Zrównoważona alternatywa o niskim zużyciu energii dla laserów CO2 i YAG - Głowice laserowe do cięcia i grawerowania

Przewaga technologiczna niebieskich głowic laserowych nad laserami YAG i CO2

Niebieskie lasery są technologicznie lepsze od innych dostępnych rozwiązań, takich jak lasery CO2 i YAG. Ich wprowadzenie na rynek zrewolucjonizowało gospodarkę w wielu priorytetowych obszarach, takich jak medycyna, wojsko i nauka. W rezultacie rośnie zapotrzebowanie na wykorzystanie wyjątkowych parametrów fizycznych i optycznych niebieskich laserów, takich jak emitowana długość fali około 450nm, wysoka gęstość mocy i wysoki współczynnik absorpcji niebieskiego światła przez dużą część materiałów. Cechy te stanowią o dużym potencjale wykorzystania niebieskiego lasera opartego na technologii diodowej - dużej szybkości pracy i uzyskiwania pożądanego efektu na różnego rodzaju materiałach, niskiej awaryjności, a także łatwości dostosowania produktu do indywidualnego zamówienia i trybu pracy.
Dotychczasowe próby opracowania lasera diodowego dużej mocy z różnych względów kończyły się niepowodzeniem. Obecnie dostępne na rynku produkty - które można bezpiecznie montować i wykorzystywać w urządzeniach CNC - osiągają moc kilku watów, maksymalna wartość to około 5-6W. Niektórzy producenci głowic laserowych, dostrzegając duży potencjał tej technologii, oferują łączone moduły laserowe o mocy 12-15W, składające się z dwóch głowic laserowych o mocy 6W. Są to jednak rozwiązania prototypowe, posiadające szereg niedoskonałości i wad. Najważniejsze z nich to: brak dedykowanego układu optycznego, przez co plamka lasera jest wysoka, spada gęstość mocy, a wraz z nią wydajność lasera, brak możliwości instalacji tego typu głowic laserowych w urządzeniu obróbczym (np. frezarce, drukarce 3D) ze względu na ograniczenia fizyczne (konieczność instalacji dodatkowych głowic sterujących, układu zasilania, odprowadzania ciepła itp.), bardzo duże ryzyko zakleszczenia lasera i uzyskania dwóch kropek obok siebie zamiast jednej połączonej.
Dlatego w zastosowaniach przemysłowych najczęściej wykorzystuje się lasery zbudowane w technologii CO2 i YAG (wykorzystujące światło podczerwone) o mocach 30-500W. Pomimo licznych ograniczeń ww. produktów, tj. gorsze parametry elektryczne, sprawność, konstrukcja uniemożliwiająca montaż do wielu urządzeń obróbczych, niski współczynnik absorpcji, czy kosztowne utrzymanie, są to urządzenia najczęściej wykorzystywane przez odbiorców tej technologii głównie ze względu na osiągane wysokie moce.
Należy podkreślić, że parametry fizyczne i optyczne niebieskiego światła laserowego pozwolą nam na wykonanie wielu prac na materiałach, do których dotychczas wykorzystywano lasery dużej mocy. Poprawie ulegnie również wydajność i współczynnik prędkości urządzenia, na którym zamontowana zostanie głowica. Dodatkowo, zastosowanie niebieskich diod przełoży się na większą oszczędność energii elektrycznej. Tego typu głowice laserowe osiągają sprawność około 35%, w porównaniu do laserów YAG o sprawności około 15-20% i CO2 zaledwie 8%. Ponadto diody laserowe różnią się od konkurencyjnych laserów żywotnością, która jest kilkukrotnie dłuższa - 10 000 - 20 000 h w porównaniu do lasera CO2.

