние, как и при гравировке ника: 85% мощности и 80 кГц ШИМ.

Ориентируясь на замеры, произведённые предварительно для своего ника, на глаз примерно прикинул, какую глубину имеют бороздки сложного узора: более тусклый вариант имеет глубину несколько меньше, чем 0,3 мм. В то время как более яркий, тёмный узор — около 0,3 мм. Точнее не скажу, так как замерить мне такое нечем (кликабельно):

Единственное, что добавлю, что в случае более тусклого узора, где скорость движения луча была 200 мм/сек, — время гравировки составило около 6 секунд, а в другом случае, где скорость движения была 100 мм/сек, — время гравировки составило 11,6 сек.

Как можно видеть в роликах, дополнительно для работы используется дымоотсос — достаточно простое устройство, которое представляет собой пористый фильтр крупных частиц + HEPA-фильтр, установленные на центробежный вентилятор. До места отсоса воздуха идёт гибкая пластиковая трубка, на конце которой смонтированы три ярких светодиода для подсветки зоны работы:

По опыту могу сказать, что этот фильтр достаточно быстро забивается и перестаёт справляться со своей задачей приблизительно через 6 часов непрерывной эксплуатации, при этом его эффективность падает приблизительно на 40%. Тем не менее, даже в таком состоянии его присутствие существенно облегчает ситуацию, так как если его совсем не включать, то будет довольно ужасно 🙂 Как вы могли убедиться по видео, дыма выделяется весьма изрядно…

Подытоживая, можно сказать, что аппарат весьма занятный, однако имеет нишевое применение и не может в полной мере заменить CO2 XY-резаки. Тем не менее, если проделать описанный в статье способ апгрейда, возможно, это позволит расширить область применения сканирующего луча. Кстати сказать, возможно, именно такого типа проапгрейженными лазерами и наносятся потёртости на так любимые многими джинсы. По крайней мере, этот процесс на фабриках выглядит приблизительно так:

А засим, я откланиваюсь, надеюсь, что было интересно!

P.S. Уже едет линза с малой площадью проекции и, соответственно, тонким лучом и высокой концентрацией лучистой энергии в нём. Будем тестировать плавление порошков металлов для использования в качестве 3D принтера по металлу (в том числе). Знаю, что CO2 здесь не совсем подходит и желателен оптоволоконник. Однако в сети проводили тесты с обычным CO2 XY-резаком (имеющим более толстый и более низкого качества луч), и всё работало как надо:

Поживём — увидим… По крайней мере, сечение луча и скорость его движения в моём случае превосходят показанное в видео выше на порядки… 😉

• ruvds_статьи
• co2 laser galvo
• лазерный гравёр с гальванометром

Принцип работы и срок службы лазерной трубки CО2

Лазерная трубка – это основной элемент гравера, в нем происходит индуцирование лазерного луча. Лазерные CO2-установки производят лазерный луч в герметичной стеклянной трубке, которая заполнена газом. Высокое напряжение проходит через трубку и вступает в реакцию с частицами газа, увеличивая их энергию, в результате чего образуется свет. Продуктом такого сильного света является тепло, которое может испарять материалы, температура плавления которых составляет сотни °C. При помощи линзы осуществляется фокусирование луча и выход его из сопла.

В лазерной Co2 трубе основное рабочее вещество состоит из трех газов: углекислый газ, азот и гелий. Среди них Co2 является газом, генерирующим лазерное излучение, азот и гелий — вспомогательные газы.

Каждый из газов в смеси выполняет свою роль:

• Co2 — генерирует инфракрасное излучение;
• Молекулы азота легче возбудить (по сравнению с Co2), поэтому он выполняет функцию активатора для молекул Co2;
• Гелий помогает молекулам CO2 успокоиться, забирает тепло и «перерабатывает» его.

Когда электрический ток проходит через трубку, молекулы азота возбуждаются (их энергия увеличивается), заставляя их «вибрировать». Вибрация азота, в свою очередь, возбуждает молекулы CO2, которые увеличивают свою энергию, но это только временно, потому что они имеют естественную тенденцию возвращаться в свое нормальное состояние. В процессе этого высвобождаются фотоны. Эти фотоны отражаются от двух зеркал в конце трубки, собирая по пути другие фотоны и образуя лазерный луч. Одно из зеркал (то, которое находится на конце катода) отражает только частично. Когда луч полностью сформируется и станет достаточно мощным, он пройдет через это частично отражающее зеркало и попадет на внешние зеркала, линзы и, наконец, на сам материал.

Рис. 1. Схема стеклянной лазерной трубки CO2

Срок службы лазерной трубки

Срок службы лазерной трубки в значительной степени зависит от того, на каком проценте полной мощности она используется.

Чем больше мощность, тем быстрее расходуется CO2 и тем быстрее истощается трубка. Потеря CO2 со временем приводит к снижению выходной мощности лазера, что наиболее заметно при резке толстых материалов и при более высоких значениях % мощности. Чтобы получить максимальный срок службы трубки, используйте низкий уровень мощности, необходимый для выполнения работы. По возможности поддерживайте мощность лазерного гравера ниже 60%.

Лазерная трубка относится к расходным материалам, поскольку быстро вырабатывает свой ресурс. В среднем ее срок службы составляет около 2 000 часов.

