Sistemi Laser Galvo Blu Standalone e Integrabili

Applicazioni dei Sistemi Laser Galvo Blu per Incisione

I Sistemi Laser Galvo Blu per Incisione trovano applicazione in un’ampia gamma di settori. Sebbene le applicazioni industriali che richiedono lavorazioni rapide dei materiali siano comuni, questi sistemi sono utilizzati anche nei settori agricolo, medico e della ricerca. L’elenco delle applicazioni continua a espandersi con nuovi utilizzi che emergono annualmente. Applicazioni diffuse comprendono marcatura alimentare su cibi, frutta e verdura; lavorazione laser di piante, colture e infestanti; incisione su legno, ceramica, plastica e metalli;

Vantaggi del Laser Galvo Blu Approfonditi

A differenza di altri tipi di incisori laser galvo, un incisore galvo laser blu (ovvero un incisore laser galvo che utilizza un modulo laser con lunghezza d’onda tra 445 nm e 450 nm) offre precisione e resa di processo senza eguali. L’efficienza del processo di incisione per qualsiasi incisore galvo laser dipende da due parametri principali:

1. Efficienza di conversione elettro-ottica dell’incisore galvo laser.

Questo primo parametro descrive quanta energia elettrica consuma un incisore galvo laser per produrre una determinata potenza ottica in uscita.

Sia i laser galvo blu che i laser galvo a fibra hanno un’efficienza di conversione elettro-ottica paragonabile, pari al 25-30 percento, mentre un laser galvo CO₂ ha un’efficienza di solo il 6-7 percento. È importante sottolineare che questa efficienza del 6,5% riguarda solo il tubo laser CO₂, e non considera il refrigeratore che assorbe notevole energia elettrica necessario per il funzionamento del tubo CO₂. In pratica, quindi, l’efficienza dei laser CO₂ è ancora più bassa.

Un tipico refrigeratore per laser galvo CO₂ ha un COP (coefficiente di prestazione) compreso tra 3 e 5. Il valore del COP indica il rapporto tra calore dissipato e potenza elettrica utilizzata dal refrigeratore. Con un’efficienza di conversione elettro-ottica del tubo laser CO₂ pari al 6,5%, significa che un sistema laser galvo CO₂ da 3.000 kW (3000 watt di consumo elettrico) eroga 195 watt di potenza laser ottica. E 2805 watt di energia elettrica vengono dissipati come carico termico da smaltire tramite il refrigeratore. Con un COP di 3-5, questo significa che il refrigeratore di un laser CO₂ da 3 kW consuma ulteriori 935 watt fino a 561 watt. Pertanto, l’efficienza totale elettro-ottica di un sistema laser galvo CO₂ oscilla tra il 4,96% (=195/3935) e il 5,48% (=195/3561).

In confronto, i laser galvo a fibra e i laser galvo blu hanno un’efficienza di conversione complessiva del 20-25%.

Considerando un periodo operativo di 10.000 ore e un costo di $0,24/kWh, un singolo laser CO₂ da 200 W (con 3935 W di consumo) genera ulteriori costi elettrici pari a $9444. Nello stesso arco temporale di 10.000 ore operative, un incisore galvo laser con modulo blu da 200 W consuma solo $1920–$2880 di energia. Analogamente, un incisore galvo blu da 50 W consuma $480–$720 di elettricità ogni 10.000 ore. Calcolando anche i costi operativi, utilizzare un incisore galvo blu in una linea produttiva risulta economicamente più vantaggioso dell’uso di un laser galvo CO₂ anche laddove la lunghezza d’onda del CO₂ abbia un assorbimento superiore del 40% sul materiale lavorato. In pratica, si possono utilizzare due (o più) incisori galvo blu in sostituzione di un singolo laser galvo CO₂ ottenendo una maggiore produttività e risparmi economici.

2. Assorbimento della lunghezza d’onda del laser galvo da parte del materiale inciso

Il secondo parametro descrive quanto della potenza del fascio laser incidente viene assorbito e convertito in lavoro utile. Questo varia in base al materiale, tuttavia, per la maggior parte dei materiali la lunghezza d’onda del laser galvo blu evidenzia un assorbimento superiore rispetto a quelle dei laser galvo a fibra e CO₂.

Ciò è particolarmente pronunciato nelle ceramiche, e in particolare in ceramiche tecniche quali allumina (Al₂O₃), carburo di boro (B₄C), carburo di silicio (SiC), diboruro di titanio (TiB₂) e carburo di tungsteno (WC). Nelle ceramiche tecniche, l’assorbimento della lunghezza d’onda del laser galvo blu cresce esponenzialmente con la temperatura. In effetti, vicino al punto di fusione, l’assorbimento della lunghezza d’onda del laser blu su 6H-SiC può essere fino a 6000 volte maggiore rispetto a quella del laser CO₂.

