Guida al taglio laser di tubi 3D: processo, strumenti e applicazioni

Nel 1964 fu introdotto il primo laser industriale al mondo, con una potenza di appena 1 milliwatt (mW). Nel giro di soli tre anni, nel 1967, la potenza del laser aveva superato i 1.000 watt, sufficienti per tagliare acciaio spesso 1 mm, con un aumento di un milione di volte della potenza erogata. Questa svolta segnò l'inizio dell'era della lavorazione laser.

Spinti dalle esigenze della produzione moderna in termini di elevata precisione, efficienza e flessibilità, i metodi tradizionali di taglio dei tubi hanno sempre più difficoltà a soddisfare i requisiti di produzione diversificati. In risposta a ciò, è emersa la tecnologia di taglio laser 3D dei tubi, che combina laser ad alta potenza, sistemi CNC multiasse ad alta velocità e controllo software intelligente, diventando un'innovazione chiave nella lavorazione avanzata dei tubi.

Libertà di progettazione e produzione: Questa tecnologia apre nuove possibilità per la lavorazione di componenti strutturali, profili di tubi non standard e parti per autoveicoli, garantendo una libertà senza precedenti sia nella progettazione che nella produzione.

Esigenze tecnologiche: Nonostante i suoi vantaggi, il taglio laser 3D dei tubi presenta requisiti tecnici più elevati. Il raggiungimento di risultati costanti e di alta qualità dipende da un approccio integrato a livello di sistema, che comprenda progettazione meccanica, controllo CNC sincronizzato e algoritmi avanzati di ottimizzazione del percorso utensile.

1.0Che cos'è il taglio laser 3D dei tubi?

Capacità multiasse e flessibilità dei materiali:
Dotati di una testa di taglio laser rotante e inclinabile, i sistemi laser 3D possono lavorare tubi tondi, quadrati e rettangolari, canali a C, angolari, profili ellittici e profili a sezione aperta. La testa di taglio può inclinarsi su più assi, offrendo angoli di taglio fino a 45°. Questo la rende ideale per fori svasati, smussi e bordi smussati, particolarmente utile nelle applicazioni che richiedono giunti saldati o preparazioni di saldatura senza riempitivo.

Multi-tasking integrato:
Un sistema laser 3D può eseguire taglio, smussatura e smussatura in un'unica operazione, riducendo l'intervento manuale e i tempi di produzione. Supporta sia la prototipazione che la produzione su larga scala, adattandosi con flessibilità a diversi scenari produttivi.

Requisiti di controllo chiave per la lavorazione di tubi 3D:
A differenza della lavorazione di lamiere piane, il taglio di tubi richiede che il raggio laser si muova dinamicamente attorno a una struttura 3D. Ciò richiede un controllo preciso di diversi parametri critici:

• Distanza dell'ugello e posizione focale: Deve essere regolato dinamicamente in base al raggio del tubo e alla geometria del taglio
• Potenza laser e velocità di taglio: Richiede un adattamento in tempo reale alle variazioni dello spessore della parete
• Regolazione dell'altezza di messa a fuoco: La messa a fuoco dinamica migliora la qualità e l'efficienza del taglio, riducendo al minimo i danni termici e gli sprechi di materiale

Sfide del taglio angolato e misure di compensazione:
Poiché i raggi laser hanno un profilo conico, la larghezza del taglio varia con l'angolo di taglio, influenzando potenzialmente la precisione dimensionale e l'aderenza della saldatura. Per compensare:

• Compensazione del taglio: Il sistema deve adattarsi alla variazione della larghezza del taglio per mantenere le lunghezze corrette delle parti e la precisione del giunto
• Controllo della messa a fuoco e del flusso del gas:La modifica della posizione di messa a fuoco e dell'angolo del gas di assistenza aiuta a prevenire turbolenze e perdite di gas, particolarmente critiche con inclinazioni di 45°, per garantire un taglio stabile ed efficiente

Compensazione in tempo reale delle irregolarità dei tubi:
I tubi possono presentare piegature iniziali, deviazioni laterali o deformazioni dovute al posizionamento a sbalzo. Le macchine per il taglio laser 3D avanzate, dotate di sistemi di misurazione e supporto integrati, sono in grado di rilevare e compensare questi problemi in tempo reale, riducendo gli errori di tolleranza e gli sprechi di materiale.

