雷射切割機設備介紹

※本文已刊登於iPOE科技誌、Make雜誌網站轉載

介紹雷射切割機設備前,大家須對雷射切割和其加工原理有基礎的認識了解,並對不同品牌的雷射切割機有清楚認知,以便讓大家可以找到符合自己需求的雷射切割機。

什麼是雷射切割

  一九六○年美國科學家梅曼(T.H.Maiman)利用紅寶石製成世界第一具雷射時,至今日,雷射已廣泛應用在通訊、國防、製造業、商業、醫學等領域。雷射會依誘發介質的不同而產生不同的波長,其介質分別為固態、液態、氣態以及後來發展的半導體雷射。我們利用不同波長與介質的特性來運用在不同的領域上面,例如半導體雷射由於功率小但精細度高,常被拿來大量運用在光碟機的雷射讀寫頭上或是常見的簡報筆上。

  而雷射切割則是利用機械運作的方式將雷射光速投射在物體表面來進行切割或雕刻之動作。依雷射光之功率的不同和雷射光光束密度之不同,可以產生各種不同的切割或是雕刻的效果。

 

雷射切割加工運作原理

  在雷射加工運用上,會依照不同的加工運用來設計不同的機械結構以符合所需。常見的機械結構有X-Y Table、振鏡、多軸機械手臂等。多軸機械手臂因造價高昂,所以大多以工業加工為主。振鏡系統因高速震盪,所以多以標籤機或清潔機的運用為主。在商業運用上,以X-Y Table (XY軸) 的機械為主,X-Y Table主要運用滑軌與皮帶來帶動反射鏡位移,進而將雷射光速折射到加工的物體上(如下圖所示)

 

    

雷射光速經由雷射管射出後會擊中第一反射鏡,第一反射鏡會將光束轉向的二反射鏡,也就是Y軸上的反射鏡,此時Y軸機切依圖形Y軸的位置前後移動都會讓雷射光束精準的射在的二反射鏡上,雷射光束擊中的二反射鏡後會將光束轉向X軸上的的三反射鏡,同前原理,X軸左右位移時都會讓雷射擊中的三反射鏡,當雷射擊中的三反射鏡射的三反射鏡會將雷射光轉向下擊向加工物體上也就是Z軸,這時雷射光會穿過聚焦鏡讓光束的焦點集中在加工物體上,以聚集的光束對物體作切割或是雕刻,這就是X-Y Table 的加工方式。

 

 

認識雷射切割機

 

[ 最普遍使用的CO2雷射切割機 ]

  雷射切割機在工業加工的運用上,雷射切割機依介質的不同大致可分為三種類型:CO2雷射切割機,固體(YAG)雷射切割機,光纖雷射切割機三種,我們將針對較普遍使用的CO2雷射切割來進行說明。

  根據國際安全標準,雷射危害等級分4級,而CO2雷射屬於危害最小的一級,CO2雷射器的波長為10.6um,比較容易被非金屬吸收,可有效的切割木材、亞克力、PP、有機玻璃等非金屬材料,所以CO2 雷射切割機除了大量的工業加工運用外,在一般市面上也常見於商業小量的代切服務的機器上。在工業使用上,大型機台功率在200W~4000W之間,而一般商業代切或是創客空間的機器功率大都在40W~200W之間居多。此外,在各類商用雷射切割機中,以CO2雷射切割機的每瓦輸出成本最低,其應用包括柔性材料、非金屬固性材料和金屬材料的高速切割、雕刻、焊接等。這些優勢,使得CO2雷射切割機,非常適合連續加工作業生產。

 

[ 金屬管與玻璃管的比較 ]

  CO2雷射切割機中,最重要發出雷射光速的雷射管分成金屬管與玻璃管兩大類。玻璃管是較早年的設計,目前主要產地是中國,金屬管則是較近期的設計,主要為歐美廠商所生產,主要生產廠商有SYNRAS(新銳),UNIVERSAL,COHERENT 等。

金屬管與玻璃管差異

  傳統的玻璃管封,優點是價格相對便宜,但其使用壽命較短、體積大、光束較粗(切縫粗)、出光響應速度慢、不能低功率出光(功率可調性差,同一種功率激光器在不同材料上加工的效果差異較大),這些缺點不僅越來越難以滿足生產加工需求,同時也制約其長期發展,使用壽命約2000個小時左右,並且經常會由於故障影響生產,在使用成本方面,這一種激光器已經難以滿足工業生產的需要。

 

  CO2金屬雷射管,被認為是玻璃管封的最佳替代品,採用全金屬化結構,具有體積小、全封閉、免維護、成本低、調製特性優良、輸出光束細緻度高(比玻璃管精細3倍多)、輸出功率密度高、工作電壓低、輸出功率方便可調、功率穩定性優異、運行可靠性高等特點,更為重要的是,金屬管還具有使用壽命長(一般在20000小時以上)、維修成本低、充氣後還可重複使用,且無需更換等優勢。

