Önálló és Integrálható Kék Galvo Lézerrendszerek

A Kék Galvo Gravírozó Lézerrendszerek Alkalmazásai

A Kék Galvo Gravírozó Lézerrendszerek széles ipari spektrumban alkalmazhatók. Az ipari, gyors anyagfeldolgozást igénylő alkalmazások mellett a mezőgazdasági, orvostechnikai és kutatási területeken is megtalálhatók. Az alkalmazási lehetőségek köre folyamatosan bővül, minden évben új felhasználási módok jelennek meg. Népszerű alkalmazási terület többek között élelmiszerek, gyümölcsök és zöldségek jelölése; növények, termények és gyomok lézeres feldolgozása; fa, kerámia, műanyag és fém gravírozása;

A Kék Galvo Lézer Előnyei Részletesen

Más galvo lézergravírozó rendszerekkel szemben a kék galvo lézergravírozó (azaz 445–450 nm hullámhosszúságú lézer modullal szerelt galvo lézer) páratlan precizitást és folyamat-hatékonyságot kínál. A galvo lézergravírozó hatékonysága két fő paramétertől függ:

1. Galvo lézergravírozó elektro-optikai átalakítási hatásfoka.

Ez a paraméter azt mutatja meg, hogy a galvo lézergravírozó mennyi villamos energiából állít elő adott optikai teljesítményt.

A kék galvo lézerek és a száloptikás galvo lézerek 25–30%-os átalakítási hatásfokkal működnek, míg a CO2 galvo lézerek csupán 6–7%-ot érnek el. Ráadásul ez a 6,5%-os hatásfok csak magára a CO2 lézercsőre vonatkozik, így figyelmen kívül hagyja a jelentős energiaigényű hűtőberendezést. Emiatt a gyakorlatban a CO2 lézer tényleges hatékonysága ennél is alacsonyabb.

Egy tipikus CO2 galvo lézer hűtőberendezésének (chiller) COP-ja, azaz a teljesítmény-együtthatója 3 és 5 közötti. Ez az érték azt adja meg, hogy a leadott hő és a felhasznált elektromos energia aránya mekkora. 6,5%-os átalakítási hatásfoknál egy 3 000 W (elektromos energiafelvétel) CO2 galvo lézer 195 W optikai (lézernyaláb) teljesítményt állít elő. 2805 W elektromos energia veszteségként – hő formájában – jelentkezik, amelyet a hűtőnek el kell vezetnie. 3–5 COP esetén egy 3 kW-os CO2 lézer hűtője további 561–935 W-ot fogyaszt. Az összesített elektro-optikai hatékonyság így CO2 galvo lézernél 4,96% (=195/3935) és 5,48% (=195/3561) között alakul.

Összehasonlításként, a száloptikás galvo lézerek és a kék galvo lézerek összesített elektro-optikai konverziós hatásfoka 20–25%.

10 000 óra üzemidőt és 0,24 USD/kWh áramdíjat számolva, egyetlen 200 W CO2 lézer (3935 W áramfelvétel) további 9444 USD áramköltséget jelent. Ugyanezen idő alatt egy 200 W-os kék lézer modullal szerelt galvo lézergravírozó csak 1920–2880 USD áramköltséggel dolgozik. Hasonlóan, egy 50 W-os kék galvo lézer 480–720 USD-t fogyaszt 10 000 munkaóránként. Az üzemeltetési költségeket figyelembe véve a kék galvo lézergravírozó használata termelősorokban gazdaságosabb, mint a CO2 galvo lézer alkalmazása, még akkor is, ha a CO2 lézer hullámhossza adott anyagra 40%-kal nagyobb abszorpciót eredményez. Így akár két (vagy több) kék galvo lézer is bevethető egy CO2 galvo lézer helyett, növelve a gyártási kapacitást és költségmegtakarítást hozva.

2. A gravírozott anyag galvo lézer hullámhosszának abszorpciója

Ez a második paraméter azt mutatja meg, hogy a lézernyaláb teljesítményének mekkora hányada nyelődik el, és alakul át hasznos munkává. Ez anyagtól függően változik, de a legtöbb anyagnál a kék galvo lézer hullámhossza nagyobb abszorpciót eredményez, mint a száloptikás vagy CO2 galvo lézerek hullámhossza.

Ez különösen kifejezett a kerámiák esetében, ezen belül is a műszaki kerámiáknál, mint az alumínium-oxid (Al₂O₃), bór-karbid (B₄C), szilícium-karbid (SiC), titán-diborid (TiB₂) és volfrám-karbid (WC). A kék galvo lézer hullámhosszának abszorpciója technikai kerámiákban exponenciálisan nő a hőmérséklettel: például az olvadáspont közelében 6H-SiC-nél akár 6000-szer nagyobb lehet, mint a CO2 lézer hullámhosszának abszorpciója.

