Короткофокусная линза для лазера в чем разница
Виды фокусирующих линз для лазерных станков CO2 с ЧПУ и их предназначение
Фокусирующая линза в лазерном станке CO2 является принципиально важным звеном на пути движения лазерного луча от лазерной трубки до обрабатываемой заготовки. Фокусирующая линза завершает движение луча и необходима для создания зоны каустики луча. Зона каустики дает возможность лучу разрезать и гравировать материалы.
Таким образом фокусирующая линза позволяет делать ширину реза детали минимальной и определяет максимально возможную толщину разрезаемого материала.
Длина каустической зоны 2z (Рис. 1) определяется мощностью излучения лазерной трубки. Обычно на 10 Ватт мощности приходится 1 миллиметр толщины реза. К примеру, если необходимо резать фанеру толщиной 10 миллиметр, то необходимо использовать лазерную трубку CO2 с мощностью излучения не менее 100 Ватт.
Виды фокусирующих линз
Линзы между собой различаются по нескольким параметрам:
Материал изготовления
Чаще всего в лазерных станках СО2 применяются линзы с напылением: GaAs – арсенид галлия и ZnSe – селенид цинка.
Линзы GaAs с арсенидом галлия имеют темно зеленоватый цвет с металлическим блеском. Их особенностью является твердость и жесткость напыления, что значительно расширяет спектр их применения. Поэтому их используют в производствах, где при работе с материалом пылевые и абразивные частицы попадают на линзу.
Так же более устойчивы к ручной чистке, протирке. Исходя из этого являются более долговечными, но и более дорогими.
Линзы ZnSe – являются наиболее востребованными в лазерных станках СО2. Имеют желто-оранжевый цвет, прозрачные. Обладают высокой точностью, и меньшим поглощением за счет своей прозрачности.
Так же на линзах ZnSe лучше заметны загрязнения, что позволяет своевременно их чистить и иметь на выходе лазерный луч без оптических потерь.
Фокусное расстояние
По фокусному расстоянию линзы делятся на 3 категории:
f – фокусная зона (Рис.1)
Фокус линзы подбирается исходя из поставленных задач резки и гравировки. Тут существует одна закономерность: чем меньше фокус, тем тоньше диаметр лазерного луча, но и меньше зона каустики (толщина реза), и соответственно наоборот.
Поэтому если необходима максимальная четкость гравировки, то выбирается короткофокусная линза, а если есть необходимость разрезать более толстый материал, то выбирается длиннофокусная линза.
Среднефокусная линза является золотой серединой между резкой и гравировкой и поэтому стала самой популярной при работе на лазерных станках CO2. Чаще всего в базовом комплетке поставки станка идет именно среднефокусная линза.
Диаметр линзы
Диаметр линзы для лазерных станков CO2 варьируется в интервале от 12 мм. до 30 мм. И чаще всего зависит от размера станка и мощности лазерной трубки. Связано это с тем, что лазерный луч имеет коническую форму на расширение (рассеивание) и чем больший путь он проходит между двумя зеркалами, тем сильнее расширяется и соответственно для сбора луча в тонкий пучок требуется линза большего диаметра.
Поэтому если расстояние между зеркалом 2 и зеркалом 3 небольшое (менее 50 см.) то ставят линзы диаметром менее 20 мм. Если расстояние между зеркалом 2 и зеркалом 3 менее 180 см., то уже ставят линзу диаметром 20 мм., ну а если это расстояние больше 180 см., то ставят уже линзу диаметром 25 или даже 30 мм.
Надеюсь, что ознакомившись с данной статьей вы облегчите себе выбор оптимальной линзы под ваши задачи для работы на лазерном станке CO2. При бережном отношении к линзе, своевременной чистке вы обеспечите её долгосрочную работу и всегда будете иметь на выходе луч максимально возможной мощности без оптических потерь.
Линзы для лазерного станка
Гравировка, резка на лазерном станке СО2 происходит за счет фокусировки лазера. Для этого в аппарате собрана целая оптическая система, состоящая из трубки, где формируется луч, зеркал, а на финальной стадии стоит линза, фокусирующая его в точку. Неправильный подбор сказывается на качестве изделий. Иногда выбранная деталь не соответствует ожиданиям и только портит дорогие материалы.