Niewielkie rozmiary głowic, pasywny system odprowadzania ciepła oraz bezpieczna konstrukcja otworzą również nowe możliwości zastosowań laserów, w tym możliwość opracowania zminiaturyzowanych przenośnych znakowarek do materiałów wykorzystywanych np. w tartakach, spawalniach, przy produkcji rur i elementów ze stali nierdzewnej.
Dostrzegając ogromny potencjał absorpcji długości fali niebieskich diod i starając się odpowiedzieć na aktualne zapotrzebowanie rynku, Opt Lasers wykorzystuje niebieskie diody w laserach do grawerowania i cięcia różnego rodzaju materiałów, takich jak tekstylia, guma, tworzywa sztuczne, drewno, stal nierdzewna itp. Wykorzystanie diod laserowych w procesach grawerowania i cięcia staje się coraz bardziej popularne. Głowice laserowe o dużej mocy 6-30 W stanowią atrakcyjną alternatywę w wielu segmentach rynku wykorzystujących duże i często niewygodne lasery YAG i CO2.
Laser diodowy o dużej mocy będzie w stanie skutecznie konkurować z urządzeniami laserowymi CO2 i YAG. Laser diodowy o długości fali 450 nm, dzięki zmniejszonemu rozmiarowi plamki i znacznie wyższemu współczynnikowi absorpcji, jest w stanie rozproszyć od kilku do prawie 20 razy więcej energii na oświetlany materiał niż lasery CO2 i YAG, co pozwoli osiągnąć ten sam efekt przy znacznie niższej mocy głowicy. Biorąc pod uwagę przeznaczenie lasera, wskazujące na jego innowacyjne cechy, należy odnieść się do parametrów i funkcjonalności dwóch wyżej wymienionych laserów, tj. lasera gazowego CO2 i pompowanego YAG, które spełniają podobne podstawowe funkcje. Należy wskazać następujące innowacyjne cechy głowic laserów diodowych do cięcia i grawerowania na maszynach CNC:

Wysoka gęstość mocy optycznej

Diodowe głowice grawerujące oparte na niebieskich diodach laserowych charakteryzują się najwyższą gęstością mocy ze względu na najmniejszy rozmiar plamki lasera (spot) wynoszący około 0,1mmx0,003mm - 0,15mmx0,003mm oraz rozkład mocy typu "top hat". Gęstość mocy lasera uzyskana przez głowicę wielomodową 30W będzie znacznie wyższa niż w konkurencyjnych urządzeniach dostępnych na rynku. Dla 30W lasera CO2 jest to 430kW/cm2 (o rząd wielkości mniej), dla 30W lasera YAG jest to 450kW/cm2.

Wysoki współczynnik absorpcji niebieskiego światła laserowego

Głowice laserowe wykorzystują diody emitujące światło o długości fali 440nm - 450nm, które mają bardzo wysoki współczynnik absorpcji dla większości materiałów. Wyższy współczynnik oznacza, że więcej energii zostanie pochłonięte przez oświetlaną powierzchnię. Przykładowo, współczynnik absorpcji dla miedzi i złota wynosi 450nm (niebieski laser) - 65%, laser YAG - 5%, laser CO2 - 5%, dla stali nierdzewnej laser 450nm - 45%, laser YAG -35% CO2<3%, dla tytanu odpowiednio 85%, 70% i 6%, aluminium 12%, 8% i 3%. Głowice laserowe o dużej mocy nie tylko dorównają poziomem mocy konkurencji, ale także przekażą kilkakrotnie więcej energii obrabianemu materiałowi.

Wysoka częstotliwość modulacji prądu diody laserowej.

Głowice Opt Lasers zapewnią wysoką częstotliwość modulacji na poziomie 1 - 100 kHz. Parametr ten wynosi 5 kHz dla lasera CO2 i 25 kHz dla lasera YAG. Tak wolne sterowanie lasera CO2 nie pozwala na szybkie grawerowanie skomplikowanych detali, pomimo dużej rezerwy mocy.

Kompaktowość głowic laserowych.

