KONETEKNIIKAN KOULUTUSOHJELMA HIILIDIOKSIDI JA KUITULASERIN VERTAILU. Kimmo Kauppinen

KONETEKNIIKAN KOULUTUSOHJELMA HIILIDIOKSIDI JA KUITULASERIN VERTAILU Kimmo Kauppinen KANDIDAATINTYÖ 2016 Ohjaaja: Tapio Korpela

TIIVISTELMÄ Hiilidioksidi- ja kuitulaserin vertailu Kimmo Kauppinen Oulun yliopisto, Konetekniikan koulutusohjelma Kandidaatintyö 2016, 29 s. Työn ohjaaja: Tapio Korpela Tämän kandidaatintyön tarkoituksena on selvittää miten levyleikkausteollisuuden kuitulaserleikkaus ja hiilidioksidilaserleikkaus eroavat toisistaan. Vertailtavina kriteereinä on käytetty mm. valon tuottamistapaa ja taloudellisuutta. Työn lähteinä on käytetty eri internet-sivustojen verkkomateriaalia. Tulokseksi saimme, että kuitulaser soveltuu erittäin hyvin ohuiden levyjen leikkaamiseen. Hiilidioksidilaser sen sijaan soveltuu monipuolisempaan ja vaihtelevampaan leikkaamiseen. Asiasanat: Laserleikkaus, kuitulaser, hiilidioksidilaser

ABSTRACT Comparative study between carbon dioxide laser and fiber laser Kimmo Kauppinen University of Oulu, Degree Programme of Mechanical Engineering Bachelor s thesis 2015, 29 p. Supervisor: Tapio Korpela The idea of this bachelors work is to create clear view of the differences between carbon dioxide laser cutting and fiber laser cutting. The different variables that were used to comparison these cutting methods were for example beam creation and economy. Internet articles were used for source material. As a result we found out that fiber laser is more effective when cutting thin materials and carbon dioxide laser is suited to more varying material thicknesses. Keywords: laser cutting, fiber laser, carbon dioxide laser

ALKUSANAT Tämän kandidaatintyön tarkoituksena on antaa lukijalle valmiudet tarkastella kriittisesti kuitulaser- ja hiilidioksidilaserleikkauksen ominaisuuksia ja käyttötarkoituksia. Työ on tehty Oulun yliopiston konetekniikan koulutusohjelmassa. Haluan kiittää ohjaajaani Tapio Korpelaa neuvoista ja työn tarkastamisesta sekä Petteri Perälää oivallisista puhelinkeskusteluista. Heidän neuvoistaan ja tietämyksestään oli suuri apu työni edistymisessä. Oulu, 4.4.2016 Kimmo Kauppinen

SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTELMÄ ABSTRACT ALKUSANAT SISÄLLYSLUETTELO 1 JOHDANTO... 6 2 LAITTEISTO JA TEORIA... 7 2.1 Hiilidioksidilaserin toimintaperiaate... 8 2.1.1 Hiilidioksidilaserleikkauslaitteisto... 9 2.1.2 Työturvallisuus hiilidioksidilaserleikkauksessa... 13 2.2 Kuitulaserin toimintaperiaate... 13 2.2.1 Kuitulaserleikkauslaitteisto... 14 2.2.2 Työturvallisuus kuitulaserleikkauksessa... 15 3 MENETELMIEN TARKASTELU... 17 3.1 Leikattavat materiaalit... 17 3.2 Ainepaksuudet hiilidioksidilaserleikkauksessa... 18 3.3 Ainepaksuudet kuitulaserleikkauksessa... 19 3.4 Leikattavan railon laatu... 20 3.4.1 Railon laatu hiilidioksidilaserleikkauksessa... 21 3.4.2 Railon laatu kuitulaserleikkauksessa... 21 3.5 Pinnanlaatu ja mittatarkkuus... 21 4 TALOUDELLISUUS... 23 4.1 Kaasun kulutus... 23 4.2 Energian kulutus... 24 4.3 Varaosien kulutus... 24 4.4 Yhteenveto taloudellisuudesta... 25 5 LOPPUPÄÄTELMÄ... 26 6 YHTEENVETO... 28 7 LÄHDELUETTELO... 29

6 1 JOHDANTO Laserleikkaus on muodostunut viime aikoina erittäin suosituksi leikkausmenetelmäksi leikatessa ohuita ja keskipaksuja metallilevyjä. Kaikista suurinta kehitystä on tapahtunut kuitulaserin kohdalla. Tämän työn tarkoituksena on selvittää mitä etuja kuitulaser tarjoaa perinteisen hiilidioksidilaserin sijasta. Leikkausmenetelmien ominaisuuksia vertailemalla voidaan helpottaa laserleikkauslaitteiston valintaprosessia ja näin ollen saada huomattavia kustannussäästöjä ohutlevy- ja konepajatyössä. Selvitystyö perustuu jo olemassa oleviin tutkimuksiin ja käytännön kokemuksiin. Saatavissa olevan laajan aineiston johdosta työ rajataan käsittelemään pöytämallisia laserleikkauskoneita ja yleisimpiä leikattavia levymateriaaleja. Työn tulokset esitellään taulukoituna yhteenvedossa. Kuva 1. Kuitulaserlaitteisto (mukaillen Laser-Solution)

