Basisprincipes van lasersnijden en het bijbehorende verwerkingssysteem —Lasersnijapparatuur

II. Samenstelling van lasersnijapparatuur

2.1 Onderdelen en werkingsprincipe van een lasersnijmachine

Een lasersnijmachine bestaat uit een laseremitter, snijkop, straalgeleidingseenheid, werktafel, numeriek besturingssysteem (NC), computer (hardware en software), koeler, beschermgasfles, stofafscheider en luchtdroger.

Lasergenerator

De lasergenerator is een apparaat dat laserlichtbronnen produceert. Voor lasersnijtoepassingen gebruiken de meeste machines CO₂-gaslasers, die een hoge elektro-optische conversie-efficiëntie en een hoog vermogen hebben, met uitzondering van enkele gevallen waarin YAG-lasers worden gebruikt. Niet alle lasers zijn geschikt om te snijden, omdat lasersnijden strenge eisen stelt aan de straalkwaliteit.
Snijkop

Het bestaat hoofdzakelijk uit onderdelen zoals een mondstuk, een scherpstellens en een scherpstelvolgsysteem.

De aandrijfinrichting van de snijkop wordt gebruikt om de snijkop langs de Z-as te bewegen volgens vooraf ingestelde programma's. Deze bestaat uit een servomotor en transmissieonderdelen zoals spindels of tandwielen.

(1) Sproeier: Er zijn drie hoofdtypen sproeiers: parallelle sproeiers, convergente sproeiers en conische sproeiers.

(2) Focuslens: Om te kunnen snijden met behulp van laserenergie, moet de oorspronkelijke laserstraal door een lens worden gefocusseerd om een lichtvlek met een hoge energiedichtheid te vormen. Lenzen met een gemiddelde en lange brandpuntsafstand zijn geschikt voor het snijden van dikke platen en stellen lagere eisen aan de afstandsstabiliteit van het volgsysteem. Lenzen met een korte brandpuntsafstand zijn alleen geschikt voor het snijden van dunne platen van minder dan 3 mm; ze stellen strenge eisen aan de afstandsstabiliteit van het volgsysteem, maar kunnen het benodigde laservermogen aanzienlijk verminderen.

(3) Volgsysteem: Het focusvolgsysteem van een lasersnijmachine bestaat over het algemeen uit een focusseerkop en een volgsensorsysteem. De snijkop integreert functies voor straalgeleiding en focussering, waterkoeling, gasblazen en mechanische afstelling.

De sensor bestaat uit sensorelementen en een versterkingsregeleenheid. Volgsystemen variëren sterk, afhankelijk van het type sensorelementen. Er zijn twee hoofdtypen beschikbaar: het capacitieve volgsysteem, ook wel bekend als het contactloze volgsysteem, en het inductieve volgsysteem, ook wel bekend als het contactvolgsysteem.
Straaltransmissie-eenheid

Externe optische baan: Reflecterende spiegels worden gebruikt om de laserstraal in de gewenste richting te geleiden. Om storingen in de straalbaan te voorkomen, zijn alle reflecterende spiegels afgeschermd en wordt er schoon, positief drukgas in de spiegels gebracht om ze vrij te houden van vervuiling. Een hoogwaardige lens kan een niet-divergerende straal focussen tot een oneindig kleine spot. Een lens met een brandpuntsafstand van 5,0 inch wordt veel gebruikt, terwijl een lens van 7,5 inch alleen geschikt is voor het snijden van materialen dikker dan 12 mm.
Werktafel voor werktuigmachines

Hoofdgedeelte van de machine: Het machinegereedschapsgedeelte van delasersnijmachineHet mechanische onderdeel zorgt voor de beweging van de X-, Y- en Z-assen, inclusief het snijplatform.
Numeriek besturingssysteem

Het NC-systeem bestuurt de werktuigmachine om bewegingen langs de X-, Y- en Z-as te realiseren en regelt tegelijkertijd het uitgangsvermogen van de laser.
Koelsysteem

Koelunit: Deze wordt gebruikt om de lasergenerator te koelen. Een laser is een apparaat dat elektrische energie omzet in lichtenergie. De conversie-efficiëntie van een CO₂-gaslaser is bijvoorbeeld doorgaans 20%, waarbij de resterende energie wordt omgezet in warmte. Koelwater voert de overtollige warmte af om de normale werking van de lasergenerator te garanderen. De koelunit koelt ook de externe optische spiegels en focuslenzen van de machine, waardoor een stabiele straaloverdracht wordt gewaarborgd en vervorming of scheuren van de lenzen door oververhitting effectief worden voorkomen.
Gasflessen

Gasflessen omvatten werkmediumflessen en hulpgasflessen voor de lasersnijmachine. Deze hulpgassen worden gebruikt om de industriële gassen voor de laseroscillatie aan te vullen en de snijkop van hulpgassen te voorzien.
Stofverwijderingssysteem

Het systeem zuigt de rook en het stof af die tijdens de verwerking ontstaan en voert een filtratiebehandeling uit om ervoor te zorgen dat de uitlaatgasemissies voldoen aan de milieunormen.
Luchtkoeldroger en filter

Het zorgt voor de aanvoer van schone, droge lucht naar de lasergenerator en het straalpad, waardoor de normale werking van het straalpad en de reflecterende spiegels gewaarborgd blijft.

