Systèmes laser Galvo bleu autonomes et intégrables

Applications des systèmes laser Galvo bleu de gravure

Les systèmes laser Galvo bleu de gravure trouvent leur place dans de nombreux secteurs industriels. Bien que les applications industrielles nécessitant un traitement rapide des matériaux soient courantes, ces systèmes sont également utilisés dans l’agriculture, le médical et la recherche. La liste des applications s’allonge chaque année avec l’apparition de nouveaux usages. Les applications populaires incluent le marquage alimentaire, des fruits et légumes ; le traitement laser des plantes, cultures et adventices ; la gravure sur bois, céramique, plastiques et métaux ;

Avantages du Galvo Bleu en Profondeur

Contrairement aux autres types de graveurs laser galvo, un graveur laser galvo bleu (c’est-à-dire un graveur laser galvo utilisant un module laser dont la longueur d’onde est comprise entre 445 nm et 450 nm), offre une précision et une efficacité de procédé inégalées. L’efficacité de gravure d’un graveur laser galvo dépend de deux paramètres principaux :

1. Efficacité de conversion électro-optique du graveur laser galvo.

Ce premier paramètre décrit la quantité d’énergie électrique consommée par le graveur laser galvo pour générer une puissance optique donnée.

Tant les lasers galvo bleus que les lasers galvo à fibre affichent un rendement de conversion électro-optique de l’ordre de 25–30 %, alors qu’un laser galvo CO2 offre une efficacité de seulement 6–7 %. Plus important encore, ces 6,5 % ne concernent que le rendement du tube laser CO2, sans prendre en compte le refroidisseur énergivore requis pour ce tube CO2. En pratique, l’efficacité d’un laser CO2 est donc encore plus faible.

Un refroidisseur typique pour laser galvo CO2 présente un COP (coefficient de performance) de 3 à 5. Le COP indique le rapport entre la chaleur dissipée et l’énergie électrique consommée par le refroidisseur. Avec l’efficacité électro-optique du tube laser CO2 de 6,5 %, cela signifie qu’un laser galvo CO2 de 3 000 W (3 kW de consommation électrique) fournit 195 W de puissance laser optique. Ainsi, 2 805 W sont dissipés sous forme de chaleur à extraire par le refroidisseur. Avec un COP de 3–5, le refroidisseur d’un laser CO2 de 3 kW consommera en plus entre 935 et 561 W d’électricité. Par conséquent, l’efficacité totale électro-optique d’un système galvo CO2 est comprise entre 4,96 % (=195/3935) et 5,48 % (=195/3561).

À titre de comparaison, les lasers galvo à fibre et galvo bleu ont une efficacité totale de conversion électro-optique de 20–25 %.

Si l’on considère une période de fonctionnement de 10 000 heures et un prix du kWh de 0,24 $, un laser CO2 200 W (avec 3 935 W de consommation électrique) engendre 9 444 $ de frais supplémentaires d’électricité. Sur la même période, un graveur laser galvo avec un module laser bleu de 200 W ne consomme que 1 920 à 2 880 $ d’électricité. Par analogie, un graveur galvo bleu de 50 W ne coûtera que 480 à 720 $ d’électricité sur 10 000 heures. En intégrant les coûts d’exploitation, l’utilisation d’un graveur laser galvo bleu est plus économique dans une ligne de production que l’utilisation d’un galvo CO2, même si la longueur d’onde du CO2 présente un taux d’absorption supérieur de 40 % sur un matériau donné. De fait, il est possible d’utiliser deux (voire plus) graveurs laser galvo bleu à la place d’un seul galvo CO2, et d’obtenir ainsi un débit de fabrication et des économies plus importants.

2. L’absorption de la longueur d’onde du galvo laser par le matériau gravé

Le second paramètre décrit la part de la puissance du faisceau laser incident absorbée et transformée en énergie utile. Ce taux varie selon les matériaux, mais pour la grande majorité d’entre eux, la longueur d’onde du galvo laser bleu présente une absorption supérieure à celles des lasers galvo à fibre et CO2.

Ce phénomène est particulièrement prononcé pour les céramiques, notamment les céramiques techniques telles que l’alumine (Al₂O₃), le carbure de bore (B₄C), le carbure de silicium (SiC), le diborure de titane (TiB₂) et le carbure de tungstène (WC). Dans les céramiques techniques, l’absorption de la longueur d’onde du galvo laser bleu croît exponentiellement avec la température. Près du point de fusion, l’absorption par le 6H-SiC peut même être 6 000 fois supérieure à celle de la longueur d’onde d’un laser CO2.