7 2 LAITTEISTO JA TEORIA Tämän kappaleen tarkoituksena on kertoa yleisesti hiilidioksidi- ja kuitulaserin toimintaperiaatteista ja laitteistosta. Molemmat laserleikkausmenetelmät muistuttavat laitteistoltaan toisiaan, mutta eroavat toimintaperiaatteiltaan. Leikkauskoneiden esimerkkeinä käytetään tunnetuimpien valmistajien yleisimpiä koneita. Laserleikkaus on kontaktiton terminen leikkausmenetelmä. Termi laser on lyhenne sanoista light amplification by stimulated emission of radiation - valon vahvistaminen säteilyn emissiolla, mikä kuvastaa hyvin laserin toimintaperiaatetta. Laserleikkauksen hyötyjä ovat hyvä mittatarkkuus, kyky leikata kaikkia materiaaleja sekä erinomainen pinnanlaatu ja nopeus. Kuitulaser on uusi tulokas leikkausteollisuudessa. Sen kaupallinen hyödyntäminen alkoi 2000-luvun jälkeen, kun tehon kasvattamista estävä tekniset ongelmat saatiin ratkaistua. Kuitulaser perustuu diodien tuottamaan valoon, joka ohjataan ja vahvistetaan valokuidun avulla. Vahvistettu valo suoristetaan ja kohdistetaan linssin avulla leikattavaan kappaleeseen. Kuitulaserin ominaisuuksia ovat mm. korkea hyötysuhde, nopea leikkuunopeus kun sillä leikataan ohuita levyjä, kyky leikata heijastavia materiaaleja ja alhaiset kunnossapitokustannukset. (Industrial Laser Solutions) Hiilidioksidilaser on yksinkertainen ja hyväksi havaittu leikkaustapa. Se on vakiinnuttanut asemansa luotettavana ohutlevyleikkausmenetelmänä useimmissa konepajoissa. Hiilidioksidilaserin toiminta perustuu kaasumaiseen väliaineeseen, jota aktivoidaan suurienergisillä sähköpurkauksilla. Kaasun molekyylit joutuvat ylivirittyneeseen tilaan ja vapauttavat valoa. Valo ohjataan peilijärjestelmän avulla leikattavaan kappaleeseen. Hiilidioksidilaserin ominaisuuksia ovat suuri tehon tuottokyky ja hyvin kohdistettu leikkauspiste. (Repairfaq)

8 2.1 Hiilidioksidilaserin toimintaperiaate Laserin leikkauskyky perustuu voimakkaaseen yhdensuuntaiseen valoon. Hiilidioksidilaserissa valo tuotetaan emission avulla, missä virittyneeseen tilaan joutuneet atomit vapauttavat fotonin pudotessaan normaalitilaan. Perinteisessä hiilidioksidilaserissa viritettävä kaasu sijaitsee lasiputkessa, jonka molemmissa päissä on peilit. Toinen peileistä on puoliläpäisevä ja toinen täysin heijastava. Puoliläpäisevien peilien materiaaleina käytetään yleensä sinkkiselenidiä (ZnSe) tai germaaniumia, ja kokonaan heijastavien peilien materiaaleina voidaan käyttää metallipinnoitteita, kuten kultaa tai kuparia. Viritettävä kaasu (resonaattorikaasu) on hiilidioksidin, typen ja heliumin seos. Muut seoksen kaasut helpottavat hiilidioksidin virittymistä. Kaasu virtaa jatkuvana virtana lasiputken läpi, ja lopulta se pumpataan systeemistä ulos. On myös olemassa sellaisia laitteistoja, jossa lasiputki on kokonaan suljettu, mutta nämä ovat harvinaisia leikkauskäytössä. Lasiputken sisällä sijaitsee kaksi elektrodia, joihin syötetään korkeajännitteistä tasavirtaa, joka saa kaasun hehkumaan. Uusimmissa hiilidioksidilasereissa käytetään radioaalto- eli RF-teknologiaa, joka vähentää elektrodien kulumista. Hehkuva kaasu synnyttää koherenttia laservaloa, joka ohjataan puoliläpäisevän peilin kautta ulos. Syntyvän valon aallonpituus on 10.6 mikronia, hieman suurempi kuin kuitulaserin tapauksessa, mikä vaikeuttaa valon absorboitumista heijastaviin levymateriaaleihin.

9 Kuva 2. Resonaattorin toiminta (mukaillen Wikimedia Commons) Hiilidioksidilaserin hyötysuhde on huono, vain noin 10 %. Tästä syystä järjestelmä vaatii jatkuvaa jäähdytystä. Lasiputki on yleensä kaksiseinämäinen mahdollistaen jäähdytysveden kiertämisen lasiputken ympärillä. Myös peilit vaativat jatkuvaa jäähdytystä, jotta peilien optiset ominaisuudet eivät muuttuisi lämpötilanvaihteluiden johdosta. (Repairfaq) Laservalo ohjataan leikkauspäähän käyttäen monimutkaista peilisysteemiä. Peilit ovat ympäröity suojaavalla kaasulla tai suljettu tyhjiöön, joka estää valon absorboitumisen. Leikkauspäässä valo kohdistetaan linssin avulla leikattavaan kappaleeseen. Leikkauspään sisällä kulkee leikkauskaasu, joka puhaltaa pois leikkauksessa syntyneen kuonan. (The Fabricator) 2.1.1 Hiilidioksidilaserleikkauslaitteisto Hiilidioksidilaserleikkauslaitteisto koostuu pöydästä, liikuteltavasta leikkauspäästä, valontuottoyksiköstä, voimanlähteestä, jäähdytysjärjestelmästä ja kaasunsyöttöjärjestelmästä. Pöydän tehtävänä on pitää leikattava levy paikallaan leikkaustapahtuman aikana. Pöydän rakenne koostuu pitkittäisistä teräslevyistä eli rainoista, jotka kuluvat ajan kanssa. Rainat pyritään sijoittamaan pöydälle niin, että pöydän kantokyky pysyy korkeana, vaikka jotkin rainoista menevät poikki leikkauksen aikana. Joissakin laserleikkauskoneissa rainojen poikki polttaminen on estetty siten, että pöydällä oleva levy liikkuu vaakasunnassa ja poltin pystysuunnassa leikkauslaitetta ylhäältäpäin

10 katsottaessa. Näin ollen leikkaava laservalo on aina samassa kohdassa, ja siihen kohtaan voidaan jättää aukko haittaamatta pöydän kestävyyttä. Pöytään voidaan myös rakentaa kipattava taso, joka helpottaa kappaleiden purkua. Leikkauspää koostuu rungosta, heijastavasta peilistä, linssistä ja suuttimesta. Runko sisältää jäähdytyskanavia, joiden sisällä kulkee vesi tai kaasu. Rungon alapäähän kiinnittyy kuparinen suutin, jonka tehtävänä on ohjata leikkauskaasun virtaus leikattavaan railoon. Laservalo saapuu leikkauspäähän heijastavan peilin kautta. Yleensä peiliä pystytään säätämään leikkauspään ulkopuolelta. Linssi sijaitsee rungon keskellä. Se kohdistaa laservalon leikattavan kappaleen pintaan. Linssit ovat vaihdettavia. Ne valitaan leikattavan levyn materiaalin ja paksuuden mukaan. Leikkauspää on herkkä iskuille, sillä peilin kohdistus on tarkka. Yleisin syy heikkoon leikkauslaatuun on peilien kohdistuksen pettäminen. (Repairfaq)