2.2 Snijbrander voor lasersnijden

Het structuurdiagram van een snijbrander voor lasersnijden is hieronder weergegeven. Deze bestaat hoofdzakelijk uit een branderlichaam, een focuslens, een reflecterende spiegel en een hulpgasmondstuk. Tijdens het lasersnijden moet de snijbrander aan de volgende eisen voldoen:

① De brander kan een voldoende gasstroom uitstoten.

② De uitstroomrichting van het gas in de brander moet samenvallen met de optische as van de reflecterende spiegel.

③ De brandpuntsafstand van de zaklamp kan eenvoudig worden aangepast.

④ Tijdens het snijden mogen metaaldampen en -spatten van het gesneden metaal de reflecterende spiegel niet beschadigen.

De beweging van de snijbrander wordt geregeld door een NC-bewegingssysteem. Er zijn drie scenario's voor de relatieve beweging tussen de snijbrander en het werkstuk:

① De brander blijft stationair terwijl het werkstuk over de werktafel beweegt — vooral geschikt voor kleine werkstukken.

② Het werkstuk blijft stil staan terwijl de brander beweegt.

③ Zowel de brander als de werktafel bewegen gelijktijdig.

2.2.1 Snijkop

De lasersnijkop bevindt zich aan het uiteinde van het straaltransmissiesysteem, dat bestaat uit een focusseerlens en een snijmondstuk.

Focuslenzen worden hoofdzakelijk geclassificeerd op basis van de brandpuntsafstand. De meeste lasersnijmachines zijn uitgerust met meerdere snijkoppen met verschillende brandpuntsafstanden. Neem bijvoorbeeld CO₂-lasersnijden: veelvoorkomende brandpuntsafstanden zijn 127 mm (5 inch) en 190 mm (7,5 inch). Een lens met een korte brandpuntsafstand produceert een kleine focusvlek en een geringe scherptediepte, wat gunstig is voor het verkleinen van de snijbreedte en het bereiken van fijnere sneden. Een lens met een lange brandpuntsafstand levert een grotere focusvlek en een grotere scherptediepte. In vergelijking met lenzen met een korte brandpuntsafstand kunnen lenzen met een lange brandpuntsafstand een gefocusseerde straal leveren met een laserenergiedichtheid die voldoende is voor materiaalbewerking nabij het brandpunt. Daarom worden lenzen met een korte brandpuntsafstand meestal gebruikt voor het nauwkeurig snijden van dunne platen, terwijl lenzen met een lange brandpuntsafstand nodig zijn voor dikkere materialen om een adequate scherptediepte te verkrijgen, waardoor minimale variatie in de spotdiameter en voldoende vermogensdichtheid binnen het snijdiktebereik worden gegarandeerd.

Focuslenzen worden gebruikt om de parallelle laserstraal die op de snijbrander valt te focussen, waardoor een kleinere spotgrootte en een hogere vermogensdichtheid worden bereikt. Lenzen zijn gemaakt van materialen die de lasergolflengte kunnen doorlaten. Optisch glas wordt veel gebruikt voor solid-state lasers, terwijl materialen zoals ZnSe, GaAs en Ge worden gebruikt voor CO₂-gaslasers (omdat gewoon glas niet transparant is voor CO₂-laserstralen), waarvan ZnSe het meest gebruikt wordt.

Bij lasersnijden is het wenselijk om de diameter van de focusspot te minimaliseren om de vermogensdichtheid te verhogen en snijden met hoge snelheid mogelijk te maken. Een kortere brandpuntsafstand van de lens resulteert echter in een kleinere scherptediepte, waardoor het lastiger is om een loodrechte snede te verkrijgen bij het snijden van dikke platen. Bovendien verkleint een kortere brandpuntsafstand de afstand tussen de lens en het werkstuk, waardoor het risico toeneemt dat de lens tijdens het snijden wordt vervuild door gesmolten materiaal, wat de normale werking kan beïnvloeden. Daarom moet de juiste brandpuntsafstand worden bepaald op basis van een alomvattende afweging van factoren zoals de snijdikte en de vereiste snijkwaliteit.

