Автономные и интегрируемые синие гальво-лазерные системы

Применения синих гальво-лазерных систем для гравировки

Синие гальво-лазерные системы для гравировки находят применение в различных отраслях промышленности. Помимо традиционных промышленных задач, требующих высокой скорости обработки материалов, эти системы применяются также в сельском хозяйстве, медицине и научных исследованиях. Область применения постоянно расширяется, ежегодно появляются новые приложения. Среди популярных: маркировка пищевых продуктов, фруктов и овощей; лазерная обработка растений, сельскохозяйственных культур и сорняков; гравировка по дереву, керамике, пластикам и металлам;

Преимущества синего гальво-лазера: подробно

В отличие от других типов гальво-лазерных граверов, синий гальво-лазерный гравер (то есть, гальво-гравер, использующий лазерный модуль с длиной волны 445–450 нм) обеспечивает непревзойденную точность и эффективность процессов. Эффективность процесса гравировки для любого гальво-лазера определяется двумя основными параметрами:

1. Электро-оптический коэффициент преобразования гальво-лазерного гравера.

Этот параметр отражает количество электроэнергии, которую гальво-лазерный гравер потребляет для получения заданной оптической мощности на выходе.

Как синие гальво-лазеры, так и волоконные гальво-лазеры обладают сопоставимым электро-оптическим КПД на уровне 25–30 процентов, тогда как у CO2 гальво-лазеров этот показатель составляет всего 6–7 процентов. Более того, этот уровень эффективности учитывает только поведение внутри CO2-лазерной трубки без учета энергопотребления чиллера. Фактически, с учетом энергозатрат на охлаждение, общий КПД CO2-лазерной системы ещё ниже.

Стандартный чиллер для CO2 гальво-лазера имеет коэффициент эффективности (COP) 3–5, который показывает отношение выделяемого тепла к затраченной электроэнергии чиллера. При электро-оптическом КПД CO2-лазерной трубки на уровне 6,5% получается, что при тринадцати киловаттах (3000 Вт потребляемой мощности) CO2 гальво-лазер выдает 195 Вт оптической мощности, а 2805 Вт теряются в виде тепловой нагрузки, подлежащей отводу чиллером. При COP 3-5 чиллер при потреблении 3 кВт дополнительно расходует 935–561 Вт, следовательно, итоговый электро-оптический КПД CO2 гальво-лазерной системы составляет 4,96% (=195/3935) — 5,48% (=195/3561).

Для сравнения, волоконные и синие гальво-лазеры имеют итоговый электро-оптический коэффициент преобразования 20–25%.

Принимая к рассмотрению период эксплуатации 10 000 рабочих часов и стоимость электроэнергии $0,24/кВт·ч, один CO2 лазер на 200 Вт (~3935 Вт энергопотребления) потребляет дополнительно $9444 на оплату электроэнергии. За тот же промежуток времени гальво-гравер с 200-ваттным синим лазерным модулем потребляет электроэнергии на сумму всего $1920–2880. Соответственно, 50-ваттный синий гальво-лазерный гравер за 10 000 часов работы израсходует $480–720 на электроэнергию. С учетом эксплуатационных расходов использование синего гальво-лазерного гравера на производственной линии гораздо выгоднее, чем CO2 гальво-лазера, даже если длина волны CO2 лазера имеет на 40% более высокий коэффициент поглощения на данном материале. По сути, возможно использование двух (или более) синих гальво-лазерных граверов вместо одного CO2 гальво-лазера с одновременным увеличением производительности и сокращением затрат.

2. Поглощение длины волны гальво-лазера материалом

Второй параметр характеризует, сколько энергии лазерного излучения поглощается материалом и преобразуется в полезную работу. Это значение отличается для различных материалов, однако, для большинства материалов длина волны синего гальво-лазера обеспечивает более высокое поглощение по сравнению с волоконными гальво-лазерами и CO2 гальво-лазерами.

