Глубокая гравировка (резка) камня

[Dubov]

Здравствуйте, уважаемые лазерщики.
Прошу помочь в решении задачи резки камня волоконным лазером и подборе оборудования.
Необходимо резать диски из пластин яшмы толщиной 3 плюс/минус 1 мм (медальки).
Пробные выстрелы были сделаны в одной отзывчивой компании на нескольких машинах.
Результаты следующие:
На 50 Вт камень перегрелся и раскололся, на 20 Вт резка длилась больше часа (диаметр диска 10 мм).
Некий оптимум был достигнут на 30 Вт. Источник Raycus. Фото прилагаю.
Должен оговориться, что это не резка в классическом понимании, а гравировка кольца толщиной от 0,2 до 1 мм вокруг искомого диска на глубину, превышающую толщину заготовки.
В принципе резать получается, но есть 2 проблемы.
1. При углублении производительность процесса снижается. Свыше 2 мм в ряде случаев углубиться не удалось. Обдув воздухом и ручная подстройка фокуса в процессе резки несколько улучшают результат.
2. Боковая поверхность детали не перпендикулярна основанию. Профиль реза конический.
Прошу поделиться соображениями на этот счет.

 

[RuSS56]

1. При углублении производительность процесса снижается. Свыше 2 мм в ряде случаев углубиться не удалось. Обдув воздухом и ручная подстройка фокуса в процессе резки несколько улучшают результат.

Полагаю, что пока рез не глубокий, продукты горения выкидывает наружу. Но углубляясь они уже не выкидываются и становятся помехой. Мое мнение. Не претендую на истину. Сам сталкивался.

2. Боковая поверхность детали не перпендикулярна основанию. Профиль реза конический.
Прошу поделиться соображениями на этот счет.

Так луч работает из точки. Конус будет по любому. Вариант избавиться от конуса возможно координатный стол. Чтобы лазер бил в точку, а стол рисовал круг. Опять же на истину не претендую. Домыслы.

А вообще, такие камни у нас режут на гидрорезке.
Вот одна из работ. Я резал надписи и логотипы. И текст на камне. А сам камень резался гидрорезкой.

 

[Dubov]

А вообще, такие камни у нас режут на гидрорезке.

Рад встретить земляка. Я родом из Гая.
Гидроабразив - очень дорогое и не знакомое мне оборудование. Лазер дешевле и ближе.

Так луч работает из точки. Конус будет по любому.

Не совсем из точки. И геометрия не сходится.
Гравировка делалась на линзе диаметром 110 мм с расстоянием до плоскости фокусировки 160 мм. Толщина пластины 3,8 мм. Диаметр диска 6 мм.
Простой расчет дает угол отклонения боковой поверхности от вертикали 1,07 градуса. И разность диаметров (верхнего и нижнего) на такой толщине должна быть 0,1425 мм. С этим я готов смириться.
Фактическая разность диаметров 1 мм. Это монго.

координатный стол

Размышлял над этим. Тут встает вопрос скорости перемещения координатного стола. Будет ли она достаточной для моей задачи?

 

[jek44]

На линзе с полем 110 фокус работает максимум в диапазоне 1,5 мм. Вы меняеете фокусное в процессе резки, опуская фокус. В итоге на такой толщине сверху луч шире, камень за большое количество проходов постепенно выжигается, вот конус и получается.
С координатным столом по этой причине тоже будет конус. Заготовки нарезанные лазером с просчитанным припуском проще обработать механическим способом, убрать конусность. Конечно придется изготовить кондуктор, для повторяемости детали на выходе.

 

[RuSS56]

Рад встретить земляка. Я родом из Гая.

Взаимно! Я здесь и обитаю ))

 

[Dubov]

Вы меняеете фокусное в процессе резки

Вы правы, коллега.
Видимо, дело в том, что при попытке заглубить фокус, мы получаем следующий эффект: часть луча съедается верхней кромкой, которая при этом "стачивается". А нижняя кромка остаётся "недосвеченной". Этот эффект накладывается на геометрию, создаваемую лучом и сканаторной головой. На выходе получаем такой выраженный конус.

 

[Mol_s_off]

Используйте режим фрезы. Для камня оптимальный вариант и конусность меньше будет.

 

[Dubov]

режим фрезы

Спасибо. Не слышал о таком. Это режим работы излучателя? Или программный трюк со сканатором?
Дайте пожалуйста ссылку, где прочитать об этом режиме.

 

[Mol_s_off]

Кнопка рядом с кнопкой ауди, режим Wobble, подберите параметры(дистанция и шаг)

 

[MaxiMarker]

Видимо, дело в том, что при попытке заглубить фокус, мы получаем следующий эффект: часть луча съедается верхней кромкой, которая при этом "стачивается". А нижняя кромка остаётся "недосвеченной". Этот эффект накладывается на геометрию, создаваемую лучом и сканаторной головой. На выходе получаем такой выраженный конус.

