Обработка материалов резанием применяется при производстве очень широкого класса изделий. До недавнего времени обработка резанием осуществлялась исключительно на токарных и фрезерных станках (и их разновидностях). Однако с изобретением и стремительным развитием лазерной технологии, резец (или фрезу) стало возможно заменить лазерным лучом. Технология лазерной обработки имеет неоспоримые преимущества перед механической обработкой, но всё-таки не может вытеснить её полностью. В чём же преимущество «классической» обработки резанием?
Оборудование
Прежде всего, следует отметить высокое сходство лазерно-гравировального станка с вертикально фрезерным. В обоих присутствует горизонтальный рабочий стол для размещения и крепления заготовок. Режущий инструмент (или лазерный излучатель) установлены на мобильном инструментальном портале, приводимом в движение шаговыми электродвигателями повышенной точности. В обоих типах станков траектория инструмента задаётся системой ЧПУ, посылающей управляющие импульсы на электродвигатели для перемещения инструментального портала согласно программе обработки. И фрезерный и лазерный станки предназначены для резки, раскроя и гравировки материалов, а значит, и применяются в схожих областях производства. Разница заключается лишь в способе воздействия на заготовку.
Лазерный станок нагревает и плавит (или испаряет) материал заготовки путём воздействия на её поверхность лучом концентрированной энергии, сфокусированной в очень малом пространстве (практически «в одной точке»). Изменяя мощность луча, а также его положение (и угол падения на заготовку), можно осуществлять обработку по определённому маршруту и получать сложные объёмные фигуры. Фрезерный станок работает иначе. Вращающаяся с большой скоростью фреза своими острыми режущими кромками скалывает слои материала в области обработки и отводит их в виде стружки. Перемещение фрезы по трём-пяти независимым координатам позволяет обрабатывать сложные фасонные поверхности, а также торцевые плоскости заготовки, пазы, карманы, отверстия и т. д. Конструктивные особенности обоих типов станков определяют их сильные и слабые стороны в процессе обработки заготовок. Здесь мы приводим преимущества фрезерной обработки перед лазерной.
Обработка металлов является одним из самых ярких преимуществ фрезерных станков. Лазерные машины для обработки толстых металлических заготовок — это настоящие «промышленные монстры» с огромной мощностью излучателей и значительным энергопотреблением. Настольный или напольный лазерно-гравировальный станок, как правило, не могут осуществить сквозной раскрой металлической заготовки. В то время как фрезерный станок, даже незначительной мощности, при удачно подобранных режимах резания и применении твёрдосплавных фрез способны весьма профессионально обрабатывать металлы (особенно пластичные — медь, бронза, латунь, алюминий и пр.).
Таким образом, фрезерный станок отличается большей универсальностью — может работать с металлами и неметаллическими заготовками. В то время как для лазерных машин существуют чёткие разграничение — «маленькие» станки вообще не работают с металлами, а «большие» напротив — не способны качественно обработать тонкие неметаллические заготовки.
Обработка ПВХ на лазерных станках категорически запрещена! Дело в том, что при нагревании поливинилхлорид выделяет диоксины, обладающие канцерогенным действием. Кроме того, выделяемые пары хлора взаимодействуют с атмосферной влагой и образуют серную кислоту, вызывающую повышенную коррозию оборудования.
Для фрезерных станков никаких ограничений по обработке ПВХ-заготовок нет. Напротив, податливый материал прекрасно обрабатывается резанием и позволяет фрезеровать сложные двух- и трёхмерные объекты.
3D обработка
Напольные фрезерные станки, плавно меняющие направление движения и глубину погружения фрезы в заготовку способны изготавливать сложнейшие трёхмерные узоры, рельефную резьбу, превосходящую по качеству ручную работу лучших мастеров, и т. д.
В то время как лазерный луч имеет строгие ограничение по глубине погружения в материал заготовки и распространяется строго прямолинейно — следовательно «вырезанные» фигуры всегда будут иметь ступенчатую структуру. Да и времени на обработку потребуется гораздо больше.
Толщина заготовки
Сам принцип лазерной обработки строиться на концентрации значительной энергии в одной точке на поверхности заготовки. Однако при погружении в глубину материала, мощность лазера — за счёт неизбежного взаимодействия с прилегающими слоями и рассеивания фотонов — быстро снижается. Это приводит к тому, что профиль реза толстых заготовок перестаёт быть ровным (становится трапециевидным), к тому же фактическая глубина реза ограничена сравнительно небольшой величиной (порядка 6-30 мм для различных неметаллических материалов). Для сквозной резки толстых металлических заготовок применяется лазерный нагрев с одновременным воздействием высокоскоростной газовой струи, но это технология совсем иного уровня сложности и стоимости.
Для фрезерных станков ограничений на толщину обрабатываемой заготовки не существует. Необходимо лишь правильно рассчитать подачу и запланировать несколько проходов, чтобы не превышать это значение.
Автоматическая смена инструмента
Как было показано выше, лазерный луч имеет строго определённую направленность (распространяется только прямолинейно) и площадь воздействия на поверхность заготовки (точку фокусировки). Это накладывает определённые технологические ограничения на взаимодействие «лучевого инструмента» с материалом заготовки. В то же время, фрезерный станок работает с инструментом различного типа — в зависимости от решаемых задач. При этом замена инструмента может осуществляться автоматически в процессе работы — ряд моделей фрезерных станков снабжены для этого специальной револьверной головкой с магазином на несколько инструментов. Поэтому даже если конкретная фреза не подходит для какой-либо операции, она может быть заменена на нужный инструмент. А лазерный луч допускает лишь регулировку мощности (от 100% и ниже) и — в ряде случаев — угла наклона относительно заготовки, что в технологическом плане явно уступает возможностям набора из разнообразных фрез.
Материал заготовки
Физические свойства ряда материалов плохо сочетаются с воздействием лазера. Например смолистая древесина или искусственный камень гораздо лучше обрабатываются на фрезерном станке, чем на лазерном. Как отмечалось выше, ряд материалов (такие как ПВХ, хлорсодержащее органическое стекло и пр.) не пригодны для лазерной обработки из-за выделения вредных веществ при нагреве и расплавлении. Фрезерный же станок работает по другому принципу — не плавит, а режет, скалывает материал, поэтому свободен от вышеописанных ограничений.
Разумеется, фрезерные станки также имеют свои недостатки, а лазерные — уникальные преимущества (их перечисление не входит в рамки данной статьи). Однако выделить явного фаворита не представляется возможным. Лазерное оборудование не является конкурентом фрезерному. Оба типа применимы и отлично справляются с работой — каждый в своей области. Задачей технолога является как можно точнее определить эту область. Тогда выбранное фрезерное или лазерное оборудование сможет оправдать себя в полной мере.