Деформация материалов при лазерной резке может привести к нежелательным искажениям деталей, что сказывается на их функциональности и внешнем виде. В этой статье рассматриваются причины деформации, такие как механические и термические напряжения, а также снятие внутренних напряжений в процессе резки. Мы также анализируем, как различные материалы, такие как металлы, фанера, МДФ и пластики, реагируют на эти напряжения. Кроме того, приводятся практические советы по предотвращению деформации до и после резки, а также решения по работе с уже деформированными деталями, чтобы ваши проекты получались максимально качественными.
Деформация — это нежелательное изгибание или изменение формы деталей. Независимо от того, планируете ли вы получить плоские, квадратные, изогнутые или круглые детали, если они непреднамеренно искривляются или перекручиваются — это деформация. В данной статье мы концентрируем внимание на нежелательной и неумышленной деформации.
Существует множество причин, по которым детали, вырезанные лазером, могут деформироваться, но в основе этого процесса лежит нарушение баланса внутренних напряжений в материале. Большинство материалов сохраняют свою форму (будь то плоская или изогнутая) благодаря специфическому распределению напряжений. Если возникает дисбаланс, форма детали изменяется до достижения нового состояния равновесия. Такой дисбаланс может быть вызван неравномерным изменением напряжений или удалением части напряжённого материала.
Если это звучит запутанно, представьте себе целенаправленное сгибание листового металла. Принцип тот же: плоская деталь остаётся плоской, пока внутренние напряжения равномерно распределены. Чтобы придать детали постоянный изгиб, материал деформируют настолько, чтобы внутри возникли дополнительные напряжения. Затем материал немного возвращается назад, достигая нового баланса. Именно поэтому для получения, например, изгиба под 90 градусов, обычно нужно согнуть материал чуть больше 90 градусов, а затем позволить ему вернуться к нужному углу. Для деформации механизм тот же, разница лишь в том, была ли перемена формы запланированной или случайной.
Рассмотрим более конкретные примеры.
Как уже упоминалось выше, механические напряжения могут привести к деформации детали. Например, неравномерное затягивание болтов может вызвать деформацию. Если вы когда-либо затягивали гайки на колесе автомобиля, вы знаете, что их нужно затягивать равномерно, иначе можно повредить диск. Такая деформация может быть как постоянной (после снятия нагрузки форма не восстанавливается), так и временной (после снятия нагрузки деталь возвращается к исходной форме). Разница между ними определяется тем, превышают ли приложенные усилия предел текучести материала. Подробнее о прочностных характеристиках смотрите на нашей странице материалов.
Яркий пример деформации из-за механических напряжений — процесс выемки деталей после лазерной резки (денестинг). Если материал очень тонкий или детали мелкие, бывает сложно аккуратно извлечь их без малейших искажений. Мы всегда стараемся обращаться с деталями максимально бережно, но иногда незначительная деформация неизбежна.
Для некоторых форм, размеров и технологических процессов применяются технологические перемычки. Это небольшие участки материала, которые нарочно не прорезаются, чтобы удерживать деталь до завершения резки. После окончания процесса перемычки можно аккуратно срезать или переломить. Важно, чтобы они были достаточно прочными для удержания, но не мешали отделению детали. Хрупкие детали чаще всего подвержены деформации при удалении перемычек.
Изменения температуры также могут вызывать деформацию. Обычно материалы расширяются при нагреве и сжимаются при охлаждении. Если нагрев или охлаждение происходит неравномерно, это может привести к неравномерному расширению/сжатию и, как следствие, к деформации детали. Для многих материалов, особенно металлов, коэффициент теплового расширения можно узнать из справочников. Если соединить, например, сталь и алюминий и нагреть их, они будут расширяться с разной скоростью, что приведёт к деформации, даже если нагрев равномерный.
Особенно подвержены термической деформации тонкие материалы. При сварке детали быстро нагреваются до очень высоких температур, а затем сжимаются при охлаждении, что может вызвать деформацию. Вы, возможно, замечали, как плоская панель, оставленная на солнце, нагревается неравномерно и выгибается. То же самое иногда случается с противнем в духовке при увеличении температуры — форма детали и условия нагрева могут вызвать неравномерное расширение.
