Hướng dẫn cắt ống laser 3D: Quy trình, công cụ và ứng dụng

Năm 1964, laser công nghiệp đầu tiên trên thế giới được giới thiệu, cung cấp công suất khiêm tốn chỉ 1 miliwatt (mW). Chỉ trong vòng ba năm, đến năm 1967, công suất laser đã vượt quá 1.000 watt—đủ để cắt qua thép dày 1 mm—đại diện cho bước nhảy vọt gấp một triệu lần về công suất đầu ra. Bước đột phá này đánh dấu sự khởi đầu của kỷ nguyên xử lý laser.

Được thúc đẩy bởi nhu cầu sản xuất hiện đại về độ chính xác cao, hiệu quả và tính linh hoạt, các phương pháp cắt ống truyền thống ngày càng phải vật lộn để đáp ứng các yêu cầu sản xuất đa dạng. Để ứng phó, công nghệ cắt ống laser 3D đã xuất hiện—kết hợp laser công suất cao, hệ thống CNC đa trục tốc độ cao và điều khiển phần mềm thông minh—để trở thành một cải tiến quan trọng trong quá trình xử lý ống tiên tiến.

Tự do thiết kế và sản xuất: Công nghệ này mở ra những khả năng mới cho việc xử lý các thành phần kết cấu, cấu hình ống không chuẩn và các bộ phận ô tô, mang lại sự tự do chưa từng có trong cả thiết kế và sản xuất.

Yêu cầu về công nghệ: Mặc dù có những ưu điểm, cắt ống bằng laser 3D đi kèm với các yêu cầu kỹ thuật cao hơn. Việc đạt được kết quả nhất quán, chất lượng cao phụ thuộc vào phương pháp tiếp cận cấp hệ thống tích hợp—bao gồm thiết kế cơ khí, điều khiển CNC đồng bộ và các thuật toán tối ưu hóa đường chạy dao tiên tiến.

1.0Cắt ống bằng laser 3D là gì?

Khả năng đa trục và tính linh hoạt của vật liệu:
Được trang bị đầu cắt laser xoay và nghiêng, hệ thống laser 3D có thể xử lý ống tròn, ống vuông và ống chữ nhật, kênh chữ C, sắt góc, hình elip và hình dạng tiết diện hở. Đầu cắt có thể nghiêng qua nhiều trục, cung cấp góc cắt lên đến 45°. Điều này làm cho nó lý tưởng cho các lỗ chìm, vát mép và các cạnh vát, đặc biệt có lợi trong các ứng dụng yêu cầu mối hàn hoặc chuẩn bị mối hàn không có chất độn.

Đa nhiệm tích hợp:
Hệ thống laser 3D có thể thực hiện cắt, vát mép và vát cạnh trong một thao tác duy nhất, giảm can thiệp thủ công và thời gian sản xuất. Nó hỗ trợ cả tạo mẫu và sản xuất khối lượng lớn, thích ứng linh hoạt với nhiều tình huống sản xuất khác nhau.

Yêu cầu kiểm soát chính cho quá trình xử lý ống 3D:
Không giống như gia công tấm phẳng, cắt ống đòi hỏi chùm tia laser phải di chuyển động quanh cấu trúc 3D. Điều này đòi hỏi phải kiểm soát chính xác một số thông số quan trọng:

• Khoảng cách vòi phun và vị trí tiêu điểm: Phải điều chỉnh động dựa trên bán kính ống và hình dạng cắt
• Công suất Laser và tốc độ cắt: Yêu cầu thích ứng thời gian thực với các biến thể về độ dày thành
• Điều chỉnh độ cao tiêu điểm: Tập trung động cải thiện chất lượng và hiệu quả cắt, giảm thiểu thiệt hại do nhiệt và lãng phí vật liệu

Thách thức của biện pháp cắt góc và bù trừ:
Vì chùm tia laser có hình nón nên chiều rộng rãnh cắt thay đổi theo góc cắt, có khả năng ảnh hưởng đến độ chính xác về kích thước và độ khít của mối hàn. Để bù đắp:

