Samostatné a integrovatelné modré galvo laserové systémy

Aplikace modrých galvo laserových systémů pro gravírování

Modré galvo laserové systémy pro gravírování nacházejí využití v širokém spektru odvětví. Vedle běžných průmyslových aplikací vyžadujících rychlé zpracování materiálu jsou tyto systémy používány i v zemědělství, medicíně a výzkumu. Seznam aplikací se každoročně rozšiřuje. Mezi populární aplikace patří značení potravin, ovoce a zeleniny; laserové zpracování rostlin, plodin a plevele; gravírování dřeva, keramiky, plastů a kovů;

Podrobné výhody modrého galvo laseru

Na rozdíl od jiných typů galvo gravírovacích laserů nabízí modrý galvo gravírovací laser (tj. galvo zařízení využívající modul s laserovou vlnovou délkou mezi 445 nm a 450 nm) bezkonkurenční přesnost a efektivitu procesu. Účinnost gravírovacího procesu u jakéhokoliv galvo gravírovacího laseru závisí na dvou hlavních parametrech:

1. Elektro-optická konverzní účinnost galvo gravírovacího laseru

Tento parametr popisuje, kolik elektrického příkonu spotřebuje galvo gravírovací laser pro generování požadovaného optického výkonu.

Zatímco modré galvo lasery a vláknové galvo lasery vykazují srovnatelnou účinnost elektro-optické přeměny výkonu 25–30 %, CO2 galvo laser dosahuje jen 6–7 %. Důležitější je, že tato účinnost 6,5 % se týká pouze CO2 laserové trubice a nezapočítává spotřebu elektrického proudu robustního chladiče nutného ke chlazení CO2 trubice. Ve skutečnosti je tedy celková účinnost CO2 laserů ještě nižší.

Typický chladič CO2 galvo laseru má hodnotu COP (koeficient výkonu chladiče) mezi 3 až 5. Hodnota COP určuje poměr odváděného tepla ku elektrickému příkonu použitému chladičem. Při účinnosti CO2 laserové trubice 6,5 % to znamená, že CO2 galvo laser s elektrickým příkonem 3000 W dodá jen 195 W optického (laserového) výkonu a 2805 W tvoří tepelnou ztrátu odváděnou chladičem. Při COP 3–5 spotřebuje chladič pro CO2 trubici další 935 W až 561 W energie. Celková účinnost elektro-optické přeměny CO2 galvo laserového systému se tak pohybuje mezi 4,96 % (=195/3935) a 5,48 % (=195/3561).

Pro srovnání, vláknové galvo lasery a modré galvo lasery mají celkovou elektro-optickou účinnost 20–25 %.

Při 10 000 provozních hodinách a ceně 0,24 USD za kWh spotřebuje jediný CO2 laser o výkonu 200 W (se spotřebou 3935 W) navíc 9444 USD za elektřinu. Ve stejném období spotřebuje galvo gravírovací laser s modrým laserovým modulem 200 W pouze 1920–2880 USD. Obdobně zařízení s výkonem 50 W spotřebuje za 10 000 provozních hodin pouze 480–720 USD za elektřinu. Včetně provozních nákladů je použití modrého galvo gravírovacího laseru v provozu podstatně výhodnější než CO2 galvo laser, i když má CO2 laser na konkrétním materiálu o 40 % vyšší absorpci. Efektivně lze použít dvě (nebo více) modré galvo gravírovací lasery místo jednoho CO2 galvo laseru a dosáhnout vyšší výrobní kapacity i úspor nákladů.

2. Absorpce vlnové délky galvo laseru gravírovaným materiálem

Druhý parametr popisuje, kolik výkonu dopadajícího laserového paprsku je absorbováno a převedeno na užitečnou práci. Absorpce se liší v závislosti na druhu materiálu, nicméně u většiny materiálů má modrý galvo laser vyšší absorpci, než vlnové délky vláknových a CO2 galvo laserů.

Toto je obzvláště výrazné u keramik, zejména u technických keramik jako oxid hlinitý (Al₂O₃), karbid boru (B₄C), karbid křemíku (SiC), diborid titanu (TiB₂) a karbid wolframu (WC). U technických keramik absorpce modré vlnové délky roste exponenciálně s teplotou. Prakticky to znamená, že blízko teploty tání je absorpce modré vlnové délky na 6H-SiC až 6000krát vyšší než u CO2 laseru.

