Самостоятелни и интегрируеми сини гравиращи галво лазерни системи

Приложения на сините гравиращи галво лазерни системи

Сините гравиращи галво лазерни системи намират приложение в широк спектър от индустрии. Освен индустриалните сектори, в които се изисква бърза обработка на материали, тези системи присъстват и в селското стопанство, медицината и научноизследователските приложения. Списъкът с приложения постоянно нараства, като всяка година се появяват нови решения. Популярни приложения са маркиране на храни, плодове и зеленчуци; лазерна обработка на растения, посеви и плевели; гравиране върху дърво, керамика, пластмаси и метали;

Детайлни предимства на синия галво лазер

За разлика от други типове галво гравиращи лазери, синият галво лазерен гравьор (галво гравиращ лазер, използващ лазерен модул с работна дължина на вълната между 445 nm и 450 nm) предлага несравнима прецизност и ефективност на процеса. Ефективността на гравирането за всеки галво лазерен гравьор зависи от два основни параметра:

1. Електро-оптичната ефективност на галво лазерния гравьор.

Този параметър определя колко електрическа енергия консумира галво лазерният гравьор за постигане на определен оптичен изход.

Докато и синият галво лазер и влакнестият галво лазер имат електро-оптична ефективност между 25-30%, CO₂ галво лазерът достига едва 6-7%. Още по-важно е, че тази ефективност 6.5% се отнася само до CO₂ лазерната тръба и не включва разхода на енергия за охладителната система. На практика са още по-ниски.

Стандартен чилър за CO₂ галво лазер има COP (коефициент на полезно действие на охладителя) между 3 и 5. Този коефициент определя съотношението между разсейваната топлина и консумираната електроенергия. При 6.5% електро-оптична ефективност на CO₂ лазерната тръба означава, че 3000 W (~3,000 kW) CO₂ галво лазер осигурява едва 195 W оптична мощност. Останалите 2,805 W електроенергия се отделят като топлинен товар, който трябва да се отвежда чрез воден чилър. С COP между 3-5, това означава, че чилърът на 3 kW CO₂ лазер ще консумира още 935 W до 561 W. Следователно общата електро-оптична ефективност на CO₂ галво системата е между 4.96% (=195/3935) и 5.48% (=195/3561).

В сравнение, влакнестите галво лазери и сините галво лазери постигат обща електро-оптична ефективност между 20% и 25%.

За период от 10 000 работни часа и цена 0,24 $/kWh, един 200 W CO₂ лазер (с 3935 W обща консумация) генерира допълнителни $9444 разходи за електроенергия. За същия период галво гравиращ лазер с 200 W син лазерен модул ще консумира едва $1920-$2880 електроенергия. Аналогично, 50 W син галво лазерен гравьор ще консумира само $480-$720 за същите 10 000 работни часа. Включвайки тези разходи за електроенергия, използването на син галво лазер в производствена линия е значително по-икономично отколкото CO₂ галво лазер, дори ако дължината на вълната на CO₂ осигурява 40% по-висока абсорбция за конретен материал. Това ефективно позволява да се използват два (или повече) сини галво лазерни гравьори вместо един CO₂, с по-висока производителност и значителни спестявания.

2. Поглъщането на дължината на вълната на галво лазера от обработвания материал

Вторият параметър определя колко мощност от падащия лазерен лъч бива абсорбирана и трансформирана в полезна работа при обработка. Това варира според материала, но за по-голямата част от материалите синият галво лазер има по-висока абсорбция спрямо влакнести и CO₂ галво лазери.

Този ефект е особено изразен при керамика, особено при техническа керамика като алумина (Al₂O₃), борен карбид (B₄C), силициев карбид (SiC), титан диборид (TiB₂) и волфрамов карбид (WC). За техническата керамика поглъщането на дължината на вълната на синия галво лазер се увеличава експоненциално с температурата. Близо до точката на топене на 6H-SiC, абсорбцията на синьото лъчение може да бъде до 6000 пъти по-висока спрямо дължината на вълната на CO₂ лазер.