• Bù rãnh: Hệ thống phải điều chỉnh theo sự thay đổi chiều rộng rãnh cắt để duy trì độ dài chi tiết chính xác và độ chính xác của mối nối
• Kiểm soát sự tập trung và lưu lượng khí:Việc thay đổi vị trí tiêu điểm và góc khí hỗ trợ giúp ngăn ngừa nhiễu loạn và mất khí—đặc biệt quan trọng ở góc nghiêng 45°—để đảm bảo cắt ổn định và hiệu quả

Bù trừ thời gian thực cho các bất thường của ống:
Ống có thể bị uốn cong ban đầu, lệch ngang hoặc biến dạng do định vị dạng công xôn. Máy cắt laser 3D tiên tiến được trang bị hệ thống đo lường và hỗ trợ tích hợp có thể phát hiện và bù đắp các vấn đề này theo thời gian thực—giảm lỗi dung sai và lãng phí vật liệu.

2.0Ví dụ ứng dụng của công nghệ cắt ống laser 3D

Cắt ống laser 3D được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất hiện đại để gia công ống có độ chính xác cao và hiệu quả cao. Nó đặc biệt phù hợp với các ngành như kết cấu thép, hàng không vũ trụ và các ngành công nghiệp khác đòi hỏi chế tạo phức tạp. Dưới đây là các tình huống ứng dụng điển hình làm nổi bật những lợi thế và ứng dụng thực tế của công nghệ tiên tiến này:

• Tự động nạp và nạp ống:
  Máy nạp bó tự động xử lý hiệu quả các ống nặng, giảm đáng kể thời gian thiết lập và cải thiện sự an toàn của người vận hành. Trong sản xuất khối lượng lớn, tự động hóa đảm bảo định vị ống nhanh và ổn định tại trạm cắt, tăng đáng kể năng suất và giảm yêu cầu về lao động.
• Cắt và vát ống chịu lực nặng:
  Có khả năng thực hiện các đường cắt và vát chính xác, không lãng phí trên dầm chữ H, kênh chữ U và thanh chữ L. Hệ thống được trang bị cơ cấu hỗ trợ ba mâm cặp toàn hành trình để đảm bảo kẹp chặt trong suốt quá trình. Nó được sử dụng rộng rãi trong kết cấu thép, sản xuất tháp và xây dựng cầu—đáp ứng nhu cầu chế tạo có độ chính xác cao.
• Cắt có độ chính xác cao với chức năng lồng ghép thông minh:
  Với phần mềm lồng ghép thông minh ALEKVS, đường cắt được tự động tối ưu hóa để giảm thiểu lãng phí vật liệu. Phần mềm hỗ trợ sắp xếp đường cắt cho cả ống vuông và ống tròn, tạo đường chạy dao dựa trên thứ tự bề mặt hoặc khoảng cách để cho phép cắt hiệu quả và nhất quán.
• Công nghệ cắt không chất thải:
  Đối với các ứng dụng nặng, hệ thống cắt không lãng phí ba mâm cặp thông minh loại bỏ tình trạng mất vật liệu. Bằng cách cho phép chuyển động đồng bộ giữa nhiều mâm cặp, hệ thống đảm bảo cắt chính xác và toàn bộ chiều dài các ống dài mà không tạo ra phế liệu, giúp giảm hiệu quả chi phí sản xuất.
• Hỗ trợ động cho ống nặng:
  Hệ thống hỗ trợ theo dõi toàn hành trình được điều khiển bằng servo điều chỉnh theo thời gian thực để duy trì vị trí thẳng đứng của ống trong quá trình cắt. Điều này ngăn ngừa tình trạng chảy xệ hoặc dao động và đảm bảo độ ổn định và độ chính xác khi cắt trên toàn bộ phôi, đặc biệt quan trọng đối với các ống dài hoặc nặng.
• Khả năng cắt đa chức năng:
  Đầu laser 3D hỗ trợ các chức năng tiên tiến như cắt vát 45°, cải thiện độ bền và tính đồng nhất của mối hàn. Nó cũng cho phép tạo chính xác các lỗ nhánh chữ Y để kết nối ống đa hướng, đáp ứng nhu cầu của các thành phần cấu trúc phức tạp.
• Gia công ống định hình và cấu trúc phức tạp:
  Cắt laser 3D cho phép theo dõi đường viền không gian, giúp xử lý được các ống cong không đều và các bộ phận cấu trúc 3D phức tạp. Khả năng này lý tưởng cho các ứng dụng tùy chỉnh, có độ chính xác cao như khe lắp ráp hoặc lỗ căn chỉnh trong khung đồ nội thất và các cấu trúc công nghiệp.