11 Kuva 3. Hiilidioksidilaserlaitteiston leikkauspään rakenne (mukaillen Engineer Student) Hiilidioksidilaserin kaasunsyöttöjärjestelmä koostuu kaasupulloista, hälytysjärjestelmästä, regulaattoreista ja hiukkassuodattimista. Hiilidioksidilaser käyttää resonaattorikaasua, suojakaasua ja leikkauskaasua. Resonaattorikaasu on erityisen vaativa puhtauden suhteen. Käytettävä resonaattorikaasu on yleensä laserlaatua tyyppi 4.6, joka vastaa 99.996% puhtautta. (BOC Group) Sen koostumus on yleensä 60 85 prosenttia heliumia, 13 55 prosenttia typpeä ja 1 9 prosenttia hiilidioksidia (AGA Oy

12 Ab). Tavallisesti resonaattorikaasua kuluu 0,15 l/h 20,0 l/h riippuen käytettävästä tehosta (Industrial Laser Solutions). Suojakaasua käytetään peilijärjestelmän ympäröimiseen ja säteen suojaamiseen. Lasersäde heikennee kohdatessaan epäpuhtauksia kuten pölyhiukkasia, vesihöyryä ja hiilivetyjä. Epäpuhtaudet aiheuttavat laservalon absorboitumista ja näin ollen paikallisia kuumia pisteitä, jotka saattavat rikkoa peilejä. (BOC Group) Suojakaasuna käytetään tyyppi 4.6 laserleikkaustyppeä (AGA Oy Ab). Kuva 4. Hiilidioksidilaserlaitteiston eri kaasujen tehtävät (mukaillen The Fabricator) Kaasunsyöttöjärjestelmän yleisimmät epäpuhtaudet ovat vesihöyry, hiilivedyt ja happi. Vesihöyry ja hiilivety ovat vaarallisia erittäin pieninä pitoisuuksina, sillä jo 10 ppm pitoisuus on merkittävä. Vesihöyry on haitallista resonaattorielektrodeille, sillä vesihöyry (H20) hajoaa negatiivisesti varautuneiksi ioneiksi, jotka haittaavat sähköpurkauksen syntyä. Reaktiossa syntyy myös aktiivista happea, joka muodostaa peileille haitallista otsonia. Hiilivedyt hajoavat sähköpurkauksen johdosta ja muodostavat hiili -tai polymeerikertymiä peilien pinnoille. Muodostuvat kertymät laskevat saatavaa leikkaustehoa ja lisäävät riskiä peilien ylikuumentumiseen. Happea muodostuu hiilidioksidin hajoamistuotteena, eikä sen kertyminen resonaattoriputkeen ole yhtä

13 haitallista kuin vesihöyryn ja hiilivetyjen. Haitallisena rajana pidetään yli 100 ppm pitoisuuksia. (BOC Group) Kaasunsyöttöjärjestelmän epäpuhtauksia voidaan välttää käyttämällä puhtaita kaasuja ja huuhtelemalla järjestelmän eri osat aina kun kaasupulloja vaihdetaan. Yleinen harhaluulo on, että epäpuhtaudet tulevat kaasupullojen mukana, mutta todellisuudessa epäpuhtaudet tulevat joko aukinaisista letkuista tai imeytyvät muoviletkujen läpi. Tästä syystä olisi hyvä käyttää metallisia kaasuputkia ja pikaliittimiä. Kiinteitä epäpuhtauksia kuten pölyhiukkasia muodostuu elektrodien kulumisesta. (BOC Group) 2.1.2 Työturvallisuus hiilidioksidilaserleikkauksessa Hiilidioksidilaserleikkauksen aikana syntyy haitallisia kaasuja ja pölyhiukkasia, kuten esimerkiksi otsonia ja metallihiukkasia. Altistuksen vähentämiseksi tulisi leikkauslaitteiston lähiympäristö olla hyvin ilmastoitu. Laserleikkauslaitteisto käyttää korkeajännitteistä tasavirtaa, joten vain koulutetuilla henkilöillä on lupa huoltaa ja korjata laitetta. Laserleikkauksessa syntyvä näkymätön laservalo on haitallista iholle ja silmille. Suoran valon välttämiseksi tulisi laserleikkauslaitteiston sisältää himmeitä suojavalleja ja tahattoman käynnistymisen estäviä turvakytkimiä. Heijastumia voidaan estää käyttämällä mattapintaisia pöytämateriaaleja ja oikeita leikkausparametreja. Työntekijöillä tulisi olla suojakäsineet ja suojalasit. (Worksafebc) 2.2 Kuitulaserin toimintaperiaate Kuitulaserleikkauslaitteiston rakenne on hyvin samankaltainen kuin hiilidioksidilaserin. Erona on laservalon tuottamistapa. Kuitulaserissa valo tuotetaan aktivoimalla kiinteitä aineita, kun taas hiilidioksidilaserissa aktivoitu aine on kaasumainen. Nämä kiinteät aineet ovat yleensä maa-alkalimetalli-ioneja, jotka pystyvät absorboimaan valoa tietyllä aallonpituudella. Hiilidioksidilaserissa käytetään sähköpurkausta aineen virittämiseen, mutta kuitulaserissa käytetään diodeista saatavaa syöttövaloa. Syöttövalo johdetaan valokuitua pitkin maa-

