Na czym polega cięcie laserowe? Zalety, materiały i zastosowanie wycinania laserem

Cięcie laserowe to jedna z najbardziej zaawansowanych metod obróbki materiałów. Cięcie przeprowadza się przy użyciu skoncentrowanej wiązki laserowej, która umożliwia precyzyjne wycinanie nawet najbardziej skomplikowanych kształtów. Technologia ta pozwala na cięcie zarówno metali, jak i materiałów niemetalowych. Przez lata technologia ta znacząco ewoluowała, a obecnie dominuje w wielu gałęziach przemysłu, w tym w motoryzacji, lotnictwie, elektronice oraz inżynierii materiałowej. Wycinarki laserowe umożliwiają szybkie i czyste cięcie bez konieczności dodatkowej obróbki, co czyni je nie tylko bardziej efektywnymi, ale także ekonomicznymi w dłuższej perspektywie.

Ewolucja technologii cięcia laserowego

Tradycyjne technologie laserowe, takie jak lasery CO₂, plazma i YAG, przez lata dominowały na rynku, jednak obecnie coraz częściej ustępują miejsca nowoczesnym laserom światłowodowym (fiber). Główne różnice między tymi technologiami obejmują:

• lasery CO₂ – stosowane głównie do cięcia materiałów niemetalowych oraz niektórych metali, wymagają skomplikowanego układu luster, wysokich kosztów eksploatacji i większego poboru energii..

• lasery plazmowe - stosowane głównie do cięcia grubych materiałów w przemyśle ciężkim, wymagają wysokiego zapotrzebowania energetycznego oraz post-procesowej obróbki elementów.

• lasery YAG – wykorzystywane w przemyśle do precyzyjnych zastosowań, jednak ich sprawność jest niższa niż w przypadku laserów fiber.

• lasery fiber – charakteryzują się wyższą efektywnością energetyczną, wszechstronnością, precyzją i szybkością procesu obróbczego  oraz mniejszymi kosztami eksploatacji.

Laser światłowodowy jest obecnie preferowaną opcją w wielu zastosowaniach przemysłowych, ponieważ oferuje szybkie i precyzyjne cięcie, niższe koszty eksploatacyjne i większą trwałość.

Mechanizm procesu cięcia laserowego

Cięcie laserowe to skomplikowany proces termiczny, w którym promień lasera nagrzewa materiał do temperatury topnienia, odparowania lub spalania. Kluczowym elementem jest zastosowanie odpowiedniego gazu towarzyszącego, który wspomaga proces usuwania materiału i wpływa na jakość krawędzi. W zależności od techniki cięcia, proces może wykorzystywać różne zjawiska fizyczne.

Podstawy fizyczne cięcia laserowego

Proces cięcia laserowego polega na dostarczeniu wiązki laserowej o wysokiej energii do materiału, co powoduje jego nagrzanie, stopienie, a w niektórych przypadkach również odparowanie lub spalanie. Kluczową rolę odgrywa tu absorpcja energii przez powierzchnię ciętego elementu. Współczynnik absorpcji promieniowania laserowego zależy od rodzaju materiału, długości fali lasera oraz kąta padania promienia.

W przypadku metali, takich jak aluminium czy miedź, które charakteryzują się wysokim współczynnikiem odbicia, konieczne jest stosowanie wyższej mocy lasera w celu skutecznego rozpoczęcia procesu cięcia. Natomiast stale węglowe i nierdzewne charakteryzują się lepszą absorpcją energii laserowej, co ułatwia obróbkę.

Trzy podstawowe techniki cięcia laserowego

W zależności od parametrów lasera, rodzaju materiału oraz oczekiwanych efektów, stosuje się trzy główne techniki cięcia laserowego. Każda z nich różni się mechanizmem działania i znajduje zastosowanie w określonych warunkach przemysłowych.

1. Cięcie w stanie ciekłym – polega na stopieniu metalu w obszarze szczeliny cięcia, a następnie usunięciu ciekłego metalu przez strumień gazu towarzyszącego, np. azotu lub argonu. Proces ten minimalizuje utlenianie krawędzi ciętego elementu, zapewniając wysoką jakość powierzchni.

2. Cięcie z odparowaniem – wykorzystuje intensywną energię promienia lasera do natychmiastowego odparowania materiału. Powstające w wyniku tego procesu gazy usuwane są ze szczeliny cięcia przez strumień gazu tnącego.

3. Cięcie tlenem (egzotermiczne) – w tym przypadku jako gaz towarzyszący stosuje się tlen, który wchodzi w reakcję egzotermiczną z metalem, dostarczając dodatkowej energii cieplnej i przyspieszając proces cięcia. Jest to metoda szczególnie efektywna przy cięciu stali węglowej.

Jakie materiały można ciąć laserem?

Wycinanie laserem znajduje zastosowanie w obróbce szerokiej gamy materiałów, zarówno metalowych, jak i niemetalowych. Dzięki dużej precyzji i powtarzalności proces ten umożliwia cięcie takich materiałów jak:

• blachy stalowe – zarówno ze stali węglowej, jak i nierdzewnej, gdzie laser zapewnia gładkie krawędzie bez konieczności dodatkowej obróbki.

