Лазерные технологии

Какая линза нужна для лазерного станка в зависимости от обрабатываемого материала?

Линзы для лазерного станка CO2 купить

Для каждой задачи нужна линза с определенным фокусным расстоянием. Как зависят ее характеристики от обрабатываемого материала? Есть ли формулы, по которым можно рассчитать подходящую линзу и почему лазерная трубка с большей мощностью не всегда является лучшим решением? Ответы на данные вопросы будут аргументированно даны в статье.

геометрическая оптика и лазерный станок

Линза, лазерный станок CO2, какую выбрать, купить
Рис. 1. Короткофокусная линза
Линза, лазерный станок CO2, какую выбрать, купить
Рис. 2. Длиннофокусная линза

Согласно геометрическим законам, диаметр сфокусированного лазерного излучения в точке фокуса бесконечно мал, а сама форма лазерного излучения, выходящая из линзы представляет собой два конуса с общей вершиной и одной осью вращения.

Однако, если установить линзу на 2 дюйма, установить фокус на центральный внутренний слой материала, совершить прострел, а затем взять линзу на 4 дюйма, также установить фокус на центральный внутренний слой материала и совершить прострел, то будет наблюдаться картина, которая абсолютно противоречит Рисункам 1 и 2. Ведь, согласно ним, диаметр точки при использовании длиннофокусной линзы должен получиться меньше, чем при использовании короткофокусной.

В чем причина такого результата? Причин несколько. Одна из них состоит в том, что геометрические расчеты не учитывают волновые свойства излучения лазера.

Физическая оптика

Линза, лазерный станок CO2, какую выбрать, купить
Рис. 3. Принцип действия собирающей линзы, учитывая волновые свойства излучения
Формула расчета оптимального фокусного расстояния линзы для лазерного станка
Формула 1: определение длины сфокусированного лазерного излучения
Формула 2: определение диаметра сфокусированного лазерного излучения

D — диаметр лазерного луча при попадании на линзу

f — фокусное расстояние линзы

d — диаметр сфокусированного лазерного излучения

2z — длина сфокусированного пучка излучения

W — длина волны лазерного излучения

Если учитывать волновые свойства лазерного излучения, то расчеты будут более близки к реальным значениям, но все также неточны, так как у любой оптической системы есть определенный ряд погрешностей. Например таких как: хроматические аберрации. Однако, это достаточно сложная тема и выходит за рамки данной статьи. Нужно лишь сказать о том, что производители оптических систем, в том числе и линз, знают об этих недостатках. Именно поэтому линза у лазерного станка не двояковыпуклая, а с одной плоской гранью.

Формула 1 и Формула 2 позволяют приблизительно рассчитать два важнейших параметра лазерного излучения: длину сфокусированного лазерного излучения (2z) и диаметр сфокусированного лазерного излучения (d). Оптимальным является решение с максимальным значением 2z и минимальным значением d, для того, чтобы обеспечивать рез максимально толстых изделий с минимально возможной толщиной реза.

Построим график зависимости этих величин для станка с излучателем на 10.6 мкм и лазерным пучком с диаметром 6 мм.

Как выбрать линзу для лазерного станка

Как видно на графике, увеличение одного параметра влечет за собой увеличение второго параметра. Более того, следует учитывать, что линейное увеличение диаметра фокусного пятна влечет за собой квадратичное увеличение площади этого пятна.

Таким образом, на практике, оптимальным вариантом будет выбирать линзу, опираясь на толщину обрабатываемого в данный момент материала, так как большая зона протяжки луча влечет за собой больший диаметр фокуса лазера.

Калькулятор фокусного расстояния линзы в зависимости от обрабатываемого материала

Дано

С помощью данного калькулятора Вы сможете подобрать оптимальную линзу для обработки материала. Необходимо ввести параметры и нажать на кнопку «Рассчитать».

D - диаметр лазерного луча перед попаданием на линзу

Данный параметр можно найти в характеристиках лазерной трубки или измерив диаметр пучка путем прострела лазерной трубки на 100% мощности. Необходимо учитывать, что луч лазерной трубки расходится по мере удаления от источника. Среднее значение ~6 мм.

мм

W - длина волны лазерного излучения

Длина волны CO2 излучателей составляет 10.6 мкм. Для других излучателей длину волны можно найти в технической документации.

мкм

f - фокусное расстояние линзы

мм

Решение

2z - длина сфокусированного пучка (зона протяжки)

мм

f - диаметр фокусного пятна (толщина реза)

мм

Практика и выводы

Среди операторов лазерных станков есть одно эмпирическое правило. Чем больше толщина материала, тем больше должно быть фокусное расстояние у линзы. Короткофокусные линзы (f ~2 дюйма) используются для точной гравировки, а также для резки тонких материалов. Материалы с толщиной от 10 мм режут с использованием длиннофокусных линз (f от 4 дюймов).

Многим операторам лазерных станков приходятся не по душе длиннофокусные линзы. Одна из основных причин заключается в том, что увеличение фокусного расстояния влечет за собой отдаление сопла с подачей воздуха от места обработки материала. Из-за этого появляется больше нагара и эффективность линзы сводится на нет. Поэтому, в таких случаях рекомендуется ставить удлинитель на сопло для того, чтобы подавать воздух максимально близко к зоне реза.

Достаточно часто линзы путаются, а так как на них отсутствует маркировка, то возникает сложность с определением фокусного расстояния изделия. В данном случае необходимо положить линзу на лист бумаги. Направить на линзу свет и постепенно удалять линзу от листа бумаги. Расстояние от бумаги до линзы при котором точка на бумаге будет наименьшей как раз и является фокусным расстоянием.

Толщина реза всегда будет получаться больше, чем диаметр фокусного пятна в связи с тем, что в месте фокуса сконцентрирована большая энергия, которая способствует активному процессу горения материала.

+2

Похожие сообщения

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *