Laser CO2 vs. Taglio a Laser Fiber: Analisi del Processo e dei Costi

1. Panoramica
Attualmente, i principali tipi di laser utilizzati in taglio applicazioni sono i laser CO2 e i laser a fibra. Un laser CO2 viene generato eccitando il gas CO2 ad alta frequenza e alta pressione, producendo un laser con una lunghezza d'onda di 10.6μm. Il fascio viene diretto e focalizzato tramite specchi risonanti e riflettori in rame per eseguire il taglio.
I laser a fibra utilizzano più diodi pompa multimodo disposti in parallelo come fonte laser , generando un laser anche a 10.6μm. Il fascio viene quindi accoppiato in una singola fibra attraverso l'accordatura del risonatore, risultando in un laser ad alta potenza.

2. Confronto tra taglio con laser CO2 e Taglio laser a fibra Processi

(1) Confronto della struttura del laser
I generatori laser a CO2 sono di grandi dimensioni e utilizzano l'aria come mezzo di trasmissione. Il laser viaggia in linea retta attraverso riflettori, il che causa un rapido indebolimento del fascio e una significativa perdita di energia. L'efficienza di conversione ottico-elettrica è bassa, solo circa il 10%, come mostrato nella Figura 1.

Laser a Fibra utilizzano più gruppi di diodi pompa multimodo in parallelo. Il laser viene trasmesso attraverso fibre ottiche, contenuto al loro interno, e viaggia su un percorso "curvilineo". Questo metodo non è influenzato dall'ambiente esterno e offre un'alta efficienza di conversione ottico-elettrica—superiore al 25%, come mostrato nella Figura 2.

Figura 1 Laser a CO2
1. generatore laser 2. unità di guida riflettore 3. percorso ottico 4, 5, 6. riflettore angolare 7. lente focale

Figura 2 Laser ad Fibra
1. sorgente laser 2. cavità risonante 3. sistema di raffreddamento 4. percorso ottico

(2) Confronto dei Materiali da Taglio
I laser a CO2 possono tagliare acciaio al carbonio, acciaio inossidabile, alluminio e leghe, e materiali non metallici, ma non possono tagliare il rame . Il rame è altamente riflettente per la lunghezza d'onda di 10.6μm e riflette gran parte del fascio senza assorberlo, il che può causare danni alla sorgente laser a causa della riflessione all'indietro.

I laser ad fibra possono tagliare acciaio al carbonio, acciaio inossidabile, lega di alluminio e rame , ma non possono tagliare materiali non metallici , come legno, plastica e pelle. Non riescono nemmeno a tagliare materiali con rivestimenti superficiali come l'acciaio inossidabile laminato o lastre speciali antiruggine.

(3) Confronto delle prestazioni di taglio
L'efficienza di taglio include velocità di taglio, prestazioni di perforazione e qualità dei bordi, che sono indicatori chiave nella valutazione delle macchine da taglio laser.

I laser ad fibra si distinguono nel taglio di fogli sottili, soprattutto quelli spessi meno di 3mm, dove possono essere fino a 4 volte più veloci rispetto ai laser CO2. A 6mm di spessore, entrambi i laser si comportano in modo simile, segnando la soglia dove i loro vantaggi cambiano. Per materiali più spessi di 6mm, i laser CO2 iniziano a mostrare un vantaggio, sebbene la differenza non sia drastica. (Vedi Figura 3 per i tempi di taglio su vari materiali.)

Prima che il taglio inizi, il laser deve prima perforare il materiale. I laser a fibra hanno generalmente tempi di perforazione più lunghi rispetto ai laser CO2. Ad esempio, con un laser da 3kW che taglia acciaio al carbonio da 8mm, un laser CO2 è circa 1 secondo più veloce per buco, e 2 secondi più veloce per 10mm. Con oltre 2000 perforazioni al giorno, ciò risulta in una differenza di tempo di 6000 secondi, o circa 1.7 ore al giorno.

La qualità del bordo viene generalmente valutata in base alla ruvidezza e alla verticalità. Per lastre di acciaio inferiori a 3 mm, i tagli con laser a fibra presentano una qualità del bordo leggermente inferiore rispetto ai tagli con laser CO2. Al crescere dello spessore, la differenza diventa più evidente. Per lastre di acciaio inox spesse 3 mm o più, i bordi ottenuti con il laser a fibra appaiono opachi, mentre quelli con il laser CO2 sono lucidi. Per l'acciaio al carbonio spesso 16 mm, la verticalità del bordo con il laser a fibra varia tra 0,4-0,5 mm, mentre con il laser CO2 si raggiunge 0,1 mm.
Inoltre, a causa della bassa frequenza e della alta densità di energia dei laser a fibra, la realizzazione di piccoli fori in acciaio al carbonio può causare un surriscaldamento.

Una comparazione riassuntiva dei processi di taglio con laser CO2 e laser a fibra è fornita nella Tabella 1.

Figura 3 Velocità di taglio di diversi materiali

Tabella 1 Confronto dei parametri di processo di base tra taglio con laser CO2 e laser a fibra

Tabella 2: Analisi dei costi tra laser CO₂ e taglio con laser a fibra

Nota: I costi di manodopera, i costi di gestione e i fattori di profitto non sono considerati nell'analisi dei costi sopra.

3. Analisi del Costo di CO2 vs. Taglio laser a fibra

Prendendo come esempio la tagliatura di una lamina in acciaio inossidabile da 5 mm, viene mostrato un confronto dei costi nella Tabella 2.

In base alla tabella e assumendo 3860 ore di lavoro all'anno:

• Taglio con laser CO2 : costo operativo = ¥268,8/ora

• Taglio laser a fibra : costo operativo = ¥242,7/ora

Con velocità di taglio di 2,5 m/min (CO2) e 8,2 m/min (fibra):

• Costo per metro con CO2 = ¥1,79

• Costo per metro con laser a fibra = ¥0.48

4. Riepilogo e Raccomandazioni

Sia i laser a CO2 che taglio laser a fibra le tecnologie hanno le loro applicazioni adatte.
I laser CO2 possono tagliare acciaio al carbonio, acciaio inossidabile e leghe di alluminio, nonché semiconduttori, non metalli e materiali compositi , conferendo loro un campo di applicazione più ampio.
I laser ad fibra possono tagliare acciaio al carbonio, acciaio inossidabile, lega di alluminio e rame —cosa che i laser CO2 non possono fare—ma essi non possono tagliare materiali non metallici .

In termini di costo di taglio, i laser a fibra sono significativamente più economici rispetto ai laser CO2.

Raccomandazioni per la selezione del laser:

1. Per materiali ≤ 4mm spessi : Scegliere laser a fibra per la loro maggiore velocità ed efficienza—miglior valore complessivo.

2. Per materiali ≥ 8mm spessi : Scegliere laser CO2 per un miglior rendimento di perforazione e qualità del bordo—soprattutto quando i laser a fibra non offrono più un chiaro vantaggio di velocità.

3. Per rame o acciaio inox con finitura specchio : Scegliere laser a fibra.
   Per semiconduttori, non metalli o materiali compositi : Scegliere laser CO2.