3.0Máy cắt ống laser 3D là gì?

Một 3D máy cắt laser ống là hệ thống CNC có độ chính xác cao được thiết kế để cắt và vát ống kim loại ở nhiều góc không gian khác nhau. Sử dụng chùm tia laser làm nguồn năng lượng và hệ thống điều khiển chuyển động đa trục, hệ thống này cho phép cắt chính xác trên các bề mặt phức tạp và ở các góc không thẳng đứng. Đây là công cụ chính trong sản xuất tiên tiến và chế tạo thông minh.

Chức năng cốt lõi và ứng dụng:
Máy cắt laser ống 3D có tính năng phối hợp đa trục—thường là 5 trục hoặc 6 trục—để xử lý nhiều loại ống kim loại, bao gồm ống tròn, vuông, chữ nhật và elip. Máy có khả năng thực hiện các đường cắt góc, vát không gian, lỗ và các hình học phức tạp khác với độ chính xác cao.

Nguyên lý hoạt động:
Tia laser sợi quang tạo ra chùm tia năng lượng cao được đầu cắt hội tụ vào bề mặt ống, làm nóng chảy vật liệu tại chỗ để thực hiện quá trình cắt.
Đầu cắt 3D có khả năng quay và nghiêng, hoạt động phối hợp với các trục X, Y, Z và quay để điều khiển chính xác đường đi của chùm tia và thực hiện các nhiệm vụ cắt 3D phức tạp.
Hệ thống hỗ trợ cắt ở nhiều góc nghiêng khác nhau—chẳng hạn như 45° hoặc 60°—để tạo ra các mép vát sẵn sàng hàn và các đường viền phức tạp.

Thành phần chính:

• Nguồn Laser:Thông thường là laser sợi quang có công suất từ 1kW đến 6kW
• Đầu cắt 3D:Cho phép cả chuyển động nghiêng và xoay cho các hoạt động đa góc
• Hệ thống điều khiển CNC:Cho phép phối hợp đa trục, hỗ trợ nhập tệp CAM để lập trình hiệu quả
• Hệ thống kẹp tự động và cấp liệu quay:Đảm bảo định vị và cấp ống chính xác
• Đuôi và Hệ thống lồng ghép thông minh (Tùy chọn):Tối ưu hóa việc sử dụng vật liệu và giảm thiểu chất thải

Ví dụ về khả năng cắt:

• Cắt góc đầu ống / Vát mép:Cung cấp góc chính xác để chuẩn bị hàn
• Cắt lỗ ở góc tùy ý:Thích hợp cho các vị trí lỗ phức tạp trên bề mặt ống
• Các khe liên kết và lỗ định vị:Cho phép lắp ráp và căn chỉnh chính xác