Деформация, возникающая из-за снятия внутренних напряжений, — самая распространённая при лазерной резке. Хотя термические напряжения тоже могут быть причиной, лазерная резка происходит столь быстро и локализованно, что тепловое влияние на деталь минимально. Основная проблема возникает тогда, когда из плоского листа удаляется значительный объём материала. Чем больше процент вырезанного материала, тем выше риск нарушения баланса внутренних напряжений и, соответственно, деформации. Обычно после удаления примерно 50% площади вероятность деформации резко возрастает.
Это справедливо не только для лазерной резки, но и для гидроабразивной резки, фрезеровки, плазменной и других видов обработки. Чем больше материала удаляется, тем выше риск, особенно если внутри материала изначально были значительные напряжения.
Чтобы лучше понять происхождение внутренних напряжений в новых, плоских листах, необходимо обратиться к процессу производства и транспортировки материалов. Обычно металлы отливают в жидком виде, а затем прокатывают через вальцы до нужной толщины. Для удобства транспортировки большие листы скатывают в рулоны (как булочку или буррито).
Возможно, вы видели такие огромные рулоны на грузовиках. Однако конечному потребителю материал поступает в виде плоских листов, которые нужно снова распрямить. При этом процесс литья создаёт термические напряжения при охлаждении, прокатка — механические напряжения, а скручивание и последующее распрямление добавляют новые внутренние напряжения.
Та самая красивая плоская металлическая пластина, подготовленная к лазерной резке, на самом деле пронизана множеством внутренних напряжений, которые находятся в балансе, позволяя детали сохранять форму. Если этот баланс нарушается, деталь может неожиданно деформироваться.
Это касается металлов. А как обстоит дело с другими материалами, например, с фанерой или МДФ? Источники внутренних напряжений в них иные, однако напряжения всё равно присутствуют. Оба материала изготавливаются путём склеивания древесных компонентов, а натуральная древесина редко бывает идеально прямой и однородной. К тому же древесина пористая и сильно реагирует на влажность. Если сталь при контакте с влагой ржавеет, то дерево впитывает воду и разбухает. Даже разница влажности между летом и зимой способна вызвать деформацию незащищённой древесины, особенно если она намокает неравномерно. Если вы выбирали в магазине относительно прямую доску среди кривых, то видели, как дерево деформируется.
Фанера обычно собирается с чередованием направления волокон, что делает её более стабильной по сравнению с массивной древесиной. МДФ — это мелкая древесная стружка, плотно спрессованная и склеенная, благодаря чему материал однороден и стабилен, однако остаётся очень уязвимым к влаге из-за множества микроскопических пор.
А как насчёт пластиков, таких как UHMW, ABS, HDPE? Пластики состоят из длинных переплетённых полимерных цепочек, что придаёт им прочность, но также приводит к возникновению внутренних напряжений, аналогичных рассмотренным выше.
И, наконец, композиты. Что такое композит? Это материал, состоящий из нескольких компонентов, объединённых между собой. Например, углеволокно и G10 — это переплетённые волокна, пропитанные и застывшие в смоле. ACM (алюминиевый композит) — это пластиковая сердцевина между двумя алюминиевыми листами. Композиты могут сочетать лучшие свойства своих компонентов, но при этом также обладают внутренними напряжениями и могут деформироваться из-за разницы в термическом расширении составляющих.
Итак, мы рассмотрели основные причины возникновения деформации. Что можно сделать для её предотвращения? Иногда избежать деформации невозможно, но есть способы снизить вероятность её появления.
При лазерной резке плоских панелей чем больше материала удаляется с определённого участка, тем выше вероятность деформации. Решётчатые и длинные тонкие формы особенно склонны к деформации. Как отмечалось выше, после удаления примерно 50% площади шанс деформации резко возрастает. Если возможно, старайтесь уменьшить вырезаемую площадь, хотя иногда этого требует конструкция.
Перед резкой мы вручную проверяем каждый проект на предмет риска деформации. Если считаем, что деталь сильно подвержена деформации, мы связываемся с вами для обсуждения вариантов. Бывает, что одинаковая деталь при каждой резке ведёт себя по-разному: однажды остаётся ровной, а в другой раз деформируется. Нам, например, потребовалось несколько попыток, чтобы специально получить деформированные детали для фотографий к этой статье. Поскольку внутреннее напряжение материала заранее определить трудно, иногда невозможно предсказать, деформируется ли деталь.
Если вы планируете вырезать большой процент площади, обратите внимание на ширину соединительных перемычек. Более широкая окантовка или перемычки могут помочь удерживать детали плоскими. Гарантировать отсутствие деформации это не может, но повысит шансы. Для соединительных перемычек рекомендуемая ширина — около двух толщин материала. Чем их больше, тем лучше, иногда можно использовать и более тонкие участки.
Иногда замена материала может снизить риск деформации. Нержавеющая сталь чуть чаще деформируется по сравнению с обычной сталью или алюминием. Композитные материалы обычно хорошо сопротивляются деформации и сохраняют высокую прочность при малом весе.
Что делать с уже вырезанными деталями? Если вы собираетесь варить детали, старайтесь равномерно прогревать их, по возможности производить сварку с обеих сторон, чтобы компенсировать термическое сжатие и снизить деформацию. При множестве швов старайтесь минимизировать нагрев, давая деталям остывать между проходами или чередуя места сварки, чтобы тепло распределялось равномерно.
Увеличение жёсткости конструкции также помогает снизить риск деформации. Плоский лист более подвержен деформации, чем лист с загнутым краем, рёбрами или выштамповкой. Подробнее о способах увеличения жёсткости читайте в нашей статье о толщине материала.
Если ваши детали будут подвергаться перепадам температуры, равномерная толщина или одинаково открытые участки помогут им нагреваться и остывать более равномерно.
Если детали изготовлены из дерева, полная герметизация поможет снизить впитывание влаги. Также рекомендуется обеспечить равномерное воздействие воздуха, чтобы детали впитывали влагу одинаково.
Деформация детали не всегда делает её непригодной к использованию. В зависимости от назначения, деформированная деталь может остаться функциональной. Иногда достаточно просто вручную вернуть ей нужную форму.
При сборке детали могут сами принять правильную форму за счёт взаимодействия с другими элементами конструкции. В частности, сборки из листового металла часто «выправляются» после соединения. Например, штампованные части кузова автомобиля по отдельности могут быть неидеальными, но при сборке вся конструкция становится жёсткой и ровной. Однако не во всех случаях деформация устраняется при сборке, поэтому иногда требуется принимать дополнительные меры.
Если во время лазерной резки происходит значительная деформация, существует риск столкновения режущей головки с деталью, что может привести к повреждениям как детали, так и оборудования. Лазерная головка расположена очень близко к материалу, поэтому даже небольшое искривление может стать проблемой. Мы стараемся вовремя выявлять такие случаи. Если ваши детали всё-таки деформируются при резке, мы свяжемся с вами для обсуждения возможных решений.
Отдельно отметим, что деформированные детали часто нельзя обработать на нашем оборудовании для удаления заусенцев из-за особенностей его работы с поверхностью материала.
Деформация при лазерной резке, как правило, нежелательна, но не всегда делает деталь бракованной. Причина деформации заключается в нарушении баланса внутренних напряжений — из-за появления новых напряжений (механических или термических) либо удаления части существующих.
Точно предсказать, деформируется ли деталь, практически невозможно, однако в этой статье мы рассмотрели основные признаки и способы минимизации рисков.
Во многих случаях деформированную деталь можно исправить или использовать как есть. Мы всегда стараемся заранее предупредить, если есть риск деформации в вашем заказе. Если детали всё-таки деформируются при резке, мы обязательно свяжемся с вами для поиска решения.
Надеемся, эта информация поможет вам лучше понять, почему возникают деформации при лазерной резке, и что вы можете сделать для их предотвращения на этапе проектирования.
