Eigenständige & integrierbare blaue Galvo-Lasersysteme

Anwendungen der blauen Galvo-Gravurlasersysteme

Blaue Galvo-Gravurlasersysteme finden Anwendungen in einer Vielzahl von Industrien. Während industrielle Applikationen mit schnellem Materialdurchsatz häufig sind, werden diese Systeme auch in der Landwirtschaft, im Medizinbereich und in der Forschung eingesetzt. Die Liste der Anwendungsgebiete wächst ständig, jedes Jahr kommen neue Anwendungen hinzu. Beliebte Anwendungen sind das Kennzeichnen von Lebensmitteln, Obst und Gemüse; Laserbearbeitung von Pflanzen, Nutzpflanzen und Unkraut; Gravuren auf Holz, Keramik, Kunststoff und Metall;

Vorteile des blauen Galvo-Lasers im Detail

Im Gegensatz zu anderen Galvo-Gravurlasertypen bietet ein Blue Galvo Laser Engraver (d.h. ein Galvo-Laser-Graviergerät mit einer Laserwellenlänge zwischen 445 nm und 450 nm) unerreichte Präzision und Prozesseffizienz. Die Gravurprozesseffizienz jedes Galvo-Laser-Gravierers hängt von zwei Hauptparametern ab:

1. Elektrisch-optische Umwandlungseffizienz des Galvo-Laser-Gravierers.

Dieser erste Parameter beschreibt, wie viel elektrische Leistung ein Galvo-Lasergravierer aufwendet, um eine bestimmte optische Ausgangsleistung zu erzeugen.

Sowohl blaue Galvo-Laser als auch Faser-Galvo-Laser verfügen über eine vergleichbare elektrisch-optische Leistungsumwandlungseffizienz von 25–30 %. Ein CO2-Galvo-Laser erreicht hingegen nur 6–7 %. Wesentlich dabei ist, dass diese 6,5 % Wirkungsgrad nur für die CO2-Laserröhre gelten und der energieintensive Kühler nicht einbezogen ist. In der Praxis ist der Wirkungsgrad eines CO2-Lasersystems somit noch niedriger.

Ein typischer CO2-Galvo-Laser-Kühler besitzt einen COP (Leistungszahl des Kühlers) von 3 bis 5. Der COP gibt das Verhältnis zwischen abgeführter Wärmemenge und aufgenommenem Strom des Kühlers an. Mit einer elektrisch-optischen Umwandlungseffizienz der CO2-Laserröhre von 6,5 % bedeutet das, dass ein 3 kW (3000 Watt elektrische Leistungsaufnahme) CO2-Galvo-Laser 195 Watt optische (Laser-)Leistung erzeugt. 2805 Watt elektrische Leistung werden als Wärme abgegeben, die vom Kühler abgeführt werden muss. Bei einem COP von 3–5 benötigt der Kühler eines 3 kW CO2-Lasers zusätzliche 935 Watt bis 561 Watt. Somit liegt die gesamte elektrisch-optische Effizienz eines CO2-Galvo-Lasersystems zwischen 4,96 % (=195/3935) und 5,48 % (=195/3561).

Zum Vergleich: Faser-Galvo-Laser und blaue Galvo-Laser haben eine Gesamtwirkungsgrad von 20–25 %.

Geht man von 10.000 Betriebsstunden und einem kWh-Preis von 0,24 $ aus, verbraucht ein einzelner 200 W CO2-Laser (bei 3935 W Leistungsaufnahme) zusätzlich 9444 $ an Stromkosten. Im selben Zeitraum von 10.000 Betriebsstunden verbraucht ein Galvo-Lasergravierer mit 200 W Blue Lasermodul nur 1920–2880 $ an Strom. Analog verbraucht ein 50 W Blue Galvo Laser Engraver bei 10.000 Betriebsstunden Strom im Wert von 480–720 $. Selbst bei den Betriebskosten ist der Einsatz eines Blue Galvo Laser Engravers in der Serienfertigung wirtschaftlicher als ein CO2-Galvo-Laser – selbst wenn dessen Wellenlänge eine 40 % höhere Absorptionsrate im Material hat. Effektiv können zwei (oder mehr) Blue Galvo Laser Engraver anstelle eines CO2-Galvo-Lasers eingesetzt werden, wobei sowohl der Produktionsdurchsatz als auch die Kostenersparnis steigen.