Галво лазерна производителност за различни гравиращи приложения

Галво лазерни гравьори за дърво и дървесни материали

За дърво и дървесни материали, синият галво лазер (445-450 nm) предоставя най-добра производителност. Това се дължи на по-високите експлоатационни разходи на CO₂ лазера, които го правят по-скъп за поддръжка. Влакнестите галво лазери показват най-лоша производителност в това приложение поради значително по-ниска абсорбция спрямо другите два основни типа галво лазерни гравьори.

Казус: Галво лазерно гравиране на шперплат, бор и бук

Видеото по-долу демонстрира 30 W син галво лазер в процес на гравиране на парче шперплат. Размерът му е 8 см на 2 см (3.15 инча на 0.8 инча), като гравирането се извършва за около една секунда със синя галво система на Opt Lasers.

Синият галво лазерен гравьор има ефективност между 20-25%, а по данни от научни публикации, дължината на вълната 445-450 nm се абсорбира 68% върху бор и 73% върху бук. За сравнение, CO₂ галво лазер има обща енергийна ефективност 5%, а дължината на вълната се поглъща 85% върху бор и 88% върху бук. Съответно, простата сметка показва, че син галво лазерен гравьор е около 3.4 пъти по-ефективен от CO₂ галво лазер при същата изходна мощност. Приложената по-долу графика от цитираната научна публикация демонстрира тези данни.

Галво лазерни гравьори за кожа

Лазерното гравиране на кожа е най-ефективно при употреба на син галво лазерен гравьор. При CO₂ галво лазерен гравьор се появяват следи от изгаряне, процесът е по-бавен и значително по-скъп. Влакнестият галво лазер с дължина 1.06 μm показва най-лоша производителност, тъй като 80% от лъча се отразява от кожата.

Казус: Галво лазерно гравиране на кожа

По-долу може да видите видео, показващо процеса на гравиране на кожа с 30 W син галво лазерен гравьор. Гравирането отнема по-малко от секунда.

Научните изследвания показват, че отражението на синя дължина на вълната (445 nm) от кожата е 12% за син лазер и близо 62% за 1.06 μm влакнест лазер. Тъй като човешкото око възприема синята светлина, това означава, че коефициентът на абсорбция е 88% за синия лазер. Максимум 38% от лъча на 1.06 μm влакнест лазер може да бъде абсорбиран от кожата, което гарантира значително по-лоша производителност при обработка на този материал.

Всъщност всеки лазер с дължина на вълната по-дълга от 550 nm ще има по-ниски показатели от син лазер при приложения за гравиране на кожа.

Фибро-галво лазерите ще имат по-ниски показатели от сините галво лазери при гравиране на повечето разновидности на естествена бозайническа и влечуга кожа. Тези видове кожа включват кожа от животни като прасе, говеда, овце, гущер, змия и крокодил. Докато фибро-галво лазерите имат по-висок коефициент на абсорбция при регенерирана кожа и еленова кожа, те могат да постигнат едва същите резултати като син галво лазер върху еленова кожа.

Въпреки че няма данни за абсорбция (или отражение) на дължини на вълната над 2.5 µm, може да се предположи, че абсорбционното поведение при по-дългите вълни следва абсорбцията на меланин, който е естествен пигмент, откриван в повечето организми и е основен определящ фактор за цвета на кожата. Картината по-долу показва, че абсорбцията на меланин намалява с увеличаване на дължината на вълната на лазера. В допълнение, статията на Университета в Кеймбридж относно меланинa, от която произлиза тази графика, посочва, че абсорбцията на меланина е почти напълно затормозена за дължини на вълната над 700 nm.

