Zasada działania, zalety i zastosowanie przemysłowe
Lasery fibrowe są obecnie uważane za jedną z najbardziej zaawansowanych i efektywnych technologii w dziedinie przemysłowego znakowania i obróbki materiałów.
1. Co to jest laser fibrowy
2. Jak działa
3. Typowe długości fali
4. Którą długość fali wybrać
5. Laser fibrowy vs. laser CO2
6. Grawerowanie lub cięcie przez odparowanie
7. Porównanie laserów fibrowych z innymi typami
8. Rodzaje laserów fibrowych
9. Jakie materiały można znakować
10. Żywotność laserów fibrowych
11. Najwięksi producenci
1. Co to jest laser fibrowy?
Laser fibrowy to rodzaj lasera ciała stałego, w którym generowanie promieniowania laserowego zachodzi w rdzeniu światłowodu domieszkowanego pierwiastkami z grupy lantanowców (tzw. metale ziem rzadkich).
Światłowód składa się z szkła krzemionkowego lub fosforanowego i jest domieszkowany na przykład erbem, iterbem lub prazeodymem. W rezultacie powstaje wysoce skoncentrowana wiązka laserowa o wysokiej jakości i stabilności.
W niektórych zastosowaniach znakowania laserowego stosuje się również neodym, co jest typowe dla specjalnych typów laserów fibrowych.
Domieszkowane światłowody mogą być dodatkowo dostosowywane do różnych zastosowań (np. różne długości fali dla różnych materiałów).
2. Jak działa laser fibrowy?
Lasery fibrowe działają na zasadzie stymulowanej emisji promieniowania w światłowodzie domieszkowanym metalami ziem rzadkich. W tym procesie energia świetlna pochodząca z diod laserowych (tzw. światła pompującego) jest absorbowana w rdzeniu światłowodu i przekształcana w wiązkę laserową o precyzyjnie określonej długości fali.
Proces generowania wiązki laserowej w laserze fibrowym odbywa się w kilku etapach:
Generowanie światła pompującego: Energia elektryczna jest przekształcana na energię świetlną za pomocą diod laserowych.
Kumulacja i wprowadzenie do światłowodu: Światło z wielu diod jest zbierane i kierowane do światłowodu.
Przejście światła pompującego przez światłowód: Światło przechodzi przez rdzeń światłowodu i jest odbijane od jego płaszcza. Dzięki zjawisku całkowitego wewnętrznego odbicia światło pozostaje wewnątrz rdzenia.
Stymulowana emisja w rezonatorze laserowym: Światło dociera do domieszkowanej części światłowodu (rezonatora laserowego), gdzie oddziałuje z atomami metali ziem rzadkich, pobudzając ich elektrony do wyższych poziomów energetycznych. Przy powrocie do niższego poziomu energetycznego elektrony emitują fotony o określonej długości fali.
Wzmocnienie światła laserowego: Światło jest wzmacniane za pomocą siatek Bragga, które działają jako selektywne zwierciadła. Wzmocniona wiązka laserowa charakteryzuje się wysoką jakością i stabilnością. Siatki Bragga zapewniają również sprzężenie zwrotne w rezonatorze laserowym i selektywnie wybierają określoną długość fali.
3. Typowe długości fali generowane przez lasery fibrowe
Długość fali: ~1064 nm
Najczęściej stosowana długość fali w przemyśle. Jest generowana przez lasery fibrowe domieszkowane iterbem i skutkuje promieniowaniem w bliskiej podczerwieni.
Ta długość fali jest silnie absorbowana przez większość metali i niektóre specjalne tworzywa sztuczne, co czyni ją najlepszym wyborem do zastosowań przemysłowych.
Do materiałów docelowych należą stal (w tym nierdzewna), aluminium, miedź, tytan, mosiądz i brąz.
Oprócz metali długość fali 1064 nm skutecznie znakowuje niektóre rodzaje tworzyw sztucznych, zwłaszcza jeśli zawierają dodatki laserowe lub pigmenty absorbujące promieniowanie podczerwone.
Lasery fibrowe z tą długością fali są idealne do zastosowań takich jak grawerowanie, cięcie i spawanie metali.
