Wprowadzenie
Producent powinien mieć świadomość, że lasery światłowodowe zapoczątkowują nową erę rewolucji w nowoczesnej produkcji. Dzięki swojej ultraprecyzyjnej, szybkiej i bezkontaktowej technologii cięcia, znakowania i grawerowania zmieniają one oblicze branży produkcyjnej. Wśród różnych branż, które czerpią korzyści z tej technologii, znajdują się sektory motoryzacyjny, lotniczy, elektroniczny oraz produkcji urządzeń medycznych. Lasery światłowodowe i lasery CO₂ są uważane za dwa najczęściej stosowane rodzaje laserów w środowiskach przemysłowych, a każdy z nich ma swoje mocne i słabe strony.
- Wiązka laserowa ma długość fali 1 060 nm, natomiast technologia laserów CO₂ wykorzystuje zakres długości fal wynoszący 10 600 nm.
- Aby wytworzyć wiązkę laserową o dużej mocy, w laserach światłowodowych wykorzystuje się światłowód półprzewodnikowy domieszkowany pierwiastkiem ziem rzadkich, takim jak erb lub iterb.
- Lasery CO₂ wykorzystują mieszaninę gazów składającą się z azotu, dwutlenku węgla i helu, która służy do wytwarzania światła.
W niniejszym artykule przedstawiono kompleksowe porównanie laserów światłowodowych i laserów CO₂, analizując różnice w ich budowie, zasady działania, wydajność, wymagania konserwacyjne oraz zastosowania. Po przeczytaniu tego artykułu dowiesz się, która technologia najlepiej odpowiada potrzebom Twojej branży.
Czym jest laser światłowodowy?
Technologia laserów światłowodowych wykorzystuje laser na ciele stałym, w którym medium wzmacniającym jest światłowód. Substancja domieszkowa rdzenia światłowodu składa się z pierwiastków ziem rzadkich, takich jak iterb (Yb), erb (Er) lub neodym (Nd), które wzmacniają wiązkę laserową. Dioda kieruje światło w postaci ostrej wiązki laserowej, która służy do rzeźbienia i grawerowania na metalu, tworzywach sztucznych i wielu innych materiałach.
· Zasada działania
Laser światłowodowy podczas przetwarzania wykonuje określony zestaw czynności. Oto te cztery etapy.
- Dioda pompująca wytwarza światło, które rozprzestrzenia się do rdzenia światłowodu, co powoduje pompowanie światła.
- Dopowany rdzeń światłowodu wzmacnia to światło, gdy odbija się ono w światłowodzie, zapewniając lepsze wyniki.
- Światło ulega wzmocnieniu i pojawia się jako skupiona i spójna wiązka światła przeznaczona do emisji.
- Wiązka przechodzi przez elastyczny kabel światłowodowy bezpośrednio do głowicy tnącej lub znakującej, skąd jest kierowana dalej.
· Elementy składowe
Laser światłowodowy składa się z następujących elementów. Poniżej znajduje się ich lista, a ich wspólne działanie pozwala na prawidłowe wykonanie zadania.
- Do generowania i wzmacniania światła wykorzystuje się włókno szklane domieszkowane materiałem z grupy metali ziem rzadkich.
- Pierwotne źródło światła wytwarzane przez pierwiastek ziem rzadkich jest uruchamiane za pomocą diody pompującej.
- Działanie lasera rozpoczyna się, gdy tylko dioda pompująca zacznie emitować światło.
- W tym procesie domieszkowany rdzeń włókna może pełnić rolę ośrodka wzmacniającego lasera.
- Na koniec soczewka światłowodu laserowego odchyla wiązkę w celu wykonania cięcia lub grawerowania.
· Zalety laserów światłowodowych
Lasery światłowodowe zrewolucjonizowały branżę obróbki metali, umożliwiając cięcie, grawerowanie i rzeźbienie w szerokiej gamie materiałów.
- Stabilna wydajność konwersji sygnału elektrycznego na optyczny sięgająca 90%.
- Nie ma w nim lusterek ani ciężkich rur gazowych, a do tego jest niewielkich rozmiarów.
- Nie ma żadnych ruchomych elementów optycznych, a laser światłowodowy stanowi całkowicie hermetyczny układ.
- Laser światłowodowy może działać przez ponad 100 000 godzin.
- Zastosowanie lasera światłowodowego pozwala uzyskać precyzyjne trafienie w punkt, którego rozmiar można zmniejszyć nawet do 90% w stosunku do lasera CO₂, zapewniając przy tym większą szczegółowość.
- Najlepiej sprawdza się w połączeniu z metalami odbijającymi światło, takimi jak aluminium, miedź i mosiądz.
Czy wiesz coś o laserach CO₂?
