Grawerka laserowa Galvo: Precyzja i wydajność w grawerowaniu przemysłowym

Czym jest grawerka laserowa Galvo?

Grawerka laserowa Galvo to najnowocześniejsza technologia, która staje się coraz bardziej popularna na liniach produkcyjnych. Grawerka laserowa galvo to laser galvo zaprojektowany i zoptymalizowany pod kątem procesów grawerowania laserowego w produkcji. Chociaż laser galvo może być również używany do innych zastosowań, czasami może wymagać zmian konstrukcyjnych w celu osiągnięcia najlepszej wydajności procesu. Trzy główne typy grawerek laserowych galvo (rozróżniane na podstawie wykorzystywanego źródła lasera) to niebieskie lasery galvo, lasery CO2 galvo i światłowodowe lasery galvo.

Jak działa grawerka laserowa Galvo?

Grawer laserowy Galvo wykorzystuje źródło lasera galvo, skaner laserowy galvo (znany również jako galwanometr lub galvo), soczewkę f-theta, kontroler galvo ze specjalistycznym oprogramowaniem galvo i prowadnicę liniową. Główną różnicą odróżniającą grawerkę laserową galvo od zwykłej grawerki laserowej jest galwanometr. Galwanometr to urządzenie elektromechaniczne, które odchyla wiązkę światła za pomocą zestawu obracających się luster z napędem silnikowym, umożliwiając laserowi galvo grawerowanie laserowe bez fizycznego przemieszczania systemu lasera galvo. Ruch luster jest kontrolowany za pomocą sygnału elektrycznego wytwarzanego przez sterownik galvo. Specjalistyczne oprogramowanie (dostarczane bezpłatnie z systemami laserów galvo Opt Lasers) z kolei kontroluje sterownik galvo i instruuje go, jak obracać i regulować kąt zmotoryzowanych luster, aby przesunąć wiązkę lasera w granicach obszaru roboczego.

Działanie grawerki laserowej galvo przedstawiono poniżej:

Ponieważ znacznie łatwiej jest przesuwać lustro świetlne niż cały laser, grawerka laserowa galvo osiąga bardzo duże prędkości, które w przypadku laserów galvo Opt Lasers mogą wynosić nawet 0,5 m/s (20 cali na sekundę) i 2 m/s (79 cali na sekundę). To, co odróżnia niebieskie grawerki laserowe galvo Opt Lasers od innych grawerek laserowych galvo, to fakt, że cały system waży około 5 kg (11 funtów). Oznacza to, że w przeciwieństwie do innych typów grawerek laserowych galvo, system laserowy Opt Lasers galvo może być dodatkowo zamontowany na fizycznie poruszającej się maszynie lub ramieniu robota, aby jeszcze bardziej przyspieszyć prędkość grawerowania i/lub uzyskać dostęp do różnych obszarów do grawerowania. Ponadto niebieskie wiązki laserowe są z natury lepiej przystosowane do znakowania i grawerowania drobnych szczegółów niż wiązki lasera światłowodowego lub CO2.

Wydajność procesu grawerowania laserem galvo w grawerowaniu przemysłowym

W przeciwieństwie do innych typów grawerek laserowych galvo, niebieska grawerka laserowa galvo (tj. grawerka laserowa galvo wykorzystująca moduł laserowy o długości fali lasera od 445 nm do 450 nm) oferuje niezrównaną precyzję i wydajność procesu. Wydajność procesu grawerowania dla każdej grawerki laserowej galvo zależy od dwóch głównych parametrów:

1. Wydajności konwersji elektrycznej na optyczną w grawerce laserowej Galvo.

Ten pierwszy parametr opisuje, ile mocy elektrycznej zużywa grawerka laserowa galvo do wytworzenia danej mocy optycznej.

Podczas gdy zarówno niebieskie lasery galvo, jak i światłowodowe lasery galvo mają porównywalną sprawność konwersji mocy elektrycznej na optyczną na poziomie 25-30%, laser galvo CO2 ma sprawność tylko 6-7%. Co ważniejsze, ta 6,5-procentowa sprawność uwzględnia tylko sprawność tuby lasera CO2, a zatem nie uwzględnia wymaganego przez tubę lasera CO2 agregatu chłodniczego o dużej mocy elektrycznej. Dlatego w praktyce sprawność lasera CO2 jest jeszcze niższa.