2.0Esempi di applicazione della tecnologia di taglio laser 3D dei tubi

Il taglio laser 3D dei tubi è ampiamente utilizzato nella produzione moderna per la lavorazione di tubi ad alta precisione ed efficienza. È particolarmente adatto a settori come le strutture in acciaio, l'industria aerospaziale e altri che richiedono lavorazioni complesse. Di seguito sono riportati alcuni scenari applicativi tipici che evidenziano i vantaggi e l'utilizzo pratico di questa tecnologia avanzata:

• Alimentazione automatica e caricamento del tubo:
  I caricatori automatici di fasci gestiscono in modo efficiente tubi pesanti, riducendo significativamente i tempi di attrezzaggio e migliorando la sicurezza degli operatori. Nella produzione ad alto volume, l'automazione garantisce un posizionamento rapido e stabile dei tubi nella stazione di taglio, aumentando notevolmente la produttività e riducendo il fabbisogno di manodopera.
• Taglio e smussatura di tubi per impieghi gravosi:
  In grado di eseguire tagli e smussi precisi e senza sprechi su travi a H, canali a U e profili a L. Il sistema è dotato di un meccanismo di supporto a tre mandrini a corsa completa per garantire un serraggio sicuro durante l'intero processo. È ampiamente utilizzato nella lavorazione dell'acciaio strutturale, nella produzione di torri e nella costruzione di ponti, soddisfacendo la domanda di lavorazioni ad alta precisione.
• Taglio ad alta precisione con nesting intelligente:
  Con il software di nesting intelligente ALEKVS, i percorsi di taglio vengono ottimizzati automaticamente per ridurre al minimo lo spreco di materiale. Il software supporta la sequenziazione dei percorsi sia per tubi quadrati che tondi, generando percorsi utensile basati sull'ordine delle superfici o sulla spaziatura per consentire un taglio efficiente e uniforme.
• Tecnologia di taglio a spreco zero:
  Per applicazioni gravose, il sistema di taglio intelligente a tre mandrini e zero sprechi elimina le perdite di materiale. Abilitando il movimento sincronizzato tra più mandrini, il sistema garantisce un taglio preciso e a tutta lunghezza di tubi lunghi senza generare scarti, riducendo efficacemente i costi di produzione.
• Supporto dinamico per tubi pesanti:
  Un sistema di supporto servoassistito a corsa completa si regola in tempo reale per mantenere il posizionamento verticale del tubo durante il taglio. Questo previene cedimenti o oscillazioni e garantisce stabilità e precisione di taglio su tutto il pezzo, aspetto particolarmente importante per tubi lunghi o pesanti.
• Capacità di taglio multifunzione:
  La testa laser 3D supporta funzioni avanzate come il taglio smussato a 45°, migliorando la resistenza e l'uniformità della saldatura. Consente inoltre la creazione di precisione di fori a Y per connessioni di tubi multidirezionali, soddisfacendo le esigenze di componenti strutturali complessi.
• Lavorazione di tubi sagomati e strutture complesse:
  Il taglio laser 3D consente di seguire i contorni spaziali, rendendo possibile la lavorazione di tubi con curvature irregolari e componenti strutturali 3D complessi. Questa capacità è ideale per applicazioni personalizzate ad alta precisione, come asole di assemblaggio o fori di allineamento in strutture di mobili e strutture industriali.

3.0Cos'è una macchina per il taglio laser di tubi 3D?

Un 3D macchina per il taglio laser dei tubi è un sistema CNC ad alta precisione progettato per il taglio e la smussatura di tubi metallici con diverse angolazioni spaziali. Utilizzando un raggio laser come fonte di energia e un sistema di controllo del movimento multiasse, consente tagli accurati su superfici complesse e con angolazioni non verticali. È uno strumento chiave nella produzione avanzata e nella fabbricazione intelligente.

Funzioni e applicazioni principali:
Una macchina per il taglio laser 3D di tubi è dotata di un sistema di coordinamento multiasse, in genere a 5 o 6 assi, per lavorare un'ampia gamma di profili di tubi metallici, inclusi tubi tondi, quadrati, rettangolari ed ellittici. È in grado di eseguire tagli angolari, smussi spaziali, fori e altre geometrie complesse con elevata precisione.

