Master's Thesis

Design and realization of CO2 laser with power up to 100W

Final Thesis 5.42 MB

Author of thesis: Ing. Jakub Šrenk

Acad. year: 2020/2021

Supervisor: Ing. Martin Slaný, Ph.D.

Reviewer: Ing. Jaromír Dvořák, Ph.D.

Abstract:

This work is focused on the problematics of small CO2 lasers and their possible use for commercial production. The first part describes devices available on the market and evaluation of their parameters. The practical part specifies the parameters that arise from the potential use of technology. Based on these parameters, design of the machine and its complete mechanical design are elaborated. Furthermore, the experimental part deals with the design of structural components, control system, electrical systems and in general a complex technical-technological solution of the equipment, including economic evaluation of the design. Part of the work is also the construction of the machine itself, including activation, adjustment and debugging for the considered production. The constructed machine was subject to testing to ensure required quality of production.

Keywords:

unconventional methods of machining, CO2 laser, engraving, cutting, CAD/CAM system

Date of defence

17.06.2021

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Diplomant seznámil komisi s obsahem a výsledky své diplomové práce a zodpověděl otázky vedoucího, oponenta a dalších členů komise: V průběhu obhajoby byly zodpovězeny následující doplňující otázky: 1. V práci uvádíte, že NMO vytváří jen velmi malou tepelně ovlivněnou oblast. Týká se to i metod LBM, PBM, EDM? Jak velká ovlivněná oblast může vzniknout a u kterých materiálů je třeba toto řešit? zodpovězeno 2. V práci uvádíte, že jste změnil mechanismus ůběru materiálu změnou pozice ohniska vůči obrobku. Skutečně je to myšleno, že PMMA při změně pozice ohniska nebude sublimovat, ale oxidovat? zodpovězeno 3. Jaká je vaše přidaná hodnota výrobku? V čem jste lepší? zodpovězeno 4. Zvažoval jste aplikaci rotační osy? zodpovězeno

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Manufacturing Technology

Study programme

Mechanical Engineering (M2I-P)

Field of study

Manufacturing Technology (M-STG)

Composition of Committee

doc. Ing. Josef Chladil, CSc. (předseda)
doc. Ing. Petr Blecha, Ph.D., FEng. (místopředseda)
prof. Ing. et Ing. Mgr. Jana Petrů, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Zbyněk Studený, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Valášek (člen)

Supervisor’s report
Ing. Martin Slaný, Ph.D.

Předložená práce na téma „Návrh a realizace CO2 Laseru s výkonem do 100W“ je zpracována na velice dobré úrovni. Autor musel prokázat orientaci ve více oblastech než jen v oblasti strojírenství, aby mohl vytvořit takto komplexní inženýrské dílo. Práce splňuje všechny stanovené cíle a body zadání. Autor pracoval velice aktivně cílevědomě a samostatně a pravidelně dílčí kroky konzultoval s vedoucím práce. Spolupráci s tímto studentem považuji za vynikající. Práce obsahuje několik nepřesností, které vznikly vlivem nevhodné formulace myšlenky, avšak s ohledem na celkovou kvalitu a množství odvedené práce a vytvořený výstup, tyto nepřesnosti nepovažuji za zásadní. Student při spolupráci prokázal vynikající schopnost uvažovat technicky a logicky a nad řešenou problematikou dokázal přemýšlet věcně a správně. Doporučení a rady dokázal vhodně aplikovat v rámci řešeného tématu. K práci nemám výhrady a považuji ji za zdařilou. Práci doporučuji k obhajobě s doporučeným hodnocením A – výborně.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Jaromír Dvořák, Ph.D.

