Selvstendige og integrerbare blå galvo-lasersystemer

Bruksområder for blå galvo-graveringslasersystemer

Blå galvo-graveringslasersystemer brukes i mange industrier. Industrielle applikasjoner som krever rask materialbearbeiding er vanlige, men disse systemene benyttes også i landbruk, medisin og forskningssektoren. Listen over bruksområder vokser for hvert år. Populære applikasjoner inkluderer merking av matvarer, frukt og grønnsaker; laserprosessering av planter, avlinger og ugress; gravering av tre, keramikk, plast og metaller;

Fordeler med blå galvo-laser i dybden

I motsetning til andre typer galvo-lasergravører tilbyr en blå galvo-lasergravør (dvs. en galvo-lasergravør som bruker et lasermodul med bølgelengde mellom 445 nm og 450 nm) enestående presisjon og proses­seffektivitet. Graveringseffektiviteten for enhver galvo-lasergravør avhenger av to hovedparametere:

1. Galvo-lasergravørens elektrisk-til-optiske konverteringseffektivitet.

Denne første parameteren viser hvor mye elektrisk effekt en galvo-lasergravør bruker for å produsere en gitt optisk effektutgang.

Både blå galvo-lasere og fiber galvo-lasere har tilsvarende elektrisk-til-optisk virkningsgrad på 25–30 prosent, mens CO2 galvo-laser bare har en effektivitet på 6–7 prosent. Viktigere er det at denne effektiviteten på 6,5% kun gjelder for CO2-laser­røret, og ekskluderer energiforbruket til den kraftkrevende kjøleren som kreves av CO2-laser­røret. I praksis er derfor den reelle effektiviteten for en CO2-laser enda lavere.

En typisk CO2 galvo-laser kjøler har en COP (Coefficient of Performance) på 3 til 5. COP-verdien beskriver forholdet mellom avgitt varme og elektrisk effekt brukt av kjøleren. Med CO2-laser­rørets elektrisk-til-optisk konverteringseffektivitet på 6,5 prosent betyr dette at et CO2 galvo-lasersystem med 3,000 kW (3,000 watt elektrisk forbruk) gir 195 watt optisk (lasereffekt). 2,805 watt elektrisk effekt tapes som varme, som må avledes av kjøleren. Med en COP på 3-5 vil kjøleren bruke ytterligere 935 til 561 watt. Dermed blir total elektrisk-til-optisk effektivitet i et CO2 galvo-laser­system mellom 4,96 prosent (=195/3935) og 5,48% (=195/3561).

Til sammenligning har fiber galvo-lasere og blå galvo-lasere en total elektrisk-til-optisk virkningsgrad på 20-25 %.

Forutsatt en operasjonsperiode på 10 000 arbeidstimer og en kWh-pris på $0,24, bruker en enkelt 200 W CO2-laser (med 3935 W strømforbruk) til sammen $9444 i strøm. I samme tidsperiode vil en galvo-lasergravør med 200 W blå lasermodul kun bruke $1920–$2880 i elektrisitetskostnader. Tilsvarende for en 50 W blå galvo-lasergravør er forbruket $480–$720 over 10 000 arbeidstimer. Med driftskostnadene inkludert er det altså mer kostnadseffektivt å bruke blå galvo-lasergravør i produksjonslinjer enn CO2 galvo-laser, selv om CO2-laserens bølgelengde har 40% høyere absorpsjon på det gitte materialet. Faktisk kan man bruke to (eller flere) blå galvo-lasergravører i stedet for én CO2-galvo-laser, og oppnå både høyere produksjonskapasitet og økonomiske besparelser.

2. Det graverte materialets absorpsjon av galvo-laserens bølgelengde

Den andre parameteren beskriver hvor mye av den innkommende laserstrålens effekt som absorberes og omsettes til nyttig arbeid. Dette varierer fra materiale til materiale, men for de fleste materialer har blå galvo-laserens bølgelengde høyere absorpsjon enn bølgelengden til fiber galvo-lasere og CO2 galvo-lasere.

Dette er spesielt markant for keramikk, særlig for tekniske keramiske materialer som alumina (Al₂O₃), boronkarbid (B₄C), silisiumkarbid (SiC), titandiboid (TiB₂) og wolframkarbid (WC). I teknisk keramikk øker absorpsjonen av den blå galvo-laserens bølgelengde eksponentielt med temperaturen. I praksis, nær smeltepunktet, kan absorpsjonen av blå laserbølgelengde på 6H-SiC være opptil 6000 ganger høyere enn for CO2-laserens bølgelengde.