14 alkalimetalli-ioneilla kyllästettyyn valokuidun osaan, jossa osa syöttövalosta absorboituu ioneihin ja saa ne ylivirittyneiksi. Normaalitilaan palatessaan ionit vapauttavat laservaloa maa-alkalimetallin ominaisaallonpituudella, jonka jälkeen valo johdetaan valokuitua pitkin leikattavaan kappaleeseen. (Nufern Corporation) Hiilidioksidilaseriin verrattaessa kuitulaser on toimintaperiaatteeltaan yksinkertaisempi ja energiatehokkaampi. Kuitulaserin energiakulutus on jopa 75 % pienempi kuin hiilidioksidilaserin (Vossi Oy). 2.2.1 Kuitulaserleikkauslaitteisto Kuitulaserleikkauslaitteisto koostuu syöttövalodiodeista, kyllästetystä valokuidusta (resonaattorikuitu), virtalähteestä ja leikkuupäästä. Syöttövalodiodit ovat laservaloa tuottavia puolijohdekomponentteja. Niiden rakenne muistuttaa tavallista valodiodia (LED). Syöttövalodiodeja on normaalissa leikkauskoneessa satoja kappaleita. Yhden diodin teho on noin 2-5W. Diodit on sijoitettu moduuleihin, jossa niiden yhteenlaskettu teho on noin 200-500 W riippuen valmistajasta. Moduuleiden tuottama valo ohjataan yhtenäiseksi suuritehoiseksi valonsäteeksi. (Petteri Perälä) Resonaattorikuitu on ohut lasista valmistettu kuitu, johon on valmistusvaiheessa seostettu laseroivaa materiaalia kuten Erbiumia, Ytterbiumia tai Thuliumia. Kaikista suurin valoteho saadaan Ytterbiumseosteisista kuiduista, joten se on myös yleisin leikkauskäytössä. Ytterbiumseosteinen resonaattorikuitu tuottaa laservaloa 1.0 mikronin aallonpituudella. (Spie) Resonaattorikuidun rakenteeseen on tehty rakoja, jotka toimivat peilien tavoin samalla periaatteella kuin hiilidioksidilaserin tapauksessa. Kuidun mittasuhteet ovat tarkoin määriteltyjä syöttövalodiodien aallonpituuden mukaan. Kuidun pituus määrää absorboituvan valon määrän ja paksuus riippuu syöttövalotehosta. (Nufern Corporation) Resonaattorikuitu ei vaadi minkäänlaisia huoltotoimenpiteitä. Sen käyttöikä on erittäin pitkä.

15 Kuva 5. Kuitulaserin toimintaperiaate (mukaillen Avio) Kuitulaserin leikkuupää on hyvin samankaltainen kuin hiilidioksidilaserissa. Siitä puuttuu monimutkainen peilijärjestelmä, sillä valo johdetaan siinä valokuitua pitkin. Leikkuupäässä on kohdistava linssi, joka keskittää saapuvan laservalon kappaleen pintaan. Leikkauskaasu johdetaan leikkuupään sisään, jossa se jäähdyttää fokusoivaa linssiä ja poistuu kuparisen suuttimen kautta leikattuun railoon. Joissakin konetyypeissä on erillinen suojalasi linssin ja suuttimen välissä. Suojalasi estää linssin tuhoutumisen roiskeiden ja lian kulkeutumisen seurauksena (Petteri Perälä). 2.2.2 Työturvallisuus kuitulaserleikkauksessa Kuitulaserleikkauksessa pätevät samat turvallisuustekijät kuin hiilidioksidilaserleikkauksessakin. Kuitulaserin pienempi aallonpituus vähentää heijastumien riskiä ja on näin ollen turvallisempi. Laserleikkauksessa muodostuva laservalo on silmälle näkymätöntä ja siten erittäin vaarallista, koska silmän luonnollinen vilkkurefleksi ei toimi. Erityisen herkkä laservalolle on silmän sarveiskalvo, joka onkin yleensä ensimmäinen osa silmästä joka vahingoittuu. (RP-Photonics Encyclopedia)

16 Kuva 6. Silmälle aiheutuvat vauriot eri valon aallonpituuksilla (mukaillen Sukhamburg)

17 3 MENETELMIEN TARKASTELU Tämän kappaleen tarkoitus on selvittää kuitu- ja hiilidioksidilaserleikkaukselle soveltuvat materiaalit, ainepaksuudet, mittatarkkuudet ja saavutettavat pinnanlaadut. Tarkastelusta on jätetty pois ei-metalliset materiaalit, koska ylivoimaisesti suurin osa leikattavista materiaaleista on metallisia kuten esimerkiksi niukkaseosteinen rakenneteräs, ruostumaton teräs ja alumiini. 3.1 Leikattavat materiaalit Niukkaseosteinen rakenneteräs on edullinen ja yleinen levymateriaali. Sen leikkaaminen on mutkatonta ja nopeaa, eikä se vaadi leikkausoperaattorilta erityistä huomiota. Rakenneterästä toimitetaan ohutlevynauhana tai valmiiksi leikattuina arkkeina. Paksummat levyt toimitetaan yleensä kvarttolevyinä toimitustilaltaan normalisointivalsattuna tai hehkutettuna. Rakenneterästä saa myös sinkkipinnoitettuna, jonka leikkaus vaatii hyvän ilmanvaihdon. Ruostumaton teräs on runsaasti nikkelillä ja kromilla seostettua terästä. Sen leikkaaminen vaatii vähemmän tehoa, sillä ruostumattoman teräksen lämmönjohtumiskerroin on pienempi kuin niukkaseosteisellä rakenneteräksellä (Engineers Edge). Ruostumattoman teräksen pintaan muodostuu oksidikerros, joka suojaa terästä korroosiolta. Tämä oksidikerros haittaa leikkaustapahtumassa tarvittavaa sulan muodostusta. Ruostumatonta terästä leikatessa voidaan käyttää leikkauskaasuna joko typpeä tai happea. Hapella leikatessa syöttönopeus on nopeampi kuin leikatessa typellä, mutta pinnanlaatu jää huonoksi. Ohuilla levyillä syöttönopeuden kasvusta saatava hyöty on minimaalinen, mutta paksuilla levyillä se on jo moninkertainen. (bssa.org.uk) Alumiini on kevyt ja ei magneettinen materiaali. Yleisimmät leikattavat alumiiniseokset ovat 5000 -ja 6000 -sarjan levyjä, joille on tyypillistä hyvät muovaus- ja hitsausominaisuudet. Alumiinin pinnalle muodostuu kova ja kestävä oksidikerros, joka haittaa levyn leikkausta. Alumiini heijastaa valonsäteitä paremmin kuin niukkaseosteinen rakenneteräs ja ruostumaton teräs. Tämä saattaa aiheuttaa ongelmia leikkauksen onnistumisessa. Vaarana on, että lasersäde heijastuu levyn pinnasta takaisin