Галво лазерни гравьори върху метали

Металите се различават от други приложения на галво лазерни гравьори, тъй като обикновено имат много висока топлопроводимост. Затова, за да гравирате метален материал по-ефективно, е необходимо или много фокусиран лазерен лъч с висока плътност на мощността, или лазер с висока енергия на импулса. Освен това, металният материал трябва да има висок коефициент на абсорбция на дължината на вълната на лазера. Това означава, че най-ефективните лазери при гравиране на метали са сините галво лазерни гравьори с висока мощност, импулсни фибро-галво лазерни гравьори, както и глави със син лазер с висока оптична плътност на мощността. CO2 галво лазерите от своя страна са силно неефективни при гравиране на метали.

Проучване на случай: Галво лазерно гравиране на метали

Двете видеа показват син галво лазер, който маркира неръждаема стомана и инструментална стомана.

Коефициентите на абсорбция са различни за отделните метали, както е показано на графиката по-долу. Графиката показва коефициентите на абсорбция за дължини на вълната между 200 nm и 12.8 µm за най-често използваните метали като мед, злато, титан, (непокътнат) алуминий, никел и сребро.

Друга графика, представена по-долу, показва коефициентите на отражение за различни метали. Освен материалите, показани на предходната графика, тук се показва и поведението на допълнителни метали като чисто желязо, волфрам, платина, хром, берил, и молибден. Важно е да се отбележи, че графиката за отражателността показва стойностите за метали с напълно гладки повърхности, защото колкото по-малко гладка е повърхността, толкова повече абсорбира къси дължини на вълната.

От данните на двете графики по-горе следва, че син галво лазер ще бъде по-ефективен от галво лазери с по-дълга дължина на вълната при гравиране на всички горепосочени метали освен хром. Металите, при които син галво лазер е критично по-ефективен, са злато, мед, платина и волфрам. Интересно е, че син галво лазер не само може да гравира мед, но и да извършва микроспояване на мед.

В случая на непокътнат (и напълно гладък) алуминий, фибро-галво лазер с дължина на вълната между 500 nm и 900 nm ще бъде по-ефективният избор. Въпреки това, син галво лазер ще бъде по-ефективен за непокрит алуминий от често използвания фибро-галво лазер с дължина на вълната 1.06 µm.

Интересно е, че гравирането на волфрам със син галво лазер е много ефективно, особено ако волфрамът не е гладък, както е показано на снимката отдясно по-долу. Видеото вляво показва 30 W син галво лазерен гравьор, който гравира волфрам.

Галво лазерни гравьори върху тъкани и текстил

При лазерната обработка на текстил и тъкани, син галво лазерен гравьор също е по-добро решение от други видове галво лазери. Това важи както за естествени, така и за изкуствени тъкани. Фибро-галво лазерите с дължина на вълната 1.06 µm имат затруднения с текстил, тъй като повечето тъкани отразяват дължините на вълната на фибро лазерите. Възможно е и гравиране и рязане на тъкани с CO2 галво лазери, но това става с много по-ниска скорост и значително по-високи експлоатационни разходи в сравнение със син галво лазер.

Проучване на случай: Галво лазерно гравиране на тъкани и текстил

Видеото по-долу показва 30 W син галво лазер, който гравира памук за части от секундата.

В двете графики по-долу могат да се видят коефициентите на отражение на дължините на вълната за различни тъкани като памук, найлон, вискоза, полиестер, акрил, вълна и кашмир. Спектърът на дължините на вълната, покрит в графиките, е между 350 nm и 2.35 µm. Коефициентът на абсорбция на син галво лазер с дължина на вълната 450 nm е между 74% и 97% с типична стойност около 90%.

Следва да се отбележи, че тъканите и текстилите се предлагат в различни цветове. Син галво лазерен гравьор ще работи по-бързо при по-тъмни материали. Като цяло, при син лазер скоростта ще зависи от нюанса и оттенъка на съответния текстил или тъкан. Сините лазери ще имат по-ниска ефективност при силно отразяващи, сини или бели текстили и тъкани. Въпреки това, син галво лазерен гравьор е най-доброто решение за гравиране (и рязане) на тъкани и текстили и превъзхожда всеки CO2 или фибро лазер.

