Bağımsız & Entegre Edilebilir Mavi Galvo Lazer Sistemleri

Mavi Galvo Kazıma Lazer Sistemlerinin Uygulama Alanları

Mavi Galvo Kazıma Lazer Sistemleri çok çeşitli endüstrilerde uygulama alanı bulur. Hızlı malzeme işleme gerektiren endüstriyel uygulamalar yaygın olmakla birlikte, bu sistemler ayrıca tarım, medikal ve araştırma alanlarında da kullanılmaktadır. Uygulama yelpazesi her yıl yeni kullanımlarla genişlemektedir. En popüler uygulamalar arasında; gıda, meyve ve sebze markalama; bitki, mahsul ve yabani ot üzerinde lazer işlemleri; ahşap, seramik, plastik ve metal yüzeylere kazıma işlemleri bulunmaktadır.

Mavi Galvo Lazerin Avantajları – Derinlemesine

Diğer galvo tipi lazer kazıyıcılardan farklı olarak, mavi galvo lazer kazıyıcı (yani, 445 nm ile 450 nm arasında lazer dalga boyuna sahip lazer modül ile çalışan galvo lazer kazıyıcı) rakipsiz hassasiyet ve işlem verimliliği sunar. Herhangi bir galvo lazer kazıma makinesi için kazıma sürecinin verimliliği iki ana parametreye bağlıdır:

1. Galvo Lazer Kazıma Makinesinin elektrikten optiğe dönüşüm verimliliği.

Bu ilk parametre, galvo lazer kazıma makinesinin belirli bir optik güç çıktısı üretmek için ne kadar elektrik gücü tükettiğini açıklar.

Hem mavi galvo lazerler hem de fiber galvo lazerler benzer, yaklaşık %25-30 elektrikten optiğe dönüşüm verimliliğine sahiptir. Bir CO2 galvo lazerin verimliliği ise sadece %6-7 düzeyindedir. Daha da önemlisi, bu %6,5’lik oran sadece CO2 lazer tüpündeki verimliliği gösterir, CO2 lazer tüpü ile çalışan ve ciddi miktarda elektrik tüketen chiller ihtiyacını hesaba katmaz. Bu nedenle, pratikte CO2 lazerin toplam verimliliği daha da düşer.

Tipik bir CO2 galvo lazerin chiller cihazı, 3 ila 5 arasında bir COP (Soğutucunun performans katsayısı) değerine sahiptir. COP, dağıtılan ısı miktarının chiller tarafından harcanan elektrik gücüne oranını gösterir. CO2 lazer tüpünün %6,5 elektrikten optiğe verimliliğiyle, 3.000 kW (3.000 Watt elektrik gücü kullanımı) bir CO2 galvo lazerde 195 Watt optik (lazer gücü) üretilir. Kalan 2.805 Watt elektrik gücü, soğutucunun dağıtması gereken ısıya dönüşür. COP değeri 3-5 olduğunda, 3 kW CO2 lazerin chilleri ek olarak 935 Watt ile 561 Watt elektrik gücü tüketir. Böylece, bir CO2 galvo lazer sisteminin toplam elektrikten optiğe verimliliği %4,96 (=195/3935) ile %5,48 (=195/3561) arasında değişir.

Karşılaştırıldığında, fiber galvo lazerler ve mavi galvo lazerler toplamda %20-25 elektrikten optiğe dönüşüm verimliliğine sahiptir.

10.000 çalışma saatlik bir dönem ve kWh elektrik fiyatının 0,24 $ olduğu varsayılırsa, tek bir 200 W CO2 lazer (3.935 W güç tüketimiyle) fazladan 9.444 $ elektrik masrafı oluşturur. Aynı dönemde, 200 W mavi lazer modüllü bir galvo lazer kazıyıcı sadece 1.920-2.880 $ değerinde elektrik harcar. Benzer şekilde, 50 W mavi galvo lazer kazıyıcı 10.000 saatte 480-720 $ elektrik maliyetine sebep olur. Kullanım maliyeti de dahil edildiğinde, bir üretim hattında mavi galvo lazer kazıyıcı kullanımı, CO2 galvo lazer kullanımına kıyasla daha ekonomiktir; hatta CO2 lazerin dalga boyu belirli bir malzemede %40 daha fazla absorpsiyon sağlasa bile. Etkili olarak, bir CO2 galvo lazer yerine iki (veya daha fazla) mavi galvo lazer kazıyıcı kullanılarak hem üretim miktarı artırılabilir hem de tasarruf sağlanır.