Výkon galvo laserů v různých gravírovacích aplikacích

Galvo gravírovací lasery na dřevo a dřevěné materiály

Pro dřevo a dřevěné materiály nabízí modrý galvo gravírovací laser (445–450 nm) nejlepší výkonnost. Je to dáno výrazně vyššími provozními náklady CO2 laserů, které je činí méně výhodnou volbou z pohledu provozu. Vláknové galvo lasery mají v těchto aplikacích nejhorší výkon kvůli mnohem nižší absorpci oproti ostatním typům galvo laserů.

Případová studie: Galvo gravírování překližky, borovice a buku

Níže uvedené video zobrazuje 30W modrý galvo gravírovací laser při gravírování překližky. Gravírování o rozměrech 8 cm × 2 cm je vyhotoveno během přibližně jedné sekundy s modrým galvo laserem Opt Lasers.

Modrý galvo gravírovací laser dosahuje účinnosti 20–25 %, přičemž na základě odborných studií má vlnová délka 445–450 nm absorpci 68 % (borovice) a 73 % (buk). CO2 galvo laser má celkovou energetickou účinnost 5 % a jeho vlnová délka má na těchto materiálech absorpci 85 % (borovice) a 88 % (buk). Jednoduchým výpočtem je tedy modrý galvo gravírovací laser přibližně 3,4krát účinnější než CO2 galvo laser při stejném výkonu. Graf z uvedené vědecké publikace ukazuje absorpci těchto materiálů.

Galvo gravírovací lasery na kůži

Gravírování kůže je nejefektivnější s modrým galvo gravírovacím laserem. Použití CO2 galvo gravírovacího laseru vede ke spálení povrchu, procesu, který je podstatně pomalejší a výrazně dražší. Vláknový galvo laser s vlnovou délkou 1,06 µm má v této aplikaci nejhorší výkon, protože se přibližně 80 % jeho laserového paprsku odráží od povrchu kůže.

Případová studie: Galvo gravírování kůže

Níže můžete zhlédnout video znázorňující proces gravírování kůže 30W modrým galvo gravírovacím laserem. Gravírování na kůži je dokončeno za méně než jednu sekundu.

Odborné studie ukazují, že odrazivost modré laserové vlnové délky činí 12 % u modrého 445nm laserového paprsku a přibližně 62 % u 1,06µm vláknového laseru. Díky tomu dosahuje absorpce modré laserové vlnové délky na kůži 88 %. U vláknového laseru s vlnovou délkou 1,06 µm je maximální možná absorpce na kůži pouze 38 %, což zaručuje horší výkon vláknového galvo laseru při gravírování kůže.

Ve skutečnosti jakýkoliv laser s vlnovou délkou delší než 550 nm bude v aplikacích gravírování kůže podávat horší výsledky než modrý laser.

Vláknové galvo lasery budou gravírovat většinu přírodních kůží savců a plazů hůře než modrý galvo laser. Tyto druhy kůží zahrnují kůže zvířat, jako jsou prase, skot, ovce, ještěrka, had a krokodýl. Přestože vláknové galvo lasery mají vyšší míru absorpce vlnové délky na regenerované kůži a jelení kůži, může být jejich výkon na jelení kůži srovnatelný s modrým galvo laserem.

Neexistují sice data o absorpci (nebo odrazu) pro vlnové délky delší než 2,5 µm, lze však předpokládat, že absorpční chování pro delší vlnové délky následuje absorpci melaninu, což je přírodní pigment nacházející se ve většině organismů a hlavní determinant barvy kůže. Obrázek níže ukazuje, že absorpce melaninu klesá s rostoucí vlnovou délkou laseru. Navíc článek Cambridgeské univerzity o melaninu, ze kterého tento graf pochází, uvádí, že absorpce na melaninu je pro vlnové délky delší než 700 nm prakticky zcela potlačena.

