Selvstændige & Integrerbare Blå Galvo Lasersystemer

Anvendelser af Blå Galvo Graveringslasersystemer

Blå Galvo Graveringslasersystemer finder anvendelse i en bred vifte af industrier. Mens industrielle applikationer med krav om hurtig materialebearbejdning er almindelige, anvendes disse systemer også i landbrug, medicinske og forskningsmæssige sammenhænge. Listen over anvendelser vokser fortsat, og nye formål opstår hvert år. Populære anvendelser omfatter mærkning af fødevarer, frugt og grøntsager; laserbearbejdning af planter, afgrøder og ukrudt; gravering af træ, keramik, plast og metaller;

Fordele ved Blå Galvo Laser Uddybende

I modsætning til andre typer galvo lasergraveringsmaskiner tilbyder en blå galvo lasergraveringsmaskine (dvs. en galvo lasergraveringsmaskine der anvender et lasermodul med bølgelængde mellem 445 nm og 450 nm) enestående præcision og proceseffektivitet. Graveringsproces-effektiviteten for enhver galvo lasergraveringsmaskine afhænger af to hovedparametre:

1. Galvo lasergraveringsmaskinens elektrisk-til-optisk konverteringseffektivitet.

Denne første parameter beskriver, hvor meget elektrisk effekt en galvo lasergraveringsmaskine forbruger for at producere en given optisk udgangseffekt.

Både blå galvo lasere og fiber galvo lasere har en sammenlignelig elektrisk-til-optisk konverteringseffektivitet på 25-30 procent, hvorimod en CO2 galvo laser kun har en effektivitet på 6-7 procent. Vigtigt er det, at denne 6,5% effektivitet kun gælder ved CO2-laserens rør, og således ikke medregner den strømkrævende køler, der kræves for CO2-laserrøret. Derfor er den reelle effektivitet i praksis endnu lavere for CO2-lasere.

En typisk CO2 galvo lasers køler har et COP (chillerens effektivitetskoefficient) på 3 til 5. COP-værdien fortæller, hvor meget varme der kan bortledes i forhold til det elektriske strømforbrug. Med CO2-laserrørets elektrisk-til-optiske konverteringseffektivitet på 6,5 procent betyder det, at en 3.000 kW (3000 watt elektrisk forbrug) CO2 galvo laser leverer 195 watt optisk (lasereffekt). 2805 watt elektrisk energi går tabt som varme, der skal fjernes via køleren. Med COP på 3-5 betyder det, at køleren bruger yderligere 935 watt til 561 watt. Den samlede elektrisk-til-optiske effektivitet for et CO2 galvo lasersystem er således mellem 4,96 procent (=195/3935) og 5,48 procent (=195/3561).

Til sammenligning har fibre galvo lasere og blå galvo lasere en samlet elektrisk-til-optisk konverteringseffektivitet på 20-25%.

Hvis man antager 10.000 arbejdstimer og en kWh-pris på $0,24, vil en enkelt 200 W CO2-laser (med 3935 W strømforbrug) bruge yderligere $9444 i elforbrug. I samme periode på 10.000 arbejdstimer vil en galvo lasergraveringsmaskine med et 200 W blåt lasermodul kun bruge $1920-$2880 i elforbrug. Analogt vil en 50 W blå galvo lasergraveringsmaskine forbruge $480-$720 over 10.000 arbejdstimer. Inkluderer man driftsomkostninger, er brugen af en blå galvo lasergraveringsmaskine på produktionslinjen mere økonomisk end brugen af en CO2 galvo laser, selv hvis CO2-laserens bølgelængde har 40% højere absorption på et givet materiale. I praksis kan man bruge to (eller flere) blå galvo lasergraveringsmaskiner i stedet for en enkelt CO2 galvo laser og derved opnå både højere kapacitet og økonomiske besparelser.

2. Det graverede materiales absorption af galvo laserens bølgelængde

Den anden parameter beskriver, hvor meget af den indkommende laserstråles energi, som absorberes og omdannes til nyttigt arbejde. Dette varierer afhængigt af materiale, men for langt de fleste materialer har den blå galvo lasers bølgelængde en højere absorption end både fiber galvo lasere og CO2 galvo lasere.