Галво лазерни гравьори върху храни и органични материали

Фибро и CO2 галво лазери имат затруднения при гравиране на храни и повечето органични материали. Причината е, че храните и органичните материали съдържат голямо количество вода, често до 70%. Водата абсорбира голяма част от лазерния спектър, но почти напълно пропуска синия лазерен лъч, тъй като коефициентът на абсорбция за вода е 3*10^-4 cm-1 за 450 nm лазер. За 1.06 µm дължина на вълната коефициентът на абсорбция е 6000 cm-1, докато за 10.6 µm CO2 лазер коефициентът е още по-висок – 7000000 cm-1. Това означава, че практически цялата енергия на снопа на CO2 или фибро лазера се използва за изпаряване на водата, докато синият лазер не се влияе от водното съдържание и гравира действителния органичен материал, което прави процеса много по-бърз.

Освен това, растителните видове са много абсорбиращи за сини галво лазерни лъчи. Коефициентът на абсорбция на син галво лазер с дължина на вълната върху зелена растителност е до 93%, както е показано на графиката по-долу.

Съществуват обаче органични материали, за които други видове галво лазери са по-подходящи. Например, хидроксилапатитът (понякога неправилно наричан хидроксиапатит) е основна съставка на емайла в зъбите. Хидроксилапатитът, в леко модифицирана форма, съставлява до 70% от човешката кост. Тъй като хидроксилапатитът се абсорбира значително по-добре от лъчи на CO2 галво лазер с дължина на вълната 10.6 µm, този тип галво лазер е най-ефективен за рязане и гравиране на кости и зъби. Графиката за абсорбция на съединения като хемоглобин, хидроксилапатит, меланин и вода е представена по-долу. Тя показва, че дължината на вълната на галво лазер с 10.6 µm се абсорбира 10000 пъти повече от тази на синия лазер.

Графиката също така показва, че сини те лазери се абсорбират най-ефективно от хемоглобин, което означава, че син галво лазер е най-доброто решение за хирургични процедури.

Галво лазерни гравьори върху керамика

Категорията керамика включва както промишлени керамики като алумина и титанен диборид, така и естествени каменни видове като напр. боксит и мрамор.

Керамиката обикновено реагира по-добре на по-къси дължини на вълната. Все пак коефициентите на абсорбция на различните керамики варират значително, като сините галво лазери са най-доброто решение за технически керамики, използвани в бронировъчни компоненти. Това включва керамична броня в танкове, бронирани жилетки. Някои технически керамики, които се гравират ефективно със сини лазери, се използват и в снаряди с пенетрационно ядро и артилерийски снаряди. При техническите керамики в бронировъчните компоненти, абсорбцията на дължината на вълната на син галво лазер, сравнена с по-дългите вълни на други галво лазери, нараства експоненциално с температурата. Такива керамики са алумина (Al2O3), борен карбид (B4C), силициев карбид (SiC), титанен диборид (TiB2) и волфрамов карбид (WC).

При стопена алумина, коефициентът на абсорбция се увеличава драстично за по-къси дължини на вълната. Стопеният алуминий абсорбира дължината на вълната на синия лазер до 300 пъти по-добре от тази на фибро лазера, както е показано на графиката по-долу. [V.K. Bityukov et al., Absorption Coefficient of Molten Aluminum Oxide in Semitransparent Spectral Range, Applied Physics Research, Page 51, Vol. 5, January 2013. DOI: 10.5539/APR.V5N1P51].

Другите видове галво лазерни гравьори често имат затруднения с тези материали. Макар че фибро-галво лазерът обикновено има много по-ниска ефективност от синия галво лазер, той все пак често работи по-добре от CO2 галво лазерa, с изключение на алуминова керамика. Въпреки това, при тези технически керамики, син галво лазерен гравьор предлага значително повишена производителност при производството.

Графиката по-долу показва коефициентите на абсорбция на различни галво лазери върху силициев карбид. Интересно е, че при покачване на температурата с всеки 300 келвина, пикът на абсорбцията се измества с приблизително 0.2 eV към по-къси дължини на вълната.

Свържете се с нас