18 leikkauspäähän ja aiheuttaa vaurioita. Useimmissa laserleikkauskoneissa on takaisinheijastuman havaitseva anturi, joka sammuttaa koneen automaattisesti. Heijastumia voidaan estää levyn päälle ruiskutettavalla aineella, mutta tämä ei estä sulasta kimpoavia heijastumia. Useimmissa tapauksissa alumiinin leikkaaminen ei ole ongelma oikeiden leikkausparametrien asettamisen jälkeen. (The Welding Institute) Kuitulaser on alumiinin leikkaamisessa tehokkaampi kuin hiilidioksidilaser, sillä sen 1.0 mikronin aallonpituus absorboituu paremmin. 3.2 Ainepaksuudet hiilidioksidilaserleikkauksessa Leikattavan levyn ainepaksuus riippuu koneen tehosta, leikkauskaasusta ja leikattavasta materiaalista. Yleisimmät ainepaksuudet hiilidioksidilaserleikkauksessa (4kW) ovat niukkaseosteisella rakenneteräksellä 0-20 mm, mutta taloudellinen leikkaus saavutetaan 0,5-10 mm ainepaksuuksilla. Leikatessa hapella teräksen palaminen tuo lisäenergiaa leikkausprosessiin mahdollistaen suurempien ainepaksuuksien leikkaamisen. (ProLaser Oy) Hiilidioksidilaser leikkaa paremmin paksua materiaalia kuin kuitulaser, koska sen suurempi aallonpituus (10.6 mikronia) absorboituu paremmin johtuen paksun levyn suuremmasta kohtauskulmasta ks. kuva 5. Hiilidioksidilaserin leikkuuominaisuudet pinnanlaadun suhteen voittavat kuitulaserin, kun leikataan yli 5 mm paksuista materiaalia. (Headland)

19 Kuva 7. Kohtauskulma riippuen levyn paksuudesta (mukaillen Headland) Hiilidioksidilaserin ainepaksuudet leikatessa alumiinia ovat pienemmät kuin kuitulaserilla leikattaessa, sillä alumiini heijastaa voimakkaasti valonsäteitä, joiden aallonpituus on yli 2.0 mikronia. 3.3 Ainepaksuudet kuitulaserleikkauksessa Kuitulaserin ainepaksuudet noudattavat hyvin paljon hiilidioksidilaserin ainepaksuuksia. Kuitulaserin hyöty tulee esille leikatessa ohuita (0-3mm) levyjä. Verrattaessa saman tehoiseen hiilidioksidilaseriin (4 kw) kuitulaserin leikkausnopeus on kolme kertaa nopeampi leikatessa 1 mm paksuista niukkahiilistä rakenneterästä, ruostumatonta terästä tai galvanoitua terästä. Leikatessa 2 mm paksuista terästä leikkausnopeus on kaksinkertainen verrattuna hiilidioksidilaseriin. (Industrial Laser Solutions) Kuitulaser soveltuu erittäin hyvin alumiinin leikkaamiseen. 3 kw kuitulaser pystyy leikkaamaan 15 mm paksua alumiinia kun saman tehoinen hiilidioksidilaser vain 8 mm.

20 Kuitulaserilla ei tapahdu takaisinheijastumista, ja sen tuottama valo absorboituu hyvin alumiiniin. (Machinery) Kuva 8. Hiilidioksidi ja kuitulaserleikkauksen leikkausnopeus 6 kw tehoisilla koneilla, ruostumaton teräs ja leikkauskaasu N2 (mukaillen Bystronic Oy) 3.4 Leikattavan railon laatu Leikkauksessa syntyvä railo on tärkeä laadun merkki. Laserleikkauksella saadaan pääsääntöisesti erittäin hyvälaatuisia kappaleita. Railon laatuun vaikuttaa materiaalin paksuus, materiaali, leikkausteho, leikkauskaasu ja valonsäteen laatu (beam quality). Railon puhtaus ja roiskeettomuus ovat asiakastyytyväisyyden kannalta tärkeitä seikkoja, sillä kappaleiden jälkikäsittely on aikavievää ja kallista. Laserleikkaus on terminen menetelmä, joka poistaa materiaalia kuumentamalla kappaleen pintaa keskitetysti. Vaikka lämmöntuonti on laserleikkauksessa hyvin vähäistä, muodostuu leikattavan kappaleen reunaan heikommat mekaaniset ominaisuudet omaava muutosvyöhyke (HAZ, heat affected zone). Verrattaessa muihin leikkausmenetelmiin on laserleikkauksessa syntyvä HAZ-alue erittäin pieni, vain noin 0.1-0.2 mm (Jana Petru).

21 Kuva 9. Muutosvyöhyke laserleikkauksessa (mukaillen ResearchGate) 3.4.1 Railon laatu hiilidioksidilaserleikkauksessa Hiilidioksidilaserilla on erittäin hyvä säteen laatu, jolla saadaan korkea energiatiheys pienelle alueelle. Railon laatu säilyy hyvänä aina paksuille (10-20mm) materiaaleille saakka. (RP-Photonics Encyclopedia) 3.4.2 Railon laatu kuitulaserleikkauksessa Kuitulaserin säteen laatu on heikko monikuituisilla valonlähteillä. Valon säteen rajaama alue on suurempi kuin hiilidioksidilaseria käytettäessä. Tämän seurauksena syntyvä railo on suurempi ja epätasaisempi. (Fabricating Metalworking) 3.5 Pinnanlaatu ja mittatarkkuus Laserleikkauksella saadaan erittäin mittatarkkoja ja hyvän pinnanlaadun omaavia kappaleita. Leikkauksessa syntyy erittäin kapea railo, joka mahdollistaa täsmällisten ääriviivojen sekä tarkkojen ja pienten reikien leikkaamisen. Reunan laatu on yleensä

22 todella hyvä äärimmäisen pienillä uurteilla ja jättöviivoilla, erittäin suorakulmaisilla reunoilla ja vähäisellä tai olemattomalla kuonalla. (ESAB Oy) Saavutettava mittatarkkuus CNC-ohjatulla laserleikkauskoneella on 0,05 mm ja railon keskimääräinen paksuus riippuen leikkuunopeudesta on 0,15 mm. (Tesko Laser) Pinnanlaatuun vaikuttavat leikattavan materiaalin paksuus ja käytettävä leikkauskaasu. Paksuilla materiaaleilla muodostuu levyn alapintaan kuonaa, joka on poistettava jälkikäsittelyissä. Leikkauskaasuna happi soveltuu hyvin niukkahiiliselle rakenneteräkselle, mutta huonosti ruostumattomalle teräkselle ja alumiinille. Typellä leikatessa pinnanlaatu on parempi ruostumattomalla teräksellä ja alumiinilla. (PLP Pääkkönen Oy) Tyypillinen pinnankarheus leikatessa 6 mm paksua ruostumatonta terästä on hiilidioksidilaserilla Rz 10 ja kuitulaserilla Rz 33. Kuitulaserilla ongelmaksi muodostuu kuonan muodostus yli 6 mm paksuilla levyillä. (FILCO) Kuva 10. Leikkauslaatu leikatessa typellä, alapuolella kuitulaser (mukaillen Machinery)

23 4 TALOUDELLISUUS Taloudellisuus on tärkeä tekijä nykyaikaisessa levynleikkausteollisuudessa. Suuri osa leikkauksessa syntyneistä laserlaitteiston kustannuksista muodostuu energian, kaasun ja varaosien kulutuksena. Työssä keskitytään näiden asioiden vertailuun hiilidioksidi -ja kuitulaserkoneiden kustannuksissa ja jätämme tarkastelusta pois työntekijäkustannukset. Vertailussa käytetään esimerkkinä Bystronic yrityksen valmistamia laserleikkauskoneita Bysprint Pro (CO2) ja Bysprint Fiber, joiden tehot ovat 3,3 kw ja 3,0kW. 4.1 Kaasun kulutus Laserleikkauskone BySprint Pro käyttää resonaattorikaasuna valmiiksi seostettua laserkaasua. Resonaattorikaasua kuluu tunnissa noin 12 litraa. Kaasun hinnaksi muodostuu 0,70 /h, joka vastaa vuositasolla 5000 kustannusta (Petteri Perälä). Kuitulaser ei käytä resonaattorikaasua ollenkaan. Kuitulaser kuluttaa hieman enemmän leikkauskaasua, joka johtuu kuitulaserin suuremmasta leikkausnopeudesta. Leikkauskaasun lievästi suurempi kustannus kompensoituu kuitulaserin suuremmalla tuottavuudella. (Petteri Perälä) Leikkauskaasun kulutusta on vaikea arvioida, sillä kulutus riippuu täysin leikattavasta materiaalista, levyn paksuudesta, leikkausnopeudesta ja muista leikkuuparametreistä. Suuntaa antava arvio leikkauskaasun kulutuksesta on annettu taulukossa 1. Taulukko 1. Leikkauskaasun kulutus Kaasu Kulutus Yksikköhinta (Aleksi Hirvonen) N2 1000-3000l/h (AGA Oy 5-10 /m 3 Ab) O2 1700l/h (Practical 5-10 /m 3 Machinist)

24 4.2 Energian kulutus Molemmat leikkauskoneet ovat leikkausteholtaan hyvin samankaltaisia, mutta koneiden ottoteho on erilainen. Kuitulaser on energiatehokkaampi kuin hiilidioksidilaser, ja näin ollen sen ottoteho on alhaisempi kuin hiilidioksidilaserin ks. taulukko 2. Taulukko 2. Laserleikkauskoneiden valontuottoyksikön energiankulutus (Petteri Perälä) Bysprint Pro Bysprint Fiber Leikkausteho 3,3kW 3,0kW Ottoteho (ei sisällä 23,2kW 10,0kW apulaitteita) Hyötysuhde 14,2% 30,0% Koneiden energian kulutuksesta muodostuu iso kustannus. Kuitulaserin parempi hyötysuhde on houkutteleva tekijä haettaessa kustannussäästöjä pitkällä aikavälillä. Yleensä leikkauskoneet käyvät 16 tuntia päivässä kaksivuorotyössä 5 päivänä viikossa. Vuodessa koneet käyvät 4000 tuntia. Sähkön hinta on noin 0,15 euroa kilowattitunnilta. Näin ollen vuosikustannukseksi hiilidioksidilaserleikkurille tulee 13920 ja kuitulaserleikkurille 6000. Huomataan, että vuositasolla kuitulaserin käyttö muodostaa energian suhteen noin 8000 säästön. 4.3 Varaosien kulutus Laserleikkauskoneiden kulutusosia ovat: - Suuttimet - Linssien suojalasit Nykyaikaisten kuitulaserlaitteistojen huoltoväli on todella pitkä. BySprint Fiber leikkauskoneen kulutusosia ovat suuttimet ja linssin suojalasit. Suuttimet ja suojalasit

25 ovat edullisia ja helppoja vaihtaa. Niiden käyttöikä vaihtelee 1 viikosta 2 viikkoon riippuen koneiden kuormituksesta. Kuitulaserin muut osat kuten valodiodit, resonaattorikuidut ja linssit omaavat erittäin pitkän käyttöiän. Valodiodien käyttöikä on 80 000h-120 000h, joka useimmissa tapauksissa on suurempi kuin itse laitteen järkevä käyttöikä. Valodiodien rikkoutumisesta aiheutuva haitta on minimoitu BySprint Fiber- leikkauslaitteessa lisäämällä koneen valonsyöttöyksikköön ylimääräinen moduuli, joka toimii reservinä korvaten rikkoutuneita diodeja. (Petteri Perälä) Hiilidioksidilaserleikkauskone BySprint Pro käyttää samoja linssinsuojia ja suuttimia kuin kuitulaser. Lisäkustannuksia muodostuu ajoittaisesta peilien säädöstä. 4.4 Yhteenveto taloudellisuudesta Yhteenvetona voidaan todeta, että kuitulaser on jokaisella käsitellyllä osa-alueella taloudellisempi kuin hiilidioksidilaser. Yhteenlaskettu vuosisäästö on kuitulaserin tapauksessa 13 000.