2.2.2 Reflecterende spiegel

De functie van de reflecterende spiegel is het veranderen van de richting van de laserstraal. Voor lasers met vaste stoffen kunnen reflecterende spiegels van optisch glas worden gebruikt. Reflecterende spiegels in CO₂-lasersnijmachines zijn daarentegen meestal gemaakt van koper of metalen met een hoge reflectiviteit. Om schade door oververhitting als gevolg van laserstraling tijdens gebruik te voorkomen, worden reflecterende spiegels doorgaans met water gekoeld.

2.2.3 Spuitmond

Het mondstuk wordt gebruikt om hulpgas in de snijzone te spuiten, en de structuur ervan heeft een zekere invloed op de snij-efficiëntie en -kwaliteit. Figuur 4.11 toont veelvoorkomende mondstukvormen voor lasersnijden; de vormen van de mondstukopening omvatten cilindrische, conische en convergerend-divergerende typen.

De keuze van het mondstuk wordt over het algemeen bepaald door tests op basis van het materiaal en de dikte van het werkstuk, en de druk van het hulpgas. Lasersnijden maakt meestal gebruik van coaxiale mondstukken (waarbij de gasstroom coaxiaal is met de optische as). Als de gasstroom en de laserstraal niet coaxiaal zijn, is de kans groot dat er tijdens het snijden overmatig spatwater ontstaat. De binnenwand van de mondstukopening moet glad zijn om een onbelemmerde gasstroom te garanderen en turbulentie te voorkomen die de snijkwaliteit kan beïnvloeden. Om snijstabiliteit te garanderen, moet de afstand tussen het uiteinde van het mondstuk en het werkstukoppervlak minimaal zijn, doorgaans tussen 0,5 mm en 2,0 mm. De diameter van de mondstukopening moet de laserstraal soepel doorlaten, zodat de straal de binnenwand van de opening niet raakt. Hoe kleiner de diameter van de opening, hoe moeilijker het is om de straal te collimeren. Voor een gegeven hulpgasdruk is er een optimaal bereik voor de diameter van de mondstukopening. Een te kleine of te grote opening belemmert de afvoer van gesmolten materiaal uit de snijsnede en beïnvloedt de snijsnelheid.

De invloed van de diameter van de spuitmondopening op de snijsnelheid bij een vast laservermogen en een vaste hulpgasdruk wordt weergegeven in figuren 4.12 en 4.13. Hieruit blijkt dat er een optimale diameter van de spuitmondopening bestaat die de maximale snijsnelheid oplevert. Deze optimale waarde ligt rond de 1,5 mm, ongeacht of zuurstof of argon als hulpgas wordt gebruikt.

Tests met lasersnijden van harde legeringen (die moeilijk te snijden zijn) tonen aan dat de optimale diameter van de spuitmondopening zeer dicht bij de bovenstaande resultaten ligt, zoals weergegeven in figuur 4.14. De diameter van de spuitmondopening beïnvloedt ook de snijbreedte en de breedte van de warmtebeïnvloede zone (HAZ). Zoals weergegeven in figuur 4.15, neemt de snijbreedte toe, terwijl de breedte van de HAZ afneemt naarmate de diameter van de spuitmondopening groter wordt. De belangrijkste reden voor de vernauwing van de HAZ is het verbeterde koeleffect van de hulpstroom van gas op het basismateriaal in de snijzone.

2.3 Parameters van lasersnijapparatuur

2.3.1 Snijapparatuur met brander

Bij snijbranders is de snijbrander gemonteerd op een beweegbare portaalconstructie en beweegt deze horizontaal langs de portaalbalk (Y-as). De portaalconstructie drijft de brander aan langs de X-as, terwijl het werkstuk vast op de werktafel ligt. Omdat de laser en de snijbrander afzonderlijk zijn geplaatst, worden de transmissiekarakteristieken van de laser, de paralleliteit langs de scanrichting van de laserstraal en de stabiliteit van de reflecterende spiegels tijdens het snijproces beïnvloed.

Snijbranders kunnen grote werkstukken verwerken. Ze nemen relatief weinig vloeroppervlak in beslag in de snijproductiezone en kunnen eenvoudig worden geïntegreerd met andere apparatuur om een productielijn te vormen. De positioneringsnauwkeurigheid is echter slechts ±0,04 mm.

De typische structuur van snijapparatuur met brander is weergegeven in figuur 4.19. Er wordt gebruikgemaakt van een CO₂-lasersnijmachine met continue golf, waarbij de afstand tussen de laser en de snijbrander 18 meter bedraagt. Om ervoor te zorgen dat de verandering in de straaldiameter over deze transmissieafstand de snijbewerkingen niet verstoort, moet de combinatie van oscillerende spiegels zorgvuldig worden ontworpen.

