Standalone & Integreerbare Blauwe Galvo Lasersystemen

Toepassingen van Blauwe Galvo Graveerlasersystemen

Blauwe Galvo Graveerlasersystemen vinden toepassing in een breed scala aan sectoren. Hoewel industriële toepassingen waarbij snelle materiaalbewerking vereist is veel voorkomen, worden deze systemen ook ingezet in de landbouw, medische sector en het onderzoek. Het aantal toepassingen groeit jaarlijks, met nieuwe gebruikstoepassingen die continu ontstaan. Populaire toepassingen zijn onder andere het labelen van voedingsmiddelen, fruit en groenten; laserbewerking van planten, gewassen en onkruid; graveren op hout, keramiek, kunststoffen en metalen;

Voordelen van Blauwe Galvo Laser Tot in Detail

In tegenstelling tot andere typen galvo graveerlasers biedt een blauwe galvo graveerlaser (d.w.z. een galvo graveerlaser met een laserbron met golflengte tussen 445 nm en 450 nm) ongeëvenaarde precisie en procesefficiëntie. De bewerkingsefficiëntie voor elke galvo graveerlaser hangt af van twee hoofdparameters:

1. Elektrotechnisch naar optisch omzettingsrendement van de galvo graveerlaser.

Deze eerste parameter beschrijft hoeveel elektrisch vermogen een galvo graveerlaser gebruikt om een bepaald optisch uitgangsvermogen te genereren.

Zowel blauwe galvo lasers als fiber galvo lasers hebben een vergelijkbare elektrisch-optische vermogensconversie-efficiëntie van 25-30 procent; een CO2 galvo laser bereikt slechts 6-7 procent efficiëntie. Belangrijker nog, deze 6,5% efficiëntie geldt alleen voor de CO2 laserbuis zelf en houdt geen rekening met de koelmachine die veel extra stroom verbruikt. In de praktijk ligt de systeemrendement van de CO2 laser dus nog lager.

Een typische koelmachine voor CO2 galvo lasers heeft een COP (prestatiecoëfficiënt van de koeler) van 3 tot 5. De COP-waarde geeft de verhouding weer tussen afgevoerde warmte en het elektrische verbruik van de koelmachine. Met een elektrisch-optisch conversierendement van 6,5 procent voor de CO2 laserbuis betekent dit dat een 3.000 kW (3000 Watt elektrisch vermogen) CO2 galvo laser 195 Watt laservermogen levert. Er gaat dan 2805 Watt elektrisch vermogen verloren aan warmte, dat moet worden afgevoerd door de chiller. Met een COP van 3-5 verbruikt de koelmachine van een 3 kW CO2 laser dus nog eens 935 tot 561 Watt. Daarmee ligt de totale elektrisch-optische efficiëntie van een CO2 galvo lasersysteem tussen 4,96 procent (=195/3935) en 5,48% (=195/3561).

Ter vergelijking: fiber galvo lasers en blauwe galvo lasers behalen een totaal elektrisch-optisch conversierendement van 20-25%.

Bij een looptijd van 10.000 werkuur en een kWh-prijs van $0,24 kost een enkele 200 W CO2 laser (met 3935 W stroomverbruik) $9444 aan elektriciteit. In hetzelfde tijdsbestek verbruikt een galvo graveerlaser met een 200 W blauwe laserbron slechts $1920-$2880 aan elektriciteit. Analoog verbruikt een 50 W blauwe galvo graveerlaser $480-$720 aan elektriciteit voor 10.000 uur bedrijfsduur. Inclusief operationele kosten is het gebruik van een blauwe galvo graveerlaser op een productielijn rendabeler dan een CO2 galvo laser, zelfs als de golflengte van de CO2 laser op een materiaal 40% hogere absorptie kent. In feite kan men twee (of meer) blauwe galvo graveerlasers inzetten in plaats van één CO2 galvo laser, met een hoger productievolume en tegelijkertijd financiële besparingen.

2. Absorptie van de golflengte van de galvo laser door het gegraveerde materiaal

De tweede parameter bepaalt hoeveel van het laserlicht door het materiaal wordt geabsorbeerd en omgezet in nuttig werk. Dit verschilt per materiaal, maar voor de meeste materialen heeft de blauwe galvo laser een hogere absorptie dan fiber galvo lasers en CO2 galvo lasers.

Dit is vooral zichtbaar bij keramiek, en dan met name bij technische keramiek als alumina (Al₂O₃), boorcarbide (B₄C), siliciumcarbide (SiC), titaanboride (TiB₂) en wolfraamcarbide (WC). Bij technische keramiek stijgt de absorptie van de blauwe galvo laser exponentieel met temperatuur. Dicht bij het smeltpunt kan de absorptie van de blauwe laser op 6H-SiC zelfs 6000 maal hoger zijn dan bij CO2 laser golflengten.