Principio di funzionamento:
Il laser a fibra genera un fascio ad alta energia che viene focalizzato dalla testina di taglio sulla superficie del tubo, fondendo localmente il materiale per ottenere il taglio.
La testa di taglio 3D è in grado sia di ruotare che di inclinarsi, operando in coordinamento con gli assi X, Y, Z e rotanti per controllare con precisione il percorso del raggio ed eseguire complesse attività di taglio 3D.
Il sistema supporta il taglio a vari angoli inclinati, ad esempio 45° o 60°, per preparare smussi pronti per la saldatura e contorni complessi.

Componenti principali:

• Sorgente laser:Tipicamente un laser a fibra con potenza compresa tra 1 kW e 6 kW
• Testa di taglio 3D:Consente sia il movimento di inclinazione che quello di rotazione per operazioni multi-angolo
• Sistema di controllo CNC:Consente il coordinamento multiasse, supporta l'importazione di file CAM per una programmazione efficiente
• Sistema di serraggio automatico e alimentazione rotativa:Garantisce il posizionamento e l'alimentazione accurati del tubo
• Contropunta e sistema di nidificazione intelligente (opzionale):Ottimizza l'utilizzo dei materiali e riduce gli sprechi

Esempio di capacità di taglio:

• Tagli angolari alle estremità dei tubi / smussatura:Fornisce angoli precisi per la preparazione della saldatura
• Taglio dei fori ad angoli arbitrari:Adatto per posizionamenti di fori complessi su superfici di tubi
• Slot di incastro e fori di posizionamento:Consente un montaggio e un allineamento di precisione

4.0Componenti chiave di un sistema di taglio laser 3D per tubi

• Sorgente laser a fibra:
  Offre un'elevata densità energetica con bassi requisiti di manutenzione ed eccellente compatibilità con i materiali riflettenti. I laser a fibra forniscono un fascio di luce stabile per tagli di precisione, riducendo al minimo i costi operativi.
• Testa di taglio laser 3D:
  Dotata di meccanismi integrati di rotazione e inclinazione e di ottiche con messa a fuoco automatica, la testa di taglio consente tagli precisi in qualsiasi angolazione. Supporta un'ampia gamma di applicazioni, dai tagli alle estremità dei tubi ai profili 3D complessi, migliorando la flessibilità del processo.
• Sistema di controllo del movimento multiasse:
  Supporta il movimento sincronizzato a 5 o 6 assi (X/Y/Z + rotazione + inclinazione), consentendo il taglio multidimensionale simultaneo. Questo è essenziale per gestire geometrie di tubi complesse e migliorare la produttività.
• Sistema intelligente di bloccaggio e supporto di follow-up:
  Identifica automaticamente il tipo di tubo e garantisce un serraggio e un allineamento precisi. Il sistema di supporto servoassistito si regola in tempo reale durante il taglio per prevenire deformazioni o vibrazioni, garantendo risultati stabili e precisi.
• Software CAM integrato:
  Consente l'importazione diretta di file CAD, la pianificazione del percorso utensile e la simulazione intelligente. Il sistema CAM ottimizza automaticamente i parametri di taglio in base alla geometria, riducendo gli sprechi di materiale e i tempi di ciclo.
• Ottimizzazione automatizzata del nesting e del percorso utensile:
  La funzionalità di annidamento integrata organizza i layout di taglio in base alla lunghezza del tubo e alle dimensioni del profilo, massimizzando l'utilizzo del materiale e migliorando l'efficienza operativa.
• Sistema di servoazionamento di precisione ad alta velocità:
  Servomotori e azionamenti avanzati consentono un taglio rapido e un posizionamento estremamente preciso. Ciò garantisce risultati costanti anche nella lavorazione di forme complesse e spessori di parete variabili.
• Sistema di controllo della potenza laser:
  Regola automaticamente la potenza del laser in base al tipo e allo spessore del materiale per ottenere un equilibrio di taglio ottimale, evitando tagli eccessivi o insufficienti e migliorando sia la qualità del taglio sia l'efficienza del materiale.
• Sistema di taglio a gas assistito:
  Regola con precisione il flusso di gas per ottimizzare la zona termicamente alterata durante il taglio. Ciò riduce al minimo la formazione di bave e la deformazione dei bordi, aumentando al contempo la velocità di taglio e l'affidabilità del processo.
• Monitoraggio e manutenzione remota integrati:
  Il sistema include una diagnostica remota per monitorare lo stato della macchina in tempo reale. È in grado di rilevare in anticipo potenziali guasti e di emettere avvisi, riducendo i tempi di fermo e migliorando la pianificazione della manutenzione.