De belangrijkste technische parameters van snijbranders zijn als volgt:

Laservermogen: 1,5 kW (single-mode), 3 kW (multi-mode)
Slag van de brander: X-as 6,2 m, Y-as 2,6 m
Rijsnelheid: 0–10 m/min (instelbaar)
Zwevende slag van de brander in de Z-as: 150 mm
Snelheid van de Z-asverstelling van de brander: 300 mm/min
Maximale afmetingen van de bewerkte staalplaat: 12 mm × 2400 mm × 6000 mm
Besturingssysteem: Geïntegreerde NC-besturingsmodus

2.3.2 XY-tafelgestuurde snijapparatuur

Bij XY-tafelgestuurde snijmachines is de snijbrander op het frame bevestigd en wordt het werkstuk op de snijtafel geplaatst. De snijtafel beweegt langs de X- en Y-assen volgens NC-commando's, met een instelbare aandrijfsnelheid die doorgaans varieert van 0–1 m/min of 0–5 m/min. Doordat de snijbrander stationair blijft ten opzichte van het werkstuk, wordt de invloed op de uitlijning en centrering van de laserstraal tijdens het snijproces geminimaliseerd, wat zorgt voor uniforme en stabiele snijprestaties. Wanneer de machine is uitgerust met een kleine snijtafel met hoge mechanische precisie, bereikt deze een positioneringsnauwkeurigheid van ±0,01 mm.uitstekende snijprecisiewaardoor het bijzonder geschikt is voor het nauwkeurig snijden van kleine onderdelen. Daarnaast zijn er grotere snijtafels beschikbaar met een X-as slag van 2300–2400 mm en een Y-as slag van 1200–1300 mm voor het bewerken van grote werkstukken.

De belangrijkste technische parameters van de XY-tafelgestuurde snijmachine zijn als volgt:

Laserbron: CO₂-gaslaser (halfgesloten, rechte buis)
Laservoeding: Ingangsspanning 200 VAC; Uitgangsspanning 0–30 kV; Maximale uitgangsstroom 100 mA
Laservermogen: 550 W
Slag van de snijtafel: X-as 2300 mm, Y-as 1300 mm
Aandrijfsnelheid snijtafel (trapsgewijs instelbaar): 0,4–5,0 m/min, 0,2–2,5 m/min, 0,1–1,3 m/min, 0,05–0,6 m/min
Zwevende slag van de brander in de Z-as: 180 mm
Maximale afmetingen van de te bewerken plaat: 6 mm × 1300 mm × 2300 mm
Besturingssysteem: Numerieke besturing (NC) modus

2.3.3 Dubbel aangedreven snijapparatuur (brander en tafel)

De snijmachine met dubbele aandrijving (toorts en tafel) bevindt zich qua ontwerp tussen snijmachines met toortsaandrijving en snijmachines met XY-tafelaandrijving. De snijtoorts is gemonteerd op een portaal en beweegt horizontaal langs de portaalbalk (Y-as), terwijl de snijtafel in de lengte wordt aangedreven. Dit hybride ontwerp combineert de voordelen van hoge snijprecisie en ruimtebesparende efficiëntie. Met een positioneringsnauwkeurigheid van ±0,01 mm en een instelbaar snijsnelheidsbereik van 0–20 m/min is het een van de meest gebruikte snijmachines op de markt. Grotere modellen van deze machine bieden een Y-as slag van 2000 mm en een X-as slag van 6000 mm, waardoor het snijden van grote werkstukken mogelijk is.

De laseroscillator is naast de snijbrander op de portaalconstructie gemonteerd. Deze configuratie zorgt voor uitzonderlijke precisie bij het snijden van ronde gaten. De machine heeft bovendien een hoge productie-efficiëntie: hij kan 46 ronde gaten (met een diameter van 10 mm) per minuut snijden in een 1 mm dikke stalen plaat.

2.3.4 Geïntegreerde snijapparatuur

In eengeïntegreerde snijmachineDe laserbron is op het frame gemonteerd en beweegt er in de lengte mee mee, terwijl de snijbrander is geïntegreerd met het aandrijfmechanisme en horizontaal langs de framebalk beweegt. De machine maakt gebruik van numerieke besturing om componenten met verschillende vormen te snijden. Om de variatie in optische padlengte, veroorzaakt door de horizontale beweging van de snijbrander, te compenseren, is meestal een module voor aanpassing van de optische padlengte aanwezig. Deze module zorgt voor een homogene laserstraal binnen het snijgebied en een consistente snijkwaliteit.

Geplaatst op: 17 december 2025

Basisprincipes van lasersnijden en het bijbehorende verwerkingssysteem — Lasersnijapparatuur