Это особенно выражено в керамических материалах, в частности в технической керамике, такой как оксид алюминия (Al₂O₃), карбид бора (B₄C), карбид кремния (SiC), диборид титана (TiB₂), карбид вольфрама (WC). В технической керамике коэффициент поглощения длины волны синего гальво-лазера экспоненциально увеличивается с ростом температуры. Вблизи точки плавления, поглощение длины волны синего лазера на 6H-SiC может превышать аналогичное значение для CO2 лазера в 6000 раз.

Эффективность гальво-лазеров в различных задачах гравировки

Гальво-лазерные граверы по древесине и древесным материалам

Для древесины и древесных материалов гальво-лазерный гравер на синей (445–450 нм) длине волны демонстрирует наилучшую производительность. Это обусловлено существенно более высокими эксплуатационными расходами CO2-лазера, что делает его менее выгодным решением. Волоконные гальво-лазеры показывают наихудшие результаты при обработке древесины из-за низкого коэффициента поглощения по сравнению с двумя другими основными типами граверов.

Пример: гравировка гальво-лазером по фанере, сосне и буку

В видео ниже показан процесс лазерной гравировки фанеры с использованием 30-ваттного синего гальво-лазерного гравера. Гравировка участка размером 8 х 2 см выполняется примерно за одну секунду с помощью синего гальво-лазера Opt Lasers.

Синий гальво-лазерный гравер обладает эффективностью 20–25%, а согласно имеющимся научным публикациям, коэффициент поглощения длины волны 445–450 нм составляет 68% для сосны и 73% для бука. CO2 гальво-лазерный гравер имеет общий КПД 5%, а коэффициенты поглощения его длины волны для тех же материалов составляют 85% и 88%, соответственно. Таким образом, несложные расчеты показывают, что синий гальво-лазерный гравер примерно в 3,4 раза эффективнее CO2 гальво-лазера при равном энергопотреблении. На приведённом графике (по данным ранее упомянутой научной публикации) можно видеть значения коэффициентов поглощения.

Гальво-лазерные граверы по коже

Гравировка по коже наиболее эффективна при использовании синего гальво-лазерного гравера. При применении CO2 гальво-лазерного гравера на коже появляются следы прожига, работа идет медленнее и обходится существенно дороже. Волоконный гальво-лазер на длине волны 1,06 мкм показывает худшие результаты, так как до 80% его излучения отражается от поверхности кожи.

Пример: гравировка гальво-лазером по коже

В представленном ниже видео демонстрируется процесс гравировки кожи с использованием 30-ваттного синего гальво-лазерного гравера. Время обработки составляет менее одной секунды.

Научные исследования показали, что отражение синей длины волны (445 нм) составляет 12%, а для волоконного лазера 1,06 мкм — примерно 62%. Поскольку пучок синего лазера видим для человеческого глаза, это означает, что коэффициент поглощения на коже составляет 88%. Волоконный лазер на 1,06 мкм может быть поглощен кожей не более чем на 38%, что гарантирует худшую производительность волоконных гальво-лазеров при гравировке кожи. Фактически любой лазер с длиной волны больше 550 нм будет работать хуже, чем синий лазер, при гравировке кожи.

Волоконные гальво-лазеры будут менее эффективны, чем синие гальво-лазеры для гравировки большинства природных видов кожи млекопитающих и рептилий. К этим разновидностям кожи относятся материалы, полученные из свиней, крупного рогатого скота, овец, ящериц, змей и крокодилов. Хотя волоконные гальво-лазеры имеют более высокую степень поглощения на регенерированной коже и коже оленя, на оленьей коже их эффективность будет сопоставима с синим гальво-лазерным гравёром.

Несмотря на отсутствие данных по поглощению (или отражению) для длин волн свыше 2,5 мкм, можно предположить, что поведение поглощения на больших длинах волн соответствует поглощению меланина, который является природным пигментом, присутствующим у большинства организмов и основным фактором, определяющим цвет кожи. На рисунке ниже показано, что поглощение меланина уменьшается с увеличением длины волны лазера. Кроме того, статья Кембриджского университета о меланине, из которой взята эта диаграмма, утверждает, что поглощение на меланине практически полностью прекращается для длин волн больше 700 нм.