Dette er særligt udtalt i keramer – især teknisk keramik såsom aluminiumoxid (Al₂O₃), borcarbid (B₄C), siliciumkarbid (SiC), titandiborid (TiB₂) og wolframkarbid (WC). I teknisk keramik stiger absorptionen af den blå galvo lasers bølgelængde eksponentielt med temperaturen. Ved smeltepunkt kan absorptionen af blå laserbølgelængde på 6H-SiC være op til 6000 gange højere end for CO2-laseren.

Galvo Laser Ydeevne for Forskellige Graveringsapplikationer

Galvo Lasergraveringsmaskiner på Træ og Træbaserede Materialer

For træ og træbaserede materialer giver den blå (445-450 nm) galvo lasergraveringsmaskine den bedste ydeevne. Dette skyldes langt højere driftsomkostninger for CO2-laser, der gør det til en dyrere mulighed i længden. Fiber galvo lasere har den dårligste performance i denne applikation, da absorptionen på træ er væsentligt lavere end med de to andre hovedtyper af galvo gravører.

Case Study: Galvo Laser Gravering af Krydsfiner, Fyrretræ og Bøgetræ

Videoen herunder viser en 30 W blå galvo lasergraveringsmaskine under lasergravering af et stykke krydsfiner. Graveringen, måler 8 cm x 2 cm (3,15 x 0,8 tommer), udføres på cirka et sekund med Opt Lasers' blå galvo laser.

Den blå galvo lasergraveringsmaskine har en effektivitet på 20-25%. Ifølge tilgængelige forskningsartikler har den blå 445-450 nm bølgelængde en absorptionsrate på 68% og 73% på henholdsvis fyrretræ og bøgetræ. En CO2 galvo lasergraveringsmaskine har samlet energi-effektivitet på 5%, og dens bølgelængde har absorptionsrate på 85% og 88% på de samme materialer. En simpel beregning viser derfor, at en blå galvo lasergraveringsmaskine er cirka 3,4 gange mere effektiv end en CO2 galvo laser ved samme strømforbrug. Grafen, taget fra den tidligere nævnte forskningsartikel, viser absorptionsraterne for disse materialer.

Galvo Lasergraveringsmaskiner på Læder

Lasergravering af læder er mest effektivt, når det udføres med en blå galvo lasergraveringsmaskine. Gravering med CO2 galvo laser giver brændemærker, er væsentligt langsommere og betydeligt dyrere. En 1,06 µm fiber galvo laser har den ringeste performance i lasergraverings-applikationer for læder, da 80% af laserlyset reflekteres fra læderoverfladen.

Case Study: Galvo Laser Gravering af Læder

Nedenfor kan du se en video, der viser processen med gravering af læder med en 30 W blå galvo lasergraveringsmaskine. Graveringen foretages på under et sekund.

Videnskabelige studier har vist, at refleksionen af blå laserbølgelængde for en 445 nm stråle ligger på 12%, mens en 1,06 µm fiber laserstråle reflekteres cirka 62%. Da det blå laserlys er synligt for menneskeøjet, betyder det, at absorptionsraten for blå laser på læder er 88%. Maksimalt 38% af en 1,06 µm fiber laserstråle kan absorberes af læderet, hvilket sikrer, at en fiber galvo lasergraveringsmaskine med denne bølgelængde vil præstere dårligst ved lædergravering.

Faktisk vil enhver laser med en bølgelængde længere end 550 nm yde dårligere end en blå laser i applikationer til gravering af læder.

Fiber-galvo-lasere vil yde dårligere end blå galvo-lasere til gravering af de fleste naturlige pattedyrs- og krybdyrslædervarianter. Disse lædertyper omfatter læder fra dyr såsom gris, kvæg, får, øgle, slange og krokodille. Mens fiber-galvo-lasere har en højere absorption ved højere bølgelængder på regenereret læder og hjortelæder, kan de kun matche en blå galvo-lasers ydeevne på hjorteskind.

Selvom der ikke findes absorptions- (eller reflektions-)data for bølgelængder længere end 2,5 µm, kan det antages, at absorptionsadfærden for længere bølgelængder følger melanins absorption, hvilket er et naturligt pigment, der findes i de fleste organismer, og den primære determinant af hudfarve. Billedet nedenfor viser, at melaninabsorptionen falder med stigende laserbølgelængde. Desuden anfører University of Cambridge's artikel om melanin, hvorfra denne graf stammer, at absorptionen på melanin næsten er fuldstændig dæmpet for bølgelængder længere end 700 nm.