2. Absorptionsrate des gravierten Materials für die Galvo-Laserwellenlänge

Der zweite Parameter beschreibt, wie viel der eingestrahlten Laserleistung vom Material absorbiert und in nutzbare Arbeit umgewandelt wird. Dies variiert von Material zu Material. Für die meisten Werkstoffe jedoch erzielt die Wellenlänge des blauen Galvo-Lasers eine größere Absorption als die von Faser-Galvo-Lasern und CO2-Galvo-Lasern.

Dies ist insbesondere bei Keramik und insbesondere bei technischer Keramik wie Aluminiumoxid (Al₂O₃), Borncarbid (B₄C), Siliziumkarbid (SiC), Titandiborid (TiB₂) und Wolframcarbid (WC) ausgeprägt. Bei technischer Keramik steigt die Absorption der Wellenlänge des Blue Galvo Laser Engravers exponentiell mit der Temperatur. In der Nähe des Schmelzpunkts kann die Absorption der Wellenlänge des blauen Lasers auf 6H-SiC sogar 6000-mal höher sein als die Wellenlänge eines CO2-Lasers.

Galvo-Laserleistung für unterschiedliche Gravuranwendungen

Galvo-Lasergravuren auf Holz und holzbasierten Materialien

Für Holz und holzbasierte Materialien liefert der blaue (445-450 nm) Galvo-Lasergravierer die beste Performance. Dies liegt an den wesentlich höheren Betriebskosten eines CO2-Lasers, die ihn in der Unterhaltung deutlich teurer machen. Faser-Galvo-Laser zeigen in dieser Anwendung aufgrund der deutlich geringeren Absorption die schlechteste Performance.

Anwendungsbeispiel: Galvo-Lasergravur Sperrholz, Kiefernholz und Buchenholz

Das nachstehende Video zeigt einen 30 W Blue Galvo Laser Engraver beim Gravieren eines Sperrholzstücks. Mit den Maßen 8 cm x 2 cm (3,15 Zoll x 0,8 Zoll) erfolgt das Gravieren mit Opt Lasers' Blue Galvo Laser auf Sperrholz in etwa einer Sekunde.

Der Blue Galvo Laser Engraver erreicht eine Effizienz von 20–25 %, und laut wissenschaftlicher Publikationen hat die blaue 445–450 nm Wellenlänge eine Absorptionsrate von 68 % bzw. 73 % auf Kiefernholz und Buchenholz. Ein CO2-Galvo-Lasergravierer erzielt eine Gesamtenergieeffizienz von 5 % und seine Wellenlänge eine Absorptionsrate von 85 % bzw. 88 % bei den gleichen Materialien. Eine einfache Rechnung zeigt somit, dass ein Blue Galvo Laser Engraver bei gleichem Energieeinsatz etwa 3,4-mal effizienter als ein CO2-Galvo-Laser arbeitet. Das Diagramm, aus der referenzierten Publikation, zeigt die Absorptionsraten dieser Materialien.

Galvo-Lasergravuren auf Leder

Die Lasergravur von Leder ist mit einem Blue Galvo Laser Engraver am effizientesten. Die Gravur mit einem CO2-Galvo-Laser erzeugt Brandspuren, ist deutlich langsamer und wesentlich teurer. Ein Faser-Galvo-Laser mit 1,06 µm Wellenlänge zeigt die schlechteste Performance, weil 80 % seines Strahls an der Lederoberfläche reflektiert werden.

Anwendungsbeispiel: Galvo-Lasergravur auf Leder

Unterhalb finden Sie ein Video, das den Prozess der Gravur auf Leder mit einem 30 W Blue Galvo Laser Engraver zeigt. Die Gravur auf dem Leder ist in weniger als einer Sekunde abgeschlossen.

Untersuchungen zeigen, dass die Reflexion der blauen Laserwellenlänge bei einem blauen 445-nm-Laserstrahl bei 12 % liegt, bei einem Faserlaserstrahl mit 1,06 µm bei ca. 62 %. Da der blaue Laserstrahl für das menschliche Auge sichtbar ist, bedeutet dies eine Absorptionsrate von 88 % bei Leder. Maximal 38 % eines 1,06-µm-Faserlaserstrahls können im Leder absorbiert werden, was garantiert, dass ein Faser-Galvo-Laser mit 1,06 µm wesentlich schlechter für Ledergravur geeignet ist.