Чтобы этого не произошло, нужно тщательно подойти к подбору оптических элементов для лазерного станка. Это несложный процесс, однако требующий внимания, определенных знаний. Рассмотрим основные моменты при покупке комплекта.
Материал изготовления фокусной линзы
Оптика используется не только для лазерной промышленности, применение ее в быту давно стало привычным делом. Но работа с мощными излучениями требует определенных характеристик вещества. Для граверов и резаков используют СО2-линзы двух видов:
Форма и диаметр линзы для лазера
Что касается физических габаритов, здесь все обусловлено характеристиками механизма. Это касается диаметра. Исходя из размера отверстия, куда она вставляется, подбирается вариант. Устанавливаться она может в сопло или в тубус. Можно подобрать меньший параметр, но никак не больший. Все зависит от посадочного места.
Надо понимать, что этот показатель зависит еще и от размеров рамы, но это обычно уже учтено при сборке тубуса. Так, чем больше станок, тем шире должна быть линза-СО2. Это объясняется тем, что луч не строго прямой, чем он длиннее, тем более конусовидный. Если между элементами большие промежутки, диаметральный размер увеличивают. Средний применяемый от 18 до 25 мм.
По форме они бывают:
Фокусное расстояние линзы лазерного станка
Фокусное расстояние – отличительный признак. Измеряется оно в дюймах. И бывает от одного до семи с половиной с шагом в полдюйма, указывается продавцом. Можно разделить на группы:
Соответственно, чем выше величина 2z, тем толще пласты можно резать, однако ожидать отличного качества гравирования, особенно тонких моментов не стоит. Если величина маленькая, то ей отлично пользоваться при создании портретов, печатей и там, где много точных, мелких деталей. А разрезать кусок пенопласта ровно не получится.
Как узнать эти параметры. Есть специальные формулы для вычисления. Расчет глубины фокуса производят по формуле:
2z= 2.5*W * (f/D)2
Подставив свои цифры, легко определяется, будет ли возможность резать и какую толщину. Например, для полутора дюймов или 38,1 мм этот показатель будет всего 1,088, то есть можно разрезать бумагу, ткань или фанеру до одного мм. Все остальные толщины будут иметь оплавленные края, толстые резы и потребуется много проходов.
Для гравировки важен второй показатель – минимальное пятно. Воспользуемся формулой:
d = 1.27 * f * W * (1/ D)
Все переменные те же. Для полторадюймовой значение будет 0,08. Но это идеальная цифра. В реальности достигается она редко и только с менисковыми.
Выбирая, нужно понимать с какими материалами придется работать, резать или гравировать. Можно найти средний вариант и использовать только одну. Но лучше приобрести несколько и менять в зависимости от назначения.
Сообщение maksimdm » 04 май 2008 04:51
Всем привет и с праздниками!
Сообщение Сергей Наумов » 04 май 2008 10:30
Сообщение 3D-BiG » 04 май 2008 11:41
Сообщение Сергей Наумов » 04 май 2008 11:48
Сообщение 3D-BiG » 04 май 2008 11:59
Сообщение Сергей Наумов » 04 май 2008 12:07
Сообщение 3D-BiG » 04 май 2008 13:51
Сообщение Сергей Наумов » 04 май 2008 14:07
Сообщение 3D-BiG » 04 май 2008 14:16
Сообщение Сергей Наумов » 04 май 2008 14:21
Сообщение maksimdm » 05 май 2008 00:17
Спасибо всем за быстрые ответы.
Хотелось бы узнать,хоть приблизительно, что я получу с линзой 100 мм. Или на глубину реза такая замена существенно не повлияет?
Сообщение 3D-BiG » 05 май 2008 06:52
Сообщение Сергей Наумов » 05 май 2008 08:56
3D-BiG
Большое количество мощных брэндовых лазерных раскройников вообще не имеют сопла (из этических соображений называть модели не буду). Установка мощного воздушного компрессора решит проблему охлаждения линзы и продувки зоны реза. Лично мне нравятся компрессоры Fiac.
