On olemassa monenlaisia työasematyyppejä ja ne voidaan jaotella useammalla eri tavalla. Laserleikkauskoneet jaotellaan usein leikkausoptiikan liikutustavan mukaisesti.
Optiikan liikutustapoja ovat lentävä eli liikkuva optiikka, kiinteä optiikka ja näiden yhdistelmät. Yleisin laserleikkauslaitteistotyyppi on lentävän optiikan laitteisto, kuva 1.
Tavallisesti laserleikkaus tapahtuu tasossa ja leikkauskoneet ovat tasoleikkauskoneita.
Työasemilla on yhdestä kuuteen liikeakselia, joiden määrä riippuu valmistettavien tuotteiden geometriasta ja työaseman rakenteesta. Tasoleikkauskoneet ovat normaalisti 2D-koneita. Niin sanotussa 2½D-koneessa on vähintään neljä synkronissa liikkuvaa liikeakselia ja kolmiulotteisessa työstössä käytettävä työasemalla on oltava vähintään viisi liikeakselia. (Kujanpää et al. 2005, s. 94.) On olemassa myös työasema,
jossa liikutetaan työaseman tasoa eli pöytää, jolla leikattava kappale on (Ion, 2005, s.
125).
Kuva 1. Lentävän eli liikkuvan optiikan laserleikkauslaitteisto (Kujanpää et al. 2005, s.
93).
Nopea ja tarkka työstö yleensä määrittelee vaatimukset työaseman rakenteelle.
Tiukimmat vaatimukset asettavat peileillä tapahtuva säteen ohjaus, osan suuri koko ja tarkkamittaisuus sekä työstön tapahtuminen suurella nopeudella sekä kiihtyvyydellä.
Lasertyöasemalta vaadittavia ominaisuuksia Veli Kujanpään (2005, s. 94-95) mukaan ovat:
”Runkorakenne:
o stabiili, muotoaan muuttamaton ja värähtelyjä vaimentava o tukevat perustukset.
Liikkuvat osat:
o kevyt, mutta jäykkä, muotoaan muuttamaton ja värähtelyjä vaimentava rakenne
o hyvä dynamiikka, riittävän tehokkaat moottorit, suuret kiihtyvyydet ja nopeudet
o tärinät ja värinät huomioitu
o säteenohjauspeilit pysyvät tarkasti asemassaan. Pelkkä polttopisteen
(työkalupiste) tarkkuus ei riitä.
Ohjain:
o riittävän nopea, jotta se ei hidasta työstöä
o online- ja offline -ohjelmointi-, CAD/CAM- ja simulointivalmiudet
o 5-akselinen transformaatio 3D-työskentelyyn
o käytettävät lisäakselit, esim. pyörityspöytä, integroituna ohjaimeen o laserin toimintojen ohjaus integroituna työaseman ohjaimeen
o oheislaitteiden toimintojen ohjaus integroituna työaseman ohjaimeen o riittävät mahdollisuudet laajentaa kokonaisuutta ja lisätä oheislaitteita o integroitavuus turvalaitteisiin
o taipumien ohjelmallinen kompensointi
o NC-ohjain tai PC-pohjainen ohjain. NC-ohjaimet ovat standardisoituneempia ja suljetumpia, PC-pohjaiset ratkaisut yleensä halvempia ja avoimempia tapauskohtaisille muutoksille.
Optiset ominaisuudet:
o säteen ominaisuudet mahdollisimman vakioita koko työalueella o säteen polarisointi, sovelluksen mukaan
o säteen kollimointi, mikäli raakasäteen kulkema matka kasvaa suureksi o polttopisteen korkeuden automaattinen säätö
o säde ja säteenohjauspeilit on suojattava epäpuhtauksilta ja työturvallisuusriskeiltä, tarvittaessa säteen reitti suojakaasuun (N2).”
2.1.1 Työstöliikkeet
Suunniteltaessa työaseman hankintaa on harkittava, mitkä ulottuvuudet ja ohjelmoitavat akselit ovat tarpeellisia. Tähän vaikuttavia asioita ovat kappaleen dimensiot ja työstöliikkeen geometriat. Myös halutulla automaatiotasolla on vaikutusta valintaan. Ylimääräiset akselit nostavat hintaa tavoiteltaessa yleispätevää konetta toteuttamaan useiden erilaisten kappaleiden valmistus. Taloudellisesti kannattavampaa saattaakin olla eri muodoille, vaiheille ja tuotteille omien yksinkertaisempien erillisten työasemien hankinta. Peilejä sisältävän työaseman hankinnassa on hyvä pitää mielessä myös tehohäviöt. Jokainen peili absorboi uutena 1-3 % lasersäteen tehosta ja vanhuuttaan peileistä tulee vielä enemmän tehohäviöitä. (Kujanpää et al. 2005, s. 95.)
2.1.2 Taso- ja 3D-leikkaustyöasemat
Liikkuvan pöydän työasema on yksinkertaisin tapa ohjata leikkausprosessia. Pöytä liikkuu x-y-tasossa ja lasersäde on fokusoitu tiettyyn pisteeseen ja kappaletta liikutetaan. Lineaarimoottoreilla toteutetut liikkeet pystyvät jopa viiden g:n (n. 49 m/s2) kiihtyvyyksiin. Kiihtyvyyksiä rajoittaa pyödän massa. Laserlähteelle ei periaatteessa ole kokorajoituksia. Leikattavan kappaleen kiinnitys toteuttaa esimerkiksi luomalla
leikattavan kappaleen alle tyhjiö, joka pitää kappaleen kiinni pöydässä. (Ion, 2005, s.