Tatsächlich wird jeder Laser mit einer Wellenlänge länger als 550 nm in Ledergravuranwendungen schlechter abschneiden als ein blauer Laser.

Faser-Galvo-Laser werden bei der Gravur der meisten natürlichen Säugetier- und Reptillederarten schlechter abschneiden als blaue Galvo-Laser. Zu diesen Lederarten gehören Leder von Tieren wie Schwein, Rind, Schaf, Echse, Schlange und Krokodil. Während Faser-Galvo-Laser eine höhere Wellenlängenabsorptionsrate bei regeneriertem Leder und Hirschleder aufweisen, kann ihre Leistung auf Hirschleder jedoch nur so gut sein wie die eines blauen Galvo-Lasergravierers.

Obwohl keine Absorptions- (oder Reflexions-)daten für Wellenlängen über 2,5 µm vorliegen, kann angenommen werden, dass das Absorptionsverhalten für längere Wellenlängen der Absorption von Melanin folgt, welches ein natürliches Pigment in den meisten Organismen und der Hauptfaktor für die Hautfarbe ist. Das untenstehende Bild zeigt, dass die Melaninabsorption mit zunehmender Laserwellenlänge abnimmt. Außerdem gibt der von der University of Cambridge stammende Artikel über Melanin, aus dem dieser Graph stammt, an, dass die Absorption bei Melanin für Wellenlängen über 700 nm nahezu vollständig abgeschwächt ist.

Galvo-Lasergravierer auf Metallen

Metalle unterscheiden sich von anderen Anwendungsgebieten der Galvo-Lasergravierer, da Metalle eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Um ein Metallmaterial effizient zu gravieren, benötigt man daher entweder einen hochfokussierten Laserstrahl mit hoher Leistungsdichte oder einen Laser mit hoher Pulsenergie. Darüber hinaus muss das betreffende Metallmaterial eine hohe Absorptionsrate für die Wellenlänge des jeweiligen Lasers aufweisen. Dies bedeutet, dass die effizientesten Laser für die Metallgravur Hochleistungs-blaue Galvo-Lasergravierer, gepulste Faser-Galvo-Lasergravierer sowie blaue Laserquellen mit hoher optischer Leistungsdichte sind. CO2-Galvo-Laser hingegen sind für die Gravur von Metallen äußerst ineffizient.

Fallstudie: Galvo-Lasergravur von Metallen

Die beiden Videos zeigen einen blauen Galvo-Laser beim Markieren von Edelstahl und Werkzeugstahl.

Die Absorptionsraten unterscheiden sich von Metall zu Metall, wie im folgenden Diagramm ersichtlich. Das nachfolgende Diagramm zeigt die Absorptionsraten für Wellenlängen zwischen 200 nm und 12,8 µm bei den am häufigsten verwendeten Metallen wie Kupfer, Gold, Titan, (unbeschichtetem) Aluminium, Nickel und Silber.

Ein weiteres untenstehendes Diagramm zeigt die Reflexionsraten für eine Vielzahl von Metallen. Zusätzlich zu den oben abgebildeten Materialien zeigt es das Verhalten weiterer Metalle wie reines Eisen, Wolfram, Platin, Chrom, Beryllium und Molybdän. Es ist jedoch zu beachten, dass das Reflexionsdiagramm die Reflexionseigenschaften von Metallen mit perfekt glatten Oberflächen abbildet, da rauere Oberflächen verstärkt kürzere Laserwellenlängen absorbieren.

Aus den beiden oben dargestellten Diagrammen folgt, dass blaue Galvo-Laser für die Gravur aller genannten Metalle mit Ausnahme von Chrom effizienter sind als Galvo-Laser längerer Wellenlänge. Metalle, bei denen ein blauer Galvo-Lasergravierer deutlich effizienter ist, sind Gold, Kupfer, Platin und Wolfram. Interessanterweise kann ein blauer Galvo-Laser nicht nur Kupfer gravieren, sondern auch Kupfer-Mikroschweißen durchführen.