Да, именно так и происходит. Для таких систем завал вертикальных стенок при углублении на 7-10 градусов - это норма.
Ибо луч лазера - это не плоская фреза. Упрощённо можно представить его в виде иголки (в зоне воздействия).

 

[MaxiMarker]

Плюс, дополнительный угол дают обычные F-Theta линзы (причём, разный по величине от центра к краям рабочего поля).
Этот эффект можно нивелировать путём применения телецентрических линз, где луч всегда перпендикулярен обрабатываемой поверхности. Но цена таких линз начинается от 4.500 USD. Не каждый может себе позволить линзу по цене 2-х китайских станков с Али.

 

[jek44]

В конце концов это маркер, который работает по поверхности заготовки. Не нужно требовать от него чтобы он резал толстые материалы, для этого есть другие станки.

 

[Dubov]

Ибо луч лазера - это не плоская фреза

Да. Изучал в университете. Гауссов пучек, перетяжка.
Правда по специальности давно не работаю. Но имею богатый опыт работы на лазерных станках и хочу так сказать вернуться в эту тему.
Луч с длиной волны 1,06 мкм можно теоретически сфокусировать в пятно порядка 1 мкм. Оптические элементы (волокно, линза, среда) неизбежно ухудшают параметры пучка и китайский Raycus c F-Theta линзой 110 мм фокусируется в пятно 30 мкм!
Вопрос: если убрать сканатор и поставить простую линзу с таким же фокусным 163 мм, в пятно какого размера получится сфокусировать луч?

 

[Dubov]

для этого есть другие станки

Какие?
Фреза и гидроабразив не подходят: большая толщина реза.
Лазерного станка для резки камня я не нашел.
Классическая резка, когда сначала пробивается сквозное отверстие а потом режется канал с такими материалами не проходит. Камень не выдерживает высоких термических напряжений и разрушается.
Казалось бы, можно закрыть тему, но! Волоконный лазер имеет большую энергию в импульсе и позволяет реализовать испарительный режим воздействия на материал.
Лирическое отступление. Когда я в на практике в НИИ перевел статью по теме лазерного испарения, мой научный руководитель возликовал: наконец-то воплотили идею лазерного фрезерования!
Так вот, я хочу станок. Лазерный фрезер, который позволит резать пластины из яшмы толщиной 2 мм (и более, если возможно) со скоростью порядка 1 см в минуту. Небольшая конусность реза (1 градус) меня не смущает.
Прошу более опытных товарищей поделиться соображениями на этот счет.

 

[halkru]

Фреза и гидроабразив не подходят: большая толщина реза.

Какая проблема учесть это в пути инструмента? Или отходы имеют ценность?

 

[halkru]

поделиться соображениями на этот счет

Фрезер по камню (с проливкой в зону резки) самото. Как вариант СО2 попробовать, там хоть не испарение, но скалывание то-же не плохое.

 

[jek44]

И я поделюсь сооображениями. Применяйте линзу с бОльшим фокусным расстоянием. Например для поля 220х220 мм (f330) фокус работает в диапазоне до 3,5 мм. Для поля 300х300 мм (f430) фокус работает до 4,5 мм. Да, мощность значительно снижается, но в вашем случае увеличив мощность излучения до 50 вт еще можно компенсировать потери.

 

[MaxiMarker]

Длиннофокусная линза с большим полем имеет достаточно большое пятно в точке фокусировки. При 50 ваттах это даст очень сильный нагрев камня... он может просто треснуть.

 

[Dubov]

Какая проблема учесть это в пути инструмента? Или отходы имеют ценность?

Невозможно делать тонкие ажурные вещи. Например внутренний острый угол будет скруглен в вершине до диаметра фрезы (струи).

 

[Dubov]

Применяйте линзу с бОльшим фокусным расстоянием.

Я прорабатывал эту возможность чисто умозрительно. Дело вот в чем: Увеличивая пятно фокусировки, мы уменьшаем плотность мощности пропорционально квадрату радиуса этого пятна. При уменьшении плотности мощности уходим из испарительного режима и тогда тепловые потери действительно разрушат материал. Можно что-то здесь оптимизировать, но сама тенденция следующая. Мощность увеличим в 1.6 раза. Диаметр пятна фокусировки, допустим, увеличим тоже в 1,6 раза (для примера). А интенсивность при этом уменьшится в 2,56 раза. Вместо выигрыша получается проигрыш.

 

[Dubov]

Тут появились новые вводные. Пообщался со знающим человеком, который не в теории, а на практике режет камни лазером.
В яшме и многих других камнях встречаются включения кварца. Часто в высокой концентрации. Кварц прозрачен для 1 микрона. Были попытки резать УФ лазером - сильное отражение от граней. Поэтому он пришел к резке СО2 лазером по классической схеме: засверливание и резка по сквозному каналу с продувкой воздухом. И технология здесь сидит в параметрах: умеренная мощность, большая длительность импульса и низкая частота.
Надо переспать с этими сведениями.
Есть мысли, но оформить пока не могу.