Typowy agregat chłodniczy lasera CO2 galvo ma COP (współczynnik wydajności agregatu chłodniczego) od 3 do 5. Wartość COP określa stosunek rozpraszanego ciepła do mocy elektrycznej wykorzystywanej przez agregat chłodniczy. Przy sprawności konwersji mocy elektrycznej na optyczną tuby lasera CO2 wynoszącej 6,5% oznacza to, że laser galvo CO2 o mocy 3000 kW (3000 W mocy elektrycznej) wytwarza 195 W mocy optycznej (mocy lasera). A 2805 W mocy elektrycznej jest tracone jako obciążenie cieplne, które musi zostać rozproszone przez agregat chłodniczy. Przy współczynniku COP wynoszącym 3-5 oznacza to, że agregat chłodniczy lasera CO2 o mocy 3 kW zużyje dalsze 935 W do 561 W. W związku z tym całkowita sprawność elektryczno-optyczna systemu lasera CO2 galvo wynosi od 4,96% (=195/3935) do 5,48% (=195/3561).

Dla porównania, światłowodowe lasery galvo i niebieskie lasery galvo mają całkowitą sprawność konwersji elektrycznej na optyczną na poziomie 20-25%.

Zakładając okres 10 000 godzin pracy i cenę kWh wynoszącą 0,24 USD, pojedynczy laser CO2 o mocy 200 W (przy zużyciu mocy 3935 W) zużywa dodatkowe 9444 USD kosztów energii elektrycznej. W tym samym okresie 10 000 godzin pracy grawerka laserowa galvo z modułem niebieskiego lasera o mocy 200 W zużywa energię elektryczną o wartości zaledwie 1920-2880 USD. Analogicznie, grawerka z niebieskim laserem galvo o mocy 50 W zużywa energię elektryczną o wartości 480-720 USD w ciągu 10 000 godzin pracy. Biorąc pod uwagę koszty operacyjne, użycie grawerki z niebieskim laserem galvo na linii produkcyjnej jest bardziej opłacalne niż użycie lasera galvo CO2, nawet jeśli długość fali lasera CO2 ma o 40% wyższy współczynnik absorpcji na danym materiale. W rezultacie można użyć dwóch (lub więcej) grawerek z niebieskim laserem galvo zamiast pojedynczego lasera CO2 galvo i uzyskać w ten sposób zarówno wyższą wydajność produkcji, jak i oszczędność pieniędzy.

2. Absorpcja długości fali lasera galvo przez grawerowany materiał

Drugi parametr opisuje, jaka część mocy przychodzącej wiązki lasera jest pochłaniana i przekształcana w użyteczną pracę. Różni się to w zależności od materiału, jednak w przypadku większości materiałów długość fali niebieskiego lasera galvo wykazuje wyższą absorpcję niż długość fali laserów światłowodowych galvo i laserów CO2 galvo.

Jest to szczególnie widoczne w ceramice, a zwłaszcza w ceramice technicznej, takiej jak tlenek glinu (_Al2O3), węglik boru (_B4C), węglik krzemu (SiC), diborek tytanu (_TiB2) i węglik wolframu (WC). W ceramice technicznej absorpcja długości fali niebieskiego grawera laserowego galvo rośnie wykładniczo wraz z temperaturą. W rzeczywistości, w pobliżu temperatury topnienia, absorpcja długości fali niebieskiego lasera na 6H-SiC może być nawet 6000 razy większa niż długość fali lasera CO2 [Groth, R., E. Kauer, Phys. Stat. Solidi 1, 5 (1961), 445-450] i ponad 15 razy większa niż długość fali lasera światłowodowego [Philipp, H.R., Taft, E.A. Silicon Carbide - A High Temperature Semiconductor , Eds. O'Connor, J.R., Smiltens, J., Pergamon Press, Oxford, London, New York, Paris 1960, 366].