Bei unbeschichtetem (und perfekt glattem) Aluminium ist jedoch ein Faser-Galvo-Laser mit einer Wellenlänge zwischen 500 nm und 900 nm die effektivere Wahl. Ein blauer Galvo-Laser ist dennoch effektiver für unbeschichtetes Aluminium als ein üblicher Faser-Galvo-Laser mit 1,06 µm Wellenlänge.

Interessanterweise ist die Gravur von Wolfram mit einem blauen Galvo-Laser eine sehr effiziente Anwendung, besonders wenn Wolfram, wie im Bild unten rechts gezeigt, nicht glatt ist. Das Video auf der linken Seite zeigt einen 30 W blauen Galvo-Lasergravierer bei der Gravur von Wolfram.

Galvo-Lasergravierer auf Geweben und Textilien

Auch bei der Laserbearbeitung von Textilien und Geweben ist ein blauer Galvo-Lasergravierer die bessere Lösung als andere Galvo-Lasergravierer. Das gilt sowohl für natürliche als auch für künstliche Stoffe. Faser-Galvo-Laser mit 1,06 µm haben Schwierigkeiten mit Textilien, da die meisten Stoffe die Wellenlänge dieser Laser reflektieren. Es ist zwar möglich, Gewebe und Textilien auch mit CO2-Galvo-Lasern zu gravieren und schneiden, dabei ist die Geschwindigkeit jedoch deutlich geringer und die Betriebskosten wesentlich höher als mit einem blauen Galvo-Laser.

Fallstudie: Galvo-Lasergravur von Geweben und Textilien

Das nachfolgende Video zeigt einen 30 W blauen Galvo-Laser beim Gravieren von Baumwolle, ein Prozess, der nur einen Bruchteil einer Sekunde dauert.

In den beiden unteren Diagrammen sind die Wellenlängen-Reflexionsraten verschiedener Stoffe wie Baumwolle, Nylon, Rayon, Polyester, Acryl, Wolle und Kaschmir zu sehen. Das Wellenlängenspektrum in den Diagrammen reicht von 350 nm bis 2,35 µm. Die Absorptionsrate der 450-nm-Wellenlänge des blauen Galvo-Lasers liegt zwischen 74 % und 97 %, mit einer typischen Absorptionsrate von 90 %.

Es ist jedoch zu beachten, dass Stoffe und Textilien in verschiedenen Farben verfügbar sind. Ein blauer Galvo-Lasergravierer graviert umso schneller, je dunkler das Material ist. Insgesamt hängt bei einem blauen Laser die Geschwindigkeit von Farbton und Sättigung des jeweiligen Textils oder Gewebes ab. Blaue Laser zeigen eine geringere Leistung auf sehr reflektierenden, blauen oder weißen Textilien und Stoffen. Dennoch ist ein blauer Galvo-Laser die beste Lösung zum Gravieren (und Schneiden) von Textilen und Geweben und wird besser abschneiden als jeder CO2- oder Faserlaser.

Galvo-Lasergravierer auf Lebensmitteln und organischen Materialien

Faser- und CO2-Galvo-Laser haben Schwierigkeiten bei der Gravur von Lebensmitteln und der überwiegenden Mehrheit organischer Materialien. Grund dafür ist der hohe Wassergehalt von Lebensmitteln und organischen Stoffen, der oft bis zu 70 % beträgt. Wasser absorbiert den Großteil des Laserspektrums, lässt jedoch blaue Laserstrahlen nahezu vollständig passieren, da der Absorptionskoeffizient für Wasser bei 450 nm bei 3*10^-4 cm-1 liegt. Für eine Wellenlänge von 1,06 µm beträgt die Absorptionsrate 6000 cm-1, bei einem 10,6-µm-CO2-Laserstrahl ist die Absorption sogar noch höher mit 7.000.000 cm-1. Das bedeutet, dass praktisch die gesamte Leistung von CO2- und Faserlasern für das Verdampfen von Wasser aufgewendet wird, während ein blauer Laser den Wassergehalt ignoriert und direkt das eigentliche organische Material graviert, wodurch der Prozess wesentlich schneller abläuft.