То, как вы используете лазерную трубку, может повлиять на ее долговечность. Если вы в основном режете толстые материалы, потерю мощности будет происходить быстрее, так как трубка работает на токе, близком к максимально рекомендуемому. Единственный способ обойти это — снизить скорость резки. Если вы занимаетесь только гравировкой , то вы можете потерять 50% мощности трубки, прежде чем это начнет влиять на качество производства.

Работа трубки при слишком высоком % выходной мощности может привести к перегрузке трубки. Это процесс, при котором газы в лазерной трубке разрушаются, снижая максимальную выходную мощность трубки. Пожелтение катода может быть индикатором того, что трубка была перегружена.

Беспрерывный розжиг лазерной трубки в несколько смен подряд негативно сказывается на электродах, на нагреве зеркал трубки, а также на газовой смеси.

Как продлить срок службы лазерной трубки

Стеклянная лазерная трубка CO2, используемая во многих станках для лазерной резки и гравировки , относится к категории расходных материалов, но существует ряд способов продлить срок ее службы. При небольшом планировании, подготовке и профилактическом обслуживании вы можете значительно продлить срок службы трубки. Эти советы помогут вам приобрести качественную трубку и поддерживать ее в отличном состоянии долгое время.

Рис. 2. Лазерная CO2 трубка

Правильная мощность лазера

Убедитесь, что указанная мощность действительно отражает мощность трубки, которую вы ожидаете получить, информацию о конкретной трубке можно найти на сайтах производителей.

Установка миллиамперметра

Если ваш лазерный станок не оснащен миллиамперметром, настоятельно рекомендуется установить его самостоятельно. Вы должны убедиться, что не превышаете рекомендованный производителем максимальный рабочий ток (мА), так как это приведет к преждевременному износу трубки и сокращению ее срока службы.

Дата изготовления

На главной этикетке каждой трубки указана дата изготовления. В идеале она должна быть как можно ближе к текущей дате, но нередко бывает, что она может составлять до двух месяцев. Это важно, поскольку гарантия производителя начинается с даты изготовления, а не с даты поставки.

Рис. 3. Мощность лазерной трубки

Обслуживание оптического тракта

Важно содержать в чистоте зеркала, а также линзы. На идеально выровненном и чистом оптическом пути нередко теряется от 10 до 12% мощности, загрязненная оптика значительно увеличивает этот показатель. Вы должны проверять и чистить зеркала еженедельно, а линзы — ежедневно. Работа станка с грязной оптикой означает, что вам придется либо увеличить мощность, либо уменьшить скорость для поддержания реза. Для очистки используйте баллоны сжатого воздуха и специальные чистящие палочки с безворсовым аппликатором.

Толстый слой пыли, осевшей на трубке в результате продолжительной резки фанеры, может привести к появлению статического электричества и пробою высоковольтного разряда. Необходимо периодически очищать поверхность трубки

Система охлаждения лазера

Лучше использовать полностью закрытый охладитель или охлаждающее устройство. Это устройство должно не только подавать сигнал тревоги при возникновении проблемы, но и останавливать работу лазера без достаточного охлаждения. Лазерная трубка должна работать при температуре от 15°C до 25°C. При повышении температуры эффективность трубки снижается, что приводит к снижению выходной мощности. Чиллер охлаждает воду, которая поступает в контур охлаждения лазерной трубки. Тем самым в процессе работы охлаждается газовая смесь.

Почему ухудшается качество стеклянной трубки СО2-лазера?

Все стеклянные лазерные трубки CO2 изнашиваются со временем, их срок службы варьируется от 3 месяцев до 3 лет. Изнутри трубка распадается на монооксид углерода и кислород. Если вы перегружаете трубку, это только ускоряет этот процесс и сокращает срок службы.

За розжиг трубки отвечает высоковольтный блок питания. Поэтому, если хотите, чтобы лазерная трубка служила максимально долго, следует подобрать к ней в пару такой блок питания, который будет работать строго в рамках рекомендуемых для лазерной трубки значений

По мере износа трубки выходная мощность постепенно снижается, что вынуждает либо увеличивать мощность, либо снижать скорость резки. В результате трубка работает интенсивнее и больше. Некоторые трубки содержат катализатор, который рекомбинирует окись углерода и кислород, восполняя утраченный CO2, но часть свободного кислорода может скапливаться на катоде (низковольтном конце трубки), придавая ему желтый оттенок. Именно так производители могут определить была ли трубка перегружена.

Рис. 4. Устройство стеклянной Co2 трубки

Можно ли хранить трубку Co2 лазера?

Срок службы излучателя напрямую зависит от того, как долго хранилась лазерная трубка. Даже при правильном способе хранения лазерная трубка теряет 5% своей мощности в год. Однако прогрессия потери мощности увеличивается с каждым годом хранения. Это происходит потому, что атомы гелия, содержащиеся в газовой смеси, меньше размера кристаллической решетки стекла, из которого сделана лазерная трубка. Следовательно, с течением времени гелий просто выходит из лазерной трубки, а газовая смесь разлагается естественным образом. Тем не менее, утечка газовой смеси также возможна через клеевое соединение наконечника излучателя и выходного зеркала.

Таким образом, нет смысла покупать новую лазерную трубку, если имеющаяся в вашем станке находится в рабочем состоянии.

Возможна ли заправка лазерной трубки CO2?

Когда срок службы лазерной трубки подходит к концу и она больше не срабатывает, операторы оборудования спрашивают — можно ли просто перезаправить лазерную трубку новым газом?

Трубка не дозаправляется ни одним производителем. Каждая лазерная трубка собрана и запечатана на заводе и не подлежит ремонту.