Galvo Laserprestaties voor Verschillende Graveertoepassingen

Galvo Graveerlasers op Hout en Houtachtige Materialen

Voor hout en houtgebaseerde materialen levert de blauwe (445-450 nm) galvo graveerlaser de beste prestaties. Dit is het gevolg van de veel hogere operationele kosten van een CO2 laser, waardoor deze optie duurder is in langdurig gebruik. Fiber galvo lasers presteren het slechtst in deze toepassing vanwege de lage absorptie op hout ten opzichte van de andere twee galvo graveertypes.

Case Study: Galvo Lasergraveren van Multiplex, Grenen en Beukenhout

De video hieronder toont een 30 W blauwe galvo graveerlaser bij het graveren van een stuk multiplex. Met een afmeting van 8 cm bij 2 cm (3,15 inch bij 0,8 inch) wordt de gravure op het multiplex in ongeveer één seconde voltooid met Opt Lasers' blauwe galvo laser.

De blauwe galvo graveerlaser werkt met een rendement van 20-25% en, volgens wetenschappelijke publicaties, bedraagt de absorptie van een blauwe 445-450 nm laserstraal 68% op grenenhout en 73% op beukenhout. Een CO2 galvo graveerlaser heeft een totale energie-efficiëntie van 5% en het CO2 laserlicht kent een absorptie van 85% op grenen en 88% op beukenhout. Een eenvoudige rekensom toont dus aan dat een blauwe galvo graveerlaser ongeveer 3,4 keer efficiënter is dan een CO2 galvo laser bij gelijk stroomverbruik. De grafiek uit de eerder genoemde wetenschappelijke publicatie toont de absorptie op deze materialen.

Galvo Graveerlasers op Leer

Lasergraveren van leer is het meest efficiënt met een blauwe galvo graveerlaser. Graveren van leer met een CO2 galvo laser veroorzaakt brandschade, is beduidend langzamer en brengt aanzienlijk hogere kosten met zich mee. Een fiber galvo laser op 1,06 µm levert de slechtste prestaties in deze toepassing, omdat 80% van de laserstraal door het leer wordt gereflecteerd.

Case Study: Galvo Lasergraveren van Leer

Hieronder ziet u een video van het graveren van leer met een 30 W blauwe galvo graveerlaser. De gravering is in minder dan een seconde voltooid.

Wetenschappelijk onderzoek toont aan dat de reflectie van blauwe laserlicht op 445 nm op leer 12% bedraagt en voor een fiber laserstraal van 1,06 µm circa 62%. Aangezien blauw laserlicht zichtbaar is, betekent dit dat de absorptie van blauw laserlicht op leer 88% bedraagt. Slechts maximaal 38% van het 1,06 µm fiber laserlicht wordt geabsorbeerd, waardoor prestaties in het graveren van leer met een fiber galvo graveerlaser per definitie lager zijn.

In feite zal elke laser met een golflengte langer dan 550 nm slechter presteren dan een blauwe laser bij het graveren van leer.

Fiber-galvo-lasers zullen slechter presteren dan blauwe galvo-lasers bij het graveren van de meeste natuurlijke zoogdieren- en reptielenledersoorten. Deze ledersoorten omvatten leer van dieren zoals varken, rund, schaap, hagedis, slang en krokodil. Terwijl fiber-galvo-lasers een hogere golflengte-absorptie hebben bij geregenereerd leer en hertenleer, kan de prestatie op hertenleer slechts gelijk zijn aan die van een blauwe galvo-lasermachine.

Hoewel er geen absorptie- (of reflectie-) gegevens beschikbaar zijn voor golflengten langer dan 2,5 µm, kan worden aangenomen dat het absorptiegedrag voor langere golflengten het absorptiepatroon van melanine volgt, een natuurlijk pigment dat in de meeste organismen voorkomt en de primaire bepaler van huidskleur is. De onderstaande afbeelding toont dat de absorptie van melanine afneemt bij toenemende laser golflengte. Bovendien vermeldt het artikel van de Universiteit van Cambridge over melanine, waarvan deze grafiek afkomstig is, dat absorptie door melanine vrijwel volledig wordt uitgedoofd bij golflengten boven de 700 nm.