Grawerka laserowa Galvo z niebieskim modułem laserowym jest ogólnie najlepszym wyborem do grawerowania drewna i materiałów drewnopochodnych, tkanin, skóry, metali i materiałów organicznych. Wydajność grawerki laserowej galvo dla każdego z tych zastosowań została przedstawiona poniżej, wraz z filmami wideo i studiami przypadków dotyczącymi grawerowania laserowego galvo.

Wydajność lasera Galvo w różnych zastosowaniach grawerowania

Grawerki laserowe Galvo na drewnie i materiałach drewnopochodnych

W przypadku drewna i materiałów drewnopochodnych niebieska (445-450 nm) grawerka laserowa galvo oferuje najlepszą wydajność. Wynika to ze znacznie wyższych kosztów operacyjnych lasera CO2, które sprawiają, że jest to po prostu droższa opcja do utrzymania. Lasery włóknowe galvo są najgorszymi laserami galvo do grawerowania w tym zastosowaniu ze względu na znacznie niższą absorpcję niż pozostałe dwa główne typy laserów galvo.

Studium przypadku: Grawerowanie laserem Galvo sklejki, drewna sosnowego i bukowego

Poniższy film przedstawia grawerkę laserową galvo o mocy 30 W w trakcie grawerowania kawałka sklejki. Mierzący 8 cm na 2 cm (3,15 cala na 0,8 cala) grawerunek na sklejce jest wykonywany w około sekundę za pomocą niebieskiego lasera galvo firmy Opt Lasers.

Grawerowanie niebieskim laserem galvo ma wydajność 20-25% i, w oparciu o dostępne prace badawcze, niebieska długość fali 445-450 nm ma współczynnik absorpcji 68% i 73% odpowiednio na drewnie sosnowym i bukowym [Haller, Peer et al. "Eksperymentalne badanie wpływu wiązki laserowej na morfologię powierzchni drewna". (2000)]. Grawerka laserowa CO2 galvo ma ogólną sprawność energetyczną 5%, a jej długość fali ma współczynnik absorpcji 85% i 88% dla tych samych dwóch materiałów. Stąd proste obliczenie pokazuje, że niebieski laser galvo jest około 3,4 razy bardziej wydajny niż laser galvo CO2 przy tym samym zużyciu energii. Wykres pochodzi z wcześniej wspomnianego artykułu naukowego, przedstawia współczynniki absorpcji dla tych materiałów.

Grawerowanie laserowe galvo na skórze

Grawerowanie laserowe skóry jest najbardziej wydajne, gdy jest wykonywane za pomocą niebieskiej grawerki laserowej galvo. Grawerowanie laserowe za pomocą grawerki laserowej CO2 galvo powoduje wypalanie śladów, jest znacznie wolniejsze i kosztuje znacznie więcej pieniędzy. Laser światłowodowy galvo 1,06 µm ma najgorszą wydajność w grawerowaniu laserowym, ponieważ 80% jego wiązki laserowej odbija się od powierzchni skóry.

Studium przypadku: Laser Galvo do grawerowania skóry

Poniżej znajduje się film przedstawiający proces grawerowania skóry za pomocą niebieskiego lasera galvo o mocy 30 W. Grawerowanie na skórze odbywa się w czasie krótszym niż sekunda.

Badania naukowe wykazały, że odbicie niebieskiej fali laserowej wynosi 12% dla niebieskiej wiązki laserowej 445 nm i około 62% dla wiązki lasera światłowodowego 1,06 µm. Ponieważ niebieska wiązka lasera jest widoczna dla ludzkiego oka, oznacza to, że współczynnik absorpcji niebieskiej wiązki lasera na skórze wynosi 88%. Maksymalnie tylko 38% wiązki lasera światłowodowego o długości fali 1,06 µm może zostać pochłonięte przez skórę, co gwarantuje, że grawerka laserowa galvo o długości fali 1,06 µm będzie gorzej radzić sobie z grawerowaniem skóry. W rzeczywistości każdy laser o długości fali dłuższej niż 550 nm będzie działał gorzej niż niebieski laser w zastosowaniach związanych z grawerowaniem skóry.