Galvo-lasserens ytelse ved ulike graveringsapplikasjoner

Galvo-lasergravør på treverk og trebaserte materialer

For treverk og trebaserte materialer gir blå (445-450 nm) galvo-laser­gravør den beste ytelsen. Dette skyldes de mye høyere driftskostnadene for CO2-lasere, som gjør dem til et langt dyrere alternativ. Fiber galvo-lasere gir dårligst ytelse i slike applikasjoner på grunn av vesentlig lavere absorpsjon enn de andre hovedtyper galvo-lasergravører.

Case: Galvo-lasergravering av kryssfiner, furu og bøk

Videoen under viser en 30 W blå galvo-laser­gravør i prosess med å gravere et stykke kryssfiner. Med et format på 8 cm x 2 cm (3,15 x 0,8 tommer) utføres graveringen på om lag ett sekund med Opt Lasers’ blå galvo-laser.

Den blå galvo-lasergravøren har en virkningsgrad på 20–25 %, og i henhold til tilgjengelig vitenskapelig litteratur har blå 445–450 nm bølgelengde absorpsjon på 68 % og 73 % på henholdsvis furu- og bøketre. En CO2 galvo-lasergravør har en total energieffektivitet på 5 %, og dens bølgelengde har absorpsjon på 85 % og 88 % på de samme materialene. En enkel utregning viser dermed at en blå galvo-lasergravør er omtrent 3,4 ganger mer effektiv enn en CO2 galvo-laser ved samme effektforbruk. Grafen, hentet fra tidligere referert vitenskapelig artikkel, viser absorpsjonsverdiene for disse materialene.

Galvo-lasergravør på lær

Lasergravering i lær er mest effektivt når det utføres med en blå galvo-laser­gravør. Gravering med CO2 galvo-laser­gravør gir svidde merker, er mye tregere og betydelig dyrere. En fiber galvo-laser med bølgelengde 1,06 µm har dårligst ytelse i slike applikasjoner, da hele 80 % av laserlyset reflekteres fra læroverflaten.

Case: Galvo-lasergravering av lær

Under kan du se en video som viser graveringsprosessen på lær med en 30 W blå galvo-lasergravør. Graveringen utføres på under ett sekund.

Vitenskapelig forskning har vist at refleksjon for blå laserbølgelengde ligger på 12 % for en blå 445 nm laser, og rundt 62 % for en 1,06 µm fiberlaserbølge. Siden blå laserstråle er synlig for øyet betyr dette at absorpsjon på lær er 88 %. Maksimalt 38 % av 1,06 µm fiberlaseren kan absorberes i lær, hvilket gjør at denne vil prestere dårligst i lasergravering av lær. Faktisk vil enhver laser med bølgelengde lengre enn 550 nm yte dårligere enn en blå laser ved gravering av lær.

Fiber galvo-lasere vil yte dårligere enn blå galvo-lasere ved gravering av de fleste naturlige pattedyr- og reptillærtyper. Disse lærtypene inkluderer lær fra dyr som gris, storfe, sau, øgle, slange og krokodille. Mens fiber galvo-lasere har høyere bølgelengdeabsorpsjon på regenerert lær og hjortelær, kan den kun prestere like godt som en blå galvo-lasergravør på hjortelær.

Selv om det ikke finnes absorpsjons- (eller refleksjons-) data på bølgelengder over 2,5 µm, kan det antas at absorpsjonsatferden for lengre bølgelengder følger absorpsjonen av melanin, som er et naturlig pigment som finnes i de fleste organismer, og den primære faktoren for hudfarge. Bildet nedenfor viser at melanins absorpsjon avtar med økende laserbølgelengde. I tillegg oppgir University of Cambridges artikkel om melanin, hvor denne grafen stammer fra, at absorpsjonen i melanin er nesten fullstendig dempet for bølgelengder lengre enn 700 nm.