Performance des lasers Galvo pour diverses applications de gravure

Graveurs laser Galvo sur bois et matériaux dérivés

Pour le bois et les matériaux dérivés du bois, le graveur laser galvo bleu (445-450 nm) offre les meilleures performances. Cela résulte du coût d’exploitation bien plus élevé d’un laser CO2, qui en fait une option bien plus coûteuse à moyen terme. Les graveurs galvo fibre sont les moins performants pour cette application en raison d’un taux d’absorption bien plus faible dans ce type de matériau.

Cas d’étude : Gravure laser galvo sur contreplaqué, pin et hêtre

La vidéo ci-dessous montre un graveur galvo bleu de 30 W en train de graver une pièce de contreplaqué. Mesurant 8 cm sur 2 cm (3,15 x 0,8 pouces), la gravure est réalisée en environ une seconde avec le système galvo bleu d’Opt Lasers.

Le graveur laser galvo bleu présente une efficacité de 20–25 %, et selon les publications spécialisées, la longueur d’onde bleue 445–450 nm est absorbée à hauteur de 68 % sur le pin et 73 % sur le hêtre. Un graveur galvo laser CO2 a une efficacité globale de 5 % et sa longueur d’onde est absorbée respectivement à 85 % et 88 % par les mêmes matériaux. On démontre ainsi qu’un graveur galvo bleu est environ 3,4 fois plus efficient qu’un galvo CO2 à même consommation électrique. Le graphique, extrait d’un article académique, décrit les taux d’absorption de ces matériaux.

Graveurs laser Galvo pour le cuir

La gravure laser du cuir est la plus efficiente lorsqu’elle est réalisée avec un graveur laser galvo bleu. La gravure au laser galvo CO2 occasionne des traces de brûlures, un processus bien plus lent et nettement plus coûteux. Un laser galvo fibre à 1,06 µm présente la performance la plus faible dans cette application, à cause d’un coefficient de réflexion de 80 % du faisceau laser sur la surface du cuir.

Cas d’étude : Gravure laser galvo sur cuir

Vous pouvez visionner ci-dessous une vidéo du processus de gravure du cuir par un graveur galvo bleu de 30 W. La gravure sur le cuir est réalisée en moins d’une seconde.

Des recherches académiques démontrent que la réflexion d’une longueur d’onde bleue (445 nm) est de l’ordre de 12 % pour un faisceau bleu et d’environ 62 % pour un faisceau fibre à 1,06 µm. Comme le faisceau bleu est visible à l’œil humain, cela signifie que son taux d’absorption sur le cuir atteint 88 %. Seuls 38 % au maximum du faisceau fibre 1,06 µm peuvent être absorbés par le cuir, ce qui garantit que le galvo fibre 1,06 µm aura les performances les plus faibles en gravure du cuir.

En réalité, tout laser dont la longueur d’onde est supérieure à 550 nm offrira des performances inférieures à celles d’un laser bleu dans les applications de gravure sur cuir.

Les lasers galvo à fibre auront des performances inférieures à celles du laser galvo bleu pour la gravure de la majorité des variétés de cuir naturel de mammifères et de reptiles. Ces variétés de cuir incluent notamment le cuir issu d’animaux tels que le porc, le bétail, le mouton, le lézard, le serpent et le crocodile. Bien que les lasers galvo à fibre aient un taux d’absorption de longueur d’onde plus élevé sur le cuir régénéré et le cuir de cerf, ils ne peuvent égaler les performances du graveur laser galvo bleu que sur le cuir de daim.

Bien qu’aucune donnée d’absorption (ou de réflexion) ne soit disponible pour les longueurs d’onde supérieures à 2,5 µm, on peut supposer que le comportement d’absorption pour des longueurs d’onde plus longues suit l’absorption de la mélanine, qui est un pigment naturel présent chez la plupart des organismes et le principal déterminant de la couleur de la peau. L’image ci-dessous montre que l’absorption de la mélanine diminue à mesure que la longueur d’onde du laser augmente. De plus, l’article de l’Université de Cambridge sur la mélanine, d’où provient ce graphique, indique que l’absorption par la mélanine est presque totalement atténuée pour les longueurs d’onde supérieures à 700 nm.

Graveurs laser galvo sur les métaux

Les métaux se distinguent d’autres applications des graveurs laser galvo, car les métaux ont généralement une très grande conductivité thermique. Pour graver efficacement un matériau métallique, il est donc nécessaire de disposer soit d’un faisceau laser fortement focalisé avec une densité de puissance élevée, soit d’un laser à forte énergie d’impulsion. Par ailleurs, le matériau métallique concerné doit présenter un taux d’absorption élevé à la longueur d’onde de votre laser. Cela signifie que les lasers les plus efficaces pour la gravure sur métaux sont les graveurs laser galvo bleu haute puissance, les graveurs laser galvo à impulsions à fibre ainsi que les têtes laser bleu à forte densité de puissance optique. Les lasers galvo CO2, quant à eux, sont très inefficaces pour la gravure des métaux.

