Kestävä, vähävirtainen vaihtoehto CO2- ja YAG-lasereille – Leikkaus- ja kaiverruslaserpäät
Sinisten laserpäiden teknologinen ylivoima YAG- ja CO2-lasereihin verrattuna
Siniset laserit ovat teknologisesti ylivoimaisia verrattuna muihin saatavilla oleviin ratkaisuihin, kuten CO2- ja YAG-lasereihin. Niiden tulo markkinoille on vaikuttanut lääketieteeseen, puolustusteollisuuteen ja tieteeseen. Kysyntä kasvaa jatkuvasti 450 nm aallonpituuden, korkean tehotiheyden ja monien materiaalien vahvan sinisen valon absorptio-ominaisuuden ansiosta. Nämä parametrit mahdollistavat korkean käsittelynopeuden eri materiaaleilla, matalan vikaprosentin ja tuotteen helpon sovitettavuuden tiettyihin tuotantoprosesseihin.
Aiemmat yritykset kehittää suurtehoisia diodilaserjärjestelmiä epäonnistuivat usein eri syistä. CNC-laitteisiin turvallisesti asennettavien tuotteiden tehot jäävät yleensä muutamaan wattiin – noin 5–6 W. Jotkin valmistajat tarjosivat yhdistettyjä 12–15 W moduuleja (kaksi 6 W päätä), mutta näissä prototyypeissä oli puutteita: ei dedikoitua optista järjestelmää (suuri piste –> pienempi tehotiheys ja suorituskyky), rakenteellisia ongelmia (lisäohjaimet, virtalähteet, lämmönpoisto) sekä riski kahdesta erillisestä pisteestä yhden yhtenäisen sijaan.
Teollisuuskäytössä CO2- ja YAG (infrapuna) -laserit 30–500 W teholuokassa ovat yleisiä rajoituksistaan huolimatta: alhainen sähkötehokkuus, haastava integrointi, heikko absorptio monissa materiaaleissa ja korkeat ylläpitokustannukset. Käytännössä sinidiodipäät voivat suorittaa monia aiemmin suuritehoisille lasereille varattuja tehtäviä, parantaen samanaikaisesti koneen tehokkuutta ja nopeutta. Niiden sähkötehokkuus on noin 35 %, kun se YAG-laserilla on noin 15–20 % ja CO2-laserilla noin 8 %. Diodilasereiden käyttöikä on myös moninkertainen (noin 10 000–20 000 h verrattuna CO2-putkiin).
Kompakti koko, passiivinen lämmönpoisto ja turvallinen rakenne mahdollistavat esimerkiksi kannettavat merkintälaitteet sahaamoihin, hitsaamoihin ja ruostumattoman teräksen tuotantoon. Hyödyntämällä suurta sinisen aallonpituuden absorptiota Opt Lasers käyttää sinidiodipäitä tekstiilien, kumin, muovien, puun, ruostumattoman teräksen ja muiden leikkaukseen ja kaiverrukseen. Suurtehoiset 6–30 W diodipäät ovat houkutteleva vaihtoehto sovelluskohteissa, joissa aiemmin tukeuduttiin suuriin CO2- ja YAG-laitteistoihin.
450 nm diodilaser kykenee kohdistamaan työkappaleeseen useista jopa lähes 20 × enemmän energiaa kuin CO2/YAG (pienempi spot + korkeampi absorptio), saavuttaen vastaavat lopputulokset paljon alhaisemmalla laserpään teholla. Alla on keskeiset ominaisuudet CNC-koneissa käytettäville diodipäille:
Korkea optinen tehotiheys
Sinidiodikaiverruspäät saavuttavat korkeimman tehotiheyden erittäin pienten laserpisteiden (noin 0,10 mm × 0,003 mm – 0,15 mm × 0,003 mm) ja “top-hat”-tehotasojakelun ansiosta. 30 W monimoodisen sinisen pään tehotiheys on selvästi suurempi kuin kilpailevien laitteiden. Vertailuksi:
- 30 W CO2-laseri: ~430 kW/cm² (kertaluokkaa alempi).