4.0Các thành phần chính của hệ thống cắt ống laser 3D

• Nguồn Laser Sợi Quang:
  Cung cấp mật độ năng lượng cao với yêu cầu bảo trì thấp và khả năng tương thích tuyệt vời với vật liệu phản quang. Laser sợi quang cung cấp đầu ra chùm tia ổn định để cắt chính xác đồng thời giảm thiểu chi phí vận hành.
• Đầu cắt laser 3D:
  Được trang bị cơ chế xoay, nghiêng và quang học tự động lấy nét tích hợp, đầu cắt cho phép cắt chính xác ở mọi góc không gian. Nó hỗ trợ nhiều ứng dụng khác nhau—từ cắt đầu ống đến các cấu hình 3D phức tạp—nâng cao tính linh hoạt của quy trình.
• Hệ thống điều khiển chuyển động đa trục:
  Hỗ trợ chuyển động đồng bộ 5 trục hoặc 6 trục (X/Y/Z + xoay + nghiêng), cho phép cắt đa chiều đồng thời. Điều này rất cần thiết để xử lý hình dạng ống phức tạp và cải thiện năng suất sản xuất.
• Hệ thống kẹp thông minh và hỗ trợ theo dõi:
  Tự động xác định loại ống và đảm bảo kẹp và căn chỉnh chính xác. Hệ thống hỗ trợ điều khiển bằng servo điều chỉnh theo thời gian thực trong quá trình cắt để tránh biến dạng hoặc rung, đảm bảo kết quả ổn định và chính xác.
• Phần mềm CAM tích hợp:
  Cho phép nhập tệp CAD trực tiếp, lập kế hoạch đường chạy dao và mô phỏng thông minh. Hệ thống CAM tự động tối ưu hóa các thông số cắt dựa trên hình học, giảm lãng phí vật liệu và thời gian chu kỳ.
• Tự động lồng ghép và tối ưu hóa đường chạy dao:
  Chức năng lồng ghép tích hợp sắp xếp các bố trí cắt dựa trên chiều dài ống và kích thước cấu hình, tối đa hóa việc sử dụng vật liệu và cải thiện hiệu quả hoạt động.
• Hệ thống truyền động servo chính xác tốc độ cao:
  Động cơ servo và ổ đĩa tiên tiến cho phép cắt nhanh và định vị cực kỳ chính xác. Điều này đảm bảo kết quả nhất quán ngay cả khi xử lý các hình dạng phức tạp và độ dày thành khác nhau.
• Hệ thống điều khiển công suất laser:
  Tự động điều chỉnh công suất laser dựa trên loại vật liệu và độ dày để đạt được độ cân bằng cắt tối ưu—tránh cắt quá mức hoặc cắt thiếu, đồng thời nâng cao cả chất lượng cắt và hiệu quả vật liệu.
• Hệ thống cắt khí hỗ trợ:
  Điều chỉnh chính xác lưu lượng khí để tối ưu hóa vùng chịu ảnh hưởng của nhiệt trong quá trình cắt. Điều này giảm thiểu các gờ và biến dạng cạnh đồng thời tăng tốc độ cắt và độ tin cậy của quy trình.
• Giám sát và bảo trì từ xa tích hợp:
  Hệ thống bao gồm chẩn đoán từ xa để theo dõi trạng thái máy theo thời gian thực. Nó có thể phát hiện lỗi tiềm ẩn trước và đưa ra cảnh báo, giảm thời gian chết và cải thiện lịch trình bảo trì.

5.0Cách chọn máy cắt ống laser 3D phù hợp

Khi lựa chọn hệ thống cắt ống laser 3D, ngoài các thông số kỹ thuật cơ bản, điều cần thiết là phải đánh giá máy dựa trên các yêu cầu sản xuất thực tế và điều kiện xưởng. Cần xem xét các yếu tố sau:

