Применение лазеров в деревообработке

Резание древесины, при котором используется механический деревообрабатывающий инструмент имеет ряд недостатков. Раскрой происходит только по простейшим траекториям, значительная ширина реза и припуски приводят к потере материала. Для улучшения использования древесины и повышения качества ее обработки разрабатываются новые методы резания древесины — в частности, с использованием лазеров.

Совершенствование конструкций непрерывных CO2-лазеров при одновременном повышении надежности и увеличении мощности позволяет использовать их в технологических установках для сварки и резки различных материалов. Их излучение с длиной волны 10,6х10-6 м хорошо поглощается древесиной, поэтому возможность применения подобного оборудования для резки древесных материалов не только представляет определенный интерес, но и воплощена в ряде промышленных установок во многих странах мира.

Соединение лазерного источника излучения с манипулятором, оснащенным ЧПУ, т. е. создание автоматизированных лазерных технологических комплексов (АЛТК), сделало такое оборудование чрезвычайно гибким. Появилась возможность обработки различных материалов по сложным траекториям с достаточно быстрой сменой программ и видов обработки. При объединении отдельных АЛТК центральным компьютером могут быть созданы гибкие производственные системы и гибкие автоматизированные производства с предварительным оперативным решением оптимизационных задач обработки.

При определенных условиях промышленное применение лазеров для обработки материалов на основе древесины оправдано с экономической точки зрения и имеет ряд преимуществ (узкий, менее миллиметра, рез без образования опилок, универсальность оборудования, полное отсутствие шума и вибрации). В производстве мебели применение лазерного луча позволяет добиваться таких форм деталей, которых до сих пор было просто невозможно достичь с применением традиционных режущих инструментов. Лазерное излучение можно использовать для инкрустирования и гравирования, профильного раскроя древесины и древесных плит по безотходной технологии.

Одним из классификационных признаков лазерной обработки древесины и материалов на ее основе является степень локализации энергии излучения в обрабатываемом материале. По этому показателю различают следующие виды обработки: перфорация и гравировка, резание древесины и древесных материалов, поверхностная обработка, декорирование.

Перфорация древесины для повышения эффективности ее пропитки химическими составами может выполняться как в импульсном режиме работы лазера, так и в непрерывном с мощностью излучения 15-100 Вт. Длительность воздействия излучения составляет 100-500 мкс. Размеры отверстий 0,1-0,8 мм зависят от принятых режимов обработки. Основным фактором, влияющим на размеры отверстия, является положение фокуса линзы относительно поверхности материала. Минимальное значение размера соответствует величине заглубления, равной 0, т.е. фокус находится на поверхности материала. При смещении его в ту или иную сторону диаметр отверстия увеличивается. На глубину отверстия влияют мощность излучения, длина фокуса линзы и длительность импульса. С увеличением этих параметров глубина отверстия увеличивается до сквозного, при этом его диаметр увеличивается незначительно.

Выполнение отверстий лучом лазера имеет ряд достоинств: прочность материала уменьшается незначительно вследствие небольших размеров отверстий, клеточная структура древесины не повреждается, что повышает эффективность процесса пропитки по сравнению с использованием механического накалывающего инструмента.

Гравировка древесины – трудоемкая операция, выполняемая вручную. Использование лазера позволяет автоматизировать процесс нанесения рисунка на поверхность древесины, причем автоматизированная система управления процессом обеспечивает большое разнообразие рисунков.

На этой операции также можно использовать лазеры с мощностью излучения 15– 100 Вт, при этом скорость обработки значительно возрастает с увеличением мощности излучения. Производительность на этой операции ограничивается лишь техническими возможностями системы перемещения луча или материала. Предельное значение скорости обработки составляет 18-20 м/мин. На гравировке целесообразно использовать твердотельный лазер ЛТН-103. Ширина обрабатываемой зоны колеблется в пределах 0,4–1,0 мм, глубина – 2–3 мм. Эти параметры также зависят от принятых режимов обработки. Фокус линзы размещается на поверхности материала или в пределах + 5 мм от поверхности.

Резание древесины и древесных материалов. Детали для инкрустации древесины обычно вырезают вручную, так как применение для этих целей обычного режущего инструмента имеет ряд недостатков (вырезание деталей только по несложным траекториям, низкая точность и качество обработки из-за повреждения древесины и т.д.). Использование же на этой операции лазерного луча обеспечивает бесконтактность обработки древесины без ее повреждения, высокую точность обработки при небольшой ширине реза (0,3–0,4 мм).

Для инкрустации древесины целесообразно использовать лазерные излучатели мощностью 100–300 Вт. Скорость обработки может достигать 15 м/мин. Повышенные требования предъявляются к системе слежения (точность отслеживания 0,01 мм). Нарушение этого требования приводит к отклонению стенок реза от вертикальности, что вызывает трудности при стыковании деталей.