Galvo-lasergravører på metaller

Metaller adskiller sig fra andre anvendelser af galvo-lasergravører, fordi metaller har meget høj termisk ledningsevne. Derfor kræver effektiv gravering af metalmaterialer enten en stærkt fokuseret laserstråle med høj effekttæthed eller en laser med høj pulsenergi. Derudover skal metalmaterialet have høj absorption ved din lasers bølgelængde. Dette betyder, at de mest effektive lasere til gravering af metaller er højtydende blå galvo-lasergravører, pulserede fiber-galvo-lasergravører samt blå lasere med høj optisk effekttæthed. CO2-galvo-lasere er derimod meget ineffektive til gravering af metaller.

Case Study: Galvo-lasergravering af metaller

De to videoer viser en blå galvo-laser, der mærker rustfrit stål og værktøjsstål.

Absorptionsraterne varierer fra metal til metal, som vist i grafen nedenfor. Grafen viser absorptionsrater for bølgelængder mellem 200 nm og 12,8 µm for de mest almindeligt anvendte metaller såsom kobber, guld, titanium, (ubeskyttet) aluminium, nikkel og sølv.

En anden graf præsenteret nedenfor viser refleksionsrater for en række forskellige metaller. Ud over de materialer, der præsenteres i den forrige graf, vises også adfærden for yderligere metaller såsom rent jern, wolfram, platin, krom, beryllium og molybdæn. Det er dog værd at bemærke, at reflektansgrafen nedenfor viser reflektansen for metaller med perfekt glatte overflader, da jo mindre glat en overflade er, jo mere absorberer den kortere laserbølgelængder.

Ud fra de data, der præsenteres i de to ovenstående grafer, følger det, at blå galvo-laser vil være mere effektiv end galvo-lasere med længere bølgelængder til gravering af alle de nævnte metaller undtagen krom. Metaller, hvor en blå galvo-lasergravør vil være kritisk mere effektiv, er guld, kobber, platin og wolfram. Interessant nok kan en blå galvo-laser ikke kun gravere kobber, men også udføre kobber-mikrosvejsning.

I tilfælde af ubeskyttet (og perfekt glat) aluminium vil en fiber-galvo-laser med bølgelængde mellem 500 nm og 900 nm dog være et mere effektivt valg. En blå galvo-laser vil stadig være mere effektiv for ubeskyttet aluminium end en almindeligt anvendt 1,06 µm fiber-galvo-laser.

Gravering af wolfram med en blå galvo-laser er desuden en meget effektiv applikation, især hvis wolframoverfladen ikke er glat, som vist på billedet til højre nedenfor. Videoen til venstre viser en 30 W blå galvo-lasergravør, der graverer i wolfram.

Galvo-lasergravører på tekstiler og stoffer

Ved laserbearbejdning af tekstiler og stoffer er en blå galvo-lasergravør også en bedre løsning end andre typer galvo-lasergravører. Dette gælder for både naturlige og kunstige tekstiler. 1,06 µm fiber-galvo-lasere har problemer med tekstiler, da de fleste tekstiler reflekterer fiber-galvo-lasernes bølgelængder. Det er også muligt at gravere og skære tekstiler med CO2-galvo-lasere, men dette sker med langt lavere hastighed og væsentligt højere driftsomkostninger end med en blå galvo-laser.

Case Study: Galvo-lasergravering af tekstiler og stoffer

Videoen nedenfor viser en 30 W blå galvo-laser i gang med at gravere bomuld, hvilket tager blot en brøkdel af et sekund.

I de to grafer nedenfor kan du se bølgelængdereflektionsraterne for forskellige tekstiler såsom bomuld, nylon, rayon, polyester, akryl, uld og cashmere. Det bølgelængdespektrum, der dækkes i graferne, er mellem 350 nm og 2,35 µm. Absorptionsraten for blå galvo-laserns 450 nm bølgelængde ligger mellem 74 % og 97 % med en typisk absorptionsrate på 90 %.

Det er dog værd at bemærke, at tekstiler og stoffer findes i forskellige farver. En blå galvo-lasergravør vil grave hurtigere, jo mørkere materialet er. Generelt afhænger hastigheden ved brug af en blå laser af nuancen og farvetonen på det pågældende tekstil eller stof. Blå lasere vil også yde dårligere på meget reflektive, blå eller hvide tekstiler og stoffer. Ikke desto mindre er en blå galvo-laser den bedste løsning til gravering (og skæring) af tekstiler og stoffer og vil yde bedre end enhver CO2-laser eller fiberlaser.