Lasery włóknowe galvo będą działać gorzej niż niebieski laser galvo do grawerowania większości naturalnych odmian skóry ssaków i gadów. Te odmiany skóry obejmują skórę ze zwierząt takich jak świnia, bydło, owca, jaszczurka, wąż i krokodyl [Hou Q.,et al., Spectral Characterization and Identification of Natural and Regenerated Leather Based on Hyperspectral Imaging System. Coatings 2023, 13, 450. DOI: https://doi.org/10.3390/coatings13020450]. Podczas gdy światłowodowe lasery galvo mają wyższy współczynnik absorpcji długości fali na regenerowanej skórze i skórze jelenia, mogą one działać tylko tak dobrze, jak niebieski grawer laserowy galvo na skórze jelenia.

https://www.mdpi.com/2079-6412/13/2/450

Chociaż nie ma danych dotyczących absorpcji (lub odbicia) fal dłuższych niż 2,5 µm, można założyć, że zachowanie absorpcji dla dłuższych fal jest zgodne z absorpcją melaniny, która jest naturalnym pigmentem występującym w większości organizmów i głównym wyznacznikiem koloru skóry. Poniższy rysunek pokazuje, że absorpcja melaniny spada wraz ze wzrostem długości fali lasera. Ponadto, artykuł Uniwersytetu Cambridge na temat melaniny, z którego pochodzi ten wykres, stwierdza, że absorpcja melaniny jest prawie całkowicie tłumiona dla długości fal dłuższych niż 700 nm.

https://www.cl.cam.ac.uk/~jgd1000/melanin.html

Grawerowanie laserowe Galvo na metalach

Metale różnią się od innych zastosowań grawerek laserowych Galvo, ponieważ metale mają zwykle bardzo wysoką przewodność cieplną. Z tego powodu, aby grawerować materiał metalowy w wydajny sposób, trzeba mieć albo wysoce skupioną wiązkę lasera o dużej gęstości mocy, albo laser o wysokiej energii impulsu. Oprócz tego, dany materiał metalowy musi mieć wysoki współczynnik absorpcji długości fali lasera. Przekłada się to na fakt, że najbardziej wydajnymi laserami do grawerowania na metalach są niebieskie lasery galvo o dużej mocy, pulsacyjne lasery światłowodowe galvo, a także niebieskie głowice laserowe o dużej gęstości mocy optycznej. Z drugiej strony, lasery CO2 galvo są wysoce nieefektywne w grawerowaniu metali.

Studium przypadku: Laser Galvo do grawerowania metali

Dwa filmy przedstawiają niebieski laser galvo znakujący stal nierdzewną i stal narzędziową.

Wskaźniki absorpcji różnią się w zależności od metalu, jak pokazano na poniższym wykresie. Poniższy wykres przedstawia współczynniki absorpcji fal o długości od 200 nm do 12,8 µm dla najczęściej używanych metali, takich jak miedź, złoto, tytan, (gołe) aluminium, nikiel i srebro.

Inny wykres, przedstawiony poniżej, pokazuje współczynniki odbicia dla różnych metali. Oprócz materiałów przedstawionych na poprzednim wykresie powyżej, pokazuje on zachowanie dodatkowych metali, takich jak czyste żelazo, wolfram, platyna, chrom, beryl i molibden. Warto jednak zauważyć, że poniższy wykres współczynnika odbicia przedstawia współczynnik odbicia metali o idealnie gładkich powierzchniach, ponieważ im mniej gładka jest powierzchnia, tym bardziej pochłania krótsze długości fal lasera.

https://www.researchgate.net/figure/Spectral-reflectivity-of-perfectly-smooth-metal-surfaces-3_fig1_236582531

Z danych przedstawionych na dwóch powyższych wykresach wynika, że niebieski laser galvo będzie bardziej wydajny niż lasery galvo o dłuższej długości fali do grawerowania wszystkich wyżej wymienionych metali z wyjątkiem chromu. Metale, dla których grawerowanie niebieskim laserem galvo będzie krytycznie bardziej wydajne to złoto, miedź, platyna i wolfram. Co ciekawe, niebieski laser galvo może nie tylko grawerować miedź, ale także wykonywać mikrospawanie miedzi.

Niemniej jednak, w przypadku gołego (i idealnie gładkiego) aluminium, laser włóknowy galvo o długości fali od 500 nm do 900 nm będzie bardziej efektywnym wyborem. Niebieski laser galvo będzie nadal skuteczniejszy w przypadku gołego aluminium niż powszechnie stosowany laser światłowodowy galvo o długości fali 1,06 µm.

