Massiefkarton snijden met een Laserstraal  


Heden ten dage is het mogelijk om met behulp van laserstralen met grote precisie talloze taken uit te voeren zoals:

Oogoperaties

Verwijderen van tatoeages en overmatige haargroei

Snelheid meten

Richten van wapens

Identificeren van elementen en hoeveelheden in afvalwater

Barcodes inlezen

Uitlijnen van machines

Snijden van hout en metaal

Enz. enz.

 

Wat is Laser?

Laser is een afkorting van de Engelse term “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” of in gewoon Nederlands “Lichtversterking door gestimuleerde uitzending van straling”.

Laserstralen zijn elektromagnetische stralen met dezelfde golflengte; zij planten zich in fase en in dezelfde richting voort.

Een ingenieus systeem wekt een sterk geconcentreerde lichtbundel op die zich voortplant met een snelheid van 300.000 km/sec en tot op grote afstand een grote energie per oppervlakte eenheid heeft.

Voor het snijden van materiaal richt men deze lichtbundel op het materiaal waardoor dit op de plaats waar het wordt geraakt zeer snel zal opwarmen, vloeibaar worden en/of verbranden.

Door het toevoeren van een niet brandbaar gas onder druk blaast men de vloeibare massa en/of de verbrandingsproducten weg waardoor een snede ontstaat.

 

Omdat in allerlei industrieën gebruik gemaakt wordt van lasertechnieken om diverse materialen te bewerken ligt het voor de hand zich af te vragen of papier c.q. karton ook met behulp van lasertechniek kan worden bewerkt.

Gedacht werd hierbij aan het snijden van een “tip” aan de kartonbaan bij het handmatig doorvoeren van de kartonbaan tijdens aanvang van de productie of na breuk.

Een logische vervolgstap zou dan het snijden van gereed product zijn zoals dat nu op de langssnijder gebeurt.

 

Hierbij kan men zich de volgende vragen stellen:

Tot welk gramgewicht kan karton worden gesneden en wat is de maximale snijsnelheid?

Wat is het maximale vochtpercentage waarbij gesneden kan worden?

Welk vermogen is nodig?

Wat is de kwaliteit van de snit?

Hoe ziet het oppervlak van het karton er naast de snit uit?

Is het economisch haalbaar met laser te gaan snijden?

 

Om op deze vragen een antwoord te krijgen is in de zomer van 2001 een onderzoek gestart waarbij de firma Huge*Laser B.V., Millvision en Smurfit Solidpack aan meewerkten. Tegenwoordig is de naam Smurfit Solidpack gewijzigd in Solidpack B.V.

Er werd gebruik gemaakt van apparatuur van de Universiteit Twente in Enschede.

Het onderzoek bestond uit het verzamelen van kartonmonsters met verschillend gramgewicht.

De snijproeven zijn met een CO2-laser, met een maximaal vermogen van 1700 Watt, uitgevoerd.

Het betreffende karton is in een afmeting van ca. 30 x 30 cm op een draaitafel met een diameter van ca. 30 cm geplaatst.

De laserbundel wordt met een lens met een brandpuntsafstand van 100 mm op het kartonoppervlak gefocusseerd. De minimale spotdiameter bedraagt ongeveer 0,25 mm.

Bij de proeven wordt de laserbundel 50 mm uit het midden van het draaiplateau geplaatst..

Via een nozzle met een uitstroomopening van 2 mm, die bij het lasersnijden 2 mm boven het kartonoppervlak is ingesteld, wordt een snijgas met een in te stellen druk toegevoerd.

De omwentelingssnelheid van de draaitafel wordt ingesteld en vervolgens wordt de verplaatsing van de laserbundel gestart over een ingestelde afstand van 70 mm met een ingestelde snelheid.

Gelijktijdig met de verplaatsing wordt het ingestelde vermogen van de laserbundel aangezet.

Het resultaat is dat op het karton een spiraalvormige baan wordt beschreven, waarbij de omtreksnelheid met toenemende verplaatsing toeneemt.

In onderstaande figuren is de uitvoeringswijze schematisch aangegeven. 


 

De parameters werden op een wijze ingesteld, zodat in het algemeen de laserbundel in het begin het karton zal doorsnijden en aan het einde niet of slechts ten dele.

Op de spiraalbaan is de plaats bepaald, waar voor het eerst het karton niet volledig is doorsneden (L1) en waar dat voor de tweede keer plaats vindt (L2).

Voor deze plaatsen is m.b.v. V = 2.L.π.N de omtreksnelheid uitgerekend.

Een overzicht van de proeven met de bepaling van de omtreksnelheden is in de tabel hieronder gegeven.

 

Karton

Proefnr.

P [W]

N [rpm]

Vverpl.