 

 

金屬管

玻璃管

優點

體積小、全封閉、免維護、雷切單位成本低、調製特性優良、輸出光束細緻度高

氣冷式設計,不須額外安裝水冷系統

價格相對便宜

缺點

購入成本高,雷射管更換成本較高

使用壽命較短、體積大、光束較粗(切縫粗)、出光響應速度慢、不能低功率出光

廠商

美國的EPILOG、UNIVERSAL、

台灣的GCC 、台灣三軸

台灣三軸,巧士科技

 

資料來源:Fun-Maker工作室整理

金屬管雷切機廠商簡介

金屬管雷射切割機較具知名度的廠商有美國的EPILOG,UNIVERSAL 台灣的GCC等。金屬管雷射切割機造價較高,一般40W金屬雷射切割機是售價約落

在40~60萬不等(依照工作範圍與相關配件上的差異與品牌的價格落差)雷射管本身也是耗材,40W的CO2雷射管售價約20萬左右。在雷切機操作軟體部分,金屬管雷切機廠商大都自行研發介面軟體,不過在使用操作介面上仍有親民性的些微差異。

 

  • fm-carousel1-m2美商EPILOG (伊洛) 成立於1988年,有著高解析度的雕刻及便利的軟體設計,簡易完整的操作介面,機器內建控制面板,功率從30W最大到到120W,切割範圍最大為1060 x 711 mm,依照不同規格的功率使用不同品牌的雷射管,分別為35W SYNRAD,50W DEOS,60W COHERENT。

 

 

 

 

 

(圖片來源EPILOG官網)

 

  • 美商UNIVERSAL 成立於1988年,擁有完整的產品線,自行設計製造的雷射管,功率從30W到150W,最大裁切尺寸 1219 x 610 mm,全電腦控制,75W以上內建自動對焦的功能,UNIVERSAL 在軟體上須使用Illustrator,透過列印功能輸出,操作軟體使用簡單,介面乾淨,

 

 

 

 

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(圖片來源UNIVERSAL官網)

 

 

  • 台灣GCC星雲電腦 成立於1989年,產品除雷切機外還生產割紙機,UV噴繪機等,GCC使用SYNRAS(美商新銳)的金屬雷射管,功率從30W到200W,最大裁切尺寸 1300 x 916 mm,GCC有雙雷射管設計的機種,混和金屬管的雕刻與玻璃管的大功率切割等特色,使用上的特色是可以直接用手移動雷射頭到需加工的位置,以此點為起點開始切割,在外型上的設計比較以工業便利性出發,前後門可開設計,可容納超長型的物件,高速AC伺服馬達可對加工物高速加工,雕刻速度可以到達2000mm/s。

 

 

                                    (圖片來源GCC官網)

 

 

 

市場上玻璃管雷切機廠商眾多

  玻璃管雷切機當前多為大陸製,價格也較平易近人。使用穩定度上,就筆者實際使用兩年半經驗來看並無明顯光衰和故障狀況,所以品質上也相對穩定。玻璃管雷切機場商品牌眾多,其主體架構與雷射管、軟體搭配大都大同小異。

圖為工作室目前所使用的雷切機

 

玻璃管的雷切機廠商大都以第三方公司開發的軟體為選配。目前雷切機常見操作軟體分為兩套:一套是Corellaser,另一套為RDWorks8。分別以配合不同的控制主機板來做分別:

Corellaser是CorelDraw附掛工具,常見於尺寸較小的機器 600 x 400mm 以下,切割時切割與雕刻及畫線要分開來執行,一次只能持行一個指令,在操作上比較麻煩,而且如不熟悉常會出現切割與雕刻無法對齊的狀況,

RDWorksV8 是大陸廠商睿達科技開發出來的軟體,配合控制主機板可離線操作,利用分色可同時執行切割,雕刻,畫線等功能,支援繁體中文,執行排序等功能,雖然介面不若UNIVERSAL美觀,但在操作使用上相當便利。

 

 

 

 

 

 

 

 

RDworksV8

操作介面

 

 

 

[ 選購玻璃管雷切機建議 ]

目前台灣許多廠商提供在選購時可以依照自己的需求來選擇。

雷射管建議60W以上實用度比較高,100W以上需要另外加購冰水機讓雷射管冷卻,成本大約5000~2萬台幣左右,切割尺寸需依照允許的空間來做設定,最常見的為600 x 400 mm,如果預算足夠,建議可將軟體升級到RDWorksV8在操作上會較簡便。