- 30 W YAG-laseri: ~450 kW/cm².
Sinilaserin korkea absorptiokerroin
Sinidiodit (440–450 nm) omaavat korkean absorption monilla materiaaleilla, siirtäen enemmän energiaa pinnalle kuin YAG- tai CO2-laserit.
| Materiaali | Sinidiodi 450 nm | YAG | CO2 |
|---|---|---|---|
| Kupari | ~65% | ~5% | ~5% |
| Kulta | ~65% | ~5% | ~5% |
| Ruostumaton teräs | ~45% | ~35% | <3% |
| Titaani | ~85% | ~70% | ~6% |
| Alumiini | ~12% | ~8% | ~3% |
Korkeampi absorptio tarkoittaa moninkertaista energian siirtoa työkappaleelle samalla optisella teholla.
Suurtaajuuksinen laserdiodin virran modulaatio
Opt Lasers -päät tukevat nopeaa modulaatiota, joka mahdollistaa tarkat, monimutkaiset yksityiskohdat korkeilla nopeuksilla. Vertailulukuja:
| Lasertyyppi | Modulaatiotaajuus |
|---|---|
| Sinidiodipää | 1–100 kHz |
| CO2-laseri | ~5 kHz |
| YAG-laseri | ~25 kHz |
Hitaan CO2-ohjauksen vuoksi kaiverrusnopeus monimutkaisissa muodoissa on rajoitettu, tehosta huolimatta.
Laserpäiden kompaktius
Materiaalien ja rakenteen ansiosta nykyaikaiset monimoodiset sinipäät ovat erittäin pieniä ja kevyitä, mikä mahdollistaa käytön CNC-koneissa, 3D-tulostimissa ja jopa robottikäsivarsissa, joissa CO2- tai YAG-yksiköt eivät ole toteutuskelpoisia.
| Lasertyyppi | Lähteen mitat (mm) | Paino | Tarvittavat lisävarusteet |
|---|---|---|---|
| Sinidiodipää (20–30 W luokka) | ≤ 70 × 70 × 220 | < 2000 g | Ei merkittäviä; passiivinen jäähdytys |
| CO2-laseri (30 W) | ~60 × 60 × 600 | ~2500 g | Korkeajännitevirtalähde (~200 × 200 × 150); vesijäähdytys; säteenohjausoptiikka |
| YAG-laseri (30 W) | ~290 × 220 × 100 | ~3500 g | Säteenohjausoptiikka ja kohdistus |
Diodipäät ovat kompakteja, kevyitä, helppoja kiinnittää sekä laajalti yhteensopivia. Toisaalta CO2-järjestelmät vaativat suurikokoisia koteloita, vesijäähdytystä ja korkeajännitevirtalähteitä; sekä CO2- että YAG-laitteet vaativat peilijunia ja kohdistusta.
Laserpäiden turvallisuus
CNC-jyrsityt alumiinikomponentit varmistavat tehokkaan lämmönsiirron. Ohjain on suojattu noin IP 62 -luokituksella, joka suojaa mekaanisilta vaurioilta, pölyltä ja vesiroiskeilta. Ohjauselektroniikka sisältää lämpösuojauksen, joka estää diodin ylikuumenemisen. Ajuri on integroitu päähän lähelle diodia, mikä minimoi induktiiviset ongelmat ja liittimen vikojen riskin diodin ja ohjaimen välillä — mikä on yleinen vikojen aiheuttaja — ja vähentää näin kokonaiskäyttökustannuksia.
Merkintä ja laservalonsiirto veden alla
Opt Lasers -diodipäitä voidaan käyttää vedenalaiseen merkintään. Sininen aallonpituus (~440–460 nm) läpäisee vettä, kun taas CO2- ja YAG-aallonpituudet absorboituvat voimakkaasti. Kompaktin rakenteen ja helpon integroinnin (ei monimutkaista säteenohjausoptiikkaa) ansiosta sinidiodikaiverruslaitteet tarjoavat kilpailukykyisen ratkaisun tällaisiin käyttökohteisiin.