26 5 LOPPUPÄÄTELMÄ Tähän kappaleeseen on kerätty laserleikkausprosessien ominaisuudet vertailukelpoiseen taulukkoon. Taulukko 3. Vertailu Hiilidioksidilaser Kuitulaser Laitteiston hinta - Sama - Sama Tärkeimmät osat - Resonaattori - Valodiodit - Peilit - Resonaattorikuitu Materiaalit - Kaikki paitsi kupari ja messinki - Kaikki Ainepaksuudet [mm] - Yleinen: 0,3-40 - Yleinen: 0,3-25 Teholuokat 3-6 kw - Alumiini: 0,5-10 - Alumiini 0,5-15 Aallonpituus [µm] - 10,6-1,0 Optimi leikkausalue [mm] - 5-20 - 0,3-5 Railon leveys [mm] - 0,15-0,15 Pinnankarheus [Rz5] - 10-33 Mittatarkkuus [mm] - 0,05-0,05

27 Leikkausnopeus leikatessa 0,762 mm paksua ruostumatonta terästä 6kW (N2) (Bystronic Oy) - 10m/min - 50m/min Työturvallisuus Hyvä Hyvä Taloudellisuus Huono Hyvä Kerättyjen tietojen perusteella kuitulaserleikkaus soveltuu paremmin ohuiden levyjen leikkaamiseen ja erityisen hyvin heijastavien materiaalien leikkaamiseen. Hiilidioksidilaserleikkaus puolestaan on monipuolinen ja tehokas leikkausmenetelmä, kun leikattavat osat ovat paksuudeltaan vaihtelevia. Kuitulaser on rakenteeltaan yksinkertaisempi, ja sen valontuotto on energiatehokkaampaa, mutta toisaalta hiilidioksidilaserin parempi säteen laatu voi olla halutumpi ominaisuus. Kuitulaser on taloudellisempi ja sen ylläpito on huoletonta. Hiilidioksidilaserin monimutkainen peilijärjestelmä vaatii säännöllistä säätämistä ja on erittäin herkkä epäpuhtauksille ja tärinälle. Työturvallisuus on molemmissa menetelmissä hallittavissa. Kuitulaserin tuottama valo on ihmissilmälle haitallisempaa kuin hiilidioksidilaserin, vaikkakin sen heijastuminen on epätodennäköisempää. Molemmat menetelmät tuottavat mittatarkkoja ja hyvälaatuisia kappaleita. Kuitulaserin tuottama pinnanlaatu on hieman huonompi kuin hiilidioksidilaserin. Leikkausnopeus on molemmilla korkea, mutta kuitulaser vie ylivoimaisesti voiton leikatessa alle 3 mm paksuja levyjä. Uusimmat kuitulaserleikkauskoneet ovat kilpailukykyisiä jopa 6 mm paksuisten levyjen leikkaamisessa.

28 6 YHTEENVETO Kuitulaser on kehittynyt viimeisen 10 vuoden aikana huomattavasti. Se on alkanut kilpailla perinteisen hiilidioksidilaserin kanssa ohuilla ja keskipaksuilla levymateriaaleilla. Hiilidioksidilaserin toiminta perustuu viritettävään kaasuun, ja säteen kulku on hoidettu peileillä. Kuitulaser on yksinkertaisempi rakenteeltaan, ja sen valon tuotto perustuu viritettävällä materiaalilla kyllästettyihin valokuituihin. Molemmat menetelmät ovat työturvallisuuden kannalta hallittavissa. Leikkausmenetelmien erot johtuvat valon tuottamistavasta. Kuitulaserin lyhyempi aallonpituus soveltuu ohuiden heijastavien materiaalien leikkaamiseen ja hiilidioksidilaserin pidempi aallonpituus soveltuu paksumpiin materiaaleihin. Kuitulaserin valokuitujen kimputtaminen aiheuttaa huonomman säteen laadun, joka ilmenee heikompana railon pinnanlaatuna. Hiilidioksidilaserin keskitetympi valonsäde pystyy leikkaamaan paksumpia levyjä paremmalla pinnanlaadulla. Kuitulaserin leikkuunopeus on ylivoimainen leikatessa ohuita levyjä. Taloudellisuus on kuitulaserin tapauksessa parempi, sillä kuitulaser kuluttaa vähemmän energiaa ja on kunnossapitokustannuksiltaan alhaisempi. Näkyvät merkit viittaavat siihen, että kuitulaser tulee syrjäyttämään hiilidioksidilaserin tulevaisuudessa. Kuitulaserin tehot ovat nousseet tasaisesti vuodesta toiseen ja samalla leikkauksen metrihinta on tullut edullisemmaksi. Kuitulaserin sovelluskohteet tulevat laajenemaan ohutlevyistä paksumpaan materiaaliin.

29 7 LÄHDELUETTELO AGA Oy Ab, Teollisuuskaasut, laserkaasut, http://www.aga.fi/fi/products_ren/cutting_welding_gases/laser_gases/index.html [8.3.2016] Aleksi Hirvonen kandidaatintyö, (2015); Hienosädeplasmaleikkauksen ja laserleikkauksen vertailu [8.3.2016] Avio, (2016), http://www.avio.co.jp/english/products/assem/lineup/laser/fiber.html [1.4.2016] Bystronic Oy (2013), Frank J. Arteaga, CO2 vs. Fiber-Laser Technology: Which one is right for you? http://www.bystronicusa.com/en/news/casestudies/130204_co2-vs-fiber-laser.php [2.3.2016] Bystronic Oy, (2014), http://bystronic.com/usen/landingpages/bysprint_fiber_6kw.php [1.4.2016] BRITISH STAINLESS STEEL ASSOCIATION (2016), Laser cutting of stainless steels, http://www.bssa.org.uk/topics.php?article=117 [15.3.2016] BOC group, laser gases and gas supply systems: laserline technical, https://www.google.fi/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&ved=0ahu KEwjEp979nu3LAhXsO5oKHSxbCjcQFggmMAA&url=https%3A%2F%2Fwww. boconline.co.uk%2finternet.lg.lg.gbr%2fen%2fimages%2faboutlaserline410_39411.pdf&usg=afqjcnhwjms3ef2jnm_7mi59l7qj8ec2ra&cad =rja [15.3.2016] ESAB Oy, (2016), Hitsaustietoa, ESABin osaamiskeskus, Mikä on teräslevyn paras leikkausmenetelmä, http://www.esab.fi/fi/fi/education/blog/what-is-the-best-way-tocut-steel-plate.cfm [4.3.2016]