Galvo Lézerek Teljesítménye Különféle Gravírozási Alkalmazásoknál

Galvo Lézergravírozás Fa és Faalapú Anyagokon

Fa és faalapú anyagokhoz a kék (445–450 nm) galvo lézergravírozó biztosítja a legjobb eredményt. Ennek oka, hogy a CO2 lézerek jóval magasabb működési költséget eredményeznek, így hosszú távon drágábbak. A száloptikás galvo lézerek teljesítenek a legrosszabbul ezen az alkalmazási területen, mivel a fa jóval kisebb százalékban nyeli el a száloptikás lézernyalábot, mint a másik két típust.

Esettanulmány: Rétegelt lemez, fenyőfa és bükkfa galvo lézergravírozása

Az alábbi videón egy 30 W-os kék galvo lézergravírozóval történik lézergravírozás rétegelt lemez darabon. A 8 x 2 cm-es (3,15 x 0,8 hüvelyk) felület gravírozása körülbelül egy másodpercet vesz igénybe az Opt Lasers kék galvo lézerével.

A kék galvo lézergravírozó 20–25%-os hatásfokkal működik, és a tudományos cikkek szerint a kék 445–450 nm-es lézernyaláb elnyelődése fenyőfán 68%, bükkfán 73%. A CO2 galvo lézer teljes energiahatékonysága 5%, hullámhosszának abszorpciós aránya ugyanazon anyagokon 85% és 88%. Egyszerű számítás alapján a kék galvo lézergravírozó körülbelül 3,4-szer hatékonyabb, mint a CO2 galvo lézer azonos energiafelvétel mellett. Az alábbi grafikon bemutatja ezen anyagok abszorpciós arányát az előbbiekben hivatkozott tudományos cikk alapján.

Galvo Lézergravírozás Bőrön

A bőr lézergravírozása leghatékonyabb, ha kék galvo lézerrel történik. CO2 galvo lézerrel égetési nyomok keletkeznek, sokkal lassabb, és költségesebb is. Az 1,06 µm-es száloptikás galvo lézer ebben az alkalmazásban a legrosszabb, mert lézernyalábjának 80%-át a bőr visszaveri.

Esettanulmány: Galvo lézergravírozás bőrön

Az alábbi videón látható a gravírozási folyamat bőrön, 30 W-os kék galvo lézergravírozóval; a gravírozás kevesebb, mint egy másodperc alatt elkészül.

Tudományos kutatások alapján a kék lézer hullámhossz visszaverődése bőrön 12% (445 nm-es kék lézernél), míg az 1,06 µm-es száloptikás lézernél kb. 62%. Mivel a kék lézernyaláb látható az emberi szem számára, ez azt jelenti, hogy a bőr abszorpciós aránya kék lézernél 88%. Száloptikás lézernél maximum 38% nyelődik el, ami garantálja, hogy az 1,06 µm-es száloptikás galvo lézer sokkal rosszabb gravírozási eredményt ér el bőrön.

Valójában minden, 550 nm-nél hosszabb hullámhosszúságú lézer rosszabbul teljesít, mint egy kék lézer bőrgravírozási alkalmazásokban.

A szálas galvo lézerek rosszabbul teljesítenek, mint a kék galvo lézer a természetes emlős- és hüllőbőrök többségének gravírozásánál. Ezek közé tartozik a sertés-, a szarvasmarha-, a juh-, a gyík-, a kígyó- és a krokodilbőr. Bár a szálas galvo lézerek magasabb hullámhossz-elnyelési rátát érnek el a regenerált bőrön és szarvasbőrön, szarvasbőr gravírozásánál azonban legfeljebb a kék galvo lézerrel megegyező teljesítményt érhetnek el.

Bár nincsenek elnyelési (vagy reflexiós) adatok 2,5 µm-nél hosszabb hullámhosszakon, feltételezhető, hogy a hosszabb hullámhosszak elnyelése követi a melanin elnyelési viselkedését, amely a legtöbb élő szervezetben megtalálható természetes pigment, és a bőrszín elsődleges meghatározója. Az alábbi ábra mutatja, hogy a melanin elnyelése csökken a lézer hullámhosszának növekedésével. Ezenfelül a Cambridge-i Egyetem melaninnal foglalkozó cikke, ahonnan ez a grafikon származik, kijelenti, hogy a melanin elnyelése 700 nm-nél hosszabb hullámhosszakon szinte teljesen megszűnik.

