Zasada działania, zalety i zastosowanie przemysłowe
Lasery CO₂ obok laserów fibrowych stanowią jedną z najpowszechniej stosowanych technologii do znakowania i cięcia materiałów organicznych. Dzięki swojej wszechstronności oraz zdolności do pracy z szeroką gamą materiałów są odpowiednie dla wielu zastosowań przemysłowych, szczególnie tam, gdzie wymagana jest szybkość i wysoka jakość obróbki.
1. Co to jest laser CO₂
2. Jak działa laser CO₂
3. Budowa laserów CO₂
4. Zastosowanie przemysłowe laserów CO₂
5. Rodzaje laserów CO₂
6. Laser CO₂ vs laser fibrowy
7. Żywotność laserów CO₂
8. Najważniejsi producenci
1. Co to jest laser CO₂?
Laser CO₂ to laser gazowy, w którym medium aktywnym jest mieszanina gazów zawierająca dwutlenek węgla (CO₂), azot (N₂) i hel (He). Generowana wiązka laserowa ma długość fali ~10,6 µm (czyli 10 600 nanometrów). W tym zakresie spektralnym wiązka jest niewidoczna dla ludzkiego oka. Jest natomiast doskonale absorbowana przez materiały organiczne, takie jak drewno, papier, tworzywa sztuczne, tkaniny i skóra. Dlatego laser CO₂ jest najlepszym wyborem do znakowania tych materiałów.
2. Jak działa laser CO₂?
Laser CO₂ generuje promieniowanie na zasadzie stymulowanej emisji w aktywnym gazowym medium. Proces ten składa się z kilku etapów:
1. Pobudzenie cząsteczek: Energia elektryczna jest dostarczana do mieszaniny gazów, co pobudza cząsteczki azotu.
2. Przekazanie energii: Cząsteczki azotu przekazują energię cząsteczkom dwutlenku węgla (CO₂), które emitują fotony o długości fali 10,6 µm.
3. Wzmocnienie promieniowania: Światło odbija się między zwierciadłami w rezonatorze i zostaje wzmocnione.
4. Wyjście wiązki: Część promieniowania opuszcza rezonator i zostaje skupiona przez układ optyczny na docelowym materiale.
Lasery CO₂ różnią się konstrukcją i sposobem pobudzania mieszaniny gazowej. Niektóre modele wykorzystują prąd stały (DC) do generowania wyładowań, podczas gdy inne stosują pobudzenie radiowe (RF). Pobudzanie RF jest bardziej efektywne i pozwala osiągnąć większą moc lasera.
3. Budowa laserów CO₂
Laser CO₂ jest zaawansowanym urządzeniem składającym się z kilku kluczowych komponentów:
● Zbiornik gazowy: Zawiera mieszaninę gazów (CO₂, N₂, He) w precyzyjnie dobranych proporcjach, zoptymalizowanych pod kątem maksymalnej wydajności lasera.
● Układ wyładowczy: Generuje wyładowania elektryczne, które pobudzają cząsteczki CO₂. Istnieją dwa główne rodzaje układów wyładowczych: DC (prąd stały) i RF (radiofrekwencyjny). Systemy DC są prostsze, ale mniej efektywne, natomiast systemy RF pozwalają uzyskać większą moc i lepszą kontrolę nad parametrami lasera.
● Rezonator optyczny: Składa się z dwóch zwierciadeł umieszczonych na końcach tuby laserowej. Jedno z nich jest wysoce refleksyjne, odbijając niemal wszystkie fotony z powrotem do medium aktywnego. Drugie zwierciadło jest półprzepuszczalne i przepuszcza część promieniowania na zewnątrz, tworząc wiązkę laserową. Rezonator jest kluczowym elementem umożliwiającym wzmacnianie promieniowania laserowego i osiągnięcie koherencji.
● Tuba laserowa: Zamknięta tuba, zwykle wykonana ze szkła kwarcowego, zawierająca gazową mieszaninę. Wewnątrz niej zachodzi stymulowana emisja promieniowania. Tuba musi być odporna na wysoką temperaturę i ciśnienie powstające w trakcie pracy lasera.