2. Kazınan malzemenin galvo lazerin dalga boyunu soğurması

İkinci parametre, gelen lazer ışınının gücünün ne kadarının soğurulup işe dönüştürüldüğünü açıklar. Bu değer malzemeden malzemeye değişse de, çoğu malzeme için mavi galvo lazerin dalga boyu, fiber galvo lazerler ve CO2 galvo lazerlerin dalga boylarından daha yüksek soğurma oranına sahiptir.

Bu özellik, özellikle teknik seramiklerde ve başta Alumina (Al₂O₃), Bor Karbür (B₄C), Silisyum Karbür (SiC), Titanyum Diborür (TiB₂), Tungsten Karbür (WC) gibi teknik seramiklerde belirgindir. Teknik seramiklerde, mavi galvo lazer kazıma dalga boyunun soğurulma oranı sıcaklıkla birlikte üssel olarak artar. Pratikte, erime noktasına yakın sıcaklıklarda, 6H-SiC üzerinde mavi lazerin dalga boyunun soğurulma oranı, CO2 lazerin dalga boyundan 6000 kat daha fazla olabilir.

Farklı Kazıma Uygulamaları için Galvo Lazer Performansı

Ahşap ve Ahşap Tabanlı Malzemelerde Galvo Lazer Kazıyıcılar

Ahşap ve ahşap tabanlı malzemeler için mavi (445-450 nm) galvo lazer kazıyıcı üstün performans sunar. Bunun başlıca sebebi, CO2 lazerlerin çok daha yüksek işletme maliyetlerine sahip olması ve uzun vadede sürdürülebilir bir çözüm olmamasıdır. Bu uygulamada fiber galvo lazerler, diğer iki ana galvo tipine göre çok daha düşük soğurma oranıyla en zayıf performansı sergiler.

Vaka Çalışması: Galvo Lazerle Kontrplak, Çam ve Kayın Kazıma

Aşağıdaki video, 30 W mavi galvo lazer kazıyıcının kontrplak üzerine lazer kazıma sürecini göstermektedir. 8 cm x 2 cm (3,15 inç x 0,8 inç) ebadındaki kontrplağa yapılan kazıma, Opt Lasers'ın mavi galvo lazeriyle yaklaşık bir saniye içinde tamamlanır.

Mavi galvo lazer kazıyıcı %20-25 verimliliğe sahiptir ve yapılan bilimsel çalışmalara göre mavi 445-450 nm dalga boyu, çam ve kayın üzerinde sırasıyla %68 ve %73 soğurma oranına sahiptir. CO2 galvo lazer kazıyıcı toplam enerji verimliliği %5 olup, aynı iki malzeme üzerinde dalga boyu absorpsiyon oranı ise %85 ve %88’dir. Basit bir hesaplama ile mavi galvo lazer kazıyıcı, aynı güç tüketiminde CO2 galvo lazere göre yaklaşık 3,4 kat daha verimlidir. Önceki akademik çalışmadan alınan grafik, bu malzemeler için soğurma oranlarını göstermektedir.

Deride Galvo Lazer Kazıyıcılar

Deri üzerinde lazer kazıma işlemi, mavi galvo lazer kazıyıcı ile en verimli şekilde gerçekleştirilir. CO2 galvo lazer kazıyıcı ile yapılan kazıma, iz bırakır, çok daha yavaş gerçekleşir ve maliyeti de çok daha yüksektir. 1,06 µm fiber galvo lazer, bu uygulamada en verimsiz sonucu verir, çünkü lazer ışınının %80’i deri yüzeyinden yansır.

Vaka Çalışması: Deride Galvo Lazer Kazıma

Aşağıda, 30 W mavi galvo lazer kazıyıcı ile deriye kazıma işleminin göstereildiği bir video bulabilirsiniz. Deri üzerine kazıma işlemi bir saniyeden kısa sürede tamamlanır.

Bilimsel araştırmalar, mavi lazer dalga boyunun deride yansıma oranının 445 nm mavi lazer için %12, 1,06 µm fiber lazer için ise yaklaşık %62 olduğunu göstermiştir. Mavi lazer ışını gözle görülebildiği için, deri üzerindeki absorpsiyon oranı %88’dir. 1,06 µm fiber lazer ile ise derinin en fazla %38’i soğurulabilir; bu da 1,06 µm fiber galvo lazer kazıyıcıların deri kazımada düşük performans göstereceği anlamına gelir.

