Почему лазер
В производстве этикетки развитие получили две цифровые технологии — плоттерная резка физическими ножами и лазерная, лучом света. Плоттеры выигрывают за счет меньших начальных инвестиций, но на реальных, даже довольно простых работах скорость высечки составляет единицы метров в минуту. При этом скорость печати современных широко доступных ЦПМ для производства этикетки составляет 50 м/мин., что на порядок больше. То есть для баланса производительности на одну ЦПМ пришлось бы ставить десяток плоттеров. Поэтому плоттеры если и используются для высечки этикетки, то на редких микротиражах или в комплектах с настольными принтерами, скорость которых как раз единицы метров в минуту.
В большинстве приложений лазерной гравировки и резки — металлов, фанеры, пластиков, тканей и проч. (но не для этикетки!) лазерная головка перемещается физически по двум координатам. Это та же самая схема, что и у режущего плоттера или козлового крана. По-английски она называется gantry, что можно перевести как мостовой привод.
Для этикетки, как мы видели, нужны огромные скорости реза. Их можно обеспечить с применением зеркальной развертки. Закрепленное на электромагнитной катушке зеркало в технике впервые было применено в измерительном приборе — гальванометре. Этим термином, galvanometer или сокращенно galvo по-английски, и называют схемы развертки современных скоростных систем лазерной резки. Именно по гальванометрической схеме построены машины Golden Laser LC 350 / LC 800 поколения 2025 г., которым во многом и посвящена эта статья.
Гальванометрическая система способна обеспечить на порядки большие скорости сканирования. Из-за того, что вся энергия лазерного луча проходит через небольшие зеркала, мощность такой системы ограничена. На практике — до примерно киловатта на головку. Этого более чем достаточно для обработки этикетки и упаковки, но не для резки металлов. Еще один недостаток схемы — разная дистанция до центра и края материала, что без компенсации приведет к разной ширине реза и потери фокусировки. В дешевых устройствах компенсацией могут и пренебречь.
Для полноты необходимо упомянуть и смешанные системы, в которых на двухкоординатном мосту закреплен не собственно лазер, а небольшая гальванометрическая головка. Такая схема позволяет создать машину большого формата с высокой скоростью реза для задач резки текстиля и индустрии моды.
Итого: современная лазерная система высечки этикетки базируется на двух ключевых устройствах — лазерном излучателе и скоростной системе гальванической развертки. Дьявол, как известно, в деталях, в которые мы и углубимся.
Лазер
h2
Наиболее очевидным высокотехнологичным узлом системы лазерной резки этикетки является собственно лазер. Мощности в сотни ватт, необходимые для обработки этикетки, можно в принципе достичь с использованием лазеров разных типов — лазерных диодов, CO2-лазеров и волоконно-оптических лазеров. Но диоды отпадают, так как для такой мощности их нужно множество, и обеспечить требуемый минимальный размер пятна оказывается слишком дорогостоящей задачей. Волоконные лазеры в принципе применимы, но из-за физических особенностей длина их волны, около 1 мкм, больше подходит для резки металлов, чем полимеров. Да и их экологическая ниша — машины с мощностью киловатт и более, иногда много более. Ведь волоконное рабочее тело (а значит, мощность) можно наращивать относительно дешево. Таким образом, практически все устройства обсуждаемого типа используют CO2-лазеры, в которых рабочим телом является смесь на основе углекислого газа, азота и гелия. Из огромного разнообразия схем построения CO2-лазеров для обсуждаемой задачи подходят наиболее экономичные запаянные (sealed) лазеры. Как видно из названия, рабочее их тело заключено в запаянную, чаще всего стеклянную, трубку.
Точно так же как цилиндр с поршнем — это еще не весь двигатель, лазерная трубка — лишь часть, хотя и важнейшая, лазерной сборки. Сама по себе лазерная трубка — элемент нежный, требующий не только бережного обращения, но тщательного контроля температуры, влажности, стабильного электропитания, считывания характеристик и т. д. для поддержания лазера в оптимальном рабочем состоянии. В промышленности используют сборки, которые, в отличие от собственно лазерных трубок, можно монтировать и заменять в производственных условиях.