Поверхностная (декоративная) лазерная обработка древесины и древесных материалов выполняется расфокусированным лучом, т. е. при расположении фокуса линзы над поверхностью материала. Получаемая поверхность отличается цветом и шероховатостью. Ширина полосы за один проход лазерного луча – от 4 до 25 мм, глубина обрабатываемой зоны 1–4 мм в зависимости от режимов обработки. Для выполнения этой операции можно использовать лазеры мощностью 800-1000 Вт с длиной волны излучения не менее 10,6 мкм. Лазеры с длиной волны 10,6 мкм и менее невыгодно использовать, так как на этих длинах волн коэффициент отражения древесины достигает 98–99%. Вид и давление подаваемого газа роли не играют. Декорирование древесины выполняется по шаблонам (которые изготовлены из материала, достаточно хорошо отражающего излучение >10,6 мкм) или без них. Шаблон накладывают на поверхность материала, затем перемещением лазерного луча над ней выполняют обработку, причем каждое последующее перемещение выполняется с определенным смещением. Лазерный луч перемещается по прямолинейной траектории, поэтому скорость обработки может достигать 25–30 м/мин. Декорирование древесины без применения шаблонов выполняется с меньшей скоростью, однако это дает возможность в сочетании с гравировкой древесины (при условии программного управления положением фокуса над поверхностью материала) расширить возможности использования лазерного луча.

Резание фанеры различных толщин лучом лазера имеет те же основные закономерности, что и резание древесины. Влияние состава клея на режимы обработки незначительно. Ширина реза колеблется в пределах 0,3...0,5 мм. При обработке березового шпона мощность излучения составляет 200... 250 Вт, скорость резания 15..20 м/мин. Ширина реза 0,1...0,2 мм, боковые его поверхности практически не обугливаются. При вырезании мелких деталей из шпона механические повреждения отсутствуют, что позволяет использовать лазерную технику для инкрустации древесины.

Резание древесностружечных плит. В исследованиях использовались древесноплитные материалы без покрытия, с пленочным и твердым покрытием, облицованным шпоном. Толщина плит составляла 15...17 мм. Ширина реза на входе луча менялась в пределах 0,55...0,70 мм, максимальная ширина реза по высоте 1... 1,2 мм. Обработка плит показала, что покрытия увеличивают энергоемкость обработки и в некоторой степени влияют на форму реза. Величина реза на входе и выходе луча определяется физическими свойствами покрытия. По цвету боковых поверхностей реза на них можно выделить зону шириной 6...7 мм и более, обугленную между первой зоной и обратной стороной материала.

Шероховатость стенок реза зависит от размеров частиц, составляющих материал, от их ориентации, концентрации связующего материала по высоте реза и наличия пустот в материале. Снижение мощности излучения в процессе обработки ведет к частичному уменьшению ширины реза на входе, однако при этом увеличивается степень обугливания реза на выходе.

Обработка ДСП с твердым покрытием показала, что в результате низкой температуропроводности покрытия образуется специфическая форма реза, которая может быть устранена правильным подбором величины смещения.

Резание столярных плит. Ширина реза при их обработке колеблется в пределах 0,4...0,65 мм, максимальная ширина по высоте – 0,55...0,9 мм. Обработка характерна образованием красивой текстуры среза, что сделает будущие столярные изделия более привлекательными. Зазор между составляющими брусками вызывает неполное разрезание плиты по толщине, что легко устраняется увеличением мощности излучения на 50...60 Вт.

Резание древесноволокнистых плит. Ширина реза при обработке одного листа ДВП колеблется в пределах 0,3... 0,5 мм, а скорости обработки достигают 1,5...1,6 м/мин с образованием необугленного реза. Исследование возможностей резания пакета из 2–5 листов ДВП и более показало, что при обработке ДВП, уложенных в три слоя, и при мощности излучения 1100 Вт достигается скорость резания до 2 м/мин. Поскольку в процессе резания продукты сгорания наслаиваются на промежуточную плиту, пакет ДВП следует обрабатывать с усилием прижима не менее 20 Н.

Резание электротехнического картона. В экспериментальных работах исследовались возможности резания как листового картона, так и блока толщиной до 40...45 мм. Одной из основных трудностей использования лазера для резания картона является образование науглероженного слоя толщиной 0,2...0,4 мм на поверхности реза. С увеличением толщины обрабатываемого материала ширина этого слоя увеличивается, а при обработке одного листа его ширина минимальна. Особенность обработки электрокартона заключается в том, что при лазерном резании образцов толщиной до 20 мм можно получить рез шириной 0,6...0,8 мм с практически параллельными поверхностями.

В целом, исследования показывают, что энергетические показатели процесса лазерного резания (соотношение мощности излучения и скорости резания) определяются физическими свойствами обрабатываемого материала и покрытия, а для ДВП и ДСП – физическими свойствами связующего. Качество резания ДВП и ДСП определяется свойствами наполнителя. Резание древесных плит рекомендуется проводить на повышенных скоростях при предельной мощности излучения.