Nowe produkty w postaci głowic wielomodowych, dzięki zastosowanym materiałom i technologii, będą charakteryzowały się niewielkimi rozmiarami <= 70x70x220 mm^3 i wagą około <2000 g. W efekcie będą to najbardziej kompaktowe rozwiązania grawerskie o mocy 20-30W dostępne na rynku. Dla porównania, wymiary lasera CO2 o mocy 30 W wynoszą około: 60x60x600 mm^3, a waga 2500 g. Laser CO2 wymaga również dodatkowego zasilacza wysokiego napięcia (200x200x150 mm^3) i jednostki chłodzenia wodą, podczas gdy wymiary lasera YAG o mocy 30 W wynoszą około 290x220x100 mm^3, a waga około 3500 g. Należy zauważyć, że w przypadku lasera CO2 i lasera YAG są to wymiary samego źródła laserowego, bez uwzględnienia systemu prowadzenia wiązki. Lasery oparte na diodach laserowych mogą być zintegrowane z urządzeniami przenośnymi lub ręcznymi. Konstrukcja głowic laserowych jest bardziej kompaktowa, lekka, łatwa w montażu, uniwersalna w użyciu na większości maszyn CNC i drukarek 3D, a nawet w robotach przemysłowych, gdzie użycie lasera CO2 jest prawie niemożliwe, a lasera YAG bardzo trudne. Co więcej, bez większego wysiłku związanego z przystosowaniem urządzenia do pracy z laserem, możliwe jest podłączenie głowic grawerujących do maszyn CNC i drukarek 3D, które pierwotnie nie posiadały funkcji lasera. Dla porównania, laser CO2 wymaga większej chronionej obudowy, chłodzenia wodą, większego zasilacza wysokiego napięcia oraz złożonego systemu luster dostarczających wiązkę i soczewek. System optyczny dostarczający wiązkę laserową wymaga konserwacji i odpowiedniego ustawienia.

Bezpieczeństwo głowic laserowych.

Do budowy głowic laserowych wykorzystywane są aluminiowe elementy frezowane na maszynie CNC. Aluminiowy korpus zapewnia odpowiednie odprowadzanie ciepła do innych metalowych części, które chłodzą głowicę lasera. Dzięki prostocie budowy i kopiowania głowic laserowych, charakteryzują się one wysokim stopniem ochrony IP sterownika lasera - IP62, co umożliwia zabezpieczenie sterownika przed uszkodzeniami mechanicznymi, pyłem, kurzem i kroplami wody. Powszechnie dostępne głowice prawie w ogóle nie zapewniają ochrony sterownika lub zapewniają ją w ograniczonym zakresie (od IP 00 do IP 30), przez co sterowniki te są narażone na uszkodzenia podczas instalacji lub eksploatacji. Aby zapewnić jeszcze wyższy poziom bezpieczeństwa, elektronika sterująca posiada system ochrony termicznej, który chroni diodę laserową przed przegrzaniem. Ponadto sterownik jest wbudowany w głowicę, blisko diody laserowej, co minimalizuje ryzyko wystąpienia prądów indukcyjnych i uszkodzenia diody laserowej, które występuje w środowisku przemysłowym, w którym używane są głowice laserowe. Zapobiega to również zerwaniu połączenia między diodą a sterownikiem, co jest bardzo częstą przyczyną uszkodzeń diod laserowych. W rezultacie cechy te pozytywnie wpływają na całkowity koszt eksploatacji maszyny CNC wykorzystującej diodową głowicę grawerującą.

Znakowanie i zasilanie światłem lasera pod wodą.

Ponadto, wśród dodatkowych cech należy podkreślić, że głowice diodowe Opt Lasers mogą być wykorzystywane do znakowania pod wodą, podczas gdy inne dostępne na rynku lasery nie mają takich możliwości. Długość fali niebieskich diod laserowych mieści się w zakresie 440-460nm. Jest to długość fali, dla której woda jest przezroczysta, podczas gdy lasery CO2 i YAG nie są w stanie pracować pod wodą, ponieważ światło z tego typu lasera jest pochłaniane przez wodę. Sprzęt do grawerowania oparty na niebieskich diodach laserowych, ze względu na swoje niewielkie rozmiary i brak konieczności instalowania skomplikowanych systemów, ma bardzo atrakcyjną i konkurencyjną cenę w porównaniu do konkurencyjnych produktów dostępnych na rynku dla tego typu zastosowań.