Lasery fibrowe o tej długości fali mają bardzo wąską wiązkę i wysoką gęstość energii. Dzięki temu umożliwiają precyzyjne znakowanie drobnych detali (np. kodów QR, logotypów) oraz głębsze grawerowanie.
Długość fali: ~1550 nm
Znajduje się w bezpiecznym dla oka zakresie, co czyni ją idealnym wyborem do aplikacji wymagających minimalizacji ryzyka urazu. Jest generowana przez lasery fibrowe domieszkowane erbem.
Typowe zastosowania obejmują telekomunikację (przesył danych przez światłowody), medycynę (np. dermatologię, chirurgię oka) oraz specjalistyczne grawerowanie na wrażliwych materiałach.
Długość fali: ~1940–2000 nm
Ten zakres długości fali charakteryzuje się wysoką absorpcją w wodzie, dlatego jest odpowiedni do zastosowań medycznych oraz obróbki materiałów zawierających wilgoć. Jest generowany przez lasery fibrowe domieszkowane tulem (Thulium).
Dzięki tej właściwości lasery te są idealne do aplikacji wymagających minimalizacji wpływu cieplnego na otaczający materiał, na przykład podczas obróbki tworzyw sztucznych lub drewna.
Długość fali: ~2100 nm
Jest generowana przez lasery fibrowe domieszkowane holmem (Holmium). Znajdują zastosowanie w medycynie, zwłaszcza w chirurgii oraz w kruszeniu kamieni nerkowych w urologii.
W zastosowaniach przemysłowych lasery te są wykorzystywane do obróbki materiałów organicznych. Można ich używać do grawerowania lub precyzyjnego cięcia drewna o wysokiej zawartości wilgoci bez ryzyka uszkodzenia cieplnego, a także do obróbki skóry i tkanin.
4. Którą długość fali wybrać?
Dłuższe długości fali (np. 1550 nm lub 2000 nm) mają większą absorpcję w wodzie i materiałach organicznych, co jest korzystne w zastosowaniach medycznych i obróbce tworzyw sztucznych.
Krótsze długości fali (np. 355 nm, generowane przez lasery UV) są bardziej odpowiednie do precyzyjnego znakowania tworzyw sztucznych i szkła.
Długość fali 1064 nm generowana przez lasery fibrowe domieszkowane iterbem oferuje optymalną równowagę między uniwersalnością a wydajnością, co czyni ją najczęściej wybieraną opcją w przemyśle.
5. Laser fibrowy vs. laser CO₂
Lasery fibrowe i CO₂ różnią się przede wszystkim medium aktywnym, w którym generowana jest wiązka laserowa.
Lasery fibrowe wykorzystują światłowód domieszkowany metalami ziem rzadkich, natomiast lasery CO₂ wykorzystują mieszaninę gazów z dwutlenkiem węgla jako głównym składnikiem.
Zalety laserów fibrowych w porównaniu do laserów CO₂
Wyższa efektywność
Lasery fibrowe osiągają sprawność konwersji energii na poziomie do 75% (zwykle około 30–50%), podczas gdy lasery CO₂ jedynie około 20%.
Wyższa jakość wiązki
Lasery fibrowe umożliwiają ostrzejsze ogniskowanie, co pozwala na uzyskanie większej intensywności promieniowania. Wąska wiązka pozwala na precyzyjne i szczegółowe znakowanie. Wiązka jest także bardziej stabilna podczas długotrwałej pracy.
Wszechstronność materiałów
Lasery fibrowe nadają się do znakowania szerokiego zakresu materiałów, takich jak metale (aluminium, stal, tytan), tworzywa sztuczne i ceramika. Bez problemu radzą sobie z wymagającymi materiałami, np. stalą nierdzewną i twardymi stopami metali.
Dłuższa żywotność
Lasery fibrowe mają żywotność sięgającą 150 000 godzin, podczas gdy lasery CO₂ działają około 30 000 godzin.
Niższe koszty eksploatacji
Lasery fibrowe nie posiadają lamp ani luster, które wymagałyby regularnej wymiany, co znacząco obniża koszty eksploatacyjne. Z kolei lasery CO₂ wymagają częstej wymiany części eksploatacyjnych – lustra i soczewki ulegają zużyciu przez działanie ciepła i zanieczyszczenia, a tuby laserowe muszą być wymieniane co 10 000–30 000 godzin.
