Не пленкой единой жив сайнмейкер. Он жив также пластиком, металлом и даже фанерой. И если для пленки вполне подходит режущий плоттер или острый фирменный нож в руках умельца, то для последних до недавнего времени были наиболее известны лобзик и фрезерный станок. Теперь настала очередь лазерной резки.
Здесь речь пойдет о самом современном и новом даже для промышленно развитых стран лазерном оборудовании и о применении лазерной резки. Причем будут рассмотрены аспекты только механического воздействия, грубо и зримо изменяющего материал. Такие тонкие вещи, как лазерные принтеры, лазерная лучевая шоу-реклама, рисование лазером на облаках останутся за рамками данного обзора.
В основе лазерной обработки лежит простой научный факт: лазерный луч можно сконцентрировать на поверхности материала в пятно диаметром в десятые доли миллиметра. Если при этом лазер обладает достаточной мощностью, то происходит расплавление, испарение, разрушение, изменение структуры материала. Представление о лазерной резке, основанное на знакомстве с принципами работы небезызвестного гиперболоида инженера Гарина, вообще говоря, неверно. Действительно, из лазера выходит параллельный пучек не обязательно видимого света, но резать он ничего не может, так как имеет толщину от нескольких миллиметров до единиц сантиметров, и в лучшем случае может разогреть или оплавить материал. Для превращения лазерного луча в инструмент на его пути на расстоянии нескольких сантиметров от поверхности обрабатываемого материала ставится фокусирующая линза . Процесс напоминает детское развлечение в солнечный день с выжигательным стеклом. Только вместо солнечного луча луч лазера. Если теперь начать двигать материал с помощью двухкоординатного привода, управляемого от компьютера, то получится простейший станок для лазерной обработки материалов. Обычно в реальных станках перемещается лазерный резак над неподвижным материалом, так называемый координатный стол с «летающей оптикой».
Теперь несколько цифр и фактов для особо любознательных. В основном для обработки материалов используются два класса лазеров: так называемые твердотельные и газовые. Наиболее распространенные твердотельные лазеры на неодимовом стекле и иттрий-алюминиевом гранате с длиной волны около 1 микрона, что немножко длиннее видимого красного излучения, и газовые лазеры на углекислом газе с длиной волны около 10 микрон (дальняя инфракрасная область, невидимая глазом. Примерно такую длину волны излучает кипящий чайник). Есть еще всякая экзотика типа зеленых лазеров на парах меди, красных на рубине, цветных на жидких красителях, полупроводниковых и т.д. Все они имеют ограниченную область применения и редко используются для обработки материалов в утилитарном смысле этого слова.
Максимальные мощности для обычных твердотельных лазеров около 500 Вт, для газовых в районе 5 кВт. Цифры эти довольно абстрактны, что же конкретно может получить заваленный работой сайнмейкер от лазерной техники? Как показывает практика, довольно много. Нет ли у вас желания резать пластик толщиной 3-10 мм со скоростью и точностью обычного пленочного плоттера? А как насчет таких же скоростей резки металла толщиной до 5 мм? Если такие возможности вам по душе, и вы не очень стеснены в средствах, то ваш магистральный путь развития навсегда связан с лазерной техникой.
Теперь более подробно о том, что можно сделать, как быстро и во что это обойдется.
Самая простая лазерная операция, не требующая очень сложного оборудования и мощного лазера, гравировка. Рабочее поле простейших гравировальных установок около квадратного дециметра, отклонение лазерного луча осуществляется двумя колеблющимися зеркалами. Размер установки примерно с письменный стол, ориентировочная стоимость 12-30 тысяч долларов. Если используется твердотельный лазер, можно гравировать металл и камень на глубину около десятой доли миллиметра, что вполне достаточно для хорошо обработанной поверхности. Если на установке стоит лазер на углекислом газе, то можно гравировать на дереве, стекле, коже, пластике. Разрешающая способность обычно лучше 0,1 мм. Типичный пример использования гравировальных комплексов — нанесение надписей и логотипов на сувенирную продукцию. Например, нанесение изображения на авторучку размером 50?6 мм стоит несколько десятков центов и занимает время около минуты.