Galvo-lasergravører på metaller

Metaller skiller seg fra andre applikasjoner for galvo-lasergravører, ettersom metaller har svært høy termisk ledningsevne. På grunn av dette må man enten ha en sterkt fokusert laserstråle med høy effekttetthet eller en laser med høy pulsstyrke for effektiv gravering av metallmateriale. I tillegg må metallmaterialet ha høy absorpsjon av laseren sin bølgelengde. Dette betyr at de mest effektive laserne for gravering av metaller er høy-ytelses blå galvo-lasergravører, pulserende fiber galvo-lasergravører, samt blå laserhoder med høy optisk effekttetthet. CO2 galvo-lasere, derimot, er svært ineffektive for gravering av metaller.

Case Study: Galvo-lasergravering på metaller

Videoene viser en blå galvo-laser som merker rustfritt stål og verktøystål.

Absorpsjonsratene varierer fra metall til metall, som indikert av grafen nedenfor. Grafen viser absorpsjonsrater for bølgelengder mellom 200 nm og 12,8 µm for mest brukte metaller som kobber, gull, titan, (ubehandlet) aluminium, nikkel og sølv.

En annen graf, presentert nedenfor, viser refleksjonsrater for forskjellige metaller. I tillegg til materialene fra forrige graf, vises oppførselen til flere metaller som rent jern, wolfram, platina, krom, beryllium og molybden. Det er imidlertid verdt å merke seg at refleksjonsgrafen viser refleksjon for metaller med perfekt glatte overflater, siden jo mindre glatt overflaten er, desto mer absorberes kortere laserbølgelengder.

Ut fra dataene i de to ovenstående grafene følger det at blå galvo-laser vil være mer effektiv enn galvo-lasere med lengre bølgelengde for gravering av alle nevnte metaller, med unntak av krom. Metaller hvor en blå galvo-lasergravør vil være markant mer effektiv inkluderer gull, kobber, platina og wolfram. Interessant nok kan en blå galvo-laser ikke bare gravere kobber, men også utføre mikrosveising av kobber.

Likevel, for ubehandlet (og perfekt glatt) aluminium, vil en fiber galvo-laser med bølgelengde mellom 500 nm og 900 nm være et mer effektivt valg. En blå galvo-laser vil likevel være mer effektiv for ubehandlet aluminium enn en vanlig brukt 1,06 µm fiber galvo-laser.

Gravering av wolfram med en blå galvo-laser er også en svært effektiv applikasjon, spesielt om wolframet ikke er glatt, som indikert på bildet til høyre nedenfor. Videoen til venstre viser en 30 W blå galvo-lasergravør som graverer på wolfram.

Galvo-lasergravører på tekstiler og stoffer

Ved laserprosessering av tekstiler og stoffer er en blå galvo-lasergravør også en bedre løsning enn andre typer galvo-lasergravørprodukter. Dette gjelder både for naturlige og kunstige tekstiler. 1,06 µm fiber galvo-lasere sliter med tekstiler, siden de fleste tekstiler reflekterer bølgelengdene fra fiber galvo-lasere. Det er også mulig å gravere og skjære tekstiler med CO2 galvo-lasere, men dette gjøres med vesentlig lavere hastighet og langt høyere driftskostnader enn om man bruker en blå galvo-laser.

Case Study: Galvo-lasergravering på tekstiler og stoffer

Videoen nedenfor viser en 30 W blå galvo-laser som graverer bomull, noe som tar bare et brøkdels sekund.

I de to grafene nedenfor vises refleksjonsrater for forskjellige tekstiler som bomull, nylon, rayon, polyester, akryl, ull og kasjmir. Bølgelengdespekteret som dekkes i grafene er mellom 350 nm og 2,35 µm. Absorpsjonsraten for den blå galvo-laserens 450 nm bølgelengde varierer mellom 74% og 97%, med en typisk absorpsjonsrate på 90%.

Det er imidlertid verdt å merke seg at tekstiler og stoffer er tilgjengelige i forskjellige farger. En blå galvo-lasergravør vil gravere raskere jo mørkere materialet er. Samlet sett vil hastigheten for en blå laser avhenge av nyansen og fargetonen til det aktuelle tekstil- eller stoffmaterialet. Blå lasere vil også prestere svakere på svært reflekterende, blå eller hvite tekstiler og stoffer. Likevel er en blå galvo-laser den beste løsningen for gravering (og skjæring) av tekstiler og stoffer, og vil prestere bedre enn både CO2- og fiberlasere.