Kompaktowa konstrukcja
Lasery fibrowe, dzięki brakowi skomplikowanych układów optycznych (np. luster i rezonatorów zewnętrznych), są mniejsze i łatwiejsze w integracji z liniami produkcyjnymi lub urządzeniami przenośnymi. Zajmują również mniej miejsca niż lasery CO₂, co zmniejsza wymagania dotyczące infrastruktury instalacyjnej.
Wyższa prędkość znakowania
Lasery fibrowe umożliwiają szybsze znakowanie dzięki efektywnemu przenoszeniu energii i precyzyjnemu ogniskowaniu wiązki. Pozwalają na natychmiastowe grawerowanie tekstów, kodów i grafiki, nawet w produkcji seryjnej. Wyższa prędkość znakowania zwiększa produktywność, jednocześnie zapewniając doskonałą jakość oznaczeń.
Mimo to lasery CO₂ wciąż są lepszym wyborem do cięcia grubszych materiałów (powyżej 5 mm).
Wady laserów fibrowych w porównaniu do laserów CO₂
Wyższy koszt zakupu
Koszt początkowy laserów fibrowych jest wyższy w porównaniu do laserów CO₂. Lasery fibrowe są bardziej ekonomiczne w dłuższej perspektywie, ale dla mniejszych firm początkowa inwestycja może stanowić barierę.
Ograniczone zastosowanie na niektórych materiałach
Lasery fibrowe nie są idealne do znakowania materiałów organicznych, takich jak drewno, szkło, papier czy przezroczyste tworzywa sztuczne, gdzie lasery CO₂ sprawdzają się znacznie lepiej. Długość fali ~10,6 µm w laserach CO₂ jest lepiej absorbowana przez materiały organiczne, a także niektóre metale pokryte powłokami (np. lakierowana stal).
Ograniczona głębokość grawerowania
Lasery fibrowe zostały zaprojektowane głównie do precyzyjnego znakowania powierzchni twardych materiałów (np. metali, technicznych tworzyw sztucznych). Lasery CO₂ sprawdzają się lepiej w głębokim grawerowaniu, ponieważ ich długość fali pozwala na intensywniejsze oddziaływanie na materiały organiczne i niektóre anorganiczne. Głębokie grawerowanie metali za pomocą laserów fibrowych jest możliwe, ale wymaga więcej energii i czasu.
Mniejsza powierzchnia robocza
W porównaniu z laserami CO₂ pole robocze laserów fibrowych jest mniejsze, co może stanowić ograniczenie dla zastosowań wielkoformatowych.
Wybór odpowiedniego typu lasera zależy od wymagań dotyczących głębokości grawerowania, rodzaju materiału oraz prędkości procesu.
6. Grawerowanie lub cięcie przez odparowanie
Lasery fibrowe są wykorzystywane zarówno do grawerowania, jak i cięcia materiałów. Oba procesy opierają się na odparowaniu materiału za pomocą skoncentrowanej wiązki laserowej.
Podczas grawerowania materiał odparowuje na określoną głębokość, tworząc na powierzchni pożądany relief.
Grawerowanie laserem fibrowym można wykonać zarówno powierzchniowo, jak i na większą głębokość. Aby uzyskać głębsze grawerowanie, konieczne jest zwiększenie mocy lasera lub zastosowanie kilku przejść wiązki.
Podczas cięcia wiązka laserowa przechodzi przez materiał na wylot, rozdzielając go na pożądany kształt.
Zarówno grawerowanie, jak i cięcie laserem fibrowym znajdują zastosowanie w wielu branżach, gdzie kluczowe są precyzja, trwałość i estetyka wykonania.
Grawerowanie laserem fibrowym: przykłady zastosowań
Znakowanie kodów QR i kodów kreskowych: Ta technologia laserowa jest szeroko stosowana w logistyce, magazynowaniu i produkcji przemysłowej. Grawerowane kody są odporne na ścieranie i umożliwiają niezawodną identyfikację produktów, takich jak części samochodowe czy narzędzia medyczne.
Znakowanie logotypów i marek firmowych: Lasery fibrowe doskonale sprawdzają się w personalizacji i brandingu produktów. Przykładem może być grawerowanie logotypów na butelkach ze stali nierdzewnej, zegarkach lub urządzeniach elektronicznych.