Sprawdź: Wycinarka do blach FALCON

• aluminium i jego stopy – mimo wysokiego współczynnika odbicia, odpowiednio dobrane parametry pozwalają na precyzyjne cięcie aluminium laserem.

• mosiądz i miedź – lasery światłowodowe umożliwiają cięcie wysoko refleksyjnych materiałów.

• tworzywa sztuczne – takie jak akryl, poliwęglan czy polietylen, które można obrabiać bez ryzyka deformacji.

• drewno i papier – laser pozwala na niezwykle precyzyjne cięcie tektury, sklejki i innych materiałów organicznych.

Dzięki zastosowaniu technologii laserowej możliwe jest cięcie zarówno cienkich folii, jak i grubych arkuszy metalu. Nowoczesne wycinarki laserowe są szczególnie skuteczne w obróbce blach, profili i rur. Automatyzacja procesów oraz zaawansowane systemy sterowania CNC pozwalają na szybkie i precyzyjne cięcie nawet najbardziej skomplikowanych kształtów.

Sprawdź: Wycinarka do rur i profili FALCON

Laserowe cięcie rur i profili zapewnia wyjątkową jakość krawędzi oraz możliwość pracy ze stałym poziomem precyzji. Właśnie dlatego jest to rozwiązanie wybierane przez branże wymagające najwyższej jakości i powtarzalności produkcji.

Cięcie plazmowe – alternatywa dla cięcia laserowego?

Cięcie plazmowe stanowi inną popularną metodę obróbki metali, wykorzystującą zjonizowany gaz o bardzo wysokiej temperaturze do stopienia i usunięcia materiału. W porównaniu z wycinaniem laserowym technologia ta oferuje możliwość cięcia grubszych materiałów przy stosunkowo niższych kosztach inwestycyjnych. Proces ten jest szczególnie skuteczny w przypadku metali przewodzących prąd elektryczny, dlatego jest popularny w przemyśle ciężkim i konstrukcyjnym.

Mimo swoich zalet cięcie plazmowe ma również istotne ograniczenia. Jakość krawędzi jest niższa niż w przypadku cięcia laserowego, dlatego często wymaga dodatkowej obróbki. Proces generuje także większą strefę wpływu ciepła, co może prowadzić do odkształceń obrabianego materiału. Ponadto zużycie gazu i elektrod w cięciu plazmowym jest znacznie większe, a to znacząco podnosi koszty eksploatacyjne w dłuższym okresie. Chociaż plazma może być bardziej opłacalnym wyborem dla cięcia grubych blach, to laserowa technologia pozostaje niezastąpiona wszędzie tam, gdzie kluczowe są precyzja, powtarzalność i minimalizacja strat materiałowych.

Kluczowe parametry techniczne cięcia laserowego

Żeby osiągnąć optymalne wyniki procesu obróbki i w pełni wykorzystać technikę laserową, należy uwzględnić kilka istotnych parametrów. Odpowiednie ustawienia pozwalają na wycinanie laserowe materiałów takich jak stal nierdzewna, aluminium czy miedź przy zachowaniu wysokiej precyzji i dużej prędkości cięcia. Wycinanie laserowe pozwala na obróbkę różnych materiałów o podobnych parametrach wymiarowych, zapewniając jednocześnie powtarzalność procesu. Dzięki temu możliwe jest efektywne cięcie zarówno cienkich arkuszy, jak i grubszych elementów bez utraty jakości krawędzi. Oto ważne parametry cięcia laserem:

• moc lasera – decyduje o zdolności cięcia materiałów o różnych grubościach. Wyższa moc umożliwia szybsze i efektywniejsze wycinanie laserowe grubych arkuszy blach.

• długość fali lasera – wpływa na absorpcję energii przez dany materiał, co przekłada się na skuteczność procesu. W przypadku stali nierdzewnej i innych materiałów wysoko refleksyjnych, odpowiednio dobrana długość fali poprawia jakość obróbki.

• prędkość cięcia – zależy od mocy lasera, grubości i rodzaju materiału. Odpowiednia konfiguracja zapewnia dużą prędkość obróbki, minimalizując czas realizacji procesu.

• rodzaj gazu towarzyszącego – wybór odpowiedniego gazu (np. azotu, argonu, tlenu) wpływa na jakość krawędzi cięcia oraz efektywność procesu. W przypadku stali nierdzewnej często stosuje się azot, aby zapobiec utlenianiu krawędzi.

• średnica ogniska lasera – im mniejsza, tym precyzyjniejsze cięcie i węższa szczelina cięcia. Jest to kluczowe przy skomplikowanych wzorach o wysokiej dokładności.

• tryb pracy lasera – może być ciągły lub impulsowy, co ma znaczenie dla precyzyjnych operacji obróbki.

Zalety cięcia laserowego

Cięcie laserowe oferuje wiele korzyści w porównaniu z tradycyjnymi metodami obróbki:

• wysoka precyzja – umożliwia wycinanie skomplikowanych kształtów z minimalnym błędem.