Lasery CO₂, będące rodzajem laserów gazowych wykorzystujących wiązkę laserową o dużej mocy dzięki połączeniu gazów, przy czym dwutlenek węgla pełni rolę podstawowego składnika, są niezawodnym narzędziem w przemyśle wytwórczym już od lat 70. XX wieku. Ich wieloletnie zastosowanie i sprawdzona skuteczność sprawiają, że nadają się one szczególnie dobrze do obróbki materiałów niemetalowych.
· Zasada działania
- W pierwszym etapie cząsteczki azotu zawarte w mieszaninie gazowej są wzbudzane przez prąd elektryczny.
- Energia jest przekazywana cząsteczkom CO₂ przez wzbudzone cząsteczki azotu.
- Cząsteczki CO₂ emitują fotony, co powoduje powstanie wiązki laserowej.
- W rurze światło odbija się od luster na całej długości, aż w wyniku rezonansu optycznego przez lustro częściowe emitowana jest stabilna wiązka laserowa.
· Elementy składowe
- Głównymi elementami systemu są rurki gazowe wypełnione dwutlenkiem węgla, azotem i helem.
- Elektrody w układzie powodują, że cząsteczki gazu ulegają naładowaniu.
- Laser CO₂ jest wyposażony w zwierciadło, które skupia i wzmacnia wiązkę laserową.
- System posiada wbudowany układ chłodzenia, który odprowadza ciepło wytwarzane podczas pracy.
· Zalety laserów CO₂
- CO₂ można stosować na różnych materiałach, takich jak drewno, akryl, szkło, tkaniny i tworzywa sztuczne, które stanowią przykłady materiałów niemetalowych nadających się do tego procesu.
- Zastosowanie lasera CO₂ pozwala uzyskać czystsze i gładsze cięcia w grubszych materiałach.
- Sprawdzone i używane od dawna.
- Jego eksploatacja wymaga mniej konserwacji w porównaniu z laserem światłowodowym.
- Charakteryzuje się niskimi kosztami uruchomienia, które zazwyczaj są niższe niż w przypadku laserów światłowodowych.
Różnice między laserami światłowodowymi a laserami CO₂
Zarówno lasery światłowodowe, jak i lasery CO₂ mają swoje zalety i zastosowania. Istnieją jednak pewne obszary, w których te dwie technologie się od siebie różnią.
Długość fali i absorpcja
Laser gazowy i laser światłowodowy charakteryzują się różnymi długościami fal i współczynnikami absorpcji. Oto różnica między nimi:
| Typ lasera | Długość fali | Charakterystyka pochłaniania materiału |
| Laser światłowodowy | 1,06 µm | Laser światłowodowy doskonale nadaje się do obróbki metali; materiały odbijające światło silnie go pochłaniają. |
| Laser CO₂ | 10,6 µm | Laser CO₂ najlepiej sprawdza się w przypadku materiałów organicznych, takich jak drewno i tworzywa sztuczne, natomiast nie nadaje się do powierzchni odbijających światło. |
- Wykorzystanie lasera światłowodowego, charakteryzującego się krótszą długością fali, w celu uzyskania lepszej absorpcji na powierzchniach metalowych.
- Dłuższe długości fal lasera CO₂ sprawiają, że nie nadaje się on do stosowania na powierzchniach odbijających światło.
Materiały do cięcia
Lasery światłowodowe i lasery CO₂ znajdują zastosowanie w cięciu materiałów; różne materiały charakteryzują się różną kompatybilnością z obiema technologiami. Producent przyznaje, że laser światłowodowy jest najskuteczniejszy w cięciu metalowych powierzchni odbijających światło, natomiast laser CO₂ lepiej nadaje się do cięcia materiałów organicznych, takich jak drewno i tkaniny.
| Materiały | Laser światłowodowy | Laser CO₂ |
| Stal nierdzewna | Skuteczny | Mniej skuteczne |
| Aluminium | Skuteczny | Mniej skuteczne |
| Miedź | Skuteczny | Nieskuteczne |
| Mosiądz | Skuteczny | Nieskuteczne |
| Tekstylia | Nieskuteczne | Skuteczny |
| Drewno | Nieskuteczne | Skuteczny |
| Tworzywo sztuczne | Nieskuteczne | Skuteczny |
| Szkło | Nieskuteczne | Skuteczny |
Efektywność energetyczna i zużycie energii
Obie technologie różnią się pod względem efektywności energetycznej i zużycia energii. Oto szczegółowe informacje:
- Wydajność laserów światłowodowych w przeliczeniu na moc zasilania wynosi od 30% do 40%.
- Natomiast lasery CO₂ osiągają sprawność wynoszącą zaledwie 5–10%.
W związku z tym lasery światłowodowe zużywają około 70% mniej energii w porównaniu z laserami CO₂ o tej samej mocy wyjściowej. Na przykład laser CO₂ o mocy 6 kW wymaga około 70 kW energii, podczas gdy laser światłowodowy o tej samej mocy zużywa jedynie 18–20 kW. W związku z tym koszty eksploatacji będą o prawie 50% niższe w przypadku stosowania systemów laserów światłowodowych.