Prestazioni del Laser Galvo per Diverse Applicazioni di Incisione

Incisione con Laser Galvo su Legno e Materiali Derivati

Per il legno e i materiali a base di legno, l’incisore laser galvo blu (445-450 nm) assicura le migliori prestazioni. Ciò deriva dai costi operativi molto più elevati di un laser CO₂, che comportano una soluzione economicamente insostenibile. I laser galvo a fibra offrono le prestazioni più basse in questa applicazione a causa dell’assorbimento molto inferiore rispetto agli altri due principali tipi di incisori galvo.

Caso Studio: Incisione Galvo Laser su Multistrato, Pino e Faggio

Il video qui sotto mostra un incisore galvo laser blu da 30 W mentre incide un pezzo di multistrato. Misurando 8 cm x 2 cm (3.15 pollici x 0.8 pollici), l’incisione sul multistrato viene completata in circa un secondo con il laser galvo blu Opt Lasers.

L’incisore galvo blu offre un’efficienza del 20-25% e, secondo fonti scientifiche, la lunghezza d’onda blu 445–450 nm ha un assorbimento del 68% sul pino e del 73% sul faggio. Un incisore laser galvo CO₂ ha un’efficienza energetica complessiva del 5% e la sua lunghezza d’onda ha assorbimenti dell’85% e dell’88% sugli stessi materiali. Quindi, un semplice calcolo mostra che un incisore galvo blu è circa 3,4 volte più efficiente di un laser galvo CO₂ a parità di consumo di potenza. Il grafico, tratto dalla pubblicazione accademica citata, mostra i coefficienti di assorbimento per questi materiali.

Incisione Laser Galvo su Pelle

L’incisione laser su pelle risulta più efficiente quando realizzata con un incisore galvo laser blu. L’incisione su pelle con laser galvo CO₂ lascia segni di bruciatura, è molto più lenta e comporta costi sensibilmente superiori. Il laser galvo a fibra 1,06 µm rappresenta la soluzione meno performante nella lavorazione laser della pelle, poiché l’80% del fascio viene riflesso dalla superficie.

Caso Studio: Incisione Laser Galvo su Pelle

In basso è possibile vedere un video che mostra il processo di incisione su pelle con un incisore galvo blu da 30 W. L’incisione è eseguita in meno di un secondo.

Studi accademici dimostrano che la riflessione della lunghezza d’onda blu del laser su pelle è pari al 12% per un fascio blu da 445 nm e circa 62% per un fascio a 1,06 µm (fibra). Dato che il fascio blu è visibile a occhio umano, ne consegue che il tasso di assorbimento del fascio blu sulla pelle è dell’88%. Un massimo del 38% del fascio a 1,06 µm può essere assorbito dalla pelle, assicurando che il laser galvo a fibra 1,06 µm fornisca prestazioni significativamente inferiori nella marcatura su pelle.

Infatti, qualsiasi laser con una lunghezza d’onda superiore a 550 nm avrà prestazioni inferiori rispetto a un laser blu nelle applicazioni di incisione su cuoio.

I laser galvo a fibra avranno prestazioni inferiori rispetto ai laser galvo blu nell’incisione sulla maggior parte delle varietà di cuoio naturale di mammiferi e rettili. Queste varietà di cuoio includono pelle proveniente da animali come maiale, bovino, pecora, lucertola, serpente e coccodrillo. Sebbene i laser galvo a fibra abbiano un tasso di assorbimento della lunghezza d’onda maggiore sul cuoio rigenerato e sul cuoio di cervo, possono solo eguagliare le prestazioni di un incisore laser galvo blu su cuoio di daino.

Sebbene non esistano dati di assorbimento (o riflessione) sulle lunghezze d’onda superiori a 2,5 µm, si può presumere che il comportamento di assorbimento per lunghezze d’onda maggiori segua quello della melanina, che è un pigmento naturale presente nella maggior parte degli organismi ed è il principale determinante del colore della pelle. L’immagine sottostante mostra che l’assorbimento di melanina diminuisce con l’aumentare della lunghezza d’onda laser. Inoltre, l’articolo dell’Università di Cambridge sulla melanina, da cui è tratto questo grafico, afferma che l’assorbimento sulla melanina è quasi completamente attenuato per lunghezze d’onda superiori a 700 nm.