Aslında, 550 nm'den daha uzun dalga boyuna sahip herhangi bir lazer, deri gravür uygulamalarında mavi lazere göre daha düşük performans gösterecektir.

Fiber galvo lazerler, çoğu doğal memeli ve sürüngen deri çeşitlerinin gravürü için mavi galvo lazere göre daha düşük performans gösterir. Bu deri çeşitleri, domuz, sığır, koyun, kertenkele, yılan ve timsah gibi hayvanlardan elde edilen derileri içerir. Fiber galvo lazerler, rejenere deri ve geyik derisi üzerinde daha yüksek dalga boyu soğurma oranına sahip olsa da, geyik derisinde sadece mavi galvo lazer gravür cihazı kadar iyi performans gösterebilir.

2.5 µm’den daha uzun dalga boylarında emilim (veya yansıma) verisi bulunmamakla birlikte, daha uzun dalga boyları için emilim davranışının, çoğu organizmada bulunan doğal bir pigment olan ve cilt renginin birincil belirleyicisi olan melanin emilimini takip ettiği varsayılabilir. Aşağıdaki görsel, melanin emiliminin lazer dalga boyu arttıkça düştüğünü göstermektedir. Ayrıca, bu grafiğin kaynağı olan Cambridge Üniversitesi’nin melanin ile ilgili makalesi, 700 nm’den uzun dalga boylarında melanindeki emilimin neredeyse tamamen azaldığını belirtmektedir.

Galvo Lazer Gravür Cihazlarının Metallerde Kullanımı

Metaller, galvo lazer gravür cihazlarının diğer uygulamalarından farklıdır, çünkü metaller genellikle çok yüksek termal iletkenliğe sahiptir. Bu nedenle, metal bir malzemeyi verimli bir şekilde gravür yapmak için ya yüksek güç yoğunluğuna sahip, hassas odaklanmış bir lazer ışınına ya da yüksek darbe enerjisine sahip bir lazere ihtiyaç vardır. Bunun dışında, söz konusu metal malzemenin lazerinizin dalga boyuna yüksek derecede soğurma oranına sahip olması gerekir. Bu da, metaller üzerinde gravür için en verimli lazerlerin yüksek güçlü mavi galvo lazer gravür cihazları, darbeli fiber galvo lazer gravür cihazları ve yüksek optik güç yoğunluğuna sahip mavi lazer kafaları olduğunu gösterir. Öte yandan, CO2 galvo lazerler metallerin gravüründe oldukça verimsizdir.

Vaka Analizi: Galvo Lazer ile Metal Gravürü

İki video, paslanmaz çelik ve takım çeliği üzerinde mavi galvo lazer ile markalama işlemini göstermektedir.

Soğurma oranları, aşağıdaki grafikte gösterildiği üzere metalden metale değişmektedir. Aşağıdaki grafik, en yaygın kullanılan metaller olan Bakır, Altın, Titanyum, (çıplak) Alüminyum, Nikel ve Gümüş için 200 nm ile 12.8 µm arası dalga boylarında soğurma oranlarını göstermektedir.

Aşağıda sunulan diğer bir grafik, çeşitli metaller için yansıma oranlarını göstermektedir. Önceki grafikte gösterilen malzemelere ek olarak, aşağıda Saf Demir, Tungsten, Platin, Krom, Berilyum ve Molibden gibi diğer metallerin davranışı da gösterilmektedir. Bununla birlikte, aşağıdaki yansıtma grafiğinin, metalleri mükemmel derecede düz yüzeyli olarak kabul ettiğini belirtmek gerekir; çünkü yüzey ne kadar az düzgünse, o kadar çok kısa dalga boylu lazerleri soğurur.

Yukarıdaki iki grafikte verilen verilere göre, mavi galvo lazer, krom hariç tüm bahsi geçen metallerin gravüründe daha uzun dalga boylu galvo lazerlerden daha verimli olacaktır. Mavi galvo lazer gravür cihazının kritik ölçüde daha verimli olacağı metaller Altın, Bakır, Platin ve Tungsten’dir. İlginç bir şekilde, mavi galvo lazer sadece bakırı gravür etmekle kalmaz, aynı zamanda bakır mikrokaynak işlemini de gerçekleştirebilir.

