Samodzielne i zintegrowane niebieskie systemy laserowe Galvo

Zastosowania niebieskich systemów laserowych Galvo do grawerowania

Niebieskie systemy laserowe Galvo do grawerowania znajdują zastosowanie w bardzo szerokim spektrum gałęzi przemysłu. Chociaż dominują zastosowania przemysłowe związane z szybką obróbką materiałów, systemy te wykorzystuje się także w rolnictwie, medycynie i sektorze badań naukowych. Lista zastosowań stale się poszerza — każdego roku pojawiają się nowe aplikacje. Popularne zastosowania to znakowanie żywności, owoców, warzyw; laserowa obróbka roślin, upraw i chwastów; grawerowanie drewna, ceramiki, tworzyw sztucznych i metali;

Zalety niebieskiego lasera galvo w praktyce

W przeciwieństwie do innych rodzajów galvo do grawerowania, niebieski grawer galvo (tzn. galvo wyposażony w moduł laserowy o długości fali 445-450 nm) zapewnia niezrównaną precyzję i wydajność procesu. Wydajność procesu grawerowania dla każdego galvo zależy od dwóch głównych parametrów:

1. Sprawność konwersji energii elektrycznej na moc optyczną przez grawer galvo.

Ten pierwszy parametr określa, ile mocy elektrycznej zużywa galvo, aby uzyskać określoną moc optyczną na wyjściu.

Zarówno niebieskie galvo, jak i światłowodowe galvo osiągają porównywalną sprawność konwersji energii elektrycznej na moc optyczną w zakresie 25–30%, podczas gdy galvo CO₂ ma sprawność zaledwie 6–7%. Co istotniejsze, efektywność ta liczona jest jedynie dla tuby laserowej CO₂, a nie uwzględnia energochłonnego chłodzenia, które jest wymagane dla tuby CO₂. W praktyce więc całkowita sprawność galvo CO₂ jest jeszcze niższa.

Typowy agregat chłodniczy dla lasera galvo CO₂ osiąga współczynnik sprawności COP na poziomie 3 do 5. COP informuje, jaki jest stosunek rozpraszanego ciepła do zużywanej przez agregat energii elektrycznej. Przy sprawności konwersji tuby CO₂ wynoszącej 6,5%, oznacza to, że tuba CO₂ galvo o mocy 3 000 W (pobór mocy 3 000 W) generuje 195 W mocy optycznej, a 2 805 W rozpraszane jest jako energia cieplna do usunięcia przez agregat. Przy COP rzędu 3–5, oznacza to, że agregat chłodniczy do lasera CO₂ o mocy 3 kW zużywa dodatkowo od 935 do 561 W. W ten sposób całkowita sprawność elektro-optyczna systemu CO₂ galvo wynosi od 4,96% (=195/3935) do 5,48% (=195/3561).

Dla porównania, lasery galvo światłowodowe i niebieskie galvo osiągają całkowitą sprawność konwersji na poziomie 20–25%.

Przyjmując 10 000 godzin pracy oraz cenę 0,24 USD/kWh, pojedynczy laser CO₂ o mocy 200 W (pobór mocy 3935 W) generuje dodatkowy koszt zużycia energii elektrycznej w wysokości 9 444 USD. W tym samym okresie galvo z niebieskim modułem laserowym 200 W zużywa energii za jedynie 1 920–2 880 USD. Analogicznie, niebieski grawer galvo 50 W wygeneruje 480–720 USD kosztów energii przez 10 000 godzin pracy. Uwzględniając koszty eksploatacji, stosowanie niebieskiego galvo laserowego na linii produkcyjnej jest bardziej opłacalne niż stosowanie lasera CO₂, nawet jeśli długość fali CO₂ wykazuje o 40% większą absorpcję na danym materiale. W praktyce można więc wykorzystać dwa (lub więcej) grawery niebieskie galvo zamiast pojedynczego lasera CO₂ galvo — otrzymując wyższą wydajność produkcji i niższe koszty.

2. Absorpcja przez grawerowany materiał długości fali lasera galvo

Drugi parametr odnosi się do tego, jaką część dostarczonej mocy wiązki laserowej absorbuje i przekształca w użyteczną pracę materiał poddawany obróbce. Jest to zależne od materiału, jednak dla większości zastosowań długość fali niebieskiego lasera galvo wykazuje wyższą absorpcję niż długości fal laserów światłowodowych oraz CO₂.

Efekt ten jest szczególnie silny w przypadku ceramiki, zwłaszcza technicznej, takiej jak tlenek glinu (Al₂O₃), węglik boru (B₄C), węglik krzemu (SiC), diborek tytanu (TiB₂) oraz węglik wolframu (WC). W ceramice technicznej absorpcja długości fali niebieskiego galvo wzrasta wykładniczo wraz ze wzrostem temperatury. W okolicach temperatury topnienia absorpcja promieniowania niebieskiego na 6H-SiC może być nawet 6000 razy większa niż absorpcja długości fali lasera CO₂.