Marcatori Laser Galvo su Metalli

I metalli differiscono dalle altre applicazioni dei marcatori laser galvo, poiché tendono ad avere una conducibilità termica molto elevata. Per questo motivo, per incidere un materiale metallico in modo efficiente, è necessario disporre di un fascio laser altamente focalizzato con elevata densità di potenza o di un laser con alta energia d’impulso. Inoltre, il materiale metallico in questione deve presentare un alto tasso di assorbimento della lunghezza d’onda del proprio laser. Questo si traduce nel fatto che i laser più efficienti per l’incisione su metalli sono marcatori laser galvo blu ad alta potenza, marcatori laser galvo a fibra pulsata e teste laser blu ad alta densità di potenza ottica. I laser galvo CO2, invece, sono estremamente inefficienti per l’incisione di metalli.

Caso Studio: Incisione Laser Galvo su Metalli

I due video presentano un laser galvo blu che marca acciaio inox e acciaio per utensili.

I tassi di assorbimento variano da metallo a metallo come indicato dal grafico sottostante. Il grafico seguente mostra i tassi di assorbimento, per lunghezze d’onda tra 200 nm e 12,8 µm, dei metalli più comunemente utilizzati come rame, oro, titanio, alluminio (non trattato), nichel e argento.

Un altro grafico, presentato di seguito, mostra i tassi di riflessione per una varietà di metalli. Oltre ai materiali presentati nel grafico precedente, mostra il comportamento di altri metalli come ferro puro, tungsteno, platino, cromo, berillio e molibdeno. Tuttavia, è importante notare che il grafico di riflettanza sottostante mostra la riflettanza dei metalli con superfici perfettamente lisce, poiché meno una superficie è liscia, più assorbe lunghezze d’onda laser più corte.

Dai dati presentati dai due grafici sopra, si deduce che il laser galvo blu sarà più efficiente rispetto ai laser galvo con lunghezze d’onda maggiori per incisione su tutti i suddetti metalli tranne il cromo. I metalli per cui un incisore laser galvo blu sarà criticamente più efficiente sono oro, rame, platino e tungsteno. Interessante notare che un laser galvo blu può non solo incidere il rame ma anche eseguire micro-saldature su rame.

Tuttavia, nel caso di alluminio non trattato (e perfettamente liscio), un laser galvo a fibra con lunghezza d’onda compresa tra 500 nm e 900 nm sarà una scelta più efficace. Un laser galvo blu sarà comunque più efficiente sull’alluminio non trattato rispetto al comunemente usato laser galvo a fibra da 1,06 µm.

L’incisione sul tungsteno con un laser galvo blu è inoltre un’applicazione molto efficiente, specialmente se il tungsteno non è levigato come indicato nell’immagine sulla destra qui sotto. Il video sulla sinistra mostra un incisore laser galvo blu da 30 W che incide il tungsteno.

Marcatori Laser Galvo su Tessuti e Fibre Tessili

Nell’applicazione di lavorazione laser di tessili e tessuti, un incisore laser galvo blu rappresenta anch’esso una soluzione migliore rispetto ad altri tipi di prodotti marcatori laser galvo. Questo vale sia per tessuti naturali che artificiali. I laser galvo a fibra da 1,06 µm fanno fatica sui tessuti poiché la maggior parte dei tessuti riflette le lunghezze d’onda dei laser galvo a fibra. È possibile incidere e tagliare tessuti e fibre tessili anche con laser galvo CO2, ma questa lavorazione avviene a velocità molto inferiori e a costi operativi molto superiori rispetto all’uso di un laser galvo blu.

Caso Studio: Incisione Laser Galvo su Tessuti e Fibre Tessili

Il video sottostante mostra un laser galvo blu da 30 W in fase di incisione del cotone, processo che richiede solo una frazione di secondo.

Nei due grafici sottostanti si possono osservare i tassi di riflessione delle lunghezze d’onda per diversi tessuti come cotone, nylon, rayon, poliestere, acrilico, lana e cashmere. Lo spettro delle lunghezze d’onda coperto dai grafici è compreso tra 350 nm e 2,35 µm. Il tasso di assorbimento della lunghezza d’onda di 450 nm del laser galvo blu è compreso tra il 74% e il 97% con un tasso di assorbimento tipico del 90%.

È tuttavia importante notare che i tessuti e i materiali tessili sono disponibili in diversi colori. Un incisore laser galvo blu eseguirà l’incisione più rapidamente quanto più scuro è il materiale. Complessivamente, nel caso di un laser blu, la velocità dipenderà dalla tinta e dalla sfumatura del particolare tessuto. I laser blu avranno prestazioni inferiori invece su tessuti e fibre tessili altamente riflettenti, blu o bianchi. Tuttavia, un laser galvo blu rappresenta la migliore soluzione per l’incisione (e il taglio) di tessuti e fibre tessili e avrà prestazioni superiori rispetto a qualsiasi laser CO2 o laser a fibra.