Étude de cas : Gravure laser galvo sur métaux

Les deux vidéos présentent un laser galvo bleu marquant de l’acier inoxydable et de l’acier à outils.

Les taux d’absorption varient d’un métal à l’autre comme indiqué par le graphique ci-dessous. Ce graphique montre les taux d’absorption, pour des longueurs d’onde comprises entre 200 nm et 12,8 µm, pour les métaux les plus couramment utilisés tels que le cuivre, l’or, le titane, l’aluminium (brut), le nickel et l’argent.

Un autre graphique, présenté ci-dessous, illustre les taux de réflexion pour une variété de métaux. En plus des matériaux présentés dans le graphique précédent, il rend compte du comportement d’autres métaux tels que le fer pur, le tungstène, le platine, le chrome, le béryllium et le molybdène. Il convient néanmoins de noter que le graphique ci-dessous représente la réflectivité de métaux ayant des surfaces parfaitement lisses, car moins une surface est lisse, plus elle absorbe les longueurs d’onde laser plus courtes.

À partir des données présentées dans les deux graphiques ci-dessus, il en ressort que le laser galvo bleu sera plus efficace que les lasers galvo de longueur d’onde supérieure pour la gravure de tous les métaux mentionnés, à l’exception du chrome. Les métaux pour lesquels un graveur laser galvo bleu sera nettement plus efficace sont l’or, le cuivre, le platine et le tungstène. Fait intéressant, un laser galvo bleu peut non seulement graver le cuivre mais aussi effectuer le micro-soudage du cuivre.

Néanmoins, dans le cas de l’aluminium brut (et parfaitement lisse), un laser galvo à fibre avec une longueur d’onde comprise entre 500 nm et 900 nm sera un choix plus efficace. Un laser galvo bleu reste néanmoins plus efficace pour l’aluminium brut qu’un laser galvo à fibre classique de 1,06 µm.

Il est également intéressant de noter que la gravure du tungstène avec un laser galvo bleu est une application particulièrement efficace, surtout si le tungstène n’est pas lisse, comme l’indique la photo à droite ci-dessous. La vidéo située à gauche présente un graveur laser galvo bleu de 30 W gravant du tungstène.

Graveurs laser galvo sur tissus et textiles

Dans l’application du traitement laser des textiles et tissus, un graveur laser galvo bleu constitue également une solution supérieure à celle des autres types de graveurs laser galvo. Cela concerne aussi bien les tissus naturels qu’artificiels. Les lasers galvo à fibre de 1,06 µm rencontrent des difficultés avec les tissus, la plupart d’entre eux réfléchissant les longueurs d’onde des lasers fibre. Il est aussi possible de graver et de découper tissus et textiles avec des lasers galvo CO2, mais cela s’effectue à une vitesse bien plus faible et avec des coûts opérationnels bien supérieurs comparé à l’utilisation d’un laser galvo bleu.

Étude de cas : Gravure laser galvo sur tissus et textiles

La vidéo ci-dessous montre un laser galvo bleu de 30 W en train de graver du coton, une opération qui ne prend qu’une fraction de seconde.

Les deux graphiques ci-dessous présentent les taux de réflexion des longueurs d’onde pour différents tissus tels que le coton, le nylon, la rayonne, le polyester, l’acrylique, la laine et le cachemire. Le spectre des longueurs d’onde couvert par ces graphiques s’étend de 350 nm à 2,35 µm. Le taux d’absorption à la longueur d’onde de 450 nm du laser galvo bleu se situe entre 74 % et 97 %, le taux moyen étant de 90 %.

Il convient néanmoins de noter que les tissus et textiles existent dans différentes couleurs. Un graveur laser galvo bleu effectue la gravure plus rapidement sur un tissu plus foncé. Globalement, dans le cas d’un laser bleu, la vitesse dépendra de la teinte et de la nuance du textile ou tissu concerné. Les lasers bleus auront également de moins bonnes performances sur les textiles et tissus très réfléchissants, bleus ou blancs. Quoi qu’il en soit, un laser galvo bleu est la solution idéale pour la gravure (et la découpe) de tissus et de textiles, surpassant tout laser CO2 ou laser à fibre.