Высокоэнергетический CO2-лазер не вечен, подвержен износу по нескольким причинам, которые мы рассмотрим чуть ниже. Важно, что в зависимости от конструкции, применяемых материалов и качества исполнения срок службы запаянных CO2-лазеров может различаться на несколько порядков — от сотен до сотен тысяч часов. Также на срок службы огромное влияние оказывает соблюдение оптимальных условий эксплуатации с точным поддержанием электрических и, особенно, температурных параметров. В поставляемых в Европу и Россию машинах LC 350 / LC 800 компания Golden Laser использует лазерные CO2-сборки одного из ведущих мировых производителей — Luxinar (основанная как Rofin-Sinar UK; в настоящее время Luxinar, наряду с Iradion Laser и InnoLas Solutions входит в состав TroGroup). Однако ряд устройств Golden Laser для других применений может по выбору заказчика комплектоваться как китайскими, так и европейскими лазерами. Из прайс-листа видно, что чудес не бывает. Цены и гарантированные сроки службы взаимосвязаны и могут отличаться многократно.
Переходя к техническим деталям, чуть подробнее рассмотрим причины и собственно деградации запаянных CO2-лазеров и различия сроков службы в зависимости от исполнения. Главная причина, как это ни покажется странным неспециалисту, — постепенное разрушение самого рабочего тела, смеси газов. Принцип действия рабочего тела заключается в возбуждении молекул азота электрическим током, передачи ими при столкновениях возбуждения молекулам углекислого газа с образованием так называемой инверсной населенности последующим лазерным излучением и снятия избыточного остаточного возбуждения молекулами гелия. Часть столкновений оказывается настолько энергичными, что молекулы CO2 распадаются на угарный газ CO и атомарный кислород О. Последний, будучи сильнейшим окислителем, реагирует с металлическими и другими частями трубки. Продвинутые производители применяют каталитические присадки, способствующие возвращению к полезной функции кислорода с окислением им угарного газа до углекислого. Более дешевые системы без таковых обходятся.
Далее, скорость распада углекислого газа очень сильно, экспоненциально, зависит от плотности энергии. Кстати, именно поэтому менее мощные трубки имеют меньшие размеры, а CO2-лазеры мощностью более киловатта чаще всего имеют открытую конструкцию, в которой углекислый газ прокачивается через рабочую область. Для стремящегося обеспечить минимальную цену производителя велик соблазн работать на максимально приемлемой плотности энергии, уменьшив размер трубки и расходы на материалы. Точно так же производитель собственно системы лазерной резки может использовать головку паспортной мощностью 60–100 Вт на пределе, а может на 300–600 Вт с серьезным запасом по мощности. Точно так же, как с электрическими лампочками или светодиодами, режим работы не на полной мощности способен многократно продлевать срок службы лазера.
Гелий также создает проблемы долговечности. Молекулы газа настолько малы, что со временем просачиваются через стекло. Однако в зависимости от толщины и состава стенки скорость утекания серьезно меняется, о чем покупатель узнает далеко не сразу. Меняется и цена устройства — что более заметно покупателю.
Система охлаждения лазерной трубки должна не просто не допускать ее перегрева, но и поддерживать температуру в узком диапазоне: избыточное охлаждение также вредно. Очевидно, что на невидимой покупателю системе охлаждения тоже можно сэкономить.
Вот так, задавшись разными целями, можно создать похожие системы равной мощности и очень разной цены и долговечности. Вообще-то CO2-лазеров сегодня в различных индустриях эксплуатируется немало, особенно для различных систем резки и маркировки. Известно, что характерный срок службы самых дешевых китайских лазеров 500–1000 рабочих часов. Наиболее дорогие китайские бренды заявляют о 6000, иногда до 10 тыс. часов. Что, конечно, вызывает сомнения, так как найти рабочие трубки с многолетней наработкой не удается. С другой стороны, на практике первые системы Golden Laser 350 «Нисса Центрум» установила в начале 2023 г. Пока ни в одной из многих установленных систем износ лазера не достиг сколь-нибудь серьезного уровня, и тем более лазер не был заменен из-за износа. Штатные диагностические процедуры дают прогноз срока службы порядка 10 лет — посмотрим, как будет на самом деле. За это время не исключено и моральное устаревание. Так, поколение Golden Laser LC 350 2025 г. превосходит поколение 2023 г. по скорости в полтора-два раза при сохранении уровня цен. И причина прогресса здесь в следующем высокотехнологичном узле — гальванометре.