Bununla birlikte, çıplak (ve mükemmel düz) Alüminyum için, 500 nm ile 900 nm arasında dalga boyuna sahip bir fiber galvo lazer daha etkili bir seçim olacaktır. Mavi galvo lazer yine de çıplak Alüminyum için, yaygın kullanılan 1.06 µm fiber galvo lazere kıyasla daha etkilidir.

İlginç bir şekilde, Tungsten’in mavi galvo lazer ile gravürü çok verimli bir uygulamadır, özellikle de Tungsten yüzeyi, aşağıda sağdaki görselde gösterildiği gibi düzgün değilse. Soldaki video, 30 W mavi galvo lazer gravür cihazının Tungsten gravür işlemini göstermektedir.

Galvo Lazer Gravür Cihazlarının Kumaş ve Tekstillerde Kullanımı

Lazerle tekstil ve kumaş işleme uygulamasında, mavi galvo lazer gravür cihazı, diğer galvo lazer gravür ürünlerinden daha iyi bir çözümdür. Bu, hem doğal hem de yapay kumaşlar için geçerlidir. 1.06 µm fiber galvo lazerler, çoğu kumaş fiber galvo lazerlerin dalga boyunu yansıttığı için kumaş üzerinde zorlanır. Kumaş ve tekstilleri CO2 galvo lazerlerle de gravür ve kesmek mümkündür; ancak mavi galvo lazer kullanıldığında çok daha düşük hızda ve çok daha yüksek operasyonel maliyetle olur.

Vaka Analizi: Galvo Lazer ile Kumaş ve Tekstil Gravürü

Aşağıdaki video, 30 W mavi galvo lazerin pamuk üzerinde gravür işlemini, yalnızca bir saniyenin küçük bir kısmı süresinde, göstermektedir.

Aşağıdaki iki grafikte, pamuk, naylon, rayon, polyester, akrilik, yün ve kaşmir gibi farklı kumaşlara ait dalga boyu yansıma oranlarını görebilirsiniz. Grafiklerde gösterilen dalga boyu spektrumu 350 nm ile 2.35 µm arasındadır. Mavi galvo lazerin 450 nm’lik dalga boyunda soğurma oranı %74 ile %97 arasında olup, tipik soğurma oranı %90’dır.

Ancak, kumaş ve tekstillerin farklı renklerde mevcut olduğunu belirtmek gerekir. Malzeme ne kadar koyuysa, mavi galvo lazer gravür cihazı o kadar hızlı gravür işlemi yapar. Genel olarak, mavi lazerde hız, özellikle tekstilin veya kumaşın tonu ve rengine bağlıdır. Mavi lazerler çok yansıtıcı, mavi veya beyaz tekstil ve kumaşlarda daha düşük performans gösterir. Tüm bunlara rağmen, mavi galvo lazer, kumaş ve tekstillerin gravür (ve kesimi) işlemlerinde en iyi çözüm olup, herhangi bir CO2 lazer veya fiber lazere göre daha verimli çalışır.

Galvo Lazer Gravür Cihazlarının Gıda ve Organik Malzemelerde Kullanımı

Fiber ve CO2 galvo lazerler, gıda ve organik malzemelerin büyük çoğunluğunda gravürde zorlanır. Bunun nedeni, gıda ve organik malzemelerin yüksek oranda, genellikle %70’e kadar, su içeriğine sahip olmasıdır. Su, lazer spektrumunun büyük bir kısmını soğurur; ancak suyun 450 nm mavi lazer için soğurma katsayısı 3*10^-4 cm-1 olduğu için mavi lazer ışığını neredeyse tamamen iletir. 1.06 µm dalga boyunda soğurma oranı 6000 cm-1 iken, 10.6 µm CO2 lazer ışını için bu oran çok daha yüksektir ve 7000000 cm-1’dir. Bu durum, CO2 ve fiber lazer ışınlarının neredeyse tüm gücünün suyu buharlaştırmak için harcandığı, oysa mavi lazerin su içeriğini göz ardı edip gravür yapılacak organik malzemede doğrudan gravür işlemini gerçekleştirdiği ve işlemi çok daha hızlı yaptığı anlamına gelmektedir.