● Układ chłodzenia: Odprowadza ciepło generowane w trakcie pracy lasera. Nadmierne ciepło zmniejsza efektywność i może uszkodzić komponenty. Do chłodzenia stosuje się wodę, powietrze lub kombinację obu metod. Chłodzenie wodne jest bardziej efektywne, ale wymaga bardziej skomplikowanego i droższego systemu. Chłodzenie powietrzne jest prostsze, ale mniej wydajne.
Oprócz wyżej wymienionych komponentów lasery CO₂ mogą zawierać dodatkowe elementy, takie jak:
● Rozszerzacz wiązki (Beam Expander): Zwiększa średnicę wiązki laserowej, poprawiając jakość znakowania.
● System skanowania: Umożliwia precyzyjne prowadzenie wiązki po materiale oraz tworzenie skomplikowanych kształtów i wzorów.
4. Przemysłowe zastosowanie laserów CO₂
Lasery CO₂ doskonale sprawdzają się przy obróbce materiałów organicznych oraz niektórych materiałów nieorganicznych, które dobrze absorbują długość fali 10,6 µm.
Cięcie
Lasery CO₂ są wykorzystywane do cięcia materiałów poprzez proces odparowywania. Laserem CO₂ można ciąć tworzywa sztuczne, drewno, tekstylia, szkło, ceramikę, kompozyty oraz cienkie metale. Skupiona wiązka laserowa dostarcza na małej powierzchni intensywne ciepło, powodując lokalne nagrzewanie i odparowywanie materiału. Głębokość grawerowania lub szerokość cięcia jest kontrolowana mocą lasera, prędkością przesuwu wiązki oraz właściwościami materiału.
Podczas cięcia często stosuje się gaz pomocniczy, taki jak tlen, azot lub argon. Tlen wspomaga proces spalania i przyspiesza cięcie materiałów metalowych, do których bardziej nadają się lasery fibrowe. Azot i argon są wykorzystywane do cięcia materiałów niepalnych, takich jak tworzywa sztuczne i niektóre metale, oraz zapobiegają utlenianiu. Gaz pomocniczy pomaga także usuwać stopiony materiał z miejsca cięcia.
Znakowanie i obróbka powierzchniowa
Innym zastosowaniem laserów CO₂ jest znakowanie produktów i komponentów. Grawerować można materiały takie jak drewno, tworzywa techniczne, skóra i szkło. Znakowanie laserowe jest trwałe, odporne na ścieranie i fałszowanie oraz umożliwia nanoszenie oznaczeń na małe i skomplikowane kształty. Inną metodą jest wyżarzanie, w którym na powierzchni metalu powstają warstwy tlenków, których właściwości nadają określoną barwę.
Spawanie
Lasery CO₂ są wykorzystywane do spawania metali ferromagnetycznych i nieferromagnetycznych, takich jak stal, aluminium, miedź czy tytan, oraz tworzyw termoplastycznych, takich jak ABS, poliwęglan, polipropylen czy nylon. Dzięki minimalnemu wpływowi cieplnemu na otaczający materiał można spawać nawet cienkie lub wrażliwe elementy bez deformacji.
5. Rodzaje laserów CO₂
Lasery CO₂ dzielą się na kilka typów różniących się konstrukcją, sposobem wzbudzania i parametrami:
Lasery longitudinalne i poprzeczne
Należą do najstarszych i najprostszych typów laserów CO₂. Wykorzystują ciągły przepływ gazu przez rurę z wyładowaniem elektrycznym. Charakteryzują się wysoką mocą, ale niską sprawnością i skomplikowaną konstrukcją.
Lasery zamknięte
W laserach zamkniętych mieszanina gazów jest hermetycznie zamknięta w rurze. Aby utrzymać stabilny skład gazu i wydłużyć żywotność lasera, do mieszaniny dodaje się parę wodną, wodór i tlen, które katalitycznie regenerują CO₂ z tlenku węgla (CO) powstającego podczas wyładowania. Lasery zamknięte są bardziej kompaktowe, tańsze i wymagają mniej konserwacji niż lasery longitudinalne i poprzeczne.
