Как избежать растрескивания заготовок на лазерном станке

Лазерные станки с ЧПУ приобретают всё большую популярность для обработки заготовок из самых разных материалов. Благодаря бесконтактному способу обработки (путём термического воздействия высокоэнергетического луча на поверхность материала) лазерные станки с ЧПУ обеспечивают непревзойдённое качество реза и очень тонкие швы. За счёт отсутствия механического контакта «инструмента» и поверхности, заготовка не испытывает воздействия сил резания, а значит не нуждается в креплении. Это упрощает загрузку/выгрузку материалов со станка, а также снижает риск повреждения гладких поверхностей заготовки механическими прижимами.

В дополнение к перечисленным достоинствам, лазерные станки с ЧПУ не образуют стружки и пыли, а их работа протекает при минимальном уровне шума и вибраций. Для лазерного оборудования не требуется специализированное промышленное помещение — размещать станки можно в офисах и даже квартирах (если, конечно, там для них найдётся работа).

Все эти качества определяют высокую популярность лазерных станков с ЧПУ и их широкое применение в полиграфической, художественной, рекламной индустрии, а также текстильной, сувенирной, строительной и других отраслях. Широкая линейка моделей позволяет выбирать станок под различные задачи. Базовая мощность лазерных трубок может быть увеличена, что позволит не только поднять интенсивность обработки, но и резать/раскраивать заготовки значительной толщины.

Проблемы растрескивания заготовок

Несмотря на высокую универсальность лазерного оборудования, обработка толстых заготовок (особенно из органического стекла или акрила) чревата появлением трещин. Причиной являются внутренние напряжения, возникающие при резком нагревании и последующем стремительном остывании заготовки под действием лазерного луча.

Поскольку луч воздействует лишь на небольшую область обработки, локальный «точечный» разогрев при сравнительно «холодной» поверхности основной массы материала вызывает дополнительную неоднородность поля температур и усиливает внутренние напряжения. Как следствие — появление микротрещин, которые быстро распространяются по поверхности материала и существенно портят внешний вид (а также снижают прочность готовых изделий).

Наличие трещин в структуре ответственных деталей недопустимо, так как ведёт к снижению надёжности всей конструкции. Но даже в случае «обычных» изделий, не несущих механической нагрузки (к примеру, информационных табличек или сувенирных изделий), трещины на поверхности или в торцах являются нежелательными — портят внешний вид. Поэтому при лазерной обработке «проблемных» материалов (акрила, пластиков, органического стекла) следует принимать все меры по предотвращению появления и последующего распространения трещин на поверхности изделий.

Способы предотвращения растрескивания заготовок

Поскольку трещины в результате лазерной обработки материалов являются следствием внутренних напряжений в заготовке, прежде всего, следует принять меры для их снижения. Во-первых, ни в коем случае нельзя подвергать «горячую» заготовку (сразу после снятия с рабочего стола лазерного станка) резкому охлаждению. Следовательно, технологический процесс нужно планировать так, чтобы исключить вынос готовых изделий на улицу (к примеру, для погрузки в транспорт) без некоторой выдержки при комнатной температуре. Особенно опасно выносить готовые изделия на мороз. Столь резкое охлаждение сразу приводит к растрескиванию поверхности (особенно в торцах изделия, где присутствуют «естественные» места концентрации напряжений) — даже если при снятии со станка изделие и выглядело безупречно.

«Классическим» приёмом борьбы с внутренними напряжениями является отпуск. Так же как при закалке сталей, органическое стекло или акрил следует нагреть до определённой температуры (порядка 100-120 °С), изотермически выдержать некоторое время, а затем обеспечить очень медленное охлаждение. Такая операция может выполняться в специальной муфельной печи. Впрочем, в «домашних условиях» (а также для малого предприятия или офиса) такой агрегат достаточно сложен и массивен. А бытовые печи не обладают устройствами для точного контроля и поддержания температуры на заданном уровне.

Следует отметить, что в зависимости от марки материала заготовки склонность к растрескиванию при лазерной обработке может меняться. Так акрил, полученный экструзионным методом, очень сильно склонен к образованию трещин. Без применения отпуска практически невозможно обеспечить целостность изделий из экструзионного акрила. Напротив, более дорогой (литой) акрил практически не трескается и может обрабатываться лазером в самых широких диапазонах изменения мощности и скорости процесса.

Воздействие химических веществ

В ряде случаев после лазерной обработки акриловых заготовок необходима склейка отдельных деталей. Очень часто воздействие клея (или иного химически активного вещества — спирта, растворителя, притирки, полироли и т. п.) приводит к обильному образованию трещин на поверхности готового изделия. Это же наблюдается при желании протереть края для удаления следов копоти или нагара после обработки лазером. Такая мера вызвана желанием повысить качество изделия, а в результате трещины поверхности могут вовсе «приговорить» результат кропотливой обработки!

Поэтому, прежде чем пытаться склеить или протереть поверхность акриловых изделий подвергнутых лазерной обработке любым химическим составом, необходимо на пробном образце убедиться в его «нейтральности». Практикой установлено, что в качестве клея для «горячих» акриловых заготовок лучше использовать цианокрилаты. А перед склейкой торец поверхности лучше обработать шкуркой — для снятия поверхностных напряжений.

Технологические способы борьбы с внутренними напряжениями

Иногда простым и действенным способом предотвращения растрескивания материала является устранения концентраторов напряжений. К примеру, в глухом пазу такими концентраторами будут углы — от них могут распространяться трещины. Простейшая мера — сверление круглых отверстий небольшого радиуса по углам паза снимает напряжения и предотвращает растрескивание.

Однако этот (чисто технологический) способ борьбы с внутренними напряжениями может применяться далеко не всегда. И скорее подходит для обеспечения прочности ответственных деталей, чем для улучшения внешнего вида поверхности декоративных изделий (дополнительные отверстия на которых недопустимы).

Как следует из вышеописанного, предотвращение растрескивания пластиковых заготовок порой требует весьма затратных мер. Однако даже минимальные шаги (устранение резкого охлаждения заготовок, аккуратное применение клеев и химических растворителей, и выбора на обработку качественного литого акрила) помогают снизить риск появления трещин и защитить готовое изделие от потери качества после трудоёмкой обработки.