Prędkość cięcia i dokładność
- W przypadku cienkich materiałów lasery włóknowe tną nawet 3–5 razy szybciej niż lasery CO₂, a 2,0 razy szybciej niż lasery CO₂.
- W przypadku materiałów o grubości powyżej dwudziestu centymetrów lasery CO₂ zapewniają lepszy efekt dzięki bardziej gładkiemu wykończeniu krawędzi.
Lasery światłowodowe oferują również:
- Większa precyzja cięcia dzięki mniejszej szerokości szczeliny cięcia.
- Bardziej precyzyjne cięcie dzięki zmniejszeniu rozmiaru plamki.
- Zwiększona spójność przy wykonywaniu skomplikowanych prac, takich jak grawerowanie i mikrocinanie.
| Materiał | Prędkość lasera światłowodowego (mm/s) | Prędkość lasera CO₂ (mm/s) |
| 3 mm stali nierdzewnej | 55 | 20 |
| 10 mm aluminium | 25 | 10 |
| 6 mm stali miękkiej | 40 | 15 |
Konserwacja i żywotność
Aby jakakolwiek maszyna działała prawidłowo, konieczne jest jej regularne przeglądanie. Niektóre maszyny wymagają jednak częstszej konserwacji niż inne.
Laser światłowodowy:
- Brak lusterek i konieczności uzupełniania gazu sprawia, że konserwacja nie jest konieczna.
- System laserowy na bazie światłowodu wyróżnia się przewagą konkurencyjną w postaci okresu eksploatacji przekraczającego 100 000 godzin.
- Charakteryzuje się szczelną i kompaktową konstrukcją, która ogranicza do minimum ryzyko zanieczyszczenia.
Laser CO₂:
- Aby zapewnić prawidłową konserwację, konieczne jest regularne ustawianie lusterek i ich czyszczenie.
- Uzupełnianie gazu i wymiana elementów optycznych powodują niepotrzebne przestoje.
- Jego typowa żywotność wynosi 20 000–30 000 godzin.
Konserwacja
Co 6–12 miesięcy należy przeprowadzić przegląd lasera CO₂. Stanowi to znaczną poprawę w porównaniu z laserami CO₂, które wymagają regulacji i czyszczenia co 3–6 miesięcy.
Analiza kosztów
| Kategoria | Laser światłowodowy | Laser CO₂ |
| Koszt początkowy | Wyższy | Niżej |
| Koszty eksploatacyjne | Niżej | Wyższy |
| Koszty utrzymania | Minimum | Od umiarkowanego do wysokiego |
| Koszt posiadania | Niżej | Wyższy |
Scenariusze zastosowań
· Zastosowania laserów światłowodowych
- Można go stosować do cięcia, spawania i grawerowania stali nierdzewnej, aluminium i miedzi.
- Cięcie i znakowanie precyzyjnych elementów w przemyśle motoryzacyjnym.
- Przycinanie płytek drukowanych i nanoszenie kodów seryjnych w produkcji elektronicznej.
- Lasery światłowodowe mogą być wykorzystywane do cięcia lekkich stopów w przemyśle lotniczym i kosmicznym.
- Można go wykorzystywać do grawerowania precyzyjnych oznaczeń identyfikacyjnych na urządzeniach medycznych.
· Zastosowania laserów CO₂
- Do grawerowania na tekturze, tworzywach sztucznych i szkle stosuje się laser CO₂.
- Producenci wykorzystują go do cięcia i grawerowania elementów mebli.
- Lasery CO₂ służą do cięcia tkanin i projektowania wzorów w przemyśle tekstylnym.
- W grawerowaniu na akrylu i szkle w branży oznakowań i reklamy.
- Można go wykorzystywać do grawerowania materiałów organicznych w celach dekoracyjnych.
Wnioski
Zarówno lasery światłowodowe, jak i lasery CO₂ mają pewne cechy wspólne; istnieją jednak między tymi dwiema technologiami znaczące różnice.
- W niniejszym artykule wyjaśniono, że w przemyśle motoryzacyjnym, lotniczym i elektronicznym lasery światłowodowe charakteryzują się większą szybkością, precyzją i wydajnością podczas cięcia metali.
- Z drugiej strony lasery CO₂ nadal sprawdzają się przy cięciu materiałów niemetalowych, takich jak drewno, akryl i tkaniny, pozostawiając po sobie cienkie, gładkie krawędzie.
Chociaż lasery światłowodowe są tańsze w utrzymaniu i eksploatacji, to laser CO₂ charakteryzuje się niższymi kosztami początkowymi. Ostatecznie wybór będzie zależał od rodzaju materiału, wymaganej jakości cięcia oraz skali produkcji, co pozwoli na zapewnienie najbardziej wydajnego procesu produkcyjnego.