Co ciekawe, grawerowanie wolframu za pomocą niebieskiego lasera galvo jest bardzo wydajnym zastosowaniem, zwłaszcza jeśli wolfram nie jest gładki, jak pokazano na poniższym obrazku po prawej stronie. Film po lewej stronie przedstawia grawerowanie wolframu za pomocą niebieskiego lasera galvo o mocy 30 W.

Grawerki laserowe Galvo do tkanin i tekstyliów

W przypadku obróbki laserowej tekstyliów i tkanin, niebieska grawerka laserowa galvo jest również lepszym rozwiązaniem niż inne rodzaje produktów do grawerowania laserowego galvo. Dotyczy to zarówno tkanin naturalnych, jak i sztucznych. Lasery światłowodowe galvo o długości fali 1,06 µm zmagają się z tkaninami, ponieważ większość tkanin odbija długość fali laserów światłowodowych galvo. Możliwe jest również grawerowanie i cięcie tkanin i tekstyliów za pomocą laserów CO2 galvo, ale odbywa się to przy znacznie niższej prędkości i znacznie wyższych kosztach operacyjnych niż w przypadku użycia niebieskiego lasera galvo.

Studium przypadku: Grawerowanie tkanin i tekstyliów laserem Galvo

Poniższy film przedstawia niebieski laser galvo o mocy 30 W w procesie grawerowania bawełny, który trwa zaledwie ułamek sekundy.

Na dwóch poniższych wykresach można zobaczyć współczynniki odbicia długości fali dla różnych tkanin, takich jak bawełna, nylon, sztuczny jedwab, poliester, akryl, wełna i kaszmir. Spektrum długości fal objęte wykresami wynosi od 350 nm do 2,35 µm. Współczynnik absorpcji niebieskiego lasera galvo o długości fali 450 nm wynosi od 74% do 97%, a typowy współczynnik absorpcji wynosi 90%.

Warto jednak zauważyć, że tkaniny i tekstylia są dostępne w różnych kolorach. Grawer laserowy blue galvo wykona grawerowanie szybciej, im ciemniejszy jest materiał. Ogólnie rzecz biorąc, w przypadku niebieskiego lasera prędkość będzie zależeć od odcienia i odcienia konkretnego materiału tekstylnego lub tkaniny. Niebieskie lasery będą również działać gorzej na bardzo odblaskowych, niebieskich lub białych tekstyliach i tkaninach. Niemniej jednak, niebieski laser galvo jest najlepszym rozwiązaniem do grawerowania (i cięcia) tkanin i tekstyliów i będzie działał lepiej niż jakikolwiek laser CO2 lub laser światłowodowy.

Grawerowanie laserem galvo na żywności i materiałach organicznych

Lasery światłowodowe i CO2 galvo mają trudności z grawerowaniem żywności i większości materiałów organicznych. Dzieje się tak, ponieważ żywność i materiały organiczne mają wysoką zawartość wody, często nawet 70%. Woda pochłania większość widma lasera, jednak przepuszcza prawie całą niebieską wiązkę lasera, ponieważ współczynnik absorpcji dla wody wynosi 3*10^-4 cm-1 dla lasera 450 nm. Dla długości fali 1,06 µm współczynnik absorpcji wynosi 6000 cm-1, podczas gdy dla wiązki lasera CO2 o długości fali 10,6 µm absorpcja jest jeszcze wyższa i wynosi 7000000 cm-1. Oznacza to, że praktycznie cała moc wiązki lasera CO2 i światłowodowego jest zużywana na odparowanie wody, podczas gdy niebieski laser ignoruje zawartość wody i graweruje na rzeczywistym materiale organicznym, który ma zostać wygrawerowany, co znacznie przyspiesza proces.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/18/Absorption_spectrum_of_liquid_water.png/1280px-Absorption_spectrum_of_liquid_water.png

Ponadto, gatunki roślin są bardzo chłonne dla niebieskich wiązek lasera galvo. Współczynnik absorpcji długości fali niebieskiego lasera galvo na zielonej roślinności wynosi aż 93%, jak pokazano na poniższym wykresie.