30 Engineers Edge, (2016) Thermal Properties of Metals, Conductivity, Thermal Expansion, Specific Heat, http://www.engineersedge.com/properties_of_metals.htm [4.4.2016] Engineer Student, (2016), http://www.engineerstudent.co.uk/laser_cutting.php [30.3.2016] Fabricating Metalworking, (2015), Geoff Shannon, What You Must Know About Single Mode Fiber Laser Markers, http://www.fabricatingandmetalworking.com/2015/10/what-you-must-know-aboutsingle-mode-fiber-laser-markers/ [4.3.2016] FILCO, (2013), Project Concept, http://www.filco-project.eu/the-project.jsp [18.3.2016] Headland, (2016), Myth Buster: Fibre Vs CO2 Lasers, http://www.headland.com.au/sheet-metal-news/myth-buster-fibre-vs-co2-lasers/ [19.3.2016] Industrial Laser Solutions, (2013), David Larcombe, Fiber versus CO2 laser cutting, http://www.industrial-lasers.com/articles/2013/11/fiber-versus-co2-lasercutting.html [27.3.2016] Laser Solution, (2016), http://www.laser-solution.com/html_products/yag500wlaser-cutting-machine-35.html [1.4.2016] Machinery, (2011), Andrew Allcock, Fibre lasers - not all the same, http://www.machinery.co.uk/machinery-features/fibre-lasers-not-all-thesame/33270/ [3.3.2016] Nufern Corporation, (2014), How a Fiber Laser Works video, https://www.youtube.com/watch?v=ofeqflqkis0 [15.3.2016]

31 Petteri Perälä, Bystronic, Sales Manager Finland, Puhelinkeskustelu [30.3.2016] ProLaser Oy, (2012), Laserleikkaus, http://www.prolaser.fi/laserleikkaus.html [18.3.2016] Practical Machinist, (2012), Give it some gas: Tips for laser cutting with assist ga, http://www.practicalmachinist.com/vb/fabrication-and-forming/give-some-gas-tipslaser-cutting-assist-gas-238544/ [4.3.2016] PLP Pääkkönen Oy, (2014), Laserleikkaus, http://www.plp.fi/laserleikkaus/ [18.3.2016] Repairfaq, (2015), David Crocker, Basic Principles of Operation, http://www.repairfaq.org/sam/laserco2.htm#co2prin [2.3.2016] ResearchGate, https://www.researchgate.net/figure/258027078_fig7_schematicillustration-of-haz-kerf-width-and-kerf-depth-after-laser-cutting-of-cfrps [30.3.2016] RP-Photonics Encyclopedia, (2016), Laser safety, https://www.rpphotonics.com/laser_safety.html [1.3.2016] Spie, (2008), Scott Christensen, Gavin Frith, ja Bryce Samson, Developments in thulium-doped fiber lasers offer higher powers, http://spie.org/newsroom/technicalarticles-archive/11-1200/1152-developments-in-thulium-doped-fiber-lasers-offerhigher-powers [6.3.2016] Sukhamburg, (2016), http://www.sukhamburg.com/products/laser_safety_goggles.html [20.3.2016] Tesko Laser, (2016), Standard metal cutting processes: laser cutting vs. water jet cutting, http://www.teskolaser.com/waterjet_cutting.html [6.3.2016]

32 The Welding Institute, (2016), What are the problems with laser cutting of aluminium and how do I overcome them?, http://www.twi-global.com/technicalknowledge/faqs/material-faqs/faq-what-are-the-problems-with-laser-cutting-ofaluminium-and-how-do-i-overcome-them/ [8.3.2016] The Fabricator, (2006), David Bell, Optimizing CO2 laser use: Part I, http://www.thefabricator.com/article/lasercutting/optimizing-co2-laser-use-part-i [3.3.2016] Vossi Oy, (2016), HK Laser & Systems - Laserleikkaus- ja hitsausjärjestelmät, http://www.vossi.fi/tuotteet/hankwang_levylaser_putkilaser_tasolaser_kuitulaser.ht ml [20.3.2016] Wikimedia Commons, (2009), Roland Brierre, https://commons.wikimedia.org/wiki/file:laser_co2.png [1.4.2016] Worksafebc, (2016), Worksafe Bulletin, Industrial lasers can cause serious eye injuries and severe burns, https://www.google.fi/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&ved=0ahu KEwj09KukqO3LAhWFPZoKHbGBB8AQFggmMAA&url=http%3A%2F%2Fww w.worksafebc.com%2fpublications%2fhigh_resolution_publications%2fassets%2 Fpdf%2Flaser_light_ws0607.pdf&usg=AFQjCNEzEFFgWd8Wh0zrGVVwyaTwgal VXw&cad=rja [1.4.2016] Influence of cutting parameters on heat-affected zone after laser cutting, Jana Petru, Tomas Zlamal, Robert Cep, Katarina Monkova, Peter Monka, ISSN 1330-3651 (print), ISSN 1848-6339 (Online), https://www.google.fi/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=7&ved=0ahu KEwjd6eXdmcPLAhXIJJoKHQCLBbwQFghLMAY&url=http%3A%2F%2Fhrcak. srce.hr%2ffile%2f147567&usg=afqjcnfry1qqhjkyajkjjvkzzfd- DoFI6g&cad=rja [6.3.2016]