Гальванометр
Golden Laser LC 350 / LC 800 используют гальванометры ScanLab и Feeltek, оптику II-VI. Гальванометр, осуществляющий высокоскоростную развертку, — не менее высокотехнологичный, чем лазер, компонент лазерной системы резки. Его основные компоненты — два точных привода с зеркалами и корректирующая оптика, так называемая линза F-тета. Очевидно, что все оптические компоненты должны выдерживать длительное мощное лазерное излучение.
Если задача приводов с зеркалами развертки интуитивно очевидна, то назначение оптики F-тета заслуживает разъяснения. Реальная простая линза (в отличие от идеальной тонкой линзы) — слева — фокусирует свет не на плоскости, а на криволинейной поверхности, близкой к сфере. На краю рабочего поля разница будет достигать нескольких миллиметров, что совершенно недопустимо для работы системы лазерной высечки. Эту проблему решает так называемая оптика плоского поля, специально спроектированная для того, чтобы фокальная поверхность была плоской. Однако такая оптика создает изображение, пропорциональное тангенсу угла падения, а не самому углу. Еще важнее, что размер лазерного пятна меняется по полю. Да, для малых величин углов сам угол и тангенс угла равны, но в практическом случае это не так. Необходима дополнительная коррекция путем внесения искусственной дисторсии, то есть изменения увеличения по полю. Такая оптика и называеся F-тета. Как видно на иллюстрации, хотя по-английски это «линза», на практике — достаточно сложный (и дорогой) многокомпонентный объектив. В дорогих и дешевых системах компромисс между качеством фокусировки и ценой, конечно, решается по-разному.
Конструкция
Golden Laser LC 350 / LC 800 используют моторы и сервоприводы Yaskawa и систему управления натяжением Siemens. Они построены по модульной схеме, конфигурация задается на этапе производства. Обязательными компонентами являются собственно башня лазерной резки и размотчик. Лазерная башня комплектуется одной или двумя лазерными головками, каждая с собственным лазером и гальванометром развертки, работающими в этом случае параллельно и одновременно. Программное обеспечение автоматически распределяет нагрузку между лазерными головками. Не менее важно, что двухголовая конструкция обеспечивает встроенное дублирование. Системы лазерной резки используются на коротких тиражах, и даже краткий простой может оказаться крайне дорогостоящим.
Мощность каждой из лазерных головок составляет от 150 до 800 Вт, при этом для самоклеящейся этикетки рекомендуется двухголовая система 2х300 Вт. 300 Вт на головку обеспечивает запас по мощности при работе со стандартными материалами, высокую скорость при работе со сложными материалами, такими как отражающие и прозрачные. Для тяжелых материалов (картон, промышленные рулонные материалы, например лента, из которой вырезаются абразивные диски и проч), рекомендуется использование лазеров 600 и в исключительных случаях 800 Вт.
В поколении 2025 г. система LC 350 2х300 Вт обеспечивает предельную скорость резки 100 м/мин. и 60–80 м/мин. на реальных работах. С увеличением ширины рулона скорость работы пропорционально уменьшается. Поэтому для задач обработки гибкой и рулонной картонной упаковки и резки промышленных материалов, требующих максимальной скорости, доступна также приведенная на рисунке система с двумя башнями, эффективно удваивающая и производительность, и стоимость системы.
Кроме размотчика и лазерных башен возможна установка секций с функционалом ламинации, как на приведенном фото, аналоговой высечки, аналоговой резки в ручьи, и др. Выгрузка материала, кроме стандартной рулонной, на намотчик, возможна на интегрированный рубщик в лист с выгрузкой в стопу.
Golden Laser LC 350 / LC 800 оборудуются датчиком метки и камерами для считывания одно- и двумерных QR- и штрихкодов. Метки используются как начало координат для схемы резки, а также для рубки в лист. QR-коды задают переход от работы к работе с изменением схемы раскроя, перфорации, надсечки и т. п.
В заключение
Лазерная резка достигла скоростей и экономической эффективности, позволяющих ей на равных конкурировать с аналоговыми системами по скорости. Она догнала и обогнала по скорости цифровую печать этикетки, разделяя с ней цифровую природу, то есть полную свободу от необходимости изготовления форм и штампов.
В России успешно работают несколько систем лазерной высечки этикетки Golden Laser LC 350, в настоящее время реализуются новые контракты на поставку, так что вы еще не раз услышите об этом бренде мирового уровня, поставляющего оборудование по OEM, в том числе именитым западным компаниям.
Комментарии
Оставить свое мнение первым