5.0Come scegliere la giusta macchina per il taglio laser 3D dei tubi

Nella scelta di un sistema di taglio laser 3D per tubi, oltre alle specifiche tecniche di base, è fondamentale valutare la macchina in base alle effettive esigenze di produzione e alle condizioni di officina. È importante considerare i seguenti fattori:

• Tipi di tubi supportati e intervallo di dimensioni:
  Assicuratevi che la macchina sia in grado di gestire le dimensioni e i profili specifici richiesti per le vostre applicazioni. I parametri chiave includono:
  • Gamma di diametri dei tubi tondi:Macchine diverse supportano gamme di diametri diversi: assicurati che siano adatte alle tue esigenze di lavorazione.
  • Limite di spessore della parete:Per i tubi con pareti spesse (superiori a 5 mm), è fondamentale una maggiore potenza laser per garantire un taglio efficiente.
  • Compatibilità con profili non standard:Se è richiesta la lavorazione di tubi quadrati, rettangolari o di altre forme speciali, verificare la capacità della macchina di supportare questi profili.
• Disponibilità di sistemi di carico e scarico automatizzati:
  L'automazione migliora significativamente la produttività e riduce il lavoro manuale, soprattutto nella produzione ad alto volume. Un sistema automatizzato di movimentazione dei materiali consente un'alimentazione fluida dei tubi tra lotti, riducendo al minimo i tempi di fermo e massimizzando l'efficienza produttiva.
• Requisiti per la capacità di taglio smussato:
  Se la vostra applicazione prevede assemblaggi saldati, date priorità alle macchine dotate di funzionalità di taglio smussato. La smussatura consente tagli angolati sulle estremità dei tubi per migliorare la resistenza, la precisione e l'uniformità della saldatura, con un impatto diretto sulla qualità del prodotto finale.
• Corrispondenza della potenza del laser:
  La potenza del laser deve essere calibrata in base al tipo di materiale e allo spessore della parete. Per tubi di spessore superiore a 5 mm, si consiglia una potenza laser superiore a 3 kW per mantenere la qualità e la velocità di taglio. Una potenza maggiore consente tagli più profondi e rapidi, rendendolo adatto alla lavorazione di materiali con pareti spesse.
• Usabilità ed espandibilità del software:
  Il software di controllo integrato influisce direttamente sulla facilità d'uso e sulla precisione di taglio. Si consideri quanto segue:
  • Facilità d'uso:Valutare se l'interfaccia del software è intuitiva, supporta l'importazione di file CAD e consente una pianificazione efficiente del percorso utensile.
  • Espandibilità:Valutare se il sistema può supportare futuri aggiornamenti, nuove funzionalità e integrazione con altre macchine o sistemi di produzione.

6.0Differenze chiave tra taglio laser 2D e 3D

7.0Vantaggi principali del taglio laser 3D dei tubi

• Velocità: Il taglio laser è notevolmente più rapido rispetto al taglio meccanico tradizionale, in particolare per geometrie complesse e operazioni multi-angolo.
• Qualità: Il taglio laser 3D offre bordi puliti con una formazione minima di bave. La zona termicamente alterata (ZTA) è stretta, riducendo la deformazione del materiale e garantendo pezzi finiti di alta qualità.
• Versatilità: Un sistema è in grado di elaborare un'ampia gamma di materiali, come acciaio, acciaio inossidabile e alluminio, e supporta vari profili, tra cui tubi rotondi, quadrati e rettangolari, angolari in ferro e travi a I.
• Precisione: Offre un'eccezionale precisione di taglio, con tolleranze fino a +/- 0,005 pollici (0,127 mm). La post-lavorazione è spesso superflua, riducendo al minimo gli sprechi di materiale e i costi di produzione.
• Sicurezza: Il taglio laser è un processo senza contatto e incapsulato. Il raggio è confinato all'interno di un involucro a tenuta di luce, riducendo al minimo i rischi di lesioni per l'operatore e danni alla macchina.
• Funzionamento senza contatto: L'assenza di utensili da taglio fisici elimina l'usura meccanica e l'attrito, riducendo la manutenzione delle macchine e prolungandone la durata.
• Basso consumo energetico: I sistemi di taglio laser sono efficienti dal punto di vista energetico, anche in ambienti di produzione ad alto volume. Mantengono un'elevata produttività riducendo al minimo i costi energetici complessivi.

 

Riferimenti

https://blog.blmgroup.com/advantages-and-limits-of-tube-3d-laser-cutting