Гальво-лазерные гравёры по металлам

Металлы отличаются от других материалов, применяемых для гравировки гальво-лазерами, поскольку обладают очень высокой теплопроводностью. По этой причине, для эффективной гравировки металлов требуется либо сильно сфокусированный лазерный луч с высокой плотностью мощности, либо лазер с высокой импульсной энергией. Помимо этого, обрабатываемый металл должен иметь высокую степень поглощения длины волны лазера. Следовательно, наиболее эффективными лазерами для гравировки металлов являются мощные синие гальво-лазерные гравёры, импульсные волоконные гальво-лазерные гравёры, а также лазерные головки с высокой оптической плотностью мощности на синей длине волны. При этом гальво-лазеры на CO2 крайне неэффективны для гравировки металлов.

Кейс: гравировка металлов гальво-лазером

Два видео показывают маркировку нержавеющей стали и инструментальной стали синим гальво-лазером.

Коэффициенты поглощения различаются для каждого металла, что отражено на графике ниже. На графике показаны значения поглощения для длин волн от 200 нм до 12,8 мкм для наиболее распространённых металлов: медь, золото, титан, (непокрытый) алюминий, никель и серебро.

Другой график ниже иллюстрирует коэффициенты отражения для различных металлов. Помимо материалов, представленных на предыдущем графике, здесь также рассмотрено поведение дополнительных металлов, таких как чистое железо, вольфрам, платина, хром, бериллий и молибден. Важно отметить, что приведённый ниже график отражательной способности относится к металлам с идеально гладкой поверхностью, поскольку чем менее гладкая поверхность, тем больше она поглощает коротковолновое лазерное излучение.

Исходя из данных, представленных на двух вышеуказанных графиках, можно утверждать, что синий гальво-лазер будет более эффективен, чем гальво-лазеры с большей длиной волны для гравировки всех перечисленных металлов за исключением хрома. Металлы, для которых синий гальво-лазерный гравёр будет значительно более эффективен, включают золото, медь, платину и вольфрам. Примечательно, что синий гальво-лазер способен не только гравировать медь, но и выполнять микросварку меди.

Тем не менее, для гравировки непокрытого (и идеально гладкого) алюминия более эффективным выбором будет волоконный гальво-лазер с длиной волны от 500 нм до 900 нм. При этом синий гальво-лазер всё равно будет лучше справляться с непокрытым алюминием, чем наиболее распространённый волоконный гальво-лазер на длине волны 1,06 мкм.

Интересно, что гравировка вольфрама синим гальво-лазером является высокоэффективным процессом, особенно если поверхность вольфрама не гладкая, как показано на изображении справа внизу. Видео слева показывает работу 30-ваттного синего гальво-лазерного гравёра по вольфраму.

Гальво-лазерные гравёры по тканям и текстилю

Для обработки и гравировки тканей и текстиля синий гальво-лазерный гравёр также является лучшим решением по сравнению с другими типами гальво-лазерных устройств. Это касается как натуральных, так и искусственных тканей. Волоконные гальво-лазеры 1,06 мкм плохо справляются с текстилем, поскольку большинство тканей отражает дину волны таких лазеров. Также можно гравировать и резать ткани и текстиль с помощью CO2 гальво-лазеров, однако скорость процесса значительно ниже, а эксплуатационные издержки гораздо выше, чем при использовании синего гальво-лазера.

Кейс: гравировка тканей и текстиля гальво-лазером

Видео ниже демонстрирует работу 30-ваттного синего гальво-лазера по хлопку — обработка занимает доли секунды.

На двух графиках ниже показаны коэффициенты отражения для различных тканей, включая хлопок, нейлон, вискозу, полиэстер, акрил, шерсть и кашемир. Диапазон длин волн, охваченных графиками, составляет от 350 нм до 2,35 мкм. Коэффициент поглощения синей длины волны гальво-лазера (450 нм) составляет от 74% до 97%, с типичным значением около 90%.

Следует отметить, что ткани и текстиль доступны в различных цветах. Чем темнее материал, тем быстрее синий гальво-лазер справляется с гравировкой. В целом, скорость обработки синим лазером зависит от оттенка и тона конкретной ткани. При этом синие лазеры демонстрируют худшие результаты на сильно отражающих, голубых или белых тканях. Тем не менее, синий гальво-лазер является наилучшим решением для гравировки (и резки) тканей и текстиля и опережает по эффективности любые CO2- и волоконные лазеры.

