Wprowadzenie do systemów laserowych do grawerowania Blue Galvo

System laserowy do grawerowania Blue Galvo to kompleksowe rozwiązanie składające się ze źródła lasera, głowicy skanującej galvo, soczewki f-theta, sterownika i prowadnicy liniowej. Nasze systemy wykorzystują niebieskie źródło lasera o dużej mocy, wykorzystujące wiele niebieskich półprzewodnikowych diod laserowych GaN o dużej mocy do generowania wiązki laserowej o wysokiej jasności. Głowica skanująca galvo jest odpowiedzialna za pozycjonowanie wiązki laserowej w przestrzeni, wykorzystując dwa zwierciadła w celu ułatwienia szybkiego przesuwania po obszarze roboczym. Soczewka f-theta służy jako soczewka skupiająca, a jej ogniskową można wybrać w celu uzyskania różnych wyników wydajności. Pojedynczy kontroler zapewnia komunikację między głowicą skanującą galvo, laserem i oprogramowaniem komputerowym. Prowadnica liniowa umożliwia ruch pionowy, pozwalając na precyzyjną regulację odległości roboczej między soczewką a obszarem roboczym.

Systemy laserowe do grawerowania Blue Galvo firmy Opt Lasers

	GLE-15-V	GLE-30-V	GLE-5-B	GLE-30-B	GLE-50-B	GLE-100-B
Centralna długość fali	405 nm		450 nm
Moc optyczna	15 W	30 W	5 W	30 W	50 W	100 W
Odległość robocza	180 mm, 350 mm lub 650 mm
Obszar roboczy	100 x 100 mm lub 200 x 200 mm lub 300 x 300 mm
Minimalny rozmiar plamki1	180 um	180 um	220 um	130 um	130 um	1000 um
Prędkość działania 2	do 2000 mm/s
Sprawność elektrooptyczna lasera	26 %	24 %	28 %	27 %	24 %	30 %
Pobór mocy	150 W	200 W	50 W	200 W	300 W	600 W

1- wartości podane dla odległości roboczej 170 mm

2- dla kątów +/- 10 stopni

Główne zalety systemów laserowych do grawerowania Blue Galvo

Wydajność konwersji elektro-optycznej

System laserowy do grawerowania Blue Galvo oferuje doskonałą wydajność konwersji elektro-optycznej w porównaniu z innymi systemami. Podczas gdy zarówno niebieskie lasery galvo, jak i światłowodowe lasery galvo wykazują podobną sprawność na poziomie 20-30%, lasery CO2 galvo mają sprawność wynoszącą zaledwie 6-7%. Ponadto lasery CO2 wymagają energochłonnych agregatów chłodniczych, co skutkuje jeszcze niższą ogólną wydajnością. Wykorzystując system niebieskiego lasera galvo, można znacznie zmniejszyć zużycie energii elektrycznej i koszty operacyjne, co czyni go bardziej opłacalną opcją dla linii produkcyjnych.

Wydajność przetwarzania materiałów

Długość fali niebieskiego lasera galvo zapewnia wyższe współczynniki absorpcji dla szerokiej gamy materiałów w porównaniu do laserów światłowodowych galvo i laserów CO2 galvo. Cecha ta jest szczególnie zauważalna w przypadku ceramiki technicznej, takiej jak tlenek glinu (Al2O3), węglik boru (B4C), węglik krzemu (SiC), diborek tytanu (TiB2) i węglik wolframu (WC). Co więcej, niebieskie lasery galvo przewyższają inne systemy w przypadku drewna, tkanin, skóry, metali i materiałów organicznych. Ulepszone współczynniki absorpcji zapewniają wydajną i skuteczną obróbkę materiałów.

Zastosowania systemów laserowych do grawerowania Blue Galvo

Systemy laserowe do grawerowania Blue Galvo znajdują zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu. Podczas gdy zastosowania przemysłowe wymagające szybkiego przetwarzania materiałów są powszechne, systemy te są również wykorzystywane w rolnictwie, medycynie i dziedzinach badawczych. Lista zastosowań stale się poszerza, a każdego roku pojawiają się nowe zastosowania. Popularne zastosowania obejmują etykietowanie żywności, owoców i warzyw; laserowe przetwarzanie roślin, upraw i chwastów; grawerowanie na drewnie, ceramice, tworzywach sztucznych i metalach;

---

---

Zalety technologii Blue Galvo Laser In Depth

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 wyższa niż długość fali lasera CO2.

---

Wydajność lasera Galvo w różnych zastosowaniach grawerowania

Grawerowanie 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 światłowodowe galvo są najgorszymi laserami do grawerowania galvo w tym zastosowaniu ze względu na znacznie niższą absorpcję niż pozostałe dwa główne typy grawerek 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.

Grawerka z 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. Grawerka laserowa CO2 galvo ma ogólną wydajność energetyczną 5%, a jej długość fali ma współczynnik absorpcji 85% i 88% na tych samych dwóch materiałach. Stąd proste obliczenie pokazuje, że grawerka z niebieskim laserem galvo jest około 3,4 razy bardziej wydajna niż laser galvo CO2 przy tym samym zużyciu energii. Wykres, zaczerpnięty z wcześniej wspomnianego artykułu naukowego, pokazuje współczynniki absorpcji dla tych materiałów.

Grawerki 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 powstawanie wypaleń, 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 długości fali niebieskiego lasera wynosi 12% dla niebieskiej wiązki lasera 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 1,06 µm może zostać pochłonięte przez skórę, co gwarantuje, że grawerka laserowa galvo 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 laser niebieski 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. Podczas gdy lasery fiber galvo mają wyższy współczynnik absorpcji długości fali na regenerowanej skórze i skórze jelenia, mogą one działać tak dobrze, jak niebieskie lasery galvo na skórze jelenia.

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.

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 efektywny sposób, potrzebna jest albo silnie skupiona wiązka laserowa 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 pokazuje współczynnik odbicia metali o idealnie gładkich powierzchniach, ponieważ im mniej gładka jest powierzchnia, tym bardziej pochłania krótsze długości fal lasera.

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 niebieskim laserem galvo o mocy 30 W.

Grawerki laserowe Galvo na tkaninach i tekstyliach

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 nie radzą sobie z tkaninami, ponieważ większość tkanin odbija długość fali laserów światłowodowych galvo. Możliwe jest również grawerowanie i cięcie tkanin i tekstyliów za pomocą laserów galvo CO2, ale odbywa się to przy znacznie niższej prędkości i znacznie wyższych kosztach operacyjnych niż w przypadku użycia niebieskiego lasera galvo.

Studium przypadku: Laser Galvo do grawerowania tkanin i tekstyliów

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 lasera 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.

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.

Niemniej jednak istnieją materiały organiczne, dla których dobre są inne rodzaje 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.

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.

Grawery laserowe 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.

Projekt UE