Marcatori Laser Galvo su Alimenti e Materiali Organici

I laser galvo a fibra e CO2 hanno difficoltà con l’incisione su alimenti e sulla stragrande maggioranza dei materiali organici. Questo perché alimenti e materiali organici hanno un elevato contenuto d’acqua, spesso fino al 70%. L’acqua assorbe la maggior parte dello spettro laser, ma trasmette quasi completamente i fasci laser blu poiché il coefficiente di assorbimento dell’acqua è 3*10^-4 cm-1 per il laser a 450 nm. Per la lunghezza d’onda di 1,06 µm, il tasso di assorbimento è di 6000 cm-1, mentre per un fascio laser CO2 da 10,6 µm l’assorbimento è ancora maggiore, pari a 7.000.000 cm-1. Questo significa che praticamente tutta la potenza dei fasci laser CO2 e a fibra viene impiegata nell’evaporazione dell’acqua, mentre un laser blu ignora il contenuto d’acqua e incide direttamente il materiale organico da lavorare, rendendo il processo molto più rapido.

In aggiunta a ciò, le specie di piante sono fortemente assorbenti per i fasci laser galvo blu. Il tasso di assorbimento della lunghezza d’onda del laser galvo blu sulla vegetazione verde arriva fino al 93%, come indicato nel grafico sottostante.

Tuttavia, vi sono materiali organici per cui altri tipi di laser galvo risultano efficaci. Ad esempio, l’idrossiapatite (a volte erroneamente chiamata idrossiapatite) è un componente principale dello smalto dei denti. L’idrossiapatite, in forma leggermente modificata, rappresenta anche fino al 70% delle ossa umane. Poiché l’idrossiapatite è molto più facilmente assorbita dal fascio laser galvo CO2 a 10,6 µm, questo tipo di incisore laser galvo risulterà il più efficiente per il taglio e l’incisione su ossa e denti. Il grafico dei tassi di assorbimento delle lunghezze d’onda per composti come emoglobina, idrossiapatite, melanina e acqua è riportato sotto. Esso mostra che la lunghezza d’onda del laser galvo a 10,6 µm è assorbita 10.000 volte più di quella di un laser blu.

Tuttavia, lo stesso grafico mostra anche che i laser blu sono i fasci laser più efficientemente assorbiti dall’emoglobina, il che si traduce nel fatto che un laser galvo blu è la soluzione ottimale per le procedure chirurgiche.

Marcatori Laser Galvo su Ceramiche

La categoria delle ceramiche comprende sia ceramiche industriali come l’allumina o il diboruro di titanio, sia varietà di pietre naturali come ad esempio la bauxite e il marmo.

Le ceramiche tendono a reagire meglio alle lunghezze d’onda più corte. Tuttavia, i tassi di assorbimento per diverse ceramiche variano notevolmente e i laser galvo blu rappresentano la migliore soluzione per le ceramiche tecniche utilizzate nei componenti per armature. Questo include le corazze ceramiche per carri armati, giubbotti antiproiettile. Alcune delle ceramiche tecniche che vengono incise in modo efficiente con laser blu sono utilizzate anche in proiettili perforanti e artiglieria. Nelle ceramiche tecniche per componenti di armature, l’assorbimento della lunghezza d’onda dell’incisore laser galvo blu, rispetto ai laser galvo a lunghezza d’onda maggiore, cresce esponenzialmente con la temperatura. Queste ceramiche includono allumina (Al2O3), carburo di boro (B4C), carburo di silicio (SiC), diboruro di titanio (TiB2) e carburo di tungsteno (WC).

Infine, nel caso dell’allumina fusa, il tasso di assorbimento aumenta drasticamente per le lunghezze d’onda corte. Di fatto, l’assorbimento dell’allumina fusa della lunghezza d’onda del laser blu è fino a 300 volte superiore rispetto a quello della lunghezza d’onda dei laser a fibra, come indicato nel grafico sottostante. [V.K. Bityukov et al., Absorption Coefficient of Molten Aluminum Oxide in Semitransparent Spectral Range, Applied Physics Research, Pagina 51, Vol. 5, Gennaio 2013. DOI: 10.5539/APR.V5N1P51].

Altri tipi di incisori laser galvo spesso hanno difficoltà con questi materiali. Un laser galvo a fibra, pur avendo prestazioni nettamente inferiori rispetto a un laser galvo blu, è comunque spesso più efficiente di un laser galvo CO2 ad eccezione della ceramica di allumina. Tuttavia, per queste ceramiche tecniche, un incisore laser galvo blu offre un notevole incremento della produttività in ambito industriale.

Il grafico sottostante mostra i tassi di assorbimento dei diversi laser galvo sul carburo di silicio. È importante notare che ogni aumento di 300 gradi Kelvin corrisponde approssimativamente a uno spostamento di circa 0,2 eV, nell’assorbimento, verso lunghezze d’onda più corte.

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