Wydajność lasera galvo w różnych zastosowaniach grawerskich

Lasery galvo do grawerowania drewna oraz materiałów drewnopochodnych

Do obróbki drewna oraz materiałów drewnopochodnych niebieski grawer galvo (445-450 nm) zapewnia najlepsze parametry pracy. Wynika to z wyraźnie wyższych kosztów eksploatacyjnych lasera CO₂, przez co jest on droższą opcją w utrzymaniu. Światłowodowe galvo są najmniej efektywnym rozwiązaniem w tej aplikacji, ze względu na niską absorpcję w tym zakresie długości fali.

Studium przypadku: Grawer galvo na sklejce, sośnie i buku

Poniżej przedstawiono wideo pokazujące pracę niebieskiego galvo 30 W podczas grawerowania sklejki o wymiarach 8 x 2 cm (3,15 x 0,8 cala). Grawerowanie jest realizowane w optymalnych warunkach w czasie około jednej sekundy z wykorzystaniem niebieskiego galvo firmy Opt Lasers.

Niebieski grawer galvo charakteryzuje się sprawnością konwersji na poziomie 20–25%, a według dostępnych publikacji naukowych długość fali 445-450 nm ma na sośnie i buku wskaźnik absorpcji odpowiednio 68% i 73%. Dla porównania, CO₂ galvo wykazuje całkowitą sprawność energetyczną 5%, a jego długość fali absorbowana jest przez te materiały na poziomie 85% i 88%. Z prostych kalkulacji wynika, że niebieski grawer galvo jest około 3,4 raza bardziej wydajny niż system CO₂ galvo przy takim samym zużyciu mocy. Wykres, zaczerpnięty z publikacji naukowej, przedstawia absorpcję dla tych materiałów.

Lasery galvo do grawerowania skóry

Grawerowanie laserowe skóry jest najbardziej efektywne z wykorzystaniem niebieskiego grawera galvo. Grawerowanie skóry systemem CO₂ generuje ślady przypalenia, jest dużo wolniejsze i kosztowniejsze. Galvo światłowodowe o długości fali 1,06 µm radzi sobie najgorzej, ponieważ aż 80% wiązki zostaje odbite od powierzchni skóry.

Studium przypadku: Grawer galvo na skórze

Poniżej można zobaczyć wideo pokazujące proces grawerowania skóry za pomocą niebieskiego galvo 30 W. Proces grawerowania skóry trwa poniżej jednej sekundy.

Badania naukowe dowodzą, że odbicie dla długości fali niebieskiego lasera wynosi 12% (445 nm), natomiast dla światłowodu 1,06 µm około 62%. Ponieważ wiązka niebieskiego lasera jest widzialna, oznacza to, że absorpcja niebieskiej wiązki przez skórę dochodzi do 88%. Oznacza to, że maksymalnie 38% energii światłowodu 1,06 µm może zostać zaabsorbowane przez skórę, co gwarantuje słabszą wydajność tej technologii grawerowania skóry.

W rzeczywistości każdy laser o długości fali powyżej 550 nm będzie działał gorzej niż laser niebieski w zastosowaniach związanych z grawerowaniem skóry.

Lasery galvo światłowodowe będą działać gorzej niż niebieskie lasery galvo przy grawerowaniu większości odmian naturalnych skór ssaków i gadów. Dotyczy to skór pochodzących od zwierząt takich jak świnia, bydło, owca, jaszczurka, wąż czy krokodyl. Chociaż lasery galvo światłowodowe wykazują wyższą absorpcję długości fali na skórze regenerowanej oraz jeleniej, to na skórze jeleniej mogą osiągać wydajność porównywalną z niebieskimi laserami galvo.

Pomimo braku danych dotyczących absorpcji (lub odbicia) dla długości fali powyżej 2,5 µm, można założyć, że charakterystyka absorpcji dla dłuższych długości fali odpowiada absorpcji melaniny, która jest naturalnym pigmentem występującym u większości organizmów i głównym czynnikiem wpływającym na kolor skóry. Obraz poniżej pokazuje, że absorpcja melaniny maleje wraz ze wzrostem długości fali lasera. Ponadto artykuł Uniwersytetu Cambridge o melaninie, z którego pochodzi wykres, wskazuje, że absorpcja melaniny jest niemal całkowicie wygaszona przy długościach fali powyżej 700 nm.

