Sisteme Galvo Laser Albastre Autonome și Integrabile

Aplicații ale sistemelor de gravare Galvo Laser Albastru

Sistemele de gravare Galvo Laser Albastru sunt utilizate într-o gamă largă de domenii industriale. Deși utilizările industriale ce necesită procesare rapidă a materialelor sunt cele mai comune, aceste sisteme sunt folosite și în agricultură, medicină și cercetare. Lista aplicațiilor se extinde constant, cu noi utilizări descoperite anual. Aplicațiile populare includ marcarea alimentelor, fructelor și legumelor; procesarea laser a plantelor, culturilor și buruienilor; gravarea pe lemn, ceramică, plastic și metal;

Avantajele Galvo Laserului Albastru în detaliu

Spre deosebire de alte tipuri de graveuri laser galvo, un gravator galvo laser albastru (adică un gravator galvo laser ce utilizează un modul laser cu lungime de undă între 445 nm și 450 nm) oferă precizie și eficiență de proces neegalate. Eficiența procesului de gravare pentru orice gravator laser galvo depinde de două parametri principali:

1. Eficiența conversiei electro-optice a gravatorului galvo laser.

Acest prim parametru reflectă cât de multă energie electrică consumă gravatorul galvo laser pentru a obține o anumită putere optică la ieșire.

Atât laserele galvo albastre, cât și cele galvo fibră prezintă o eficiență comparabilă a conversiei între puterea electrică și cea optică, în intervalul 25-30%, în timp ce un laser galvo CO2 are o eficiență de doar 6-7%. Mai important, această eficiență de 6,5% este valabilă strict la tubul laser CO2 și nu include consumul de energie al răcitorului necesar acestuia. În practică, eficiența unui laser CO2 este și mai redusă.

Un răcitor tipic pentru laser galvo CO2 are un COP (coeficient de performanță) între 3 și 5. Acest indicator exprimă raportul dintre căldura disipată și puterea electrică folosită de răcitor. Având în vedere eficiența de conversie electric-opică de 6,5% a tubului laser CO2, rezultă că un laser galvo CO2 de 3.000 kW (3.000 W consum electric) generează doar 195 W putere optică (puterea fasciculului laser). 2.805 W din energia electrică sunt pierduți ca sarcină termică ce trebuie disipată de răcitor. Pentru un COP de 3-5, răcitorul unui laser CO2 de 3 kW va consuma suplimentar între 935 W și 561 W. Astfel, eficiența totală electric-optică a unui sistem galvo CO2 variază între 4,96% (=195/3935) și 5,48% (=195/3561).

Prin comparație, laserele galvo fibră și cele albastre oferă o eficiență totală electric-opică de 20-25%.

Presupunând o perioadă de funcționare de 10.000 de ore și un preț al kWh de 0,24 dolari, un singur laser CO2 de 200 W (cu un consum de 3.935 W) determină costuri suplimentare de 9.444 dolari pentru energie electrică. În același interval de timp, un gravator galvo cu modul laser albastru de 200 W consumă doar 1.920-2.880 dolari pentru electricitate. Analog, un gravator galvo laser albastru de 50 W consumă doar 480-720 dolari pentru 10.000 de ore de funcționare. Incluzând costurile operaționale, utilizarea unui gravator galvo laser albastru într-o linie de producție este mai eficientă decât cea a unui galvo CO2, chiar dacă lungimea de undă a CO2 are o rată de absorbție cu 40% mai mare pe același material. În practică, pot fi folosite două (sau mai multe) gravatoare galvo laser albastre în locul unuia singur CO2, obținându-se productivitate sporită și economii financiare importante.

2. Rata de absorbție a materialului gravat la lungimea de undă a galvo laserului

Al doilea parametru indică cât din energia fasciculului laser incident este absorbită și convertită în lucru util. Aceasta variază în funcție de material, însă pentru majoritatea materialelor, lungimea de undă a galvo laserului albastru indică o absorbție mai ridicată față de lungimile de undă ale galvo laserelor fibră și CO2.

Acest efect este deosebit de accentuat la ceramicile tehnice, precum alumina (Al₂O₃), carbură de bor (B₄C), carbură de siliciu (SiC), diborură de titan (TiB₂) și carbură de tungsten (WC). Pentru ceramici tehnice, absorbția la lungimea de undă a gravatorului galvo laser albastru crește exponențial cu temperatura. Practic, în apropierea punctului de topire, absorbția lungimii de undă a laserului albastru, pe 6H-SiC, poate fi de până la 6.000 ori mai mare decât cea a lungimii de undă a laserului CO2.