[mm/s]

Gas

Pgas [bar]

focus

L1 [mm]

L12 [mm]

V1max [m/min]

V2max [m/min]

Vgem. [m/min]

1100

1

1700

300

50

lucht

1

0

77,0

78,0

145,1

147,0

146

1576

1a

1700

250

50

stikstof

1

0

63,0

68,5

99,0

107,6

103,3

 

1b

1700

250

50

lucht

1

0

68,0

69,0

106,8

109,2

108,0

 

2

1700

250

50

Argon

1

0

70,5

71,0

110,7

11,5

111,1

 

3

1700

250

50

lucht

1

0

66,8

67,0

104,9

105,2

105,0

1611

1

1700

200

50

lucht

1

0

74,0

80,5

93,0

101,1

97,0

2072

1

1700

200

50

lucht

1

0

67,5

69,5

84,8

87,3

86,0

 

2

1700

200

50

lucht

1

1,25

49,0

50,0

61,6

62,8

62,2

 

3

1700

100

25

lucht

1

2,5

90,0

90,3

56,5

56,7

56,6

2476

1

1250

200

50

lucht

1

0

50,7

50,75

63,7

63,8

63,7

 

2

1600

200

50

lucht

1

0

58,0

58,5

72,9

73,5

73,2

 

3

1700

200

50

lucht

1

0

55,5

63,5

69,7

79,8

74,7

 

4

1700

200

50

lucht

1

0

58,0

58,5

72,9

73,5

73,2

 

5

800

100

25

lucht

1

0

55,0

58,0

34,6

36,4

35,5

2499

1(wv)

1700

150

50

lucht

1

0

70,5

75,0

66,4

70,7

68,5

2556

1(PE)

1700

150

25

lucht

1

0

52,5

66,0

49,5

62,2

55,8

3366

1

1700

100

25

lucht

1

0

73,5

75,0

46,2

47,1

46,6

De volgende analyses zijn uitgevoerd:

Vergelijking van de snijsnelheid voor alle kartonsoorten bij 1700W, lucht van 1 bar als snijgas en met het focus op het oppervlak (grafiek 1)

De invloed van het laservermogen op de snijsnelheid voor de kartonsoorten met een gewicht van 1200 en 1250 gr/m²  (grafiek 2)

Voor karton 1576 is de invloed van het soort snijgas bij 1 bar vergeleken (Grafiek 3)

De invloed van de focuspositie, boven het oppervlak is voor karton 2072 onderzocht

 

 

Doordat het karton op een gesloten draaitafel is geplaatst, kon het snijmateriaal niet door de snede worden weggeblazen, waardoor aanzienlijke contaminatie van bovenzijde en onderzijde van karton heeft plaats gevonden.

Grafiek 1

Grafiek 2

Grafiek 3

Grafiek 4

 

Door bovenstaande gegevens wiskundig te bewerken zijn meerdere grafieken te genereren waaruit verdere conclusies kunnen worden getrokken, maar het voert te ver om deze hier te publiceren.

 

 

 

In het algemeen kan bij benadering de relatie tussen materiaaldikte t, snijsnelheid V en laservermogen P worden benaderd door de formule:

 

V . t = a . P

 

Waarbij a een soort materiaalconstante is.

 

I.p.v. de materiaaldikte t kan met benadering ook het gramgewicht G worden genomen:

 

V . G = a . P

 

Uit grafiek 4 kan worden afgeleid dat voor G=750 de waarde 1/V=0,01 of V=100, waardoor V .G = 100 . 750 = 75.000 en met P = 1700 is a=44,1

 

 

Uit grafiek 2 kan worden afgeleid dat voor V=80 voor P is 1700 en met G = 1200 wordt a=56

 

Bij benadering zal de relatie tussen G, V en P zijn:

 
G . V = 50 . P

 

Effecten tijdens de proeven

 

Bij gebruik van een open snijtafel vindt geen vervuiling plaats aan de onderzijde van het karton.

De bovenzijde is sterk vervuild door verbrandingsproducten wat echter bij grijs karton niet opvalt.

Dicht bij de snijkant bevindt zich een verkleuring die niet of nauwelijks verwijderbaar is.

De invloed van snijgassen anders dan lucht en snijdrukken anders dan 1 bar kon niet of nauwelijks worden aangetoond.

Het nat maken van de monsters heeft tot gevolg dat de snijsnelheid lager wordt. Het maximale vochtpercentage werd geschat op 50 %, wat aanzienlijk hoger ligt dan in de praktijk voorkomt.

Kwaliteit van de snit is hoog.

 

 

Conclusie

Grijs karton is in alle praktijksituaties goed te snijden wat vooral bij gebruik als “Spitzensnijder” belangrijk is en waar vervuiling van karton geen rol speelt.

Eindproduct is wel te snijden maar gezien de vervuiling van het kartonoppervlak is dit karton niet meer geschikt voor verkoop aan klanten.

Met een vermogen van 2400 Watt is elke kwaliteit karton bij elke bij Smurfit Solidpack optredende baansnelheid, nu en in de toekomst, te snijden.

 

Hiermee kunnen we concluderen dat laser alleen geschikt is voor het gebruik als “spitzenschneider” zonder dat afbreuk wordt gedaan aan de kwaliteit van het karton.

 

 

Economische haalbaarheid

 Het rendement van een laser ligt op ca. 10% wat betekent dat voor een 1700 Watt laser, 17000 Watt vermogen uit het net nodig is.

Bovendien ligt de aanschaf van een laser van dit vermogen rond de € 90.000,-- nog afgezien van de bouwkundige kosten die met de installatie gepaard gaan.

Productieverhoging door de inzet van een laser is niet aan de orde daar gebruik meestal plaats vindt tijdens met de hand doorvoeren van de kartonbaan bij gematigde of doorvoersnelheid.

 

Elke 10.000 uren bedrijfstijd van de laser dienen de wisselplaten te worden vervangen waarvan de kosten momenteel zo’n € 11.400,-- bedragen.

Ten aanzien van de veiligheid moet men, bij een laser van genoemd vermogen, rekenen op vergaande veiligheidsmaatregelen om oogletsel te voorkomen.

 

Gezien het bovenstaande is het economisch (nog) niet verantwoord een lasertoestel aan te schaffen met het doel daar karton mee te snijden.