Galvo lézergravírozók fémeken

A fémek eltérnek a galvo lézergravírozók egyéb alkalmazásaitól, mivel a fémek nagyon magas hővezető képességgel rendelkeznek. Emiatt, ha hatékonyan akar fémet gravírozni, vagy nagyon fókuszált lézersugárra, nagy teljesítménysűrűséggel, vagy magas impulzusenergiájú lézerre van szükség. Ezen kívül a szóban forgó fémnek rendelkeznie kell a lézere hullámhosszával nagy elnyelési rátával. Ez azt eredményezi, hogy a leghatékonyabb lézerek fémgravírozáshoz a nagy teljesítményű kék galvo lézergravírozók, az impulzusos szálas galvo lézergravírozók, valamint a nagy optikai teljesítménysűrűségű kék lézerfejek. A CO2 galvo lézerek ezzel szemben rendkívül hatástalanok fémgravírozásra.

Esettanulmány: galvo lézeres fémgravírozás

A két videó egy kék galvo lézer által történő rozsdamentes acél és szerszámacél jelölést mutat be.

Az elnyelési arányok fémenként eltérnek, ahogyan az alábbi grafikon mutatja. Az alábbi ábra bemutatja a hullámhosszok (200 nm és 12,8 µm között) elnyelési arányait a leggyakrabban használt fémeknél, például réznél, aranynál, titánnál, (natív) alumíniumnál, nikkel-nél és ezüstnél.

Egy másik, alább bemutatott grafikon a különféle fémek reflektivitási arányait mutatja. Az előző grafikonban szereplő anyagokon kívül további fémek, például tiszta vas, volfrám, platina, króm, berillium és molibdén viselkedése is látható. Meg kell azonban jegyezni, hogy az alábbi reflexiós grafikon a tökéletesen sima felületű fémek reflexióját mutatja, mivel minél durvább a felszín, annál több rövidebb hullámhosszú lézersugár nyelődik el.

A fenti két diagram adatai alapján látható, hogy a kék galvo lézer hatékonyabb lesz, mint a hosszabb hullámhosszú galvo lézerek, az összes említett fémen, kivéve a krómot. Azoknál a fémeknél, ahol a kék galvo lézergravírozó kritikus mértékben hatékonyabb lesz, a következők: arany, réz, platina és volfrám. Érdekesség, hogy egy kék galvo lézer nemcsak gravírozhatja a rezet, hanem réz mikrofúziót is végrehajthat.

Ugyanakkor natív (és tökéletesen sima) alumíniumnál a 500 nm és 900 nm közötti hullámhosszú szálas galvo lézer hatékonyabb választás. Egy kék galvo lézer azonban még mindig hatékonyabb natív alumíniumon, mint a gyakran használt 1,06 µm-es szálas galvo lézer.

Érdekes, hogy a volfrám gravírozása kék galvo lézerrel rendkívül hatékony, különösen, ha a volfrám felszíne nem sima, amit a jobb oldali kép is mutat. A baloldali videóban egy 30 W-os kék galvo lézer gravírozza a volfrámot.

Galvo lézergravírozók szöveteken és textíliákon

A textíliák és szövetek lézeres megmunkálásánál is a kék galvo lézergravírozó a legjobb megoldás az egyéb galvo lézergravírozó típusokkal szemben. Ez igaz mind a természetes, mind a mesterséges szövetek esetén. Az 1,06 µm-es szálas galvo lézerek nehezen boldogulnak szövetekkel, mivel ezek többsége visszaveri a szálas galvo lézerek hullámhosszát. Szövetek és textíliák gravírozása és vágása CO2 galvo lézerekkel is lehetséges, ám ez sokkal alacsonyabb sebességgel és sokkal magasabb üzemeltetési költséggel történik, mintha kék galvo lézert alkalmaznak.

Esettanulmány: galvo lézeres szövet- és textílgravírozás

Az alábbi videó egy 30 W-os kék galvo lézert mutat be pamut gravírozás közben, amely csupán egy másodperc töredékéig tart.

Az alábbi két grafikonnal láthatóak a különböző szövetek, például a pamut, nejlon, rayon, poliészter, akril, gyapjú és kasmír hullámhosszbeli reflexiós rátái. A grafikonok a 350 nm és 2,35 µm tartományt fedik le. A kék galvo lézer 450 nm-es hullámhossza esetén az elnyelési ráta 74% és 97% között van, tipikusan 90%.

Figyelembe kell azonban venni, hogy a szövetek és textíliák különböző színekben kaphatók. Egy kék galvo lézergravírozó annál gyorsabban gravíroz, minél sötétebb az anyag. Összességében a kék lézernél a sebesség függ az adott textil vagy anyag árnyalatától és színétől. A kék lézerek kevésbé teljesítenek jól nagyon reflektív, kék vagy fehér szöveteken és textileken. Ennek ellenére a kék galvo lézer a legjobb megoldás szövetek és textíliák gravírozására (és vágására), és minden CO2 vagy szálas lézernél jobban teljesít.