Lasery TEA
Transwersyjnie wzbudzane lasery atmosferyczne pracują pod ciśnieniem atmosferycznym i wykorzystują krótkie impulsy wyładowań elektrycznych do wzbudzania cząsteczek CO₂. Pozwala to na osiągnięcie wysokiej mocy szczytowej w impulsie, ale średnia moc jest niższa niż w przypadku laserów pracujących w trybie ciągłym. Lasery TEA stosowane są w aplikacjach wymagających wysokiej energii impulsu, takich jak znakowanie materiałów wrażliwych na ciepło.
Lasery falowodowe
Wykorzystują falowód - wąską rurkę z powierzchnią metalową lub dielektryczną - do prowadzenia wiązki laserowej. Falowód pozwala na uzyskanie wysokiej gęstości energii w wiązce oraz kompaktowej konstrukcji lasera. Lasery falowodowe charakteryzują się niską mocą, ale wysoką jakością wiązki i stabilnością. Są stosowane do precyzyjnego grawerowania, znakowania i mikroobróbki.
Wybór typu lasera CO₂ zależy od konkretnego zastosowania i wymaganych parametrów, takich jak moc, jakość wiązki, tryb impulsowy oraz koszt.
6. Laser CO₂ vs. laser fibrowy
Zalety laserów CO₂:
• Lepsza absorpcja w materiałach organicznych (drewno, szkło, papier, tkaniny).
• Odpowiednie do cięcia dużych powierzchni i grubszych materiałów.
• Niższe koszty początkowe w podstawowych modelach.
Wady laserów CO₂:
• Większe zużycie energii i niższa sprawność (około 20%).
• Krótsza żywotność tuby laserowej (10 000–30 000 godzin).
• Wyższe koszty konserwacji (lustra, soczewki).
7. Jaka jest żywotność laserów CO₂?
Żywotność laserów CO₂ zależy od konstrukcji i jakości użytych komponentów, przede wszystkim tuby laserowej. Średnia żywotność tub laserowych mieści się w zakresie 10 000–30 000 godzin pracy, w zależności od jakości tuby, warunków eksploatacji i intensywności użytkowania.
• Szklane tuby mają krótszą żywotność (10 000–15 000 godzin), podczas gdy tuby metalowe lub ceramiczne mogą pracować nawet do 30 000 godzin.
• Prawidłowe chłodzenie i regularna konserwacja znacząco wydłużają żywotność. Przegrzewanie lub zanieczyszczenie skraca czas pracy urządzenia.
• Praca przy wysokiej mocy w trybie ciągłym skraca żywotność tuby.
Po osiągnięciu maksymalnej żywotności tubę można zazwyczaj wymienić, co wydłuża ogólną funkcjonalność urządzenia. W porównaniu do laserów fibrowych lasery CO₂ mają krótszą żywotność, jednak ze względu na niższe koszty początkowe, technologia ta pozostaje ekonomicznie opłacalna dla wielu zastosowań.
8. Najważniejsi producenci laserów CO₂
Niemiecka firma TRUMPF jest jednym z liderów w dziedzinie technologii laserowych. Jej lasery CO₂ charakteryzują się wysoką niezawodnością, długą żywotnością i doskonałą jakością wykonania.
Do europejskiej czołówki należy renomowany francuski producent systemów laserowych ES LASER, posiadający ponad 30-letnie doświadczenie w branży. Specjalizuje się w projektowaniu i produkcji technologii laserowych CO₂, fibrowych i hybrydowych do precyzyjnego znakowania, grawerowania, mikroobróbki i cięcia. Przykładem są ytterbowe lasery fibrowe z serii EsFly oraz seria EsCode bez izolatora optycznego, przeznaczona do znakowania materiałów nierefleksyjnych i integracji z liniami produkcyjnymi.