Buna ek olarak, bitki türleri mavi galvo lazer ışını için oldukça yüksek soğurma kapasitesine sahiptir. Mavi galvo lazerin dalga boyunun, yeşil bitki örtüsünde soğurma oranı aşağıdaki grafikte gösterildiği gibi %93’e kadar çıkmaktadır.

Bununla birlikte, diğer galvo lazer çeşitlerinin daha uygun olduğu organik malzemeler de mevcuttur. Örneğin, hidroksilapatit (bazen yanlışlıkla hidroksiapatit olarak adlandırılır), diş minesinin ana bileşenidir. Hafif modifiye edilmiş haliyle hidroksilapatit, insan kemiğinin de %70’ine kadarını oluşturur. Hidroksilapatit, 10.6 µm CO2 galvo lazer ışını ile çok daha kolay soğurulabildiği için, bu tip galvo lazer gravür cihazı, kemik ve diş üzerindeki kesim ve gravür uygulamaları için en verimli çözüm olacaktır. Hemoglobin, hidroksilapatit, melanin ve su gibi bileşikler için dalga boyu soğurma grafiği aşağıda gösterilmiştir. Bu grafikte, 10.6 µm galvo lazerin dalga boyunun, mavi lazerin dalga boyuna göre 10000 kat daha fazla soğurulduğu gösterilmektedir.

Ancak, yukarıdaki grafik aynı zamanda mavi lazerlerin hemoglobin tarafından en verimli şekilde soğurulan lazer ışınları olduğunu gösterir; bu da mavi galvo lazerin cerrahi uygulamalar için en optimal çözüm olduğu anlamına gelir.

Galvo Lazer Gravür Cihazlarının Seramiklerde Kullanımı

Seramikler kategorisi, Alümina veya Titanyum Diborür gibi sentetik seramiklerin yanı sıra, boksit ve mermer gibi doğal taş çeşitlerini de kapsar.

Seramikler genellikle daha kısa dalga boylarına daha iyi tepki verir. Ancak, farklı seramiklerin soğurma oranları büyük farklılıklar göstermektedir ve teknik zırh bileşenlerinde kullanılan teknik seramiklerde mavi galvo lazerler en iyi çözümü sunmaktadır. Bu, tank, kurşun geçirmez yeleklerdeki seramik zırhı içerir. Mavi lazerlerle etkin şekilde gravür yapılan bazı teknik seramikler ise delici mermiler ve topçu mühimmatında da kullanılır. Zırh bileşenlerinde kullanılan teknik seramiklerde, mavi galvo lazer gravür cihazının dalga boyunun soğurulması, daha uzun dalga boylu galvo lazerlere kıyasla, sıcaklık arttıkça üstel olarak artar. Bu tür seramikler arasında Alümina (Al2O3), Bor Karbür (B4C), Silisyum Karbür (SiC), Titanyum Diborür (TiB2) ve Tungsten Karbür (WC) bulunur.

Erimiş Alümina durumunda ise kısa dalga boyları için soğurma oranı önemli ölçüde artmaktadır. Gerçekten, erimiş Alümina’nın mavi lazer dalga boyunu soğurması, grafiklerden anlaşılacağı üzere fiber lazer dalga boyuna oranla 300 kat fazladır. [V.K. Bityukov ve diğ., Molten Aluminum Oxide’in Semitransparan Spektral Aralıktaki Soğurma Katsayısı, Applied Physics Research, Sayfa 51, Vol. 5, Ocak 2013. DOI: 10.5539/APR.V5N1P51].

Diğer Galvo lazer gravür cihazları çoğu zaman bu malzemelerde zorlanır. Fiber galvo lazer, mavi galvo lazere göre çok daha düşük performans göstersede, çoğu zaman (Alümina seramik hariç) CO2 galvo lazere kıyasla daha iyi çalışır. Fakat bu teknik seramiklerde mavi galvo lazer gravür cihazı ile üretim verimliliğinde kayda değer bir artış elde edilir.

Aşağıdaki grafik, farklı galvo lazerlerin Silisyum Karbür üzerindeki soğurma oranlarını göstermektedir. 300 Kelvinlik her sıcaklık artışının yaklaşık 0,2 eV’lik bir hareketlenme ile absorpsiyonda daha kısa dalga boylarına doğru kaymaya karşılık geldiği belirtilmelidir.

Bize Ulaşın