Performanța Galvo Laserului pentru Aplicații de Gravare Diverse

Gravatoare Galvo Laser pe lemn și materiale pe bază de lemn

Pentru lemn și materiale pe bază de lemn, gravatorul galvo laser albastru (445-450 nm) oferă cea mai bună performanță. Aceasta se datorează costurilor operaționale mult mai ridicate ale laserului CO2, făcându-l o opțiune mai costisitoare. Gravatoarele galvo fibră sunt cele mai slabe ca performanță pentru această aplicație, având o absorbție mult mai redusă decât celelalte două tipuri principale de gravatoare galvo.

Studie de caz: gravarea cu galvo laser pe placaj, lemn de pin și fag

Videoclipul de mai jos ilustrează un gravator galvo laser albastru de 30 W în procesul de gravare laser a unui piesă de placaj. Cu dimensiunea de 8 cm x 2 cm, gravarea pe placaj se realizează în aproximativ o secundă cu sistemul galvo laser albastru Opt Lasers.

Gravatorul galvo laser albastru are o eficiență de 20-25%, iar, conform studiilor de specialitate, lungimea de undă albastră 445-450 nm are o rată de absorbție de 68% pe lemnul de pin și 73% pe fag. Un gravator galvo laser CO2 are o eficiență energetică totală de 5%, iar lungimea de undă are o absorbție de 85% și respectiv 88% pe aceleași două materiale. Un calcul simplu arată că gravatorul galvo laser albastru este aproximativ de 3,4 ori mai eficient decât unul CO2 la același consum de energie. Graficul, preluat dintr-un articol academic de referință, indică ratele de absorbție pentru aceste materiale.

Gravatoare Galvo Laser pe piele

Gravarea laser pe piele este cea mai eficientă atunci când este executată cu un gravator galvo laser albastru. Gravarea cu galvo laser CO2 duce la urme de ardere, este mult mai lentă și implică costuri mult mai mari. Un galvo laser fibră de 1,06 µm prezintă cele mai slabe performanțe pentru această aplicație deoarece 80% din fasciculul laser este reflectat la suprafața pielii.

Studie de caz: gravarea cu galvo laser pe piele

Mai jos puteți viziona un video care prezintă procesul de gravare pe piele cu ajutorul unui gravator galvo laser albastru de 30 W. Gravura pe piele este realizată în mai puțin de o secundă.

Cercetările academice au reliefat că reflexia lungimii de undă albastre pentru fasciculul laser de 445 nm este de 12%, iar pentru fasciculul laser fibră de 1,06 µm, de aproximativ 62%. Deoarece fasciculul laser albastru este vizibil pentru ochiul uman, aceasta înseamnă că rata de absorbție pe piele este de 88%. Doar maximum 38% din fasciculul laser fibră de 1,06 µm poate fi absorbit de piele, acest fapt garantând performanțe inferioare pentru gravarea cu galvo laser fibră la această aplicație.

De fapt, orice laser cu lungime de undă mai mare de 550 nm va avea performanțe inferioare față de un laser albastru în aplicațiile de gravare pe piele.

Laserele galvo cu fibră optică vor avea performanțe mai slabe decât laserul galvo albastru la gravarea majorității tipurilor de piele naturală de mamifere și reptile. Aceste varietăți de piele includ piele provenită de la animale precum porc, bovine, ovine, șopârlă, șarpe și crocodil. În timp ce laserele galvo cu fibră au un indice de absorbție mai ridicat pe piele regenerată și piele de cerb, acestea pot atinge performanțe similare cu ale unui gravator galvo albastru doar pe pielea de cerb.

În absența datelor de absorbție (sau reflexie) pentru lungimi de undă mai mari de 2,5 µm, se poate presupune că comportamentul de absorbție pentru lungimi de undă mai mari urmează absorbția melaninei, care este un pigment natural regăsit la majoritatea organismelor și principalul determinant al culorii pielii. Imaginea de mai jos arată că absorbția melaninei scade odată cu creșterea lungimii de undă a laserului. În plus, articolul Universității Cambridge despre melanină, din care provine acest grafic, menționează că absorbția melaninei este aproape complet atenuată pentru lungimi de undă mai mari de 700 nm.

Gravatoare Galvo Laser pe Metale

Metalele diferă față de alte aplicații ale gravatoarelor galvo laser, deoarece metalele tind să aibă o conductivitate termică foarte ridicată. Din acest motiv, pentru a grava eficient un material metalic, este necesar fie un fascicul laser foarte focalizat cu densitate mare de putere, fie un laser cu energie mare a pulsului. În afară de aceasta, materialul metalic în cauză trebuie să aibă un nivel ridicat de absorbție la lungimea de undă a laserului utilizat. Acest lucru se traduce prin faptul că cele mai eficiente lasere pentru gravarea pe metale sunt gravatoarele galvo laser albastre de mare putere, gravatoarele galvo cu fibră pulsată, precum și capetele laser albastre cu densitate optică ridicată. Pe de altă parte, laserele galvo cu CO2 sunt extrem de ineficiente pentru gravarea metalelor.

