Как работает CO₂-лазерный станок

Невидимый луч длиной волны 10,6 мкм проходит путь в метр через три зеркала. Линза сжимает его в точку 0,1 мм, и материал в этой точке испаряется. Нажмите на любую часть станка, чтобы перейти к объяснению.

CO₂-трубка (рождается луч) зеркало 1 зеркало 2 (едет по Y) головка: зеркало 3 + линза заготовка на сотовом столе

1Чем свет лазера отличается от света лампы

У лампы и у лазера светят атомы. Разница в том, согласованно они это делают или нет.

💡 Обычная лампа

Каждый атом излучает сам по себе, когда захочет: в любую сторону, со случайной фазой и немного разным цветом. Получается хаос коротких цугов волн.

🔴 Лазер

Пролетающий фотон заставляет возбуждённый атом выпустить точную копию себя: та же фаза, тот же цвет и то же направление. Это вынужденное излучение. Зеркала гоняют свет туда-обратно, и лавина копий растёт.

Световая волна: высота, энергия и когерентность

Свет — это волна, как волна на воде. Чем выше волна, тем больше энергии, причём в квадрате: волна в 2 раза выше несёт в 4 раза больше энергии. Сложим волны от 12 атомов.

Высота волны
Энергия = высота²
×1 — одна волна
уровень порядка

А откуда берётся лишняя энергия?

Ниоткуда. У лампы та же энергия размазана во все стороны, а у лазера она собрана в одном направлении и в одном месте. Поэтому лазерный луч можно сфокусировать в точку и испарять им материал. Если фазы случайные, складываются уже энергии, а не высоты: 12 волн дают энергию ×12, а высоту только ×√12 ≈ 3,5.

Три свойства лазерного луча

Направленность. Посмотрите, как растёт пятно с расстоянием.
Один цвет (монохроматичность). В спектре лампы радуга, у CO₂-лазера одна линия 10,6 мкм. Это далёкий инфракрасный диапазон, поэтому луч невидим. Красная точка на станке идёт от отдельного маломощного указателя. лампа CO₂ 0,4 мкм0,7 мкм10,6 мкм ← видимый свет →инфракрасный (не видим) →

2Как луч доходит до заготовки

Трубка неподвижна, она тяжёлая и хрупкая. Двигаются только лёгкие зеркала. Каждое поворачивает луч на 90°, и где бы ни была головка, луч в неё попадает.

рабочее поле (вид сверху) CO₂-трубка зеркало 1 зеркало 2 головка (тяните)

Тяните головку: за ней остаётся линия реза, а последние миллиметры ещё светятся. Длина пути луча меняется, но луч всегда параллелен осям и приходит в центр. Если сбить юстировку, ошибка растёт с расстоянием: в ближнем углу станок режет, а в дальнем луч бьёт мимо. Поэтому зеркала юстируют по углам стола.

Последний шаг: линза

Пятно: · плотность мощности:

Луч из трубки толщиной ~6 мм. Линза сводит его в пятно ~0,1–0,15 мм, и площадь уменьшается в тысячи раз. 60 Вт в такой точке дают десятки киловатт на квадратный сантиметр: материал не успевает плавиться, он сразу испаряется. Вне фокуса пятно больше, рез шире и хуже.

3Почему дерево после резки не горячее

В точке луча больше 1000 °C, а деталь можно сразу взять в руки. Посмотрите, куда уходит тепло.

Материал:
Температура в 1 мм от реза: –

* Алюминий показан для сравнения: CO₂-лазер его не режет, металл отражает луч и мгновенно растаскивает тепло по всему объёму.

1. Мало энергии на деталь. Луч стоит над каждой точкой тысячные доли секунды. Нагревается полоска шириной в волос.
2. Горячее улетает. Нагретый материал не остаётся в детали, он испаряется и уходит дымом в вытяжку. Тепло уносится вместе с ним.
3. Дерево плохо проводит тепло. Теплопроводность дерева ≈ 0,15 Вт/(м·К), у алюминия ≈ 237, в 1500 раз больше. Тепло просто не успевает расползтись.
4. Обдув. Воздух из сопла охлаждает кромку и сдувает пламя. Поэтому на медленной скорости кромка темнее: тепла приходит больше, чем успевает уйти.

4Какие материалы можно обрабатывать

Слово «нельзя» означает три очень разные вещи. Важно их различать.

Нажмите на материал, чтобы узнать почему.

Проверьте себя

5Зачем закладывать офсет 0,08 мм

У луча есть толщина: он выжигает щель шириной ~0,16 мм. Если вести луч прямо по линии модели, половина этой щели «съест» деталь, и шип станет тоньше, а паз шире.

Соединение шип–паз
Увеличение одного шипа ×100
линия в модели линия со смещением (по ней идёт центр луча) что сжёг луч (kerf)
Офсет в модели:
Шип: Паз: Зазор:

Правило: офсет = половина ширины реза. Шип рисуем шире на 0,08 мм с каждой стороны, паз уже на 0,08 мм с каждой стороны. Луч тогда идёт по линии смещения и сжигает только то, что мы «добавили», а край детали ложится точно на линию модели.

Бонус: рез не идеально вертикальный (конусность)

Толщина: Рез сверху: · снизу:

После линзы луч сходится в точку и снова расходится, как песочные часы (красный пунктир). Но ширину реза задаёт не только толщина луча. По мере углубления энергия тратится на испарение, и внизу её остаётся меньше. Поэтому обычно рез получается V-образным: сверху шире, снизу уже. На 3 мм фанере разница почти не видна. На толстом листе шип садится плотно с одной стороны листа и болтается с другой, а если фокус стоит неудачно, станок может не прорезать насквозь (10 мм на 60 Вт обычно режут в два прохода). Что помогает: фокус на 1/3–1/2 толщины, офсет под среднюю ширину реза и пробная резка. Модель упрощённая и показывает тенденцию, а не точные цифры.

6Коротко о безопасности

👀 Не оставляйте станок без присмотра. Пламя появляется за секунды.
🌬 Вытяжка и обдув включены всегда. Дым вреден даже от дерева.
🧯 Огнетушитель рядом, крышка закрыта во время работы.
❓ Не знаете материал — не режьте. Особенно пластики без маркировки: это может быть ПВХ.