Для резки предназначены более серьезные комплексы с размерами рабочего поля исчисляемыми квадратными метрами. Стоимость — десятки тысяч долларов. Лазерный технологический комплекс состоит из лазера, координатного стола и управляющего компьютера. В составе комплекса обычно поставляется программное обеспечение, связывающее входные форматы координатного стола с пакетами CorelDraw, AutoCAD, а через них со всеми программами, поддерживающими векторную графику. Несмотря на схожесть процессов резки пленки на режущем плоттере и лазерной резки, их программное обеспечение имеет существенные различия. Пленочному режущему плоттеру по большому счету безразлична последовательность резки изображения. При лазерной резке это не так. Представьте себе, что вы вырезаете лазером букву «О» и уже вырезали ее внешний контур. Теперь пришла пора вырезать серединку, а буква уже выпала из листа , и лазерный луч со свистом режет воздух. Так что соотношение «внутренний» — «внешний» очень важно для лазерной резки. В более сложных случаях не безразлично также направление обхода вырезаемого контура. Есть еще некоторые тонкие особенности программирования для лазерной резки, налагающие более высокие требования к интеллектуальности управляющей программы. Если на комплексе установлен твердотельный лазер, то на нем можно резать металл толщиной до 3 мм. Скорости резки около 20 мм в секунду при толщине 1 мм. Обычно используется для резки тонкого металла около 1 мм. При больших толщинах падает производительность и ухудшается качество реза. По этим же причинам твердотельные лазеры редко используются для резки пластиков, а прозрачное оргстекло ими резать вообще нельзя, так как оно пропускает их излучение.
Наиболее универсален комплекс с использованием лазера на углекислом газе. Весь дальнейший рассказ пойдет именно об использовании таких лазеров, как наиболее широко распространенных во всем мире и имеющих самый широкий диапазон применений, от фигурной резки бумаги до приварки шестерен в задних мостах автомобилей «Крайслер».
Кроме металлов, пластика и дерева на комплексах с лазерами на углекислом газе можно резать прозрачные пластики, а при некоторой сноровке даже стекло. Проблематичность резки прозрачных материалов становится понятной, если вспомнить, что луч лазера все-таки световой, и как разрезать, например, оргстекло тем, что проходит через него насквозь, не совсем очевидно. Спасение в свойствах луча лазера на углекислом газе. Он хотя и световой, но настолько далек от видимого диапазона, что для него что плекс, что стекло, что кирпичная стенка — все одно — непрозрачны. Прозрачны для него такие странные вещества, как поваренная соль, хлорид калия, некоторые полупроводники и несколько типов экзотических и довольно ядовитых кристаллов. Из всего этого обычно делают фокусирующую оптику для углекислотных лазеров.
Скорость резки наиболее распространенных в рекламной деятельности трехмиллиметровых пластиков на обычном лазерном комплексе с газовым лазером около 75 Вт обычно составляет 20-30 мм в секунду. Это практически скорость рисования обычным перьевым плоттером. Ширина реза составляет 0,1 — 0,2 мм, край реза при качественном координатном столе и хорошем лазере гладкий, близкий к полированному, и не требует дальнейшей обработки. На таком лазерном комплексе можно резать оргстекло до 30 мм, коматекс до 24 мм, фанеру, дерево до 10 мм, полистирол, комадур, экопласт, поролон, пенопласт, картон, текстиль, кожу, то есть практически все листовые органические материалы. Естественно, при увеличении толщины скорость резки падает. Например, коматекс 10 мм режется при скорости 10 мм в секунду. Для увеличения производительности нужно поднимать мощность лазера. Зависимость скорости резки от мощности близка к линейной. Цены за погонный метр реза для пластика 3 мм обычно порядка 1 доллара.