Studiu de caz: Gravare Galvo Laser pe Metale

Cele două videoclipuri prezintă un galvo laser albastru marcând oțel inoxidabil și oțel pentru scule.

Ratele de absorbție diferă de la un metal la altul, așa cum este indicat în graficul de mai jos. Graficul de mai jos arată ratele de absorbție pentru lungimile de undă între 200 nm și 12,8 µm pentru cele mai frecvent utilizate metale precum cupru, aur, titan, aluminiu (neacoperit), nichel și argint.

Un alt grafic, prezentat mai jos, ilustrează ratele de reflexie pentru o varietate de metale. Pe lângă materialele prezentate în graficul anterior, prezintă comportamentul unor metale suplimentare precum fier pur, tungsten, platină, crom, beriliu și molibden. Totuși, este important de subliniat că graficul de reflexie de mai jos arată reflectanța metalelor cu suprafețe perfect netede, întrucât cu cât o suprafață este mai puțin netedă, cu atât absoarbe mai mult lungimi de undă ale laserului mai scurte.

Din datele prezentate de cele două grafice de mai sus, rezultă că laserul galvo albastru va fi mai eficient decât laserele galvo cu lungime de undă mai mare pentru gravarea tuturor metalelor menționate anterior, cu excepția cromului. Metalele la care un gravator galvo albastru va fi semnificativ mai eficient sunt aurul, cuprul, platina și tungstenul. Interesant este faptul că un galvo laser albastru nu doar poate grava cuprul, ci poate realiza și microsudură pe cupru.

Totuși, în cazul aluminiului neacoperit (și perfect neted), un laser galvo cu fibră în intervalul de lungimi de undă 500–900 nm va fi o alegere mai eficientă. Un laser galvo albastru va fi totuși mai eficient pentru aluminiu neacoperit decât un laser galvo cu fibră, cu lungimea de undă uzuală de 1,06 µm.

Interesant, gravarea tungstenului cu un laser galvo albastru reprezintă o aplicație foarte eficientă, în special dacă tungstenul nu este neted, așa cum este indicat în imaginea din dreapta de mai jos. Videoclipul din stânga de mai jos prezintă un gravator galvo laser albastru de 30 W gravând tungsten.

Gravatoare Galvo Laser pe Țesături și Textile

În aplicațiile de procesare cu laser a textilelor și țesăturilor, un gravator galvo laser albastru este de asemenea o soluție superioară față de alte tipuri de gravatoare galvo laser. Acesta este cazul atât pentru țesături naturale, cât și pentru cele artificiale. Laserele galvo cu fibră de 1,06 µm întâmpină dificultăți la procesarea țesăturilor deoarece majoritatea textilelor reflectă lungimile de undă ale acestor lasere. Este posibilă gravarea și tăierea textilelor și cu lasere galvo CO2, însă procesul se realizează la viteze mult mai mici și cu costuri operaționale semnificativ mai ridicate față de utilizarea unui laser galvo albastru.

Studiu de caz: Gravare Galvo Laser pe Țesături și Textile

Videoclipul de mai jos prezintă un laser galvo albastru de 30 W în proces de gravare a bumbacului, proces care durează doar o fracțiune de secundă.

În cele două grafice de mai jos pot fi observate ratele de reflexie pentru diferite tipuri de țesături precum bumbac, nailon, raion, poliester, acrilic, lână și cașmir. Spectrul de lungimi de undă acoperit în grafice este cuprins între 350 nm și 2,35 µm. Rata de absorbție a lungimii de undă de 450 nm emisă de laserul galvo albastru este între 74% și 97%, cu o rată tipică de absorbție de 90%.

Totuși, merită menționat faptul că țesăturile și textilele sunt disponibile în culori variate. Un gravator galvo laser albastru va grava mai rapid pe măsură ce materialul este mai închis la culoare. În general, în cazul unui laser albastru, viteza va depinde de nuanța și intensitatea culorii respectivei țesături sau textile. Laserele albastre vor performa mai slab pe textile și țesături foarte reflectorizante, albastre sau albe. Cu toate acestea, un galvo laser albastru reprezintă cea mai bună soluție pentru gravarea (și tăierea) țesăturilor și textilelor și va oferi performanțe superioare oricărui laser CO2 sau cu fibră optică.