Galvo-lasergravører på mat og organiske materialer

Fiber- og CO2 galvo-lasere strever med gravering av mat og de aller fleste organiske materialer. Dette skyldes at mat og organiske materialer har høyt vanninnhold, ofte så mye som 70%. Vann absorberer det meste av laserspekteret, men sender nesten hele den blå laserstrålen gjennom, ettersom absorpsjonskoeffisienten for vann er 3*10^-4 cm-1 for 450 nm laser. For 1,06 µm bølgelengde er absorpsjonen 6000 cm-1, mens den for en 10,6 µm CO2-laserstråle er enda høyere, med 7000000 cm-1. Dette betyr at praktisk talt all kraften fra CO2- og fiberlaserstrålene brukes til å fordampe vann, mens en blå laser ignorerer vanninnholdet og graverer på selve det organiske materialet som skal graveres, hvilket gjør prosessen mye raskere.

I tillegg er plantearter svært absorberende for blå galvo-laserstråler. Den blå galvo-laserens bølgelengde absorberes opptil 93% av grønn vegetasjon, som vist i grafen nedenfor.

Det finnes imidlertid organiske materialer som andre typer galvo-lasere egner seg til. For eksempel er hydroksylapatitt (noen ganger feilaktig kalt hydroksyapatitt) en hovedbestanddel i emaljen i tenner. Hydroksylapatitt, i litt endret form, utgjør også opptil 70% av menneskeben. Siden hydroksylapatitt mye lettere absorberes av 10,6 µm CO2-galvo-laserstråle, vil denne typen galvo-lasergravør være den mest effektive for skjæring og gravering av ben og tenner. Bølgelengde-absorpsjonsgrafen for forbindelser som hemoglobin, hydroksylapatitt, melanin og vann vises nedenfor. Denne viser at 10,6 µm galvo-laserens bølgelengde absorberes 10000 ganger mer enn blå laserens bølgelengde.

Samtidig viser grafen også at blå lasere er de mest effektivt absorberte laserstrålene for hemoglobin, noe som betyr at en blå galvo-laser er den mest optimale løsningen for kirurgiske inngrep.

Galvo-lasergravører på keramikk

Keramikk-kategorien inkluderer både produserte keramiske materialer som aluminiumoksid eller titandioborid, men også naturlige steinvarianter som for eksempel bauxitt og marmor.

Keramiske materialer responderer generelt bedre på kortere bølgelengder. Absorpsjonsraten for ulike keramiske materialer varierer imidlertid betydelig, hvor blå galvo-laser er den beste løsningen for tekniske keramiske materialer brukt i panserkomponenter. Dette omfatter keramisk beskyttelse i stridsvogner og skuddsikre vester. Enkelte tekniske keramiske materialer som effektivt graveres med blå lasere benyttes også i gjennomtrengningsgranater og artilleri. I teknisk keramikk brukt i panserkomponenter øker absorpsjonen av blå galvo-laserens bølgelengde, sammenlignet med galvo-lasere med lengre bølgelengde, eksponentielt med temperaturen. Slike keramiske materialer omfatter aluminiumoksid (Al2O3), borkarbid (B4C), silisiumkarbid (SiC), titandioborid (TiB2) og wolframkarbid (WC).

Effektivt sett, i smeltet aluminiumoksid, øker absorpsjonen dramatisk for kortere bølgelengder. Smeltet aluminiumoksids absorpsjon av blå laserens bølgelengde er opptil 300 ganger høyere enn for fiberlaserens bølgelengde, som vist i grafen nedenfor. [V.K. Bityukov et al., Absorption Coefficient of Molten Aluminum Oxide in Semitransparent Spectral Range, Applied Physics Research, Side 51, Vol. 5, Januar 2013. DOI: 10.5539/APR.V5N1P51].

Andre typer galvo-lasergravører har ofte utfordringer med disse materialene. En fiber galvo-laser, selv om den yter betydelig dårligere enn en blå galvo-laser, fungerer allikevel ofte bedre enn en CO2 galvo-laser, med unntak av aluminiumoksidkeramikk. Likevel gir en blå galvo-lasergravør for disse tekniske keramiske materialene en dramatisk økning i produksjonseffektivitet.

Grafen under viser absorpsjonsratene for ulike galvo-lasere på silisiumkarbid. Det er verdt å merke seg at hver økning på 300 kelvin tilsvarer omtrent 0,2 eV forskyvning av absorpsjonen mot kortere bølgelengder.

Contact Us