Galvo-lasergravører på fødevarer og organiske materialer

Fiber- og CO2-galvo-lasere har svært ved at gravere fødevarer og langt de fleste organiske materialer. Dette skyldes, at fødevarer og organiske materialer indeholder meget vand, ofte op til 70 %. Vand absorberer størstedelen af laserspektret, men transmitterer næsten hele blå laserstråler, da absorptionskoefficienten for vand er 3*10^-4 cm-1 for 450 nm laser. For 1,06 µm bølgelængde er absorptionsraten 6000 cm-1, mens den for en 10,6 µm CO2-laserstråle er endnu højere, nemlig 7000000 cm-1. Det betyder, at praktisk talt hele effekten fra CO2- og fiberlasere bruges på at fordampe vand, mens en blå laser ignorerer vandindholdet og graverer på det reelle organiske materiale, hvilket gør processen meget hurtigere.

Derudover er plantearter meget absorberende for blå galvo-laserstråler. Absorptionsraten for blå galvo-lasers bølgelængde på grøn plantevækst er så høj som 93 %, som vist i grafen nedenfor.

Der findes dog organiske materialer, hvor andre typer galvo-lasere er effektive. For eksempel er hydroxylapatit (undertiden fejlagtigt benævnt som hydroxyapatit) en hovedbestanddel af emalje i tænder. Hydroxylapatit, i let modificeret form, udgør også op til 70 % af menneskeknogler. Da hydroxylapatit absorberer 10,6 µm CO2-galvo-lasers bølgelængde langt mere effektivt, vil denne type galvo-lasergravør være den mest effektive til skæring og gravering af knogler og tænder. Bølgelængdeabsorptionsgrafen for forbindelser som hæmoglobin, hydroxylapatit, melanin og vand er vist nedenfor. Den viser, at 10,6 µm galvo-laserens bølgelængde absorberes 10.000 gange mere end den blå lasers bølgelængde.

Dog viser grafen ovenfor også, at blå lasere er de mest effektivt absorberede laserstråler for hæmoglobin, hvilket betyder, at en blå galvo-laser er den mest optimale løsning til kirurgiske procedurer.

Galvo-lasergravører på keramik

Keramikkategorien omfatter både teknisk fremstillede keramer som alumina eller titaniumdiborid, men også naturlige stenvarianter såsom fx bauxit og marmor.

Keramikker reagerer generelt bedre på kortere bølgelængder. Dog varierer absorptionsraterne for forskellige keramikker kraftigt, hvor blå galvo-laser er den bedste løsning til tekniske keramikker brugt i panserkomponenter. Dette omfatter keramisk panser i kampvogne og skudsikre veste. Nogle af de tekniske keramikker, der effektivt graveres med blå lasere, anvendes også i gennemslagsprojektiler og artilleri. I tekniske keramikker anvendt i panserkomponenter forøges absorptionsraten for blå galvo-lasergravørens bølgelængde, sammenlignet med længere bølgelængdegalvo-lasere, eksponentielt med temperaturen. Sådanne keramikker omfatter alumina (Al2O3), borcarbid (B4C), siliciumcarbid (SiC), titaniumdiborid (TiB2) og wolframcarbid (WC).

For smeltet alumina er absorptionsraten markant højere for kortere bølgelængder. I praksis er absorptionsraten for blå lasers bølgelængde i smeltet alumina op til 300 gange højere end ved fiberlasers bølgelængde som indikeret i grafen nedenfor. [V.K. Bityukov et al., Absorption Coefficient of Molten Aluminum Oxide in Semitransparent Spectral Range, Applied Physics Research, Side 51, Vol. 5, januar 2013. DOI: 10.5539/APR.V5N1P51].

Andre typer galvo-lasergravører har oftest vanskeligt ved at bearbejde disse materialer. En fiber-galvo-laser, der præsterer langt dårligere end en blå galvo-laser, fungerer dog ofte bedre end en CO2-galvo-laser, med undtagelse af alumina-keramik. På trods af dette, for disse tekniske keramikker, tilfører en blå galvo-lasergravør en væsentlig stigning i produktiviteten i produktionen.

Grafen nedenfor viser absorptionsraterne for forskellige galvo-lasere på siliciumcarbid. Det er værd at bemærke, at hver stigning på 300 grader Kelvin svarer til cirka 0,2 eV forskydning i absorptionen mod kortere bølgelængder.

Kontakt os