Zrównoważona alternatywa o niskim zużyciu energii dla laserów CO2 i laserów 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 lasery YAG. Ich wprowadzenie na rynek zrewolucjonizowało gospodarkę w wielu priorytetowych dziedzinach, takich jak medycyna, wojsko i nauka. W związku z tym rośnie zapotrzebowanie na wykorzystanie wyjątkowych parametrów fizycznych i optycznych laserów niebieskich, takich jak długość emitowanej fali ok. 450nm, duża gęstość mocy oraz wysoki współczynnik absorpcji światła niebieskiego przez dużą część materiałów. Cechy te stanowią o dużym potencjale zastosowania lasera niebieskiego opartego na technologii diodowej - duża szybkość pracy i uzyskiwania pożądanego efektu na różnego rodzaju materiałach, mała awaryjność, a także łatwość dostosowania wyrobu do indywidualnego zamówienia i sposobu działania.
Wcześniejsze próby opracowania lasera diodowego o dużej mocy z różnych powodów kończyły się niepowodzeniem. Obecnie dostępne na rynku produkty - które mogą być bezpiecznie montowane i wykorzystywane w urządzeniach CNC - osiągają moc kilku watów, maksymalna wartość to ok. 5-6W. Niektórzy producenci głowic laserowych, dostrzegając duży potencjał tej technologii, oferują łączone moduły laserowe o mocy 12-15 W, składające się z dwóch głowic laserowych o mocy 6 W. Są to jednak rozwiązania prototypowe. Są to jednak rozwiązania prototypowe, posiadające szereg niedoskonałości i wad. Najważniejsze z nich to: brak dedykowanego układu optycznego, co powoduje, że plamka lasera jest wysoka, spada gęstość mocy, a wraz z nią wydajność lasera, brak możliwości zainstalowania tego typu głowic laserowych w urządzeniu obróbczym (np. frezarce, drukarce 3D) ze względu na ograniczenia fizyczne (konieczność zainstalowania dodatkowych głowic sterujących, układu zasilania, odprowadzania ciepła itp.), bardzo duże ryzyko zakleszczenia lasera i uzyskania dwóch plamek obok siebie zamiast jednej połączonej.
Dlatego w zastosowaniach przemysłowych najczęściej wykorzystuje się lasery skonstruowane w technologii CO2 i YAG (wykorzystujące światło podczerwone) o mocach 30-500 W. Pomimo licznych ograniczeń wyżej wymienionych produktów, tj. gorszych parametrów elektrycznych, sprawności, konstrukcji uniemożliwiającej montaż do wielu urządzeń przetwarzających, niskiego współczynnika pochłaniania czy kosztownej konserwacji, są to urządzenia najczęściej stosowane przez odbiorców tej technologii głównie ze względu na uzyskiwane duże moce.
Należy podkreślić, że parametry fizyczne i optyczne niebieskiego światła laserowego pozwolą na wykonanie wielu prac na materiałach, do których do tej pory stosowano lasery dużej mocy. Zwiększy się również wydajność i współczynnik szybkości urządzenia, na którym będzie zamontowana głowica. Ponadto zastosowanie niebieskich diod spowoduje większą oszczędność energii elektrycznej. Głowice laserowe tego typu osiągają sprawność około 35%, w porównaniu z laserami YAG o sprawności około 15-20% i tylko 8% CO2. Ponadto diody laserowe różnią się od konkurencyjnych laserów żywotnością, która jest kilkakrotnie dłuższa - 10 000 - 20 000 h w porównaniu z laserem CO2.

Niewielkie rozmiary głowic, pasywny system odprowadzania ciepła oraz bezpieczna konstrukcja otworzą również nowe możliwości zastosowań laserów, w tym możliwość opracowania zminiaturyzowanych przenośnych znaczników do materiałów używanych np. w tartakach, spawalniach, przy produkcji rur i elementów ze stali nierdzewnej.
Dostrzegając ogromny potencjał absorpcji długości fali przez niebieskie diody i starając się odpowiedzieć na aktualne zapotrzebowanie rynku, firma 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 6-30W stanowią atrakcyjną alternatywę w wielu segmentach rynku, w których stosuje się duże i często niewygodne lasery YAG i CO2.
Laser diodowy o dużej mocy będzie mógł skutecznie konkurować z urządzeniami wykorzystującymi lasery CO2 i YAG. Laser diodowy o długości fali 450 nm ma możliwość odprowadzenia od kilku do prawie 20 razy więcej energii do oświetlanego materiału niż lasery CO2 i YAG, dzięki zmniejszonej wielkości plamki i znacznie wyższemu współczynnikowi absorpcji, co pozwoli osiągnąć ten sam efekt przy znacznie niższej mocy głowicy. Biorąc pod uwagę przeznaczenie lasera, wskazując jego innowacyjne cechy, należy odnieść się do parametrów i funkcjonalności dwóch wyżej wymienionych laserów, tj. lasera gazowego CO2 i pompowanego YAG, które realizują 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 laserowej (spot) wynoszący około 0,1mmx0,003mm - 0,15mmx0,003mm oraz rozkład mocy typu "top hat". Gęstość mocy lasera uzyskana przez głowicę wielomodową o mocy 30W będzie znacznie wyższa niż w konkurencyjnych urządzeniach dostępnych na rynku. Dla lasera CO2 o mocy 30W wynosi ona 430kW/cm2 (jest o rząd wielkości niższa), dla lasera YAG o mocy 30W wynosi 450kW/cm2.