• Các loại ống được hỗ trợ và phạm vi kích thước:
  Đảm bảo rằng máy có thể xử lý các kích thước và cấu hình cụ thể cần thiết cho ứng dụng của bạn. Các thông số chính bao gồm:
  • Phạm vi đường kính ống tròn:Mỗi máy hỗ trợ các phạm vi đường kính khác nhau—hãy đảm bảo chúng phù hợp với nhu cầu xử lý của bạn.
  • Giới hạn độ dày thành:Đối với các ống có thành dày (lớn hơn 5 mm), công suất laser cao hơn là rất quan trọng để đảm bảo cắt hiệu quả.
  • Khả năng tương thích với các cấu hình không chuẩn:Nếu cần gia công ống hình vuông, hình chữ nhật hoặc các ống có hình dạng đặc biệt khác, hãy xác nhận khả năng hỗ trợ các hình dạng này của máy.
• Sự sẵn có của Hệ thống Tải và Dỡ hàng Tự động:
  Tự động hóa cải thiện đáng kể năng suất và giảm lao động thủ công, đặc biệt là trong sản xuất khối lượng lớn. Hệ thống xử lý vật liệu tự động cho phép nạp ống liền mạch qua các lô, giảm thiểu thời gian chết và tối đa hóa hiệu quả đầu ra.
• Yêu cầu về khả năng cắt vát:
  Nếu ứng dụng của bạn liên quan đến các cụm hàn, hãy ưu tiên các máy được trang bị chức năng cắt vát. Việc cắt vát cho phép cắt góc trên các đầu ống để tăng cường độ bền, độ chính xác và tính nhất quán của mối hàn—ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm cuối cùng.
• Phù hợp công suất laser:
  Công suất laser phải phù hợp với loại vật liệu và độ dày thành ống. Đối với ống dày hơn 5 mm, nên sử dụng công suất laser trên 3 kW để duy trì chất lượng và tốc độ cắt. Công suất cao hơn cho phép cắt sâu hơn và nhanh hơn, phù hợp để xử lý vật liệu có thành dày.
• Khả năng sử dụng và mở rộng của phần mềm:
  Phần mềm điều khiển tích hợp ảnh hưởng trực tiếp đến tính dễ vận hành và độ chính xác khi cắt. Hãy xem xét những điều sau:
  • Dễ sử dụng:Đánh giá xem giao diện phần mềm có thân thiện với người dùng, hỗ trợ nhập tệp CAD và cho phép lập kế hoạch đường chạy dao hiệu quả hay không.
  • Khả năng mở rộng:Đánh giá xem hệ thống có thể hỗ trợ các nâng cấp trong tương lai, các tính năng mới và tích hợp với các máy móc hoặc hệ thống sản xuất khác hay không.

6.0Sự khác biệt chính giữa cắt laser 2D và 3D

7.0Ưu điểm cốt lõi của công nghệ cắt ống bằng laser 3D

• Tốc độ: Cắt laser hoạt động nhanh hơn đáng kể so với cắt cơ học truyền thống, đặc biệt là đối với các hình dạng phức tạp và hoạt động nhiều góc độ.
• Chất lượng: Cắt laser 3D tạo ra các cạnh sạch với sự hình thành gờ tối thiểu. Vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) hẹp, giảm biến dạng vật liệu và đảm bảo các bộ phận hoàn thiện chất lượng cao.
• Tính linh hoạt: Một hệ thống có thể xử lý nhiều loại vật liệu khác nhau—như thép, thép không gỉ và nhôm—và hỗ trợ nhiều hình dạng khác nhau bao gồm ống tròn, vuông, chữ nhật, sắt góc và dầm chữ I.
• Độ chính xác: Cung cấp độ chính xác cắt đặc biệt, với dung sai chặt chẽ tới +/- 0,005 inch (0,127 mm). Thường không cần xử lý sau, giảm thiểu lãng phí vật liệu và giảm chi phí sản xuất.
• Sự an toàn: Cắt laser là một quá trình không tiếp xúc và khép kín. Chùm tia được giới hạn trong một vỏ bọc kín ánh sáng, giảm thiểu rủi ro gây thương tích cho người vận hành và hư hỏng máy.
• Hoạt động không tiếp xúc: Vì không có dụng cụ cắt vật lý nên sự mài mòn cơ học và ma sát được loại bỏ. Điều này dẫn đến việc bảo trì máy ít hơn và tuổi thọ thiết bị dài hơn.
• Tiêu thụ điện năng thấp: Hệ thống cắt laser tiết kiệm năng lượng, ngay cả trong môi trường sản xuất khối lượng lớn. Chúng duy trì năng suất cao trong khi giảm thiểu tổng chi phí năng lượng.

 

Tài liệu tham khảo

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