Фокусное расстояние лазерного станка: как рассчитать диаметр фокусного пятна?

Вступление

Эффективность и аккуратность работы лазерного станка напрямую зависят от правильно выбранной оптики и фокусного расстояния. Понимание и грамотное использование фокусного расстояния даёт возможность достигать высокой точности обработки и поддерживать нужную скорость производства.

В данной статье речь пойдёт о том, что означает фокусное расстояние, и расскажем, как узнать его без специальных измерительных приборов.

Что это такое?

Фокусным расстоянием называется расстояние между фокусирующей линзой и точкой, где луч собирается в наименьшее пятно. Это невероятно важный параметр, поскольку он отвечает за диаметр пятна и, соответственно, плотность мощности лазерного луча в точке обработки.

Чем меньше фокусное пятно, тем более тонкую работу можно выполнять на лазерном станке

Глубина фокуса

Не менее важен и такой параметр как глубина фокуса — это диапазон расстояний вдоль оптической оси, в рамках которого точность фокусировки позволяет сохранять чёткость и качество реза/гравировки.

Неверно подобранное соотношение толщины заготовки и фокусного расстояния становятся причиной брака

Слишком большое фокусное расстояние приводит к излишне широкому резу и пустой трате энергии, а слишком короткое обугливает кромку материала.

Как его узнать

Фокусное расстояние обычно указывается производителем лазерного станка и линз, используемых в нем. Оно может быть обозначено маркировкой на самой линзе (например, f=100 мм) или в технической документации. Кроме того, для точной настройки можно использовать специальные методы, такие как измерение с помощью фокусных карт или регулируемых подставок.

Что влияет на фокусное расстояние

На фокусное расстояние влияют несколько факторов:

тип и качество линзы;
кривизна поверхностей линзы;
длина волны лазера;
конструкция оптической системы;
коэффициент преломления материала.

Еще одним фактором является температурное расширение материала линзы, которое может слегка изменять фокусное расстояние при нагреве.

Какие типы фокусирующих линз существуют и для чего подходит каждый тип

Существует несколько типов фокусирующих линз, включая:

плоско-выпуклые;
двояковыпуклые;
асферические линзы.

Плоско-выпуклые линзы обычно используются для общего применения, обеспечивая хорошее качество фокусировки при умеренной стоимости.

Двояковыпуклые линзы обеспечивают более качественную фокусировку, что полезно для высокоточных задач.

Асферические линзы минимизируют аберрации и обеспечивают наилучшую фокусировку для тончайшей работы.

Какой оптимальный диаметр фокусного пятна и как его рассчитать

Меньший диаметр фокусного пятна подходит для тонкой и точной работы, в то время как больший диаметр может быть предпочтительнее для более глубокого или мощного реза. Оптимальный диаметр фокусного пятна зависит от задачи и материала, с которым работает станок.

Он рассчитывается на основе формулы, связывающей длину волны лазера и фокусное расстояние линзы:

d = 1.27 * f * W * (1 / D):

D — диаметр лазерного луча;

f — фокусное расстояние;

d — диаметр фокусного пятна (ширина реза);

W — длина волны лазера;

2z — оптимальная глубина фокуса (максимальная толщина материала).

Как рассчитать максимальную толщину материала (глубину фокуса)

Максимальная толщина материала, которую можно эффективно обрабатывать, определяется глубиной фокуса, которая зависит от фокусного расстояния и диффракционных свойств лазера. Глубина фокуса рассчитывается по формуле:

2z= 2.5 * W * (f/D)²

Как регулировать расстояние между фокусом и материалом для резки

Регулировка расстояния между фокусом и материалом осуществляется путем изменения положения рабочего стола или головки лазера. Для точной настройки можно использовать методы автофокусировки или ручного регулирования с использованием измерительных приборов, таких как фокусные карты.

Когда точка фокуса расположена над заготовкой, это называется положительный фокус, а когда точка фокуса расположена ниже заготовки — это отрицательный фокус.

Важно помнить, что оптимальное расстояние зависит от материала и задачи: для резки обычно требуется положение фокуса чуть ниже поверхности материала, тогда как для гравировки — прямо на поверхности

Как определить местоположение фокуса лазера

Местоположение фокуса лазера можно определить с помощью нескольких методов, включая визуальные и механические подходы. Один из распространенных методов — использование фокусных карт, которые позволяют наблюдать изменение диаметра пятна при перемещении линзы.

При отсутствии фокусной карты можно использовать следующий алгоритм:

установить головку станка над плоским куском белого картона так, чтобы фокусирующая линза была к нему на 10 мм ближе своего фокусного расстояния (линза с с расстоянием 100 мм — в 90 мм от картона);
начать программу ЧПУ, по которой головка будет делать в картоне отверстие, и после каждого отверстия сдвигаться на 10 мм по осям X и Y, а также на 1 мм по оси Z;
сделать 20 проколов;
выбрать отверстие с наименьшим диаметром.

Что такое метод прожига и как его применить

Метод прожига заключается в постепенном изменении высоты рабочего стола или головки лазера и фиксации результатов прожига для последующего анализа. Для определения фокуса лазерного луча:

установите на верстаке ровную доску из дерева под углом 10 градусов;
расположите головку лазерного станка над доской, на 20 мм ниже чем фокусное расстояние;
проведите головку по оси X или Y на 230 мм при непрерывной работе лазера на мощности 200 Вт.

На протяжении всего реза диаметр луча сначала сужается, а затем расширяется обратно. Самая узкая точка показывает фокусное положение.

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Какие породы дерева подходят для обработки на станке CO2 можно узнать из этой статьи.