Wysoki współczynnik absorpcji niebieskiego światła laserowego

W głowicach laserowych stosuje się diody emitujące światło o długości fali 440 nm - 450 nm, które mają bardzo wysoki współczynnik absorpcji dla większości materiałów. Wyższy współczynnik oznacza, że oświetlana powierzchnia pochłonie więcej energii. Na przykład, współczynnik absorpcji dla miedzi i złota wynosi 450nm (laser niebieski) - 65%, laser YAG - 5%, laser CO2 - 5%, dla stali nierdzewnej laser 450nm - 45%, laser YAG -35% CO2<3%, dla tytanu 85%, 70% i 6%, aluminium odpowiednio 12%, 8% i 3%. Głowice laserowe o dużej mocy nie tylko dorównują poziomem mocy konkurencji, ale również przekazują kilkakrotnie więcej energii do obrabianego materiału.

Wysoka częstotliwość modulacji prądu diody laserowej.

Głowice Opt Lasers zapewnią wysoką częstotliwość modulacji od 1 do 100 kHz. Parametr ten wynosi 5kHz dla lasera CO2 i 25kHz dla lasera YAG. Tak wolne sterowanie lasera CO2 nie pozwala na szybkie grawerowanie skomplikowanych detali, mimo dużego zapasu mocy.

Kompaktowość głowic laserowych.

Nowe produkty w postaci głowic wielomodowych, dzięki zastosowanym materiałom i technologii, będą charakteryzowały się niewielkimi wymiarami <= 70x70x220 mm^3 i masą około <2000 g. W efekcie będą to najbardziej kompaktowe rozwiązania grawerskie o mocy 20-30 W dostępne na rynku. Dla porównania, wymiary lasera CO2 o mocy 30 W wynoszą około: 60x60x600 mm^3, a masa 2500 g, przy czym laser CO2 wymaga dodatkowo zasilacza wysokiego napięcia (200x200x150 mm^3) i chłodziarki wodnej, natomiast wymiary lasera YAG o mocy 30 W wynoszą około 290x220x100 mm^3, a masa około 3500 g. Należy zauważyć, że w przypadku lasera CO2 i lasera YAG są to wymiary samego źródła lasera, bez uwzględnienia układu 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 większości maszyn CNC i drukarek 3D, a nawet w robotach przemysłowych, gdzie zastosowanie lasera CO2 jest prawie niemożliwe, a lasera YAG bardzo trudne. Co więcej, bez dużego 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, zabezpieczonej obudowy, chłodzenia wodą, większego zasilacza wysokiego napięcia oraz złożonego systemu luster dostarczających wiązkę i soczewek. Układ optyczny dostarczający wiązkę laserową wymaga konserwacji i prawidłowego zestrojenia.

Bezpieczeństwo głowic laserowych.

Do budowy głowic laserowych wykorzystuje się elementy aluminiowe frezowane na maszynie CNC. Aluminiowy korpus zapewnia prawidłowy przepływ ciepła do innych metalowych części, które chłodzą głowicę lasera. Dzięki prostocie konstrukcji i wykonania głowice laserowe charakteryzują się wysokim stopniem ochrony IP sterownika laserowego - IP62, co pozwala na zabezpieczenie sterownika przed uszkodzeniami mechanicznymi, kurzem, pyłem i kroplami wody. Powszechnie dostępne głowice nie zapewniają prawie w ogóle ochrony sterownika lub zapewniają ją tylko 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 jest wyposażona w 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 występują 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 efekcie cechy te pozytywnie wpływają na całkowity koszt eksploatacji maszyny CNC wykorzystującej diodową głowicę grawerującą.

Znakowanie i zasilanie światłem laserowym pod wodą.

Ponadto, wśród dodatkowych cech należy wymienić możliwość wykorzystania głowic diodowych Opt Lasers do znakowania pod wodą, podczas gdy inne dostępne na rynku lasery nie posiadają takich możliwości. Długość fali niebieskich diod laserowych mieści się w zakresie 440-460nm. Jest to długość fali, dla której woda jest przezroczysta, natomiast lasery CO2 i YAG nie są w stanie pracować pod wodą, ponieważ światło z tego typu lasera jest pochłaniane przez wodę. Urządzenia do grawerowania oparte na niebieskich diodach laserowych, ze względu na swoje niewielkie rozmiary i brak konieczności instalowania skomplikowanych systemów, ma bardzo atrakcyjną i konkurencyjną cenę w porównaniu z konkurencyjnymi produktami dostępnymi na rynku do tego typu zastosowań.