Виды фокусирующих линз для лазерных станков CO2 с ЧПУ и их предназначение

Вы возможно видели задорные ролики на YouTube, где лазерный станок бодро нарезает оргстекло совершенно безумным образом (просмотр рекомендуется без звука). Ну, подумал я, надо и себе такую игрушку прикупить. Тем более что с 40W лазером и черной краской можно и печатные платы так рисовать 🙂 ВНИМАНИЕ Не пытайтесь повторить, то что написано в этой статье. Работа с открытой крышкой запрещена, юстировка зеркал может производиться только квалифицированным персоналом. Обязательна защита для глаз — иначе можно легко лишиться зрения.

Краткая теория

Обычный лазер на углекислом газе — на самом деле содержит еще Гелий и Азот, под давлением ниже атмосферного. Лазеры небольшой мощности (100W и менее) — обычно «отпаяные», т.е. просто стеклянная трубка с буферным объёмом газа, водяное охлаждение, 2 электрода на концах трубки, и 2 зеркала — одно полупрозрачное (для излучения с длиной волны 10.6мкм), другое непрозрачное. По мере работы CO2 разлагается, и лазер теряет мощность. Чем выше температура, тем короче срок службы (обычно 1000-2000 часов). Питание лазера — источником высокого напряжения, ~15-20 КВ, 15-25мА (для 40W трубки). 40W — достаточно только для резки оргстекла/фанеры. Металлы резать можно только с намного большей мощностью (1000W и выше), меньше — если кислородом расплав выдувать (тогда железо с углеродом еще и сгорает, давая дополнительную энергию). По печатной плате напрямую резать дорожки не выйдет — т.к. медь хорошо отражает 10.6мкм излучение. А вот если покрыть тонким слоем краски — то я видел положительные результаты. Что примечательно, ПВХ например резать нельзя, т.к. выделяющиеся при его резке газы разъедают линзу (и не совсем полезны для человека). Собственно, из длины волны излучаемого света (10.6мкм, «дальний» инфракрасный свет) и исходят многие особенности CO2 лазеров — очень мало материалов прозрачны для такого излучения. Лучше всего пропускает такой свет — селенид цинка, ZnSe, твердое вещество оранжевого цвета. Существенно хуже (но дешевле) — кремний и германий. Из экзотики — обычная поваренная соль также хорошо пропускает свет CO2 лазера, но очень уж недолговечны линзы из неё. Зеркала — дешевле всего стекло или кремний, покрытые слоем меди или золота — как на фото справа (на небольших мощностях излучения — этого вполне достаточно). На производстве — бывают цельно медные зеркала с водяным охлаждением, и молибденовые — если при резке стали капля расплавленного металла прилипает к молибденовому зеркалу, её можно просто отковырнуть, протереть тряпочкой и дальше работать

Как я покупал гравер на Aliexpress.com

Посмотрев, что продают на рынке — увидел, что из того, что не совсем уж фатально дорого (000$) — продуют только промаркированные китайские граверы с 40W лазером. Естественно, я решил купить гравер напрямую у производителей, без посредников. Побродив на aliexpress.com, нашел первого продавца. После небольшой переписки с обсуждением дополнительных запчастей (я хотел купить запасную лазерную трубку), продавец предложил перевести ему деньги банковским переводом «на деревню дедушке» и обещал сразу же после этого выслать гравер. Этого я делать само собой не стал, любые покупки должны проходить через escrow систему alibaba-ы, или через Paypal — иначе не будет никаких возможностей оспорить сделку, если пришлют что-то не то. На продавца накатал жалобу, и в скорости он исчез с сайта. Нашел второго продавца, но на этот раз он уже согласился на escrow. Вес посылки превышал допустимые для почты и EMS 40кг — поэтому решили послать по EMS в разобранном виде, вместе с инструкциями по сборке. Цена вопроса — 1288$ вместе с доставкой. Через пару недель курьер EMS с трудом притащил коробки ко мне домой:

Открываем и собираем

Сразу бросилось в глаза, что во время транспортировки разбилось защитное стекло. Но пока все выглядело оптимистично. Собрал все вместе, подключил водяное охлаждение, и пробую проверить лазер. Жму кнопку test — разряд в лазере есть, но точка на бумажке не прожигается. Странно… Бумагу даже 0.1W прожигать должно. Открываю защитную крышку, все осматриваю — вроде все выглядит хорошо. Жму тест — снова ничего. Тут внезапно замечаю, что во время теста — рука чувствует тепло. Жесть. Оказывается сбита юстировка Y-зеркала, и луч лазера не попадает в X-зеркало, а рассеивается от круглой поверхности (выше — она обведена красным). Тут я понимаю что все пройдет не так гладко, как я рассчитывал. Ну, делать нечего, надо юстировать.