https://www.semanticscholar.org/paper/Cellulose-absorption-index-(CAI)-to-quantify-mixed-Nagler-Inoue/b9fb9e5f01e05785bff66126d5bf0f97c23ce0e9

Niemniej jednak istnieją materiały organiczne, do których dobrze nadają się inne typy laserów galvo. Przykładowo, hydroksyapatyt (czasami nazywany hydroksyapatytem) jest głównym składnikiem szkliwa zębów. Hydroksyapatyt, w nieco zmodyfikowanej formie, stanowi również do 70% ludzkiej kości. Ponieważ hydroksyapatyt jest znacznie łatwiej absorbowany przez wiązkę lasera galvo CO2 o długości fali 10,6 µm, ten typ grawerki laserowej galvo będzie najbardziej wydajny do cięcia i grawerowania kości i zębów. Poniżej przedstawiono wykres absorpcji długości fali dla związków takich jak hemoglobina, hydroksyapatyt, melanina i woda. Pokazuje on, że długość fali lasera galvo 10,6 µm jest absorbowana 10000 razy bardziej niż długość fali lasera niebieskiego.

https://www.researchgate.net/figure/Absorption-spectra-log-scale-of-some-biological-materials-and-laser-wavelength-adapted_fig3_350007163

Jednak powyższy wykres pokazuje również, że niebieskie lasery są najskuteczniej absorbowanymi wiązkami laserowymi dla hemoglobiny, co przekłada się na fakt, że niebieski laser galvo jest najbardziej optymalnym rozwiązaniem do zabiegów chirurgicznych.

Studium przypadku:

Grawerowanie laserem Galvo na ceramice

Kategoria ceramiki obejmuje zarówno wytwarzaną ceramikę, taką jak tlenek glinu lub diborek tytanu, ale także naturalne odmiany kamienia, takie jak na przykład boksyt i marmur.

Ceramika zwykle lepiej reaguje na krótsze długości fal. Jednak współczynniki absorpcji dla różnych materiałów ceramicznych znacznie się różnią, a niebieskie lasery galvo są najlepszym rozwiązaniem dla ceramiki technicznej stosowanej w elementach pancerza. Obejmuje to ceramiczny pancerz w czołgach i kamizelkach kuloodpornych. Niektóre z ceramik technicznych, które są skutecznie grawerowane za pomocą niebieskich laserów, są również stosowane w pociskach penetrujących i artylerii. W ceramice technicznej stosowanej w elementach pancerza absorpcja długości fali niebieskiego lasera galvo, w porównaniu z laserami galvo o większej długości fali, rośnie wykładniczo wraz z temperaturą. Takie materiały ceramiczne obejmują tlenek glinu (Al2O3), węglik boru (B4C), węglik krzemu (SiC), diborek tytanu (TiB2) i węglik wolframu (WC).

W przypadku stopionego tlenku glinu współczynnik absorpcji drastycznie wzrasta dla krótszych długości fal. Absorpcja długości fali niebieskiego lasera przez stopiony tlenek glinu jest nawet 300 razy wyższa niż w przypadku lasera światłowodowego, jak pokazano na poniższym wykresie. V.K. Bityukov et al., Absorption Coefficient of Molten Alumina Oxide in Semitransparent Spectral Range [Współczynnik absorpcji stopionego tlenku glinu w półprzezroczystym zakresie widmowym], Applied Physics Research, strona 51, tom 5, styczeń 2013. DOI: 10.5539/APR.V5N1P51].

Inne typy grawerek laserowych Galvo najczęściej zmagają się z tymi materiałami. Światłowodowy laser galvo, choć działa znacznie gorzej niż niebieski laser galvo, nadal często działa lepiej niż laser galvo CO2, z wyjątkiem ceramiki z tlenku glinu. Niemniej jednak, w przypadku tej ceramiki technicznej, niebieski laser galvo oferuje drastyczny wzrost wydajności produkcji.

Poniższy wykres przedstawia współczynniki absorpcji różnych laserów galvo na węgliku krzemu. Warto zauważyć, że każdy wzrost o 300 stopni Kelvina odpowiada przesunięciu absorpcji o około 0,2 eV w kierunku krótszych długości fal.