Galvo laserové gravírovačky na kovy

Kovy se odlišují od ostatních aplikací galvo laserových gravírovaček, protože mají velmi vysokou tepelnou vodivost. Proto pro efektivní gravírování kovových materiálů potřebujete buď silně zaostřený laserový paprsek s vysokou hustotou výkonu, nebo laser s vysokou pulzní energií. Kromě toho musí mít kovový materiál vysokou míru absorpce vlnové délky vašeho laseru. To znamená, že nejefektivnějšími lasery pro gravírování kovů jsou vysoce výkonné modré galvo lasery, pulzní vláknové galvo lasery a také laserové hlavy s vysokou optickou hustotou výkonu v modré oblasti. Naproti tomu CO2 galvo lasery jsou pro gravírování kovů velmi neefektivní.

Případová studie: Galvo laserové gravírování kovů

Obě videa ukazují modrý galvo laser při značení nerezové oceli a nástrojové oceli.

Míra absorpce se liší kov od kovu, jak ukazuje následující graf. Graf níže znázorňuje míru absorpce vlnových délek od 200 nm do 12,8 µm pro nejčastěji používané kovy jako měď, zlato, titan, (nepovrchově upravený) hliník, nikl a stříbro.

Další níže uvedený graf ukazuje míru odrazu pro různé kovy. Kromě materiálů uvedených v předchozím grafu zobrazuje chování dalších kovů, jako jsou čisté železo, wolfram, platina, chrom, beryllium a molybden. Je však třeba si uvědomit, že graf odrazivosti níže ukazuje odrazivost kovů s dokonale hladkým povrchem, protože čím méně hladký povrch je, tím více absorbuje kratší vlnové délky laseru.

Z údajů uvedených v obou grafech vyplývá, že modrý galvo laser bude účinnější než galvo lasery s delšími vlnovými délkami pro gravírování všech výše uvedených kovů kromě chrómu. Kovy, u kterých bude modrý galvo laser zásadně efektivnější, jsou zlato, měď, platina a wolfram. Zajímavé je, že modrý galvo laser může nejen gravírovat měď, ale také provádět mikrosvařování mědi.

Nicméně v případě čistého (a dokonale hladkého) hliníku bude vhodnější volbou vláknový galvo laser s vlnovou délkou mezi 500 nm a 900 nm. Modrý galvo laser bude i tak u čistého hliníku efektivnější než běžně používaný 1,06 µm vláknový galvo laser.

Zajímavé je, že gravírování wolframu modrým galvo laserem je velmi efektivní aplikace, zejména pokud wolfram není hladký, jak je uvedeno na následujícím obrázku vpravo dole. Video vlevo dole prezentuje gravírování wolframu pomocí 30W modrého galvo laseru.

Galvo laserové gravírovačky na tkaniny a textilie

Při laserovém zpracování textilií a tkanin představuje modrý galvo laser také nejlepší řešení oproti ostatním typům galvo laserových zařízení. To platí jak pro přírodní, tak umělé textilie. Vláknové galvo lasery 1,06 µm mají s textiliemi problém, protože většina látek tuto vlnovou délku odráží. Je možné gravírovat a řezat tkaniny a textilie také CO2 galvo lasery, avšak proces je výrazně pomalejší a provozní náklady jsou mnohem vyšší než při použití modrého galvo laseru.

Případová studie: Galvo laserové gravírování tkanin a textilií

Níže uvedené video zachycuje gravírování bavlny 30W modrým galvo laserem, které trvá jen zlomek sekundy.

V níže uvedených dvou grafech můžete vidět míry odrazu různých textilií, například bavlny, nylonu, viskózy, polyesteru, akrylu, vlny a kašmíru v rozsahu vlnových délek od 350 nm do 2,35 µm. Míra absorpce vlnové délky 450 nm modrého galvo laseru se pohybuje mezi 74 % a 97 %, přičemž typická absorpce je 90 %.

Je však třeba poznamenat, že textilie a tkaniny jsou dostupné v různých barvách. Modrý galvo laser gravíruje rychleji, čím tmavší je materiál. Celkově u modrého laseru závisí rychlost na tónu a odstínu konkrétní tkaniny či textilie. Modré lasery budou také méně efektivní na velmi reflexních, modrých nebo bílých textiliích. Přesto je modrý galvo laser nejlepším řešením pro gravírování (a řezání) látek a tkanin a dosahuje lepších výsledků než jakýkoli CO2 nebo vláknový laser.