Гальво-лазерные гравёры по продуктам питания и органическим материалам

Волоконные и CO2 гальво-лазеры малопригодны для гравировки пищевых продуктов и большинства органических материалов. Это связано с высоким содержанием влаги в продуктах, зачастую до 70%. Вода поглощает большую часть спектра лазеров, однако практически полностью пропускает синий лазерный луч, поскольку коэффициент поглощения воды для излучения с длиной волны 450 нм составляет 3*10^-4 см-1. Для длины волны 1,06 мкм коэффициент поглощения равен 6000 см-1, а для CO2-лазера 10,6 мкм — уже 7000000 см-1. Это означает, что практически вся мощность CO2- и волоконных лазеров расходуется на испарение влаги, в то время как синий лазер «игнорирует» водяную составляющую и гравирует непосредственно органическую основу материала, что значительно ускоряет процесс.

Кроме этого, растения сильно поглощают синий лазерный луч. Степень поглощения синей длины волны гальво-лазера зелёной растительной массой достигает 93%, как показано на графике ниже.

Тем не менее, существуют органические материалы, для которых лучше подходят другие типы гальво-лазеров. Например, гидроксиапатит (нередко неправильно называемый гидроксиапатитом) является основным компонентом эмали зубов. Модифицированный гидроксиапатит также составляет до 70% массы человеческих костей. Данный материал значительно лучше поглощает излучение CO2-лазера с длиной волны 10,6 мкм, что делает данный тип гальво-лазера наиболее эффективным для резки и гравировки по костям и зубам. На графике коэффициентов поглощения для соединений, таких как гемоглобин, гидроксиапатит, меланин и вода, показано, что длина волны 10,6 мкм поглощается в 10000 раз сильнее, чем синий лазер.

Однако вышеуказанный график также показывает, что синие лазеры имеют наибольшую степень поглощения гемоглобином, что делает синий гальво-лазер наиболее эффективным инструментом для хирургических процедур.

Гальво-лазерные гравёры по керамике

К категории керамики относятся как искусственные материалы (например, оксид алюминия или диборид титана), так и натуральные виды камня, такие как боксит и мрамор.

Керамика, как правило, лучше реагирует на более короткие длины волн. Однако коэффициенты поглощения для различных видов керамики существенно различаются, при этом синие гальво-лазеры являются наилучшим решением для технической керамики, используемой в элементах брони. К ним относятся керамическая броня бронетранспортёров, бронежилетов. Некоторые виды технической керамики, эффективно гравируемые синим лазером, также применяются в бронебойных снарядах и артиллерии. Для технической керамики, применяемой в броне, степень поглощения излучения синей длины волны гальво-лазера по сравнению с длинноволновыми гальво-лазерами экспоненциально возрастает с температурой. К таким материалам относятся оксид алюминия (Al2O3), карбид бора (B4C), карбид кремния (SiC), диборид титана (TiB2) и карбид вольфрама (WC).

В частности, для расплавленного оксида алюминия коэффициент поглощения резко возрастает при уменьшении длины волны. В результате, поглощение синей длины волны расплавленным оксидом алюминия до 300 раз выше, чем у волоконного лазера, что подтверждает приведённый ниже график. [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].

Другие типы гальво-лазерных гравёров чаще всего испытывают сложности при работе с этими материалами. Волоконные гальво-лазеры, несмотря на существенно худшие характеристики по сравнению с синими гальво-лазерами, зачастую работают лучше CO2 гальво-лазеров за исключением работы с оксидом алюминия. Тем не менее, для технической керамики синий гальво-лазерный гравёр обеспечивает значительный рост производительности производства.

На графике ниже показаны коэффициенты поглощения различных гальво-лазеров материалом карбида кремния. Следует отметить, что каждое увеличение температуры на 300 кельвин соответствует сдвигу на примерно 0,2 эВ в сторону коротких длин волн.

Contact Us