125.)
Liikkuvan työkappaleen asemalla tarkoitetaan työasemaa, jossa lasersäde tuodaan leikkausoptiikalle laserista esimerkiksi yhdellä peilillä, fokusoidaan tiettyyn pisteeseen ja leikkaus tapahtuu kappaletta liikuttelemalla. Tämän tyyppinen laserleikkaustyöasema on usein yhdistetty niin sanottuun ”kombikoneeseen”, joka sisältää laserleikkausominaisuuden lisäksi perinteisen mekaanisen lävistyskoneen.
Laserleikkaamalla toteutetaan monimutkaiset ja suuret muodot. (Kujanpää et al. 2005, s. 95.)
Liikkuvan työkappaleen työasemaa voidaan käyttää esimerkiksi suurien laserlähteiden lasersovelluksissa. Leikattavien kappaleiden koot ovat suhteellisen pieniä, jotta niitä voidaan liikutella halutulla tarkkuudella. Työaseman rakenteen yksinkertaisuus sekä lasersäteen kulkuradan ollessa vakio, antaa liikkuvan kappaleen työasema suunnittelijalle mahdollisuuden minimoida peilien määrän ja eliminoida muuttuvat pituudet säteen kuljetuksessa. (Ion, 2005, s. 125.)
Liikkuvalla optiikalla savutetaan joustavuutta ja tilansäästöä. Näihin koneisiin on usein liitetty myös vaihtopöytä, jossa leikattava levy voidaan vaihtaa automaattisesti. Tällä saavutetaan leikattujen kappaleiden ja romun poisto työaseman ulkopuolella leikkausprosessia pysäyttämättä. (Kujanpää et al. 2005, s. 95.)
3D-työasemia on olemassa kahta erilaista tyyppiä, niin sanotut portaalityöasemat ja robotin käyttöön perustuvia ratkaisuja. Molemmissa on periaatteessa mahdollista käyttää CO2- ja kuitulaseria. Erityisesti kuituoptiikan edut tulevat esille molempien työasemien käytössä. Varsinkin suurten kappaleiden leikkaamisen toteuttaminen on helpompaa kuituoptiikan ansiosta, koska CO2-laserin säteenohjausoptiikka sekä ylimääräinen optiikka vakioimaan säteen halkaisijaa ja energiajakaumaa hankaloittavat liikkeiden toteuttamista. (Kujanpää et al. 2005, s. 97.)
3D-lasertyöasema tuo muutamia lisävaatimuksia työaseman rakenteelle verrattuna tasoleikkauksessa käytettävään työasemaan. Kujanpään (2005, s. 98-99) mukaan näitä vaatimuksia ovat:
• ”3D-työstö asettaa tiukemmat vaatimukset sädeturvallisuudelle ja työasemassa on oltava myös katto.
• Työaseman on oltava jäykempi kuin tasokoneen.
• Nopea ohjaus eli CAD/CAM ja offline -ohjelmointi ovat välttämättömiä ominaisuuksia, ohjelmointi on voitava suorittaa myös opettamalla (online). Simulointi helpottaa huomattavasti työstön ohjelmointia. Työaseman akseleiden on oltava toisistaan riippumattomia, mutta niiden on toimittava synkronissa keskenään niin, että työstöliike on hallittu.
• Leikkauspään on oltava riittävän hoikka kyetäkseen esim.
viisteiden leikkaukseen ja varmistaakseen luoksepäästävyyden.
• 3D-työstöissä on huomioitava prosessipään tilavaatimukset.
• Optinen railonseuranta edellyttää ohjainta, joka sallii työstöradan korjauksen.
• Ohjaimen on kyettävä kapasitiiviseen korkeudenseurantaan myös 3D leikkauksessa eli kyettävä käytettävien akseleiden suhteessa oikein suoritettuun korjausliikkeeseen.”
Robottien käyttö lasertyöstössä tarvittavan liikkeen toteuttajana on jatkuvassa kasvussa. Nivelvarsirobottien käyttö on helpottunut uusien resonaattorityyppien yleistyessä markkinoilla. Kuituoptiikan ja kuitulaserin käyttö on helpottanut säteen tuomista laserpäähän. Laserlähteen ollessa tarpeeksi pieni on sen kiinnittäminen mahdollista itse nivelvarsirobottiin, sen käsivarteen. Tätä käytetään esimerkiksi alle kilowatin tehoisissa CO2-lasersovelluksissa. Kiinnittäminen käsivarteen mahdollistaa helpon ja yksinkertaisen säteenkuljetuksen, jolloin säteenlaatu säilyy hyvänä. Toinen mahdollisuus toteuttaa CO2-laserlähteen kiinnittäminen robottiin on kiinnittää se kolmannen nivelen yhteyteen ja tuoda säde peilejä käyttäen työstöoptiikalle. Tällainen menettely on myös mahdollista kuituoptiikkaa käyttäen. Laserlähteen sijoittaminen lähelle työstöpäätä parantaa säteenlaatua ja keventää työstöoptiikasta johtuvaa taakkaa robotin käsivarressa. (Kujanpää et al. 2005, s. 101.)