Лазерная резка и гравировка древесины
Теоретические основы работы лазерной установки изложил еще Альберт Эйнштейн в далеком 1917 году. Но только в 1960-м г. американский физик Т.Майман создал первый работающий рубиновый лазер. Изобретатели высоко оценили потенциал новой технологии в сфере резки и маркировки материалов, и в 70-х годах ХХ века разрабатывались агрегаты, всё более доступные по стоимости не только лабораториям, но и предприятиям дерево- и металлообработки. С развитием электроники и вычислительной техники в 80-х управление лазерной установкой было передано ЭВМ, и лазер прочно занял место в промышленности.
В начале нашего века станки стали доступны не только большим предприятиям, а и сравнительно мелким фирмам, вплоть до тех, которые работают над штучными заказами. Разнообразие технологий получения и фокусировки излучения дало возможность обрабатывать дерево, металлы, пластмассу, бумагу и прочие материалы.
В деревообработке лазер незаменим при производстве мебели, кухонной утвари, карнизов, наличников, рекламной, сувенирной и художественной продукции благодаря возможности наносить любые изображения, кроить по очень сложным контурам. Так, типичный станок для лазерной резки древесины режет со скоростью 3 метра в минуту заготовку толщиной до полуметра. Некоторые типы станков позволяют делать объёмную, трёхмерную гравировку, что даёт дизайнерам и заказчикам полную свободу мысли.
Технология лазерного раскроя и гравировки древесины
Перед началом работы станку необходимо задать параметры работы. Для этого в компьютер управления загружают гравируемый рисунок либо контур реза для раскроя материала. Далее, в зависимости от толщины разрезаемой древесины или желаемой глубины гравировки устанавливается скорость реза и мощность луча. Эти параметры обычно корректируются в зависимости от результатов пробной обработки небольшого куска той же древесины, которая будет использоваться для основного изделия.
Как правило, резка и гравировка чёрно-белых рисунков выполняется с максимальной мощностью, подстройка происходит с помощью скорости перемещения луча. При нанесении рисунков с полутонами калибруется значение мощности, минимально необходимой для получения глубокого черно цвета, а мощность луча для прорисовки оттенков рассчитывает компьютер, ориентируясь на загруженный растровый рисунок. Макет рисунка для гравирования выполняется с разрешением 300-400 dpi, а маршруты для кроения древесины в основном задаются в векторном виде. Перед гравировкой заготовку рекомендуется оклеить малярным скотчем, чтобы избежать её загрязнения сажей и дымом, которые обильно выделяются в процессе работы.
Внесенные и откорректированные настройки позволяют отдать сам процесс производства полностью под контроль автоматики – оператору остаётся лишь подавать заготовки и снимать готовые изделия.
После гравирования поверхность изделий чистят, при необходимости вскрывают лаком или окрашивают (в случае с рельефной гравировкой).
Устройство станка для лазерной гравировки/раскроя древесины
Станок для обработки древесины лазерным лучом конструктивно состоит из таких частей:
Система ЧПУ. Все современные станки управляются компьютером, освобождая оператора от множества действий, тем более, что скорость работы лазера слишком велика для человеческой реакции. Компьютер имеет средство ввода, микроконтроллер или полноценный процессор для проведения вычислений, контуры контроля (обратной связи через датчики) за процессом и параметрами резки, управляющей обвязки.
Блок розжига. Трубка, генерирующая лазер, требует на электродах напряжение свыше 20 киловольт. Для начала генерации разряда, напряжение поднимают до появления устойчивой дуги, затем задача блока – поддерживать стабильное состояние разряда.
Лазерная трубка – цилиндр из стекла, реже кварца, разделенная на три части. В среднюю часть накачивают воду, в крайние полости – специально подобранную смесь газов. В деревообработке чаще всего используют смеси с большим содержанием СО2 («углекислый лазер») с добавлением азота или гелия. Именно атомы газа, при воздействии электромагнитного поля разряда между электродами, переходят на другие энергетические уровни, активно излучая фотоны.
Оптическая система. Полости лазерной трубки с газом экранированы зеркальным материалом, отражающим фотоны в направлении выхода из трубки. Далее, также через систему зеркал, световой поток попадает на линзы, где фокусируется до рабочего пятна малого размера.
Механический привод движения лазерной головки управляется компьютером, который задаёт траекторию перемещения в соответствии с требуемым узором гравировки или контуром реза. На выходную линзу головки лазерный луч попадает по гибкому световоду.
Также станок включает в себя стол с фиксаторами заготовки, систему обдува и охлаждения (помпу, чилер) для охлаждения рабочей зоны (иначе дерево может обуглиться) и выдувания древесной пыли, получившейся в процессе воздействия на древесину лучом.
Для домашнего использования или для нужд фирмы, не занимающейся промышленной резкой, гравировкой древесины используются мелкоформатные (с рабочей площадью 30х42 см) и среднеформатные (120х160 см) станки, предназначенные для выполнения мелкосерийных и индивидуальных заказов.
Особенности материалов для гравировки и резки
Лазерная обработка применима к любым сортам древесины, естественно, при правильной настройке параметров работы станка. Главное требование – заготовка должна иметь влажность менее 15%, в противном случае, из-за перепада температур под лучом дерево будет деформироваться. У граверов саамы популярные древесные породы – вишня, ольха, орех, клен. Клен позволяет получить белый цвет фона, орех – коричневый, вишня с ольхой – красный.
Наилучшего результата можно достичь на древесине с мелкими волокнами, сорта с волокнами крупными (дуб, например) на линии реза или гравирования образуют неровности как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости.
Действует простое правило – чем прочнее древесина, тем большую мощность лазера придется применить, либо производить обработку с меньшей скоростью.
Заготовки для гравирования должны иметь идеально гладкую поверхность, не содержать в массиве сучков, полостей или наростов, смоляных кармашков (справедливо для хвойных пород).
Твёрдость также следует учитывать при выборе материала. Для резки используют мягкие сорта, они режутся быстрее, а вот гравировать лучше на твёрдых, рисунок на них получается ярче и контрастнее.
Для гравировки рисунков с полутонами, мелкими деталями, следует использовать древесину светлого цвета, либо специальную фанеру, проклеенную белым клеем. На светлом фоне детали выглядят более чёткими.