Galvo lézergravírozók élelmiszereken és szerves anyagokon

A szálas és CO2 galvo lézerek nehézségekbe ütköznek élelmiszerek és a legtöbb szerves anyag gravírozásakor. Ennek oka, hogy az élelmiszerek és szerves anyagok magas víztartalommal bírnak, gyakran akár 70%-kal. A víz a lézerspektrum nagy részét elnyeli, azonban a kék lézersugár szinte teljes egészében áthalad rajta, mivel a víz abszorpciós együtthatója 450 nm-es lézernél 3*10^-4 cm-1. 1,06 µm hullámhossznál az elnyelési ráta 6000 cm-1, míg 10,6 µm-es CO2 lézernél az elnyelés még magasabb, 7 000 000 cm-1. Ez azt jelenti, hogy a CO2 és szálas lézersugarak energiája gyakorlatilag teljes egészében a víz elpárologtatására fordítódik, míg a kék lézer figyelmen kívül hagyja a víztartalmat, és közvetlenül a gravírozandó szerves anyagon dolgozik, így a folyamat jóval gyorsabb.

Emellett a növények fajai rendkívül elnyelőek a kék galvo lézersugarak esetén. A kék galvo lézer hullámhosszának elnyelése zöld növényzeten eléri a 93%-ot, ahogy azt az alábbi grafikon is mutatja.

Vannak azonban olyan szerves anyagok, amelyekhez más galvo lézertípusok jobban megfelelnek. Például a hidroxi-apatit (hibásan gyakran hidroxiapatitként is nevezik) a fogzománc fő alkotóeleme. A hidroxi-apatit, kissé módosult formában, az emberi csont akár 70%-át is kiteszi. Mivel a hidroxi-apatitot sokkal jobban elnyeli a 10,6 µm-es CO2 galvo lézersugár, ezért ez a legoptimálisabb galvo lézer vágási és gravírozási célokra a csontokon és fogakon. Az elnyelési arányokat bemutató hullámhossz-grafikon a hemoglobinra, hidroxi-apatitra, melaninra és vízre vonatkozóan alább látható. Eszerint a 10,6 µm-es galvo lézer hullámhosszát 10 000-szer intenzívebben nyeli el a hidroxi-apatit, mint a kék lézert.

A fenti ábra azonban azt is mutatja, hogy a kék lézerek hullámhosszait nyeli el leghatékonyabban a hemoglobin, ami azt jelenti, hogy a kék galvo lézer a legoptimálisabb megoldás sebészeti eljárásokhoz.

Galvo lézergravírozók kerámián

A kerámiák kategóriája magában foglalja mind a mesterséges (pl. alumínium-oxid vagy titán-diborid), mind a természetes kőfajtákat, például bauxitot vagy márványt.

A kerámiák jobban reagálnak a rövidebb hullámhosszakra. Azonban különböző kerámiák elnyelési rátái jelentősen eltérnek, a kék galvo lézerek a legjobb megoldásokat jelentik a műszaki kerámiákban, amelyeket páncéltestekben alkalmaznak. Ide tartozik a harckocsik, golyóálló mellények kerámia páncélzata. Néhány műszaki kerámia, amely hatékonyan gravírozható kék lézerrel, lövedékek és tüzérségi eszközök behatolójában is alkalmazásra kerül. A technikai kerámiákban, amelyek páncéltestekben használatosak, a kék galvo lézer hullámhosszának elnyelése – a hosszabb hullámhosszúságú galvo lézerekhez képest – exponenciálisan nő a hőmérséklet emelkedésével. Ilyen kerámiák: alumínium-oxid (Al2O3), bór-karbid (B4C), szilícium-karbid (SiC), titán-diborid (TiB2) és volfrám-karbid (WC).

Olvadt alumínium-oxid esetén a rövidebb hullámhosszak elnyelése drámaian megnő. Olvadt alumínium-oxidnál a kék lézer hullámhosszának elnyelése akár 300-szor meghaladja a szálas lézer hullámhosszának elnyelését az alábbi grafikon szerint. [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].

Más típusú galvo lézergravírozók ezekkel az anyagokkal rendszerint nehezen boldogulnak. Egy szálas galvo lézer, bár lényegesen rosszabbul teljesít, mint a kék galvo lézer, mégis gyakran jobban működik, mint egy CO2 galvo lézer, kivéve az alumínium-oxid kerámiát. Ennek ellenére ezeknél a műszaki kerámiáknál a kék galvo lézergravírozó drámai növekedést jelent a gyártási termelékenységben.

Az alábbi grafikon a különböző galvo lézerek szilícium-karbiddal kapcsolatos elnyelési arányait mutatja. Fontos megjegyezni, hogy minden 300 Kelvin-fokos növekedés körülbelül 0,2 eV eltolódást jelent az elnyelési maximumban a rövidebb hullámhosszak irányába.

Lépjen kapcsolatba velünk