Graveurs laser galvo sur aliments et matériaux organiques

Les lasers galvo à fibre et CO2 éprouvent des difficultés pour la gravure alimentaire et la grande majorité des matériaux organiques. Cela s’explique par la forte teneur en eau des aliments et des matériaux organiques, souvent élevée jusqu’à 70 %. L’eau absorbe l’essentiel du spectre laser, toutefois elle transmet presque intégralement les faisceaux laser bleu, le coefficient d’absorption de l’eau étant de 3*10^-4 cm-1 pour un laser de 450 nm. Pour une longueur d’onde de 1,06 µm, le taux d’absorption atteint 6000 cm-1, tandis que pour un faisceau laser CO2 de 10,6 µm, l’absorption est encore supérieure avec 7 000 000 cm-1. Cela signifie que la quasi-totalité de la puissance des faisceaux laser CO2 et fibre est consommée par l’évaporation de l’eau, alors qu’un laser bleu ne tient pas compte de la teneur en eau et réalise la gravure directement sur le matériau organique à traiter, rendant le processus bien plus rapide.

De plus, les espèces végétales sont très absorbantes pour les faisceaux laser galvo bleu. Le taux d’absorption de la longueur d’onde du laser galvo bleu sur la végétation verte atteint jusqu’à 93 % comme l’indique le graphique ci-dessous.

Il existe toutefois des matériaux organiques pour lesquels d’autres types de lasers galvo sont adaptés. Par exemple, l’hydroxylapatite (parfois incorrectement appelée hydroxyapatite) est un composant majeur de l’émail des dents. L’hydroxylapatite, sous une forme légèrement modifiée, représente également jusqu’à 70 % de l’os humain. Comme l’hydroxylapatite est beaucoup plus facilement absorbée par un faisceau laser galvo CO2 de 10,6 µm, ce type de graveur laser galvo sera le plus efficace pour le découpage et la gravure des os et dents. Le graphique d’absorption des longueurs d’onde pour des composés tels que l’hémoglobine, l’hydroxylapatite, la mélanine et l’eau est présenté ci-dessous. Il montre que la longueur d’onde de 10,6 µm du laser galvo est absorbée 10 000 fois plus que celle d’un laser bleu.

Cependant, le graphique ci-dessus montre également que les lasers bleus sont les faisceaux laser les mieux absorbés par l’hémoglobine, ce qui implique qu’un laser galvo bleu est la solution la plus optimale pour les procédures chirurgicales.

Graveurs laser galvo sur céramiques

La catégorie des céramiques comprend aussi bien les céramiques manufacturées telles que l’alumine ou le diborure de titane, que les pierres naturelles comme la bauxite ou le marbre.

Les céramiques réagissent généralement mieux aux longueurs d’onde plus courtes. Cependant, les taux d’absorption varient considérablement selon les céramiques, le laser galvo bleu représentant la meilleure solution pour les céramiques techniques utilisées dans les composants de blindage. Cela inclut le blindage céramique dans les chars, les gilets pare-balles. Certaines céramiques techniques gravées efficacement avec des lasers bleus sont également utilisées dans les obus perforants et l’artillerie. Dans les céramiques techniques employées pour les composants de blindage, l’absorption de la longueur d’onde d’un graveur laser galvo bleu, comparée aux lasers galvo de longueur d’onde supérieure, augmente de manière exponentielle avec la température. Ces céramiques comprennent l’alumine (Al2O3), le carbure de bore (B4C), le carbure de silicium (SiC), le diborure de titane (TiB2) et le carbure de tungstène (WC).

En pratique, dans le cas de l’alumine fondue, le taux d’absorption est considérablement augmenté pour les longueurs d’onde plus courtes. En effet, l’absorption de la longueur d’onde du laser bleu par l’alumine fondue est jusqu’à 300 fois plus élevée que celle de la longueur d’onde du laser à fibre, comme l’indique le graphique ci-dessous. [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].

D’autres types de graveurs laser galvo rencontrent généralement des difficultés avec ces matériaux. Un laser galvo à fibre, bien qu’offrant des performances bien moindres qu’un laser galvo bleu, fonctionne toutefois souvent mieux qu’un laser galvo CO2, à l’exception de la céramique d’alumine. Néanmoins, pour ces céramiques techniques, un graveur laser galvo bleu offre une augmentation considérable de la productivité industrielle.

Le graphique ci-dessous montre les taux d’absorption de différents lasers galvo sur le carbure de silicium. Il convient de noter que chaque augmentation de 300 degrés Kelvin correspond à un déplacement d’environ 0,2 eV vers les longueurs d’onde plus courtes dans l’absorption.

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