Если не устраивает шум, исходящий от компрессора, есть выход. Покупают малошумный масляный компрессор (не удивляйтесь!), ставят два масляных фильтра и два влагоотделяющих. Малошумный масляный компрессор стоит дорого и появляются дополнительные расходы на фильтры, однако проблема с шумом, если производство находится на специфической территории, будет решена.
Сообщение maksimdm » 05 май 2008 14:18
Сообщение Сергей Наумов » 05 май 2008 14:28
Какая линза нужна для лазерного станка в зависимости от обрабатываемого материала?
Для каждой задачи нужна линза с определенным фокусным расстоянием. Как зависят ее характеристики от обрабатываемого материала? Есть ли формулы, по которым можно рассчитать подходящую линзу и почему лазерная трубка с большей мощностью не всегда является лучшим решением? Ответы на данные вопросы будут аргументированно даны в статье.
геометрическая оптика и лазерный станок
Согласно геометрическим законам, диаметр сфокусированного лазерного излучения в точке фокуса бесконечно мал, а сама форма лазерного излучения, выходящая из линзы представляет собой два конуса с общей вершиной и одной осью вращения.
Однако, если установить линзу на 2 дюйма, установить фокус на центральный внутренний слой материала, совершить прострел, а затем взять линзу на 4 дюйма, также установить фокус на центральный внутренний слой материала и совершить прострел, то будет наблюдаться картина, которая абсолютно противоречит Рисункам 1 и 2. Ведь, согласно ним, диаметр точки при использовании длиннофокусной линзы должен получиться меньше, чем при использовании короткофокусной.
В чем причина такого результата? Причин несколько. Одна из них состоит в том, что геометрические расчеты не учитывают волновые свойства излучения лазера.
Физическая оптика
D — диаметр лазерного луча при попадании на линзу
f — фокусное расстояние линзы
d — диаметр сфокусированного лазерного излучения
2z — длина сфокусированного пучка излучения
W — длина волны лазерного излучения
Если учитывать волновые свойства лазерного излучения, то расчеты будут более близки к реальным значениям, но все также неточны, так как у любой оптической системы есть определенный ряд погрешностей. Например таких как: хроматические аберрации. Однако, это достаточно сложная тема и выходит за рамки данной статьи. Нужно лишь сказать о том, что производители оптических систем, в том числе и линз, знают об этих недостатках. Именно поэтому линза у лазерного станка не двояковыпуклая, а с одной плоской гранью.
Формула 1 и Формула 2 позволяют приблизительно рассчитать два важнейших параметра лазерного излучения: длину сфокусированного лазерного излучения (2z) и диаметр сфокусированного лазерного излучения (d). Оптимальным является решение с максимальным значением 2z и минимальным значением d, для того, чтобы обеспечивать рез максимально толстых изделий с минимально возможной толщиной реза.
Построим график зависимости этих величин для станка с излучателем на 10.6 мкм и лазерным пучком с диаметром 6 мм.
Как видно на графике, увеличение одного параметра влечет за собой увеличение второго параметра. Более того, следует учитывать, что линейное увеличение диаметра фокусного пятна влечет за собой квадратичное увеличение площади этого пятна.
Таким образом, на практике, оптимальным вариантом будет выбирать линзу, опираясь на толщину обрабатываемого в данный момент материала, так как большая зона протяжки луча влечет за собой больший диаметр фокуса лазера.
Калькулятор фокусного расстояния линзы в зависимости от обрабатываемого материала
С помощью данного калькулятора Вы сможете подобрать оптимальную линзу для обработки материала. Необходимо ввести параметры и нажать на кнопку «Рассчитать».
Решение
Практика и выводы
Среди операторов лазерных станков есть одно эмпирическое правило. Чем больше толщина материала, тем больше должно быть фокусное расстояние у линзы. Короткофокусные линзы (f
2 дюйма) используются для точной гравировки, а также для резки тонких материалов. Материалы с толщиной от 10 мм режут с использованием длиннофокусных линз (f от 4 дюймов).
Многим операторам лазерных станков приходятся не по душе длиннофокусные линзы. Одна из основных причин заключается в том, что увеличение фокусного расстояния влечет за собой отдаление сопла с подачей воздуха от места обработки материала. Из-за этого появляется больше нагара и эффективность линзы сводится на нет. Поэтому, в таких случаях рекомендуется ставить удлинитель на сопло для того, чтобы подавать воздух максимально близко к зоне реза.