Если есть необходимость резать металл, то разговор об этом начинается с мощностей 200 Вт, но лучше и надежнее с 1 кВт. Длярезки латуни толщиной 3-4 мм со скоростью 20 мм в секунду желательна мощность около 1,5 кВт и очень хорошее, так называемое одномодовое, излучение. Ширина реза при этом получается 0,1-0,15 мм, лучше чем у хорошего лобзика. Стоимость резки одного погонного метра от 2,5 до 5 долларов в зависимости от толщины металла. Контур реза совершенно произвольный, так как лазерный луч не оказывает силового воздействия. Поэтому можно вырезать любые «усы» и узоры, не рискуя поломать или сдеформировать материал. Твердость металла не помеха для лазерной резки. Наоборот, самые высокопрочные легированные стали режутся лучше обычных. Сложнее всего с материалами высокой теплопроводности: медью, алюминием, серебром, золотом. Но и с ними можно справиться, используя хороший лазер и грамотный подход.
Итак, подведем некотороые итоги. В сравнении с фрезерными станками лазерный станок обладает примерно в 10 раз большими скоростями резки. Еще одно существенное преимущество — «вечный», не требующий заточки и замены инструмент толщиной 0,1-0,2 мм.
Эти уникальные особенности лазерной технологии способствуют появлению принципиально новых видов продукции. К ним относятся, например, офисные таблички и вывески, выполненные методом лазерной инкрустации. Суть метода можно объяснить на характерном примере изготовления офисных табличек. Лазером вырезаются две совершенно одинаковые таблички с текстом, одна, наипример, из черного, а другая из белого пластика. Затем из них вынимаются вырезанные буквы и меняются местами. Черные буквы оказываются в белой табличке, а белые в черной. Как было отмечено ранее, ширина лазерного реза очень мала, поэтому подгонка оказывается совершенно идеальной. Теперь осталось сзади к табличкам приклеить подложку, и вы получаете 2 изделия, «негативное» и «позитивное» практически без отходов материала! Кстати, таким способом с помощью лазера делается дорогой фигурный паркет из разных по цвету пород дерева, опять же без отходов.
А в чем же отличие от обычной пленочной технологии? Ответ не очевиден, но только с первого взгляда. Уже со второго взгляда на такую табличку видна идеально блестящая плоскость акрилового стекла, недостижимая для поверхности, покрытой пленкой. А если использовать вместо белого пластика зеркальный, то у таблички сразу появляется объем, игра света на торцах букв, и все это при плоской поверхности таблички, что очень важно при уборке и протирке пыли. Если же протирка пыли бывает влажная и интенсивная, например, в больнице, то пленочной табличке там просто не жить. А тут пластиковый информационный слой толщиной 3 мм, попробуй стереть! Цена? На уровне хорошей пленочной таблички, каждый сам может ее прикинуть, зная расход и стоимость материалов и стоимость метра реза (см. выше).Ну а если не хочется отказываться от любимой пленочной технологии, то лазером можно прекрасно резать пластик с накатанной пленкой. Хороший лазер пленки не испортит, а наоборот, сплавит ее по краям с материалом подложки. А теперь почти фантастическая технология трехмерного послойного синтеза. Представьте себе, что в вашем компьютере есть трехмерная модель какого-нибудь сложного объекта, например, красивой(ого) девушки (мужчины) и вам страсть как хочется получить ее (его) скульптурное изображение. Нет ничего невозможного! Вы режете объект на тонкие плоские сечения, естественно, в компьютере, затем вырезаете лазером из материала соответствующей толщины все сечения и склеиваете их в нужном порядке друг с другом. Чуть-чуть шпаклевки и шкурки, и скульптура готова! Конечно, рассечение на слои, вырезание, склеивание происходят автоматически. Таким способом уже изготавливают модельную оснастку для литьевых форм с точностью 0,2 мм. Почему бы следующему шагу этой технологии не быть в сторону рекламной продукции?
Итак, мы рассмотрели важнейшие особенности лазерной техники и пришли к выводу, что она очень и очень соблазнительна для производства рекламной продукции. Единственное, что может остановить процесс близкого знакомства, это относительно высокая цена лазерных комплексов. Правда, можно найти и достаточно дешевое оборудование, но в этом случае нужно быть особенно внимательным. Здесь обычно тоже действует правило, что чем мех дороже, тем он лучше.