Galvo laserové gravírovačky na potraviny a organické materiály

Vláknové a CO2 galvo lasery mají problémy s gravírováním potravin a většiny organických materiálů. Je to způsobeno tím, že potraviny i organické materiály obsahují vysoký podíl vody, často až 70 %. Voda absorbuje většinu spektra laserových vlnových délek, nicméně laserové paprsky modré barvy téměř úplně propouští, jelikož absorpční koeficient vody je 3*10^-4 cm-1 pro laser 450 nm. Pro vlnovou délku 1,06 µm je absorpce 6000 cm-1, zatímco u CO2 laserového svazku s vlnovou délkou 10,6 µm je absorpce dokonce 7000000 cm-1. To znamená, že prakticky veškerý výkon CO2 a vláknových laserů je spotřebován na odpařování vody, zatímco modrý laser vodu téměř ignoruje a gravíruje přímo organický materiál, což výrazně zrychluje proces.

Navíc rostlinné druhy jsou velmi absorbující pro paprsky modrého galvo laseru. Míra absorpce vlnové délky modrého galvo laseru na zelené vegetaci dosahuje až 93 %, jak ukazuje následující graf.

Existují však organické materiály, pro které jsou jiné typy galvo laserů vhodnější. Například hydroxylapatit (někdy nesprávně nazývaný hydroxyapatit) je hlavní složkou zubní skloviny. Hydroxylapatit, ve mírně modifikované formě, tvoří až 70 % lidské kosti. Protože hydroxylapatit je výrazně lépe absorbován svazkem CO2 galvo laseru o vlnové délce 10,6 µm, tento typ galvo laserové gravírovačky bude nejúčinnější pro řezání a gravírování kostí a zubů. Graf absorpce vlnové délky pro sloučeniny jako hemoglobin, hydroxylapatit, melanin a voda je uveden níže. Je patrné, že vlnová délka galvo laseru 10,6 µm je absorbována 10000krát více než u modrého laseru.

Výše uvedený graf však také ukazuje, že modré lasery jsou nejefektivněji absorbovány hemoglobinem, což znamená, že modrý galvo laser je nejoptimálnějším řešením pro chirurgické zákroky.

Galvo laserové gravírovačky na keramiku

Kategorie keramiky zahrnuje jak technické, např. oxid hlinitý (alumina) nebo diborid titaničitý, tak i přírodní kameny jako například bauxit nebo mramor.

Keramika obvykle lépe reaguje na kratší vlnové délky. Míra absorpce se ale u různých druhů keramiky výrazně liší, přičemž modré galvo lasery představují nejlepší řešení pro technickou keramiku používanou v pancířových komponentech. Jde například o keramiku v tancích nebo balistických vestách. Některé technické keramiky, které efektivně gravírují modré lasery, jsou využívány i v průbojných střelách a dělostřelectvu. U technických keramik v pancířových komponentech se absorpce vlnové délky modrého galvo laseru oproti delším vlnovým délkám galvo laserů exponenciálně zvyšuje s teplotou. Takové keramiky zahrnují oxid hlinitý (Al2O3), karbid boru (B4C), karbid křemíku (SiC), diborid titaničitý (TiB2) a karbid wolframu (WC).

V případě roztaveného oxidu hlinitého je absorpce při kratších vlnových délkách výrazně zvýšená. Roztavený oxid hlinitý absorbuje vlnovou délku modrého laseru až 300krát více než vlnovou délku vláknového laseru, jak ukazuje níže uvedený graf. [V.K. Bityukov et al., Absorption Coefficient of Molten Aluminum Oxide in Semitransparent Spectral Range, Applied Physics Research, str. 51, sv. 5, leden 2013. DOI: 10.5539/APR.V5N1P51].

Ostatní typy galvo laserových gravírovaček mají s těmito materiály většinou potíže. Vláknový galvo laser, přestože je podstatně méně efektivní než modrý galvo laser, často podává lepší výsledky než CO2 galvo laser, s výjimkou keramiky na bázi oxidu hlinitého. Nicméně u těchto technických keramik nabízí modrý galvo laserový gravírovač zásadní zvýšení výrobní produktivity.

Následující graf ukazuje míru absorpce různých galvo laserů na karbidu křemíku. Stojí za zmínku, že každé zvýšení o 300 Kelvinů odpovídá přibližně posunu o 0,2 eV v absorpci směrem ke kratším vlnovým délkám.

Kontaktujte nás