Достаточно часто линзы путаются, а так как на них отсутствует маркировка, то возникает сложность с определением фокусного расстояния изделия. В данном случае необходимо положить линзу на лист бумаги. Направить на линзу свет и постепенно удалять линзу от листа бумаги. Расстояние от бумаги до линзы при котором точка на бумаге будет наименьшей как раз и является фокусным расстоянием.
Толщина реза всегда будет получаться больше, чем диаметр фокусного пятна в связи с тем, что в месте фокуса сконцентрирована большая энергия, которая способствует активному процессу горения материала.
Что дает длиннофокусная линза в лазерном станке
Длиннофокусная линза в лазерном станке является конечным пунктом оптического маршрута, который проходит лазер. Излучение зарождается в лазерной трубке, заполненной углекислотной газовой смесью, затем проходит через систему отражающих зеркал и только после этого попадает на линзу, которая перенаправляет поток к рабочему столу и сводит его в точку на поверхности обрабатываемого материала.
Что такое фокусная линза?
Линзы для фокусировки представляют собой небольшую лупу, плоскую с одной стороны и выпуклую с другой (вогнуто-выпуклые модели тоже встречаются, но используются реже). Самыми популярными материалами для изготовления лазерных линз служат арсенид галия (GaAs) и селенид цинка (ZnSe). Оба соединения отличаются устойчивостью к механическим воздействиям и высокотемпературным нагрузкам, однако, оптика из арсенида галия считается более долговечной.
Ассортимент фокусировочных линз для лазерного станка включает в себя изделия из нескольких видов материалов, с различными типами напыления, а также разным диаметром и степенью выпуклости
Лазерный поток, как уже упоминалось, попадает на линзу и постепенно сужается с ее помощью до светового пятна на рабочем поле станка. Точка с наименьшим диаметром называется фокусом, а расстояние до нее, соответственно, фокусным расстоянием. В месте фокусировки лазерный луч достигает максимальной интенсивности и может за один проход разрезать любой неметаллический материал (допустимая толщина обрабатываемой поверхности зависит от мощности излучателя).
Длиннофокусная и короткофокусная линза: в чем разница?
Принцип фокусировки луча при помощи линзы, где D — диаметр потока, f — фокусное расстояние, d — диаметр светового пятна и 2z — зона каустики
Лазерный станок — это универсальное оборудование, которое позволяет резать и гравировать материалы, причем, луч будет одинаково точно и быстро работать как с тонкой папиросной бумагой, так и с фанерой максимально возможной толщины. Однако для корректной работы излучение должно быть правильно сфокусировано, иначе лазер будет недорезать материал, пережигать его, могут возникнуть искажения в воспроизведении изображения и прочие дефекты. Чтобы избежать этого необходимо правильно подобрать линзу, которая может быть короткофокусной, длиннофокусной или среднефокусной (универсальная). В чем же разница между первыми двумя и в каком случае используется каждый из вариантов?
Схематичное изображение различий в действии длиннофокусной и короткофокусной линз
Длиннофокусная линза (4-7,5 дюймов) — имеет большое расстояние между головкой излучателя и зоной обработки и обеспечивает качественную резку толстых материалов за один проход (8-10 мм и более). Не подходит для работы с деликатными поверхностями или высокоточной гравировки, так как дает большое световое пятно. Мощность излучения в точке реза получается меньше, чем у короткофокусной в связи с тем, что его плотность распределяется по всему диаметру пятна. Вместе с тем зона каустики (протяженность максимально сфокусированного луча) у таких линз больше, что и позволяет лазеру проходить глубоко в материал, оставляя ровный, без скосов, край.
Короткофокусная линза (1-1,5 дюйма) — используется для прецизионной резки мелких элементов из тонких материалов и сверхточной гравировки, например, при изготовлении любых печатей, включая те, которые соответствуют ГОСТу. Лазерное пятно, полученное после прохода потока через короткофокусную линзу, имеет наименьший из возможных диаметр, составляющий доли миллиметра. При этом концентрация мощности излучения будет максимальной из-за большой плотности частиц.