Galvo-lasergraveermachines op metalen

Metalen vormen een aparte categorie binnen galvo-lasergraveren, omdat metalen doorgaans een zeer hoge thermische geleidbaarheid hebben. Om een metalen materiaal efficiënt te graveren, is het noodzakelijk een sterk gefocusseerde laserstraal met hoge vermogensdichtheid of een laser met hoge pulsenergie te gebruiken. Daarnaast moet het betreffende metaalmateriaal een hoge absorptiesnelheid hebben op de golflengte van de gebruikte laser. Dit betekent dat de meest efficiënte lasers voor het graveren van metalen krachtige blauwe galvo-lasergraveermachines zijn, gepulste fiber-galvo-lasers en laseropzetstukken met hoge optische vermogensdichtheid op blauw. Aan de andere kant zijn CO2-galvo-lasers zeer inefficiënt voor het graveren van metalen.

Casestudy: Galvo-lasergraveren van metalen

De twee video's tonen een blauwe galvo-laser die roestvrij staal en gereedschapsstaal markeert.

De absorptiesnelheid varieert per metaal, zoals aangegeven in de onderstaande grafiek. De grafiek toont de absorptiesnelheid van golflengten tussen 200 nm en 12,8 µm voor veelgebruikte metalen zoals koper, goud, titaan, (onbehandeld) aluminium, nikkel en zilver.

Een andere grafiek hieronder toont de reflectiesnelheden voor verschillende metalen. Naast de materialen uit de voorgaande grafiek laat deze het gedrag zien van extra metalen zoals puur ijzer, wolfraam, platina, chroom, beryllium en molybdeen. Let op: de onderstaande reflectiegrafiek betreft metalen met perfect gladde oppervlakken, aangezien minder gladde oppervlakken meer kortgolvige laserstraling absorberen.

Uit de gegevens van bovengenoemde grafieken volgt dat een blauwe galvo-laser efficiënter zal zijn dan langgolvige galvo-lasers voor het graveren van alle eerdergenoemde metalen, behalve chroom. Metalen waarbij een blauwe galvo-laser aanzienlijk efficiënter is, zijn goud, koper, platina en wolfraam. Opvallend is dat een blauwe galvo-laser niet alleen koper kan graveren, maar ook kopermikrolassen kan uitvoeren.

Desondanks zal in het geval van onbehandeld (en perfect glad) aluminium een fiber-galvo-laser met golflengte tussen 500 nm en 900 nm een effectievere keuze zijn. Een blauwe galvo-laser zal echter nog steeds efficiënter zijn voor onbehandeld aluminium dan een gangbare 1,06 µm fiber-galvo-laser.

Opvallend is dat het graveren van wolfraam met een blauwe galvo-laser een zeer efficiënte toepassing is, vooral als wolfraam niet glad is, zoals aangegeven op de afbeelding aan de rechterzijde hieronder. De video aan de linkerzijde toont een 30 W blauwe galvo-lasergraveerder die wolfraam graveert.

Galvo-lasergraveermachines op textiel en stoffen

Bij het laserbewerken van textiel en stoffen is een blauwe galvo-lasergraveerder ook een betere oplossing dan andere types galvo-lasergraveermachines. Dit geldt voor zowel natuurlijke als kunstmatige stoffen. 1,06 µm fiber-galvo-lasers hebben moeite met stoffen, aangezien de meeste stoffen deze golflengten reflecteren. Ook is het mogelijk om stoffen te graveren en snijden met CO2-galvo-lasers, maar dit gebeurt met een veel lagere snelheid en aanzienlijk hogere operationele kosten dan met een blauwe galvo-laser.

Casestudy: Galvo-lasergraveren van textiel en stoffen

De onderstaande video toont een 30 W blauwe galvo-laser die katoen graveert, wat slechts een fractie van een seconde duurt.

In de twee onderstaande grafieken ziet u de golflengte-reflectiesnelheden voor verschillende stoffen zoals katoen, nylon, rayon, polyester, acryl, wol en kasjmier. Het golflengtespectrum in deze grafieken loopt van 350 nm tot 2,35 µm. De absorptiesnelheid van de 450 nm-golflengte van de blauwe galvo-laser ligt tussen de 74% en 97% met een gemiddelde absorptie van 90%.

Het is echter belangrijk om op te merken dat stoffen en textiel leverbaar zijn in verschillende kleuren. Een blauwe galvo-lasergraveerder graveert sneller naarmate het materiaal donkerder is. Over het algemeen hangt de verwerkingssnelheid bij een blauwe laser af van de tint en schaduw van het specifieke textiel of de stof. Blauwe lasers presteren minder goed op zeer reflecterende, blauwe of witte stoffen en textiel. Niettemin is een blauwe galvo-laser de beste oplossing voor het graveren (en snijden) van stoffen en textiel, en presteert deze beter dan elke CO2-laser of fiberlaser.