Gravatoare Galvo Laser pe Alimente și Materiale Organice

Laserele galvo cu fibră optică și CO2 întâmpină dificultăți la gravarea alimentelor și a majorității materialelor organice. Aceasta se datorează faptului că alimentele și materialele organice au conținut ridicat de apă, adesea chiar până la 70%. Apa absoarbe majoritatea spectrului laser, totuși transmite aproape integral fasciculele laser albastre deoarece coeficientul de absorbție pentru apă este de 3*10^-4 cm-1 pentru lungimea de undă de 450 nm. Pentru lungimea de undă de 1,06 µm, coeficientul de absorbție este de 6000 cm-1, în timp ce pentru o lungime de undă de 10,6 µm a unui laser CO2 coeficientul ajunge chiar la 7000000 cm-1. Aceasta înseamnă că practic toată puterea unui fascicul laser CO2 sau cu fibră este consumată pentru evaporarea apei, pe când un fascicul laser albastru „ignoră” conținutul de apă și gravează direct pe materialul organic care necesită gravare, făcând procesul mult mai rapid.

În plus, speciile de plante sunt foarte absorbante pentru fasciculele laser galvo albastre. Gradul de absorbție la lungimea de undă a laserului galvo albastru de către vegetația verde este de până la 93%, conform graficului de mai jos.

Totuși, există materiale organice care pot fi procesate eficient cu alte tipuri de lasere galvo. De exemplu, hidroxiapatita (uneori denumită incorect hidroxilapatită) este componenta majoră a smalțului dentar. Hidroxiapatita, într-o formă ușor modificată, reprezintă până la 70% din structura osoasă umană. Deoarece hidroxiapatita este mult mai bine absorbită de fasciculele laser CO2 cu lungime de undă de 10,6 µm, acest tip de gravator galvo laser va fi cel mai eficient pentru tăierea și gravarea pe oase și dinți. Graficul ratei de absorbție pentru compuși precum hemoglobina, hidroxiapatita, melanina și apa este prezentat mai jos. Acesta arată că lungimea de undă de 10,6 µm a laserului galvo este absorbită de 10.000 de ori mai intens decât lungimea de undă a unui laser albastru.

Totuși, graficul de mai sus indică, de asemenea, că laserele albastre sunt cele mai eficient absorbite fascicule laser pentru hemoglobină, ceea ce se traduce prin faptul că un galvo laser albastru este cea mai optimă soluție pentru proceduri chirurgicale.

Gravatoare Galvo Laser pe Ceramică

Categoria ceramicii include atât ceramici industriale precum alumina sau diborura de titan, cât și tipuri naturale de piatră cum ar fi bauxita sau marmura.

Ceramicele tind să răspundă mai bine la lungimi de undă scurte. Totuși, ratele de absorbție pentru diverse ceramici variază foarte mult, cu galvo laserele albastre fiind soluția optimă pentru ceramici tehnice folosite în componente de blindaj. Acestea includ blindaj ceramic pentru tancuri, veste antiglonț. Unele dintre ceramicele tehnice gravate eficient cu laseri albaștri sunt utilizate și în proiectile și artilerie. În cazul ceramicilor tehnice folosite pentru blindaj, absorbția lungimii de undă a gravatorului galvo laser albastru, comparativ cu laserele galvo cu lungime de undă mai mare, crește exponențial cu temperatura. Astfel de ceramici includ alumina (Al2O3), carbura de bor (B4C), carbura de siliciu (SiC), diborura de titan (TiB2) și carbura de tungsten (WC).

Practic, în cazul aluminei topite, rata de absorbție crește drastic pentru lungimi de undă mai scurte. În consecință, absorbția lungimii de undă a laserului albastru de către alumina topită este de până la 300 de ori mai mare decât la lungimea de undă a unui laser cu fibră optică, așa cum se observă în graficul de mai jos. [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].

Alte tipuri de gravatoare galvo laser întâmpină de obicei dificultăți la procesarea acestor materiale. Un laser galvo cu fibră optică, deși are performanțe semnificativ inferioare comparativ cu un laser galvo albastru, poate fi totuși superior unui laser galvo CO2, cu excepția ceramicii de alumina. Totuși, pentru aceste ceramici tehnice, un gravator galvo laser albastru crește drastic productivitatea procesului de fabricație.

Graficul de mai jos ilustrează ratele de absorbție ale diverselor lasere galvo pe carbură de siliciu. Este important de menționat că fiecare creștere de 300 grade Kelvin corespunde unei deplasări de aproximativ 0,2 eV în absorbție, către lungimi de undă mai scurte.

Contactați-ne