Grawerki galvo laserowe na metalach

Metale różnią się od innych aplikacji grawerek galvo laserowych, ponieważ wykazują bardzo wysoką przewodność cieplną. Z tego powodu, aby efektywnie grawerować materiały metaliczne, konieczne jest użycie wysoko skupionej wiązki lasera o wysokiej gęstości mocy lub lasera o wysokiej energii impulsu. Oprócz tego istotne jest, aby materiał metalowy posiadał wysoki współczynnik absorpcji długości fali stosowanego lasera. Oznacza to, że najbardziej wydajnymi laserami do grawerowania metali są wysokoenergetyczne niebieskie grawerki galvo, impulsyjne grawerki galvo światłowodowe oraz głowice laserowe niebieskie o wysokiej gęstości mocy optycznej. Z kolei grawerki galvo CO2 są wysoce nieefektywne przy obróbce metali.

Studium przypadku: grawerowanie metali grawerką galvo

Dwa poniższe filmy przedstawiają proces znakowania stali nierdzewnej i stali narzędziowej niebieskim laserem galvo.

Stawki absorpcji różnią się w zależności od metalu, co pokazuje poniższy wykres. Na wykresie przedstawiono współczynniki absorpcji dla zakresu długości fali 200 nm – 12,8 µm dla najczęściej stosowanych metali, takich jak miedź, złoto, tytan, (surowe) aluminium, nikiel i srebro.

Kolejny wykres poniżej prezentuje współczynniki odbicia dla różnych metali. Oprócz materiałów przedstawionych na poprzednim wykresie pokazuje także zachowanie dodatkowych metali, takich jak czyste żelazo, wolfram, platyna, chrom, beryl i molibden. Należy jednak zauważyć, że przedstawiony poniżej wykres reflektancji pokazuje odbicie metali o idealnie gładkich powierzchniach, ponieważ im mniej gładka powierzchnia, tym bardziej absorbuje krótsze długości fali lasera.

Na podstawie danych przedstawionych na powyższych dwóch wykresach wynika, że niebieski laser galvo będzie wydajniejszy niż galvo lasery o dłuższych długościach fali przy grawerowaniu wszystkich wcześniej wymienionych metali z wyjątkiem chromu. Metalami, na których niebieska grawerka galvo będzie zdecydowanie bardziej efektywna, są złoto, miedź, platyna i wolfram. Co ciekawe, niebieski laser galvo może nie tylko grawerować miedź, ale również wykonywać mikrosprzęganie miedzi.

W przypadku surowego (idealnie gładkiego) aluminium bardziej efektywnym wyborem będzie galvo laser światłowodowy o długości fali w zakresie 500–900 nm. Jednak laser galvo niebieski nadal będzie wydajniejszy dla surowego aluminium niż powszechnie stosowany galvo światłowodowy o długości fali 1,06 µm.

Co ciekawe, grawerowanie wolframu niebieskim grawerem galvo jest bardzo efektywną aplikacją, zwłaszcza jeśli wolfram nie jest gładki, co pokazuje zdjęcie po prawej stronie poniżej. Film po lewej stronie przedstawia 30 W niebieską grawerkę galvo podczas grawerowania wolframu.

Grawerki galvo laserowe na tkaninach i tekstyliach

W zastosowaniach związanych z obróbką tekstyliów i tkanin laserem, niebieska grawerka galvo laserowa jest również lepszym rozwiązaniem niż inne typy grawerów galvo. Dotyczy to zarówno tkanin naturalnych, jak i sztucznych. Galvo lasery światłowodowe 1,06 µm mają trudności z tkaninami, gdyż większość z nich odbija długości fali światłowodowych laserów galvo. Możliwe jest także grawerowanie i cięcie tkanin i tekstyliów za pomocą galvo laserów CO2, jednak odbywa się to z dużo niższą prędkością i znacznie wyższymi kosztami eksploatacji w porównaniu do użycia niebieskiego lasera galvo.

Studium przypadku: grawerowanie tkanin i tekstyliów grawerką galvo

Poniższy film prezentuje 30 W niebieski laser galvo podczas grawerowania bawełny, co trwa zaledwie ułamek sekundy.

Na dwóch poniższych wykresach widoczne są współczynniki odbicia długości fali dla różnych tkanin takich jak bawełna, nylon, rayon, poliester, akryl, wełna i kaszmir. Zakres widma długości fali objęty wykresami to od 350 nm do 2,35 µm. Stopień absorpcji długości fali 450 nm lasera galvo niebieskiego wynosi pomiędzy 74% a 97%, z typową wartością na poziomie 90%.

Należy jednak pamiętać, że tkaniny i tekstylia występują w różnych kolorach. Niebieski laser galvo będzie grawerował tym szybciej, im ciemniejszy jest materiał. Ogólnie rzecz biorąc, w przypadku niebieskiego lasera prędkość zależy od odcienia i koloru danej tkaniny lub tekstyliów. Lasery niebieskie będą również działać gorzej na bardzo refleksyjnych, niebieskich oraz białych tkaninach i tekstyliach. Niemniej jednak, niebieska grawerka galvo jest najlepszym rozwiązaniem do grawerowania (i cięcia) tkanin i tekstyliów oraz działa lepiej niż jakikolwiek laser CO2 czy laser światłowodowy.