Юстировка летающих зеркал

Быстро нашел хитрый способ юстировки — термочувствительной бумагой, на которой печатают чеки в магазинах. Проблема в том, что очень уж много точек настройки положения зеркала, и крепление Y-зеркала — не вполне жесткое, китайцы в своём стиле блин. Все шло хорошо, луч попадал уже почти туда куда нужно, и внезапно при следующем тестовом включении лазера с левой стороны пошел дым. Следующий абзац — пролетел за 0.5 секунды 🙂 Я думаю — хмм… интересно, откуда там может быть дым, вроде гореть особо нечему… Хмм… Человек может «отфильтровать» ощущения, которых он совсем не ожидает, и сосредоточен на чем-то другом (точно так же, можно не заметить ножевое ранение в драке). И тут пришла боль… Оказалось, палец попал в луч лазера, хорошо еще я тестировал на минимальной стабильной мощности (около 10W). (Фото не для слабонервных, кровь заляпала стены). 3 часа ночи. Что делать? Звонить в скорую? «- Здравствуйте, что у вас случилось? — Аааа, заберите меня, я себе палец насквозь прожег лазером!!!!» В общем, повезло, попал в ноготь, мощность маленькая, 10.6мкм хорошо поглощается, и рана была поверхностная (именно поэтому CO2 лазеры используют в медицине). Зажило быстро. После этого я понял, что путь мой к работающему граверу неблизок. И я сел писать претензию на продавца на aliexpress.

Разборки с продавцом

После внимательного изучения товара, обнаружилось список проблем из 9-и пунктов — отличия от того, что было в описании, чудовищные проблемы с качеством (блок питания выдавал всего 14мА, хотя для 40W лазера нужно 24, cnc контроллер отличался от того, что был в описании, ужасное качество PCB, бракованая ZnSe линза, «вгоревший» отпечаток пальца на одном из зеркал). Глубину проблем можно увидеть на снимках: 1, 2, 3, 4. Это была настоящая заруба. 2 месяца мы провели в dispute-ах на разных уровнях, несколько раз возвращаясь к началу спора. Продавец допустил «ошибку» — признал, что он прислал мне «другую модель», но она «лучше». Это была его фатальная ошибка, после этого спорить с ним было намного проще. Я требовал исправления всего списка проблем, или предлагал вернуть все это добро ему за его счет. Само собой, пока идет dispute — продавец не может забрать свои деньги. В конечном итоге, продавец согласился прислать запчасти на замену — нормальный блок питания (как в описании), новую, не бракованную ZnSe линзу и 3 молибденовых зеркала. Но нервов было потрачено не мало.

Видео с тестом лазера:

Результат и выводы

В конечном итоге, я получил весёлый набор «сделай лазерный гравер сам» по не слишком высокой цене. Сейчас я делаю к нему Mach3-совместимый контроллер, с оригинальным сложно делать что-то кроме печатей (т.к. кривой китайский софт заточен под растровую гравировку, а не резку). А с китайцами нужно держать ухо востро — они не гнушаются продавать брак, лишь бы заработать лишних 10$ (т.е. они могут делать качественно, но только если держать за горло. Если не держать — сразу получишь отбраковку). Никаких сделок без Escrow и без возможности оспорить качество после доставки. Комментарии, вопросы, дополнения?

Оптическая система гравировального оборудования предназначена для перенаправления светового потока лазера и его дальнейшей концентрации в зоне обработки материала. Поток излучения, сгенерированный лазерной трубкой, при помощи системы из оптических зеркал передается на фокусирующую линзу, при прохождении которой уровень мощности излучения увеличивается в несколько раз. Чем выше толщина материала, обрабатываемого на лазерной установке, тем выше мощность лазерной трубки и фокусное расстояние оптической линзы, находящиеся в пропорциональной зависимости.

Система оптических зеркал

В технологии лазерной обработки применяют следующие системы оптических зеркал для управления потоком лазерного излучения:

• стационарные для установок с газовым CO2-лазером;
• отклоняющиеся с твердотельным лазером YAG.

Лазерная установка, со стационарно расположенной оптической системой, более доступна в цене, имеет простую конструкцию и меньшую производительность в сравнении с машинами, где использована система отклоняющихся зеркал. Граверы со стационарной системой позволяют вести лазерную обработку со скоростью до 1066 мм/с, а с системой отклоняющихся зеркал — до 7000 мм/с.

Фокусирующие оптические линзы

Лазерное излучение, проходящее через оптическую линзу с заданным фокусным расстоянием, формирует в зоне резания след луча определенного диаметра и мощности. В зависимости от режимов и поставленных задач при лазерной обработке, оптические линзы можно условно разделить на:

• длиннофокусные – эффективны при разрезании материалов большой толщины и показывают низкий уровень качества поверхности при гравировании;
• короткофокусные с небольшим размером формирующего пятна – применяют для максимально точного гравирования с высоким разрешением;
• универсальные – позволяют добиться оптимального качества при резке и гравировке материалов.

Особенности настройки и обслуживания

После проведения работ по замене и обслуживанию лазерных трубок и оптических элементов требуется точное позиционирование всей системы в направлении потока лазерного излучения строго через центры оптических зеркал и фокусирующей линзы. Данная настройка позволяет добиться оптимально высокой мощности при работе лазерного оборудования. Для надежной и долговечной эксплуатации системы оптического преобразования лазерной энергии периодически проводят чистку зеркал и линз от загрязнений специальными растворами, не допуская царапания и грубого повреждения поверхностей оптики.

• Доставка по России Мы доставим ваш заказ курьером по Москве или транспортной компанией по всей России.
• Оплата онлайн Оплата заказа любым безналичным способом или наличными.
• Магазин в Москве Будем рады видеть вас в нашем офисе по адресу г. Москва, Песчаный карьер, д. 3, стр. 1, оф. 307.

Используемые источники:

• https://all-ready.ru/stati/vidy-fokusiruyushhih-linz-dlya-lazernyh-stankov-co2-s-chpu-i-ih-prednaznachenie/
• https://habr.com/post/144495/
• https://lasermarker.ru/category/komplekt-lazstank/optika/