• gładkie krawędzie – brak konieczności dalszej obróbki mechanicznej.

• wysoka prędkość cięcia – redukcja czasu obróbki w porównaniu do metod konwencjonalnych.

• brak zużycia narzędzia – laser nie wymaga kontaktu z materiałem, dlatego eliminuje mechaniczne zużycie.

• minimalizacja odpadów – optymalne wykorzystanie materiału dzięki precyzyjnemu cięciu.

Zastosowania cięcia laserowego

Precyzyjna i szybka technika cięcia umożliwia produkcję zarówno dużych elementów konstrukcyjnych, jak i skomplikowanych detali o mikroskopijnych wymiarach. Dzięki możliwościom dostosowania parametrów lasera do różnych materiałów wycinanie laserowe jest niezastąpione w wielu branżach:

• motoryzacja – cięcie karoserii, podzespołów silników, elementów wnętrza pojazdów.

• lotnictwo i kosmonautyka – precyzyjna obróbka stopów lekkich i materiałów kompozytowych.

• elektronika – mikro obróbka komponentów elektronicznych, cięcie cienkich folii metalowych.

• przemysł konstrukcyjny – produkcja elementów konstrukcyjnych i maszynowych.

• reklama i design – personalizowane elementy dekoracyjne, cięcie w drewnie, plexi czy w metalu.

Dzięki wszechstronności i precyzji wycinanie laserowe staje się niezastąpionym narzędziem w przemyśle, umożliwiając realizację nawet najbardziej skomplikowanych projektów z niezrównaną jakością i powtarzalnością.

Grawerowanie i znakowanie laserowe

Poza cięciem technologia laserowa umożliwia także grawerowanie oraz znakowanie materiałów. Dzięki dużej precyzji i bezdotykowemu procesowi, grawerowanie laserowe znajduje zastosowanie w produkcji przemysłowej, identyfikacji produktów oraz personalizacji wyrobów. Laser może nanosić trwałe oznaczenia na metale czy tworzywa sztuczne, a także na szkło czy drewno. To niezwykle przydatne w branżach wymagających oznakowania seryjnego lub dekoracyjnego.

Ile kosztuje cięcie laserem? Czy wycinarki laserowe są drogie?

Koszty cięcia laserem zależą od wielu czynników, takich jak grubość i rodzaj materiału, długość cięcia oraz stopień skomplikowania wzoru. Wycena usługi może się różnić w zależności od technologii użytej do obróbki, mocy lasera i zastosowanego gazu osłonowego. 

Koszty te należy również rozpatrywać w kontekście inwestycji w wycinarki laserowe. Profesjonalne maszyny do obróbki metalu (cięcia blach czy profili i rur) to zaawansowane technologicznie urządzenia, których ceny mogą wahać się od kilkuset tysięcy do kilku milionów złotych, w zależności od mocy lasera, poziomu automatyzacji i dodatkowych funkcji. Szczegółowe porównanie dostępnych wycinarek laserowych można znaleźć w naszym: Przewodniku po wycinarkach laserowych.

Przeczytaj również: Na co zwrócić uwagę przy zakupie wycinarki laserowej?

Wycinanie laserowe – przyszłość precyzyjnej obróbki materiałów

Cięcie laserowe to zaawansowana technologia, która zrewolucjonizowała przemysł obróbki materiałowej, a zwłaszcza obróbki metalu. W przeciwieństwie do klasycznej obróbki mechanicznej, w której wykorzystuje się narzędzia skrawające i obróbkę wiórową, laser pozwala na bezdotykowe cięcie, eliminując konieczność stosowania sił mechanicznych i redukując zużycie narzędzi. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie niezwykle gładkich krawędzi bez zadziorów i potrzeby dodatkowego wykańczania powierzchni.

Zastosowanie laserów w przemyśle obejmuje szeroki zakres branż, od motoryzacji i lotnictwa, po elektronikę i produkcję precyzyjnych komponentów. Wybór odpowiedniej techniki i parametrów procesu pozwala uzyskać doskonałe efekty, a dynamiczny rozwój technologii laserowej prowadzi do dalszej poprawy wydajności i jakości obróbki. Nowoczesne systemy laserowe stają się coraz bardziej energooszczędne i wydajne, co tylko umacnia ich pozycję w przemyśle. Z biegiem lat można spodziewać się jeszcze większej automatyzacji oraz integracji laserów z inteligentnymi systemami sterowania, a to pozwoli na dalszą optymalizację procesów produkcyjnych.

Bibliografia:

• Andrzej Klimpel, Podstawy teoretyczne cięcia laserowego metali, „Przegląd Spawalnictwa”, 6/2012, dostęp online [31.01.2025] https://www.researchgate.net/publication/323326207_Podstawy_teoretyczne_ciecia_laserowego_metali
• Andrzej Klimpel, Spawanie, zgrzewanie i cięcie metali: technologie, Wydawnictwo WNT, Warszawa 1999.