Galvo-lasergraveerders op voedingsmiddelen en organische materialen

Fiber- en CO2-galvo-lasers hebben moeite met het graveren van voedingsmiddelen en het overgrote deel van organische materialen. Dit komt doordat voedsel en organische stoffen een hoog watergehalte hebben, vaak zo hoog als 70%. Water absorbeert het merendeel van het laserspectrum, maar laat vrijwel volledige blauwe laserbundels door omdat de absorptiecoëfficiënt voor water 3*10^-4 cm-1 is voor een 450 nm laser. Voor 1,06 µm golflengte bedraagt de absorptiesnelheid 6000 cm-1, terwijl deze voor een 10,6 µm CO2-laserbundel nog hoger is, namelijk 7000000 cm-1. Dit betekent dat praktisch al het vermogen van CO2- en fiberlaserstralen wordt gebruikt om water te verdampen, terwijl een blauwe laser het watergehalte negeert en direct op het organische materiaal graveert, waardoor het proces veel sneller verloopt.

Daarnaast zijn planten zeer absorberend voor blauwe galvo-laserstralen. De absorptiesnelheid van de blauwe galvo-laser op groene vegetatie is zo hoog als 93%, zoals aangetoond in de onderstaande grafiek.

Toch zijn er organische materialen die beter te bewerken zijn met andere types galvo-lasers. Een voorbeeld: hydroxylapatiet (soms onjuist hydroxyapatiet genoemd) is een belangrijk bestanddeel van tandglazuur. Hydroxylapatiet, in licht gewijzigde vorm, beslaat tot 70% van het menselijk bot. Omdat hydroxylapatiet veel beter wordt geabsorbeerd door een 10,6 µm CO2-galvo-laserbundel, zal dit type galvo-laser de meest efficiënte keuze zijn voor het snijden en graveren van botten en tanden. De absorptiegrafiek voor verbindingen als hemoglobine, hydroxylapatiet, melanine en water vindt u hieronder. Hieruit blijkt dat de golflengte van 10,6 µm van een galvo-laser 10.000 keer meer wordt geabsorbeerd dan die van een blauwe laser.

De bovenstaande grafiek laat echter ook zien dat blauwe lasers het efficiëntst worden geabsorbeerd door hemoglobine, wat betekent dat een blauwe galvo-laser de meest optimale oplossing is voor chirurgische toepassingen.

Galvo-lasergraveerders op keramiek

De keramiekcategorie omvat zowel industriële keramiek zoals aluminiumoxide of titaniumdiboride, als natuurlijke steensoorten zoals bijvoorbeeld bauxiet en marmer.

Keramiek reageert doorgaans beter op kortere golflengten. De absorptiesnelheid varieert echter sterk tussen keramieksoorten, waarbij blauwe galvo-lasers de beste oplossing bieden voor technische keramiek die wordt gebruikt in pantsercomponenten. Dit betreft onder andere keramisch pantser in tanks en kogelwerende vesten. Sommige technisch keramiek die efficiënt gegraveerd wordt met blauwe lasers, wordt ook gebruikt in penetratiegranaten en artillerie. Bij technisch keramiek voor pantseronderdelen stijgt de absorptiesnelheid van de golflengte van een blauwe galvo-laser exponentieel met de temperatuur, in vergelijking met galvo-lasers met langere golflengte. Hiertoe behoren aluminiumoxide (Al2O3), boorcarbide (B4C), siliciumcarbide (SiC), titaniumdiboride (TiB2) en wolfraamcarbide (WC).

In gesmolten aluminiumoxide is de absorptiesnelheid voor kortgolvige lasers zelfs drastisch verhoogd. In feite is de absorptie van de golflengte van een blauwe laser bij gesmolten aluminiumoxide tot 300 keer hoger dan die van de fiberlaser-golflengte, zoals aangegeven in de grafiek hieronder. [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].

Andere typen galvo-lasergraveermachines zijn doorgaans niet geschikt voor deze materialen. Een fiber-galvo-laser, hoewel aanzienlijk minder presterend dan een blauwe galvo-laser, werkt nog steeds beter dan een CO2-galvo-laser, met uitzondering van aluminiumoxide-keramiek. Toch levert een blauwe galvo-lasergraveerder voor deze technische keramiek een aanzienlijke verhoging van de productiviteit in de productie.

De onderstaande grafiek toont de absorptiesnelheden van verschillende galvo-lasers op siliciumcarbide. Het is van belang te noteren dat elke temperatuurstijging van 300 graden Kelvin overeenkomt met ongeveer 0,2 eV verschuiving in de absorptie naar kortere golflengten.

Contacteer ons