Tato diplomová práce se zabývá návrhem a realizací CO2 Laseru s výkonem do 100W. Autor pro realizaci projektu musel nastudovat množství literatury nejen z oblasti strojírenství. Celá práce se dá pojmout jako návod na stavbu tohoto zařízení. Autor svůj projekt porovnává s dvěma konkurenčními zařízeními podobných parametrů a snaží se o výrobu zařízení, které bude konkurenceschopné s dosažením stejných, případně vyšších kvalit. Autor seznamuje čtenáře s teorií v oblasti CO2 laserů, detailně popisuje rozdělení CO2 laserů, fyzikální princip, věnuje se divergenci, modu i fokusaci paprsku. Dále autor rozebírá závislost posuvu na výkonu laseru, vznikající striace na řezaném povrchu a vliv přehřátí CO2 laserové trubice na samotný proces řezání. Z konstrukčního hlediska pak autor čtenáře seznamuje s jednotlivými prvky, které jsou k realizaci projektu nutné. Stěžejní kapitolou je konstrukční řešení a realizace, zde autor krok za krokem provází čtenáře v sestavování jednotlivých částí stroje a celý proces dokumentuje fotografiemi a detailním popisem. Dále jsou zde popsány potřebné softwary. Jelikož u tohoto zařízení vznikají zdraví škodlivé zplodiny, nechybí ani systém odsávání. V samostatných kapitolách jsou pak popsány díly, které byly vyrobeny technologií FDM (3D tisk) a pomocí stávajícího zařízení CO2 laseru. Samostatnou kapitolou je pak testování a odladění stroje, které je neméně důležité, aby bylo zařízení plně funkční. Autor provedl i ekonomické zhodnocení a výpočet investic a návratnosti. Dále je sestavena tabulka porovnání s konkurenčními zařízeními, jak jejich parametrů, tak prodejní ceny. Následuje diskuze, kde autor rekapituluje nedostatky při realizaci projektu a navrhuje možná řešení. Tuto práci považuji za velice zdařilou. Mám jen pár výhrad k chybám v textu, které mírně kazí dojem z velice dobře odvedené práce.
Zde uvádím pár příkladů:
list 23 - kap. 2.11.5 - s větou "Asistenční plyn vytváří podtlak v hlavici, a tím je zamezeno vnikání nežádoucích plynů do hlavy laseru." nesouhlasím, v hlavici by měl být přetlak, aby odfukoval nečistoty od čočky.
list 50 kap. 5.8 - ... a ke vzniku podtlaku v laserové hlavici - opět má být přetlak, ne podtlak
list 66 tabulka 11.1  a list 73 tabulka 13.1 - nářadí označené jako PHSA 20-Li A2 není okružní pila, ale nůžky na živý plot
list 67 Obr. 80 Graf jednotlivých cenových nákladů za stroje, nástroje a měřidla. - tento graf o ničem nevypovídá, zobrazuje pouze nářadí srovnané od nejvyšší k nejnižší ceně
list 67 - s větou "Podle cen jednotlivých položek lze soudit, že potřebné vybavení bylo pořizováno za co nejnižší ceny, ale přitom v takové kvalitě, aby bylo spolehlivé." nelze souhlasit, není zde žádné porovnání s konkurencí.
list 68 - Obr. 81 - zbytečný graf, nic nevypovídající, stačí předchozí tabulka s náklady.

Dále pak několik překlepů v textu:
list 15 - Parsek, který je neusměrněný...
list 11 - Řezací hlavice je nejčastěji umístěna ve vzdálenosti z závislosti na ohniskové vzdálenosti od obrobku...
list 44 a 45 - Typ motoru - Biloparní
list 48 - ..., aby nedošlo poškození trubice.
list 48 - odskočený popis Obr. 57 na další stranu
list 59 kap. 8.6 - při jednostranné zápalu...
list 60 - byl vytvořen testovaví obdélník...
list 65 kap 10.1 - ... a nedošlo poruše elektroniky.
list 77 - experimenty, které by měli...

Cíle diplomové práce byly splněny. Doporučuji práci k obhajobě s celkovým hodnocením A.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations A
Topics for thesis defence:
  1. V kapitole 1 kde popisujete NMO uvádíte, že obecně všechny NMO vytváří jen velmi malou tepelně ovlivněnou oblast, která nemění mechanické vlastnosti materiálu v okolí řezu. Opravdu se týká toto tvrzení i metod LBM, PBM, EDM… které pro úběr využívají tepelného účinku? Jak velká ovlivněná vrstva může vzniknout a u jakých materiálů je toto třeba řešit?
  2. V kapitole 8.4.2 uvádíte, že jste změnil mechanismus úběru materiálu pouze změnou pozice ohniska vůči obrobku. Skutečně je to myšleno tak, že PMMA při změně pozice ohniska nebude sublimovat, ale oxidovat?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová