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激光远程切割织物
Annett Klotzbach，Achim Zinke

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除了传统的冲裁和机械切割技术，飞行光路激光切割系统又为工业切割提供了新的选择。对纺织物、聚合物薄膜或其他一些复合材料的切割，越来越需要更具柔性、成本效率更高的加工技术。从当今的市场趋势中不难发现，机械模切正逐步被激光切割所代替，也就是所谓的数控模切。与传统的模切系统相比，激光切割技术具有很多优点，主要原因是激光切割不需要模具。由此避免了购买各种模具的成本，或制造模具产生的延期。另外，机械模切系统还存在许多自身的局限性，这源于其通过切割工具与材料之间的物理接触进行加工的特性。不需模具的激光切割系统还能灵活加工薄片型的材料，这也是它的另一大优点。以上可以解释为何激光切割系统能带来更高的生产效率。与激光切割的金属材料相比，织物的熔点更低，因此对激光束的强度要求不高，只要功率在几百瓦的连续波激光器都能用。然而，目前的开发主要集中在如何提高切割速度以降低循环时间上。除了要减少循环时间外，激光切割在改善生产效率及其加工技术本身还是存在很多优点的。因为激光切割是一种热分离过程，加快切割的速度可以减少切口附近积累的热量。典型的激光切割机是一种能令激光束、材料板件（或两者），同时在XY轴坐标上移动的龙门加工系统。由于这种结构，作用在物体上的激光焦点在加工小轮廓、弧形或几何图形时，必须降低加工速度或光束路径的精度。一些生产商采用了克服这种局限性的一些方法，例如他们将重轴驱动器与刚性的机器结构结合，将轻质机器结构和纤维增强材料部件或多层切割技术（2-30层的织物同时切割）相结合。德国弗劳恩霍夫材料和光束技术研究所的科学家指出了上面解决方案的局限性，并进行了相关的研究，以证实用于激光打标的振镜技术是否也能被用于激光切割织物。新的解决方案：远程技术为解决机械动态性受限的问题，需要采用高动态的光束偏转，由电机驱动的可移动的反射镜可以对光束进行定位。由于这些反射镜重量轻，可通过光学扫描振镜进行操作，即使在高切割速度的情况下，光束的移动定位也能保持精准。最高能实现10g的加速度。这样的动态性能仅在无切割气体的情况下可以实现，在切口上的残余材料需要被完全气化掉。远程加工特别采用带连续波辐照的激光器，其激光功率可达到数千瓦。工作行程最大能达到2米，加工区域能达到1米×1米。更高的激光功率与更长焦距相结合，提供了更高的光束质量，因此在织物加工中能实现每秒切割数米的切割速度。高效生产安全气囊如今，越来越多的汽车都安装了各种各样的安全气囊，以保证乘客的安全。这些五花八门的安全气囊需要用到高度灵活及高效的系统工程。安全气囊部件的切割多半是在需要辅助气体的激光切割下完成的。由于是热切割，所以加工通过织物边缘融化实现，没有磨损。近几年来，由于多层切割系统的发展，激光织物切割的生产效率得到了极大地提高，能同时切割最多30层。然而，这项技术非常复杂，因为分离出单独的层是绝对必需的，尤其是该层可能已经被夹层分开过。因此，每一层的切割质量是不同的，根据质量要求，需要适当减少层的数量。由于多层切割存在一些缺陷，科学家们开始寻找新的制造解决方案，如远程激光切割技术。常见的远程系统由扫描光学元件组成，将其安装在被加工材料上方。通过扫描镜片来控制光点的运动。操作距离、加工范围、焦距间的关联比较复杂，而且能加工到的材料范围也会影响最终结果。现有一项由德国Held Systems公司研发的技术——连续移动扫描光学元件下方的织物，并来回摆动扫描光学振镜，以覆盖到整个的织物范围。这项技术使得即使在只有一个扫描头和一台激光器的情况下加工宽度很大的织物也能成为可能。图1描绘了该设备的概念图，该技术已由德国弗劳恩霍夫材料和光束技术研究所开始工业化。现在，新一代的安全气囊激光切割系统诞生了，它的体积小，具有灵活性而且生产效率高。（图片）图1、一种新系统可使织物在光学扫描仪下方连续不断地移动，通过来回摆动光学扫描镜片，实现整个材料宽度区域内的加工。图2展示了Held CONTILAS 2500 2Sc系统，它包含以下各种部件：带换辊装置的松紧单元，用于连续传输织物的材料进给装置，通过切割区域的织物传输带，一个封闭的带有排气系统的安全加工区域，一个或以上2kW二氧化碳板条激光器，一个或以上工作区域达到1平方米的高功率光学扫描头。（图片）图2、CONTILAS 2500 2Sc代表了全新一代的安全气囊激光切割系统，它具备高度紧凑的外形，具有灵活性，生产效率高。通过使用这种机器进行单层切割，可以不用在织物层之间添加其他单独的材料（锡箔，纸），也减少了人员分离这些材料的时间。即使是单层激光切割，若采用两个扫描头系统，其输出功率相对单个扫描头能提升10%-100%，具体取决于切割的轮廓和长度。与多层切割系统相比，机器的占地减少到1/3，嵌套达到7米长。该机器比多层加工系统更牢固，它配备了交换桌和排气系统。切割安全气囊 Held CONTILAS 2500 2Sc机器的概念是具有优异的可扩展性和模块化。此外，它可以切割一次成型的单片织网材料（OPW）。这种气囊的生产是一种多层加工技术，能同时缝制多层织物材料，这也呈现了未来气囊技术的发展趋势。对单片织网切割机来说，重要的挑战就是需要能自动修复面料的不平整，比如收缩或变形。物体上的参照点需要通过拍摄系统获取，然后操作软件对监测到的位置进行分析，针对实际的物体属性重新计算光束的运行轨迹。优化离线工艺的运动计划工具将多轴系统与不同的机械、动态属性相结合，需要高智能的运动分割。在此，最高的物料速度是主要的考虑因素。将激光束移动的参考路径在扫描头轴向运动和数控主轴运动之间进行分割，可以在被切割的不同部分之间以最短的时间定位。一款配备CAD/CAM功能的离线软件系统就是为CONTILAS技术专门开发的，可供用户独立开发任何嵌套排样，及机器的运行路径程序（见图3）。通过图形互动菜单导航，可以将不同的切割轮廓进行分段，其他的技术参数，比如切割速度和激光输出功率也得到定义。这种优化的计算程序已经被成功运用到其他一些有冗余轴系统的机器中。（图片）图3、一种具有CAD/CAM功能的离线软件系统，可供用户独立开发嵌套排样，并设计激光切割的路径程序。结论远程飞行切割技术使加工各种轮廓和不同宽度的材料成为可能。通过将不同的动态和机械参数与轴系统相结合，可以进一步改善该技术，这样，与传统的切割技术（如冲裁或机械切割）相比，激光切割技术更具优势。这项系统概念可将受到空间限制的高动态光束反射技术移植到更广阔、平坦的应用领域，比如：柔性薄膜切割，皮革或纸张的切割，焊接热交换器板，切割覆盖面料和填料。 4/19/2010


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