Grawerki galvo laserowe na żywności i materiałach organicznych

Galvo lasery światłowodowe oraz CO2 mają trudności z grawerowaniem żywności i zdecydowanej większości materiałów organicznych. Wynika to z faktu, że żywność i materiały organiczne zawierają dużą ilość wody, często sięgającą nawet 70%. Woda absorbuje większość widma lasera, jednak niemal całkowicie przepuszcza wiązki niebieskiego lasera, ponieważ współczynnik absorpcji wody wynosi 3*10^-4 cm-1 dla lasera o długości fali 450 nm. Dla długości fali 1,06 µm współczynnik absorpcji wynosi 6000 cm-1, natomiast dla wiązki 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 oraz światłowodowego jest wykorzystywana do odparowania wody, podczas gdy niebieski laser pomija zawartość wody i graweruje bezpośrednio na materiale organicznym, co znacząco przyspiesza proces.

Ponadto, rośliny wykazują bardzo wysoką absorpcję wiązek niebieskiego lasera galvo. Współczynnik absorpcji długości fali niebieskiego lasera galvo przez zieloną roślinność wynosi aż 93%, co obrazuje poniższy wykres.

Istnieją jednak materiały organiczne, w przypadku których inne lasery galvo sprawdzają się lepiej. Na przykład hydroksyloapatyt (czasem błędnie nazywany hydroksyapatytem) stanowi główny składnik szkliwa zębów, a w nieco zmodyfikowanej formie także do 70% ludzkiej kości. Hydroksyloapatyt jest znacznie lepiej absorbowany przez galvo laser CO2 o długości fali 10,6 µm, przez co ten typ grawerki galvo jest najefektywniejszy do cięcia i grawerowania kości i zębów. Wykres współczynnika absorpcji dla związków takich jak hemoglobina, hydroksyloapatyt, melanina i woda jest pokazany poniżej. Pokazuje on, że długość fali galvo lasera 10,6 µm jest absorbowana 10 000 razy silniej niż długość fali niebieskiego lasera.

Warto jednak zauważyć, że ten sam wykres pokazuje, iż niebieskie lasery są najskuteczniej absorbowane przez hemoglobinę, co przekłada się na fakt, iż niebieski laser galvo jest najbardziej optymalnym rozwiązaniem do zastosowań chirurgicznych.

Grawerki galvo laserowe na ceramice

Kategoria ceramik obejmuje zarówno materiały ceramiczne produkowane przemysłowo, takie jak tlenek glinu czy diborek tytanu, jak i odmiany kamienia naturalnego, na przykład boksyt i marmur.

Ceramika wykazuje lepszą reaktywność wobec krótszych długości fali. Jednak stawki absorpcji dla różnych ceramik znacznie się różnią, przy czym niebieskie lasery galvo stanowią najlepsze rozwiązanie dla ceramik technicznych stosowanych w komponentach opancerzenia, w tym opancerzeniu czołgów, kamizelek kuloodpornych. Niektóre ceramiki techniczne, które są efektywnie grawerowane niebieskimi laserami, są także używane w pociskach penetrujących i artylerii. W ceramikach technicznych wykorzystywanych w elementach opancerzenia absorpcja długości fali niebieskiego lasera galvo w porównaniu do galvo laserów o dłuższej długości fali rośnie wykładniczo wraz z temperaturą. Do takich ceramik należą tlenek glinu (Al2O3), węglik boru (B4C), węglik krzemu (SiC), diborek tytanu (TiB2) oraz węglik wolframu (WC).

W przypadku stopionego tlenku glinu absorpcja dla krótszych długości fali wzrasta drastycznie. Stosunek absorpcji długości fali niebieskiego lasera przez stopiony tlenek glinu jest nawet do 300 razy wyższy niż w przypadku długości fali lasera światłowodowego, jak wskazuje poniższy wykres. [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].

Inne typy grawerek galvo mają zazwyczaj problemy z tego typu materiałami. Laser galvo światłowodowy, choć znacznie mniej skuteczny niż niebieski laser galvo, często działa lepiej niż galvo laser CO2 z wyjątkiem ceramiki tlenkowej. Niemniej jednak, w przypadku tych ceramik technicznych, niebieska grawerka galvo zapewnia znaczący wzrost wydajności procesów produkcyjnych.

Poniższy wykres prezentuje wskaźniki absorpcji różnych grawerek galvo na węgliku krzemu. Należy zauważyć, że każde zwiększenie o 300 K powoduje przesunięcie absorpcji o ok. 0,2 eV w stronę krótszych długości fali.

Skontaktuj się z nami