Следует внимательно посмотреть комплекс в действии на разных материалах. Если продавец показывает только резку фанеры, значит это оборудование только для фанеры и годится. Нужно обратить внимание на ширину реза, причем в разных углах координатного стола. Если она существенно различается, такой комплекс для точных работ брать не стоит. Затем желательно вырезать в каждом из четырех углов координатного стола какой-нибудь сложный узор размера примерно А4, причем программно повернуть эти узоры друг относительно друга на угол, не кратный 90 градусам. После резки нужно попытаться поменять местами вырезанные узоры. Если один узор с точностью войдет на место другого, то это признак качественной работы оборудования. Если это не так, точность координатного стола не соответствует возможностям лазерной технологии, и такой комплекс брать не следует. Обязательно ознакомьтесь с работой программного обеспечения, чтобы потом не пришлось программировать в каких-нибудь архаичных пакетах или вообще в кодах стола.
Самый лучший вариант — приобретать комплексы у фирм, которые сами на них работают. В этом случае можно гарантировать квалифицированные ответы на все ваши вопросы, помощь в наладке, сопровождение и обучение персонала.
Не следует брать бывшие в употреблении инстранные лазерные комплексы, которые начинают проникать через нашу границу. Будут проблемы с ремонтом и сервисом, и даже посоветоваться не с кем, так как таким путем приходят обычно единичные экземпляры.
Замахиваться на новый импортный комплекс можно, приняв во внимание, что цена его в 5-10 раз выше, чем у нашего с такими же параметрами. Все цены, приведенные в обзоре, относятся к российскому оборудованию. Высокие цены на импортное объясняются тем, что даже для них лазер — это новый инструмент, связанный с наукоемкими технологиями, дорогими комплектующими и квалифицированным персоналом.
Перед приобретением лазерного комплекса следует внимательно рассмотреть следующие вопросы.
Производственные площади. Необходимо, чтобы разместился не только сам лазерный комплекс, но было место для хранения материалов, подход для их загрузки в зону обработки.
Электроэнергия. Лазерное оборудование потребляет от 1,5 до 50 кВт, в зависимости от типа лазера. Чаще всего требуются. Лазеры обычно бывают чувствительными к броскам и нестабильности сетевого напряжения.
Сжатый воздух низкого давления. Обычно используется в процессах резки для выдувания продуктов горения из зоны обработки. Воздух требуется чистый, без масла и воды. Возможно, потребуется ставить фильтры или отдельный безмасляный компрессор.
Вода. Обычно используется для охлаждения лазера. Желательна чистая вода, оборотное водоснабжение скорее всего потребует двойного контура.
Вытяжная вентиляция. Используется для удаления продуктов сгорания и разложения обрабатываемого материала из производственного помещения. Без хорошей вентиляции комплекс работать не может, продукты обработки могут быть токсичны и всегда плохо пахнут. Чем мощнее вентиляция, тем лучше условия работы в помещении. Предпочтение следует отдавать комплексам со встроенной системой вытяжной вентиляции.
Некоторые лазеры требуют в процессе работы частичной замены рабочей смеси. Так называемые лазеры с медленной прокачкой. В этом случае придется позаботиться о размещении поблизости от комплекса в худшем случае трех баллонов с гелием, азотом и углекислым газом.
Расходы на гарантийное обслуживание комплексов составляют 5-10% от их стоимости в год.
Расходные элементы для твердотельных лазеров — лампы накачки, активный элемент, фокусирующая оптика. Для газовых лазеров — фокусирующая оптика, газы. В случае «отпаяного» лазера замена смеси требуется примерно раз в год.
Если вы пока не решаетесь приобрести лазеный комплекс, но хотите использовать в своей деятельности лазерные технологии, вы можете заказать лазерную резку в специализированных фирмах, оказывающих услуги по лазерной обработке материалов и выполняющих работы по заказам. В фирме обычно есть несколько лазерных установок, квалифицированный персонал, обслуживающий оборудование. В России и странах бывшего СССР в доперестроечные времена лазерная техника и технология достигли неплохого уровня развития. В постсоветский период на развалинах самых жизнеспособных из тех лазерных структур образовались фирмы, которые с успехом продолжают заниматься лазерами и всем с ними связанным. И если кого-то из читателей заинтересовала возможность использования лазеров и лазерных технологий, то найти такие фирмы не составит большого труда.
Источник: журнал "Российские вывески" № 2 за 1997 г.