Darüber hinaus sind Pflanzenarten äußerst absorbierend für blaue Galvo-Laserstrahlen. Die Absorptionsrate der Wellenlänge des blauen Galvo-Lasers bei grüner Vegetation beträgt bis zu 93 %, wie im untenstehenden Diagramm dargestellt.

Es gibt jedoch organische Materialien, für die andere Arten von Galvo-Lasern geeignet sind. Zum Beispiel ist Hydroxylapatit (manchmal fälschlich als Hydroxylapatit bezeichnet) ein Hauptbestandteil des Zahnschmelzes. Hydroxylapatit macht in leicht modifizierter Form auch bis zu 70 % des menschlichen Knochens aus. Da Hydroxylapatit die 10,6-µm-Wellenlänge des CO2-Galvo-Lasers wesentlich stärker absorbiert, ist diese Laserart die effizienteste für das Schneiden und Gravieren von Knochen und Zähnen. Das Wellenlängen-Absorptionsdiagramm für Verbindungen wie Hämoglobin, Hydroxylapatit, Melanin und Wasser ist unten abgebildet. Es zeigt, dass die 10,6-µm-Wellenlänge eines Galvo-Lasers 10.000-mal stärker absorbiert wird als die Wellenlänge eines blauen Lasers.

Das angegebene Diagramm zeigt jedoch auch, dass blaue Laserstrahlen am effizientesten von Hämoglobin absorbiert werden, was bedeutet, dass ein blauer Galvo-Laser die optimale Lösung für chirurgische Eingriffe ist.

Galvo-Lasergravierer auf Keramiken

Die Kategorie der Keramiken umfasst sowohl technische Keramiken wie Aluminiumoxid oder Titandiborid, als auch natürliche Gesteinsarten wie beispielsweise Bauxit und Marmor.

Keramiken reagieren im Allgemeinen besser auf kürzere Wellenlängen. Die Absorptionsraten sind jedoch je nach Keramik sehr unterschiedlich, wobei blaue Galvo-Laser die beste Lösung für technische Keramiken sind, die in Panzerungskomponenten verwendet werden. Dazu gehören Keramikpanzerungen in Panzern, kugelsicheren Westen usw. Einige der mit blauen Lasern effizient gravierbaren technischen Keramiken werden auch in Penetrationsgeschossen und Artillerie eingesetzt. Bei technischen Keramiken, die in Panzerungskomponenten verwendet werden, steigt die Absorption der Wellenlänge eines blauen Galvo-Lasergravierers im Vergleich zu Galvo-Lasern längerer Wellenlänge mit steigender Temperatur exponentiell an. Zu diesen Keramiken zählen Aluminiumoxid (Al2O3), Bornitrid (B4C), Siliziumkarbid (SiC), Titandiborid (TiB2) und Wolframkarbid (WC).

Im Fall von geschmolzenem Aluminiumoxid ist die Absorptionsrate für kürzere Wellenlängen drastisch erhöht. Tatsächlich ist die Absorption der Wellenlänge eines blauen Lasers durch geschmolzenes Aluminiumoxid bis zu 300-mal höher als bei der Wellenlänge eines Faserlasers, wie aus dem untenstehenden Diagramm hervorgeht. [V.K. Bityukov et al., Absorption Coefficient of Molten Aluminum Oxide in Semitransparent Spectral Range, Applied Physics Research, Seite 51, Band 5, Januar 2013. DOI: 10.5539/APR.V5N1P51].

Andere Arten von Galvo-Lasergravierern haben bei diesen Materialien meist Schwierigkeiten. Ein Faser-Galvo-Laser ist – obwohl er wesentlich schlechter als ein blauer Galvo-Laser abschneidet – in der Regel noch besser als ein CO2-Galvo-Laser, mit Ausnahme von Aluminiumoxid-Keramik. Für diese technischen Keramiken bietet ein blauer Galvo-Lasergravierer jedoch eine drastische Steigerung der Fertigungsproduktivität.

Das nachfolgende Diagramm zeigt die Absorptionsraten unterschiedlicher Galvo-Laser auf Siliziumkarbid. Es ist zu beachten, dass jeder Temperaturanstieg um 300 Kelvin etwa einer Verschiebung der Absorption um 0,2 eV in Richtung kürzerer Wellenlängen entspricht.

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