Grawerowanie numerów seryjnych i identyfikatorów: Jest to kluczowa aplikacja w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym, gdzie wymagana jest pełna identyfikowalność komponentów. Technologia ta jest wykorzystywana do znakowania silników, konstrukcji metalowych i komponentów elektronicznych.
Cięcie laserem fibrowym: przykłady zastosowań
Produkcja cienkościennych komponentów: Lasery fibrowe są używane do precyzyjnego cięcia metali (np. stali nierdzewnej, mosiądzu) dla przemysłu elektronicznego i produkcji precyzyjnych elementów mechanicznych.
Obróbka biżuterii: Laser umożliwia wycinanie skomplikowanych detali, których tradycyjne metody (np. grawerowanie mechaniczne) nie są w stanie uzyskać z taką precyzją. Przykładem zastosowania jest wycinanie złożonych wzorów w metalach szlachetnych, takich jak złoto, srebro czy tytan. Twarde stopy można łatwo ciąć laserem w skomplikowane kształty bez deformacji. Dzięki wysokiej precyzji wiązki ilość odpadu jest minimalna, co czyni tę technologię bardzo ekonomiczną przy obróbce metali szlachetnych.
Mikrocięcie w medycynie: Lasery fibrowe są kluczowe przy produkcji narzędzi chirurgicznych i implantów, ponieważ zapewniają wysoką precyzję i minimalny wpływ cieplny na obrabiany materiał. Laser generuje lokalne ciepło tylko w miejscu cięcia, co zapobiega deformacji lub uszkodzeniu otaczającego materiału.
7. Porównanie laserów fibrowych z innymi typami laserów
Laser fibrowy vs. laser CO₂
Zalety lasera fibrowego: Doskonale sprawdza się w aplikacjach na metalach, ma wyższą prędkość oraz niższe koszty eksploatacji.
Zalety lasera CO₂: Lepsza absorpcja w materiałach organicznych, nadaje się do aplikacji wymagających dużej powierzchni roboczej.
Laser fibrowy vs. laser Nd:YAG
Zalety lasera fibrowego: Niższe koszty konserwacji, dłuższa żywotność, wyższa efektywność.
Zalety lasera Nd:YAG: Wyższa moc w niektórych specjalistycznych zastosowaniach, takich jak głębokie grawerowanie.
8. Typy laserów fibrowych
Podział laserów według różnych kryteriów pomaga określić, który typ lasera jest odpowiedni dla konkretnej aplikacji.
1. Według trybu pracy:
Lasery fibrowe impulsowe:
• Emitują krótkie impulsy światła o wysokiej mocy szczytowej.
• Zastosowanie: Grawerowanie drobnych detali (kody QR, numery seryjne), mikroobróbka oraz czyszczenie laserowe.
Lasery fibrowe ciągłe:
• Emitują ciągłą wiązkę laserową o stałej intensywności.
• Zastosowanie: Cięcie blach metalowych, spawanie oraz produkcja narzędzi chirurgicznych.
2. Według domieszkowania:
Lasery fibrowe domieszkowane iterbem:
• Najczęściej stosowany typ, generujący wiązkę o długości fali ~1064 nm.
• Zastosowanie: Grawerowanie i cięcie metali, znakowanie tworzyw sztucznych.
Lasery fibrowe domieszkowane erbem:
• Emitują światło o długości fali ~1550 nm, bezpieczne dla ludzkiego oka.
• Zastosowanie: Telekomunikacja oraz zastosowania medyczne.
Lasery fibrowe domieszkowane tulemem:
• Generują światło o długości fali ~2000 nm.
• Zastosowanie: Chirurgia oraz obróbka materiałów organicznych.
3. Według jakości wiązki:
Lasery fibrowe single-mode:
• Emitują wąską wiązkę o wysokiej jakości, odpowiednie do precyzyjnego znakowania i mikroobróbki.
Lasery fibrowe multi-mode:
• Wytwarzają szerszą wiązkę o wyższej mocy, idealne do szybkiego cięcia i spawania.
4. Według mocy:
Niska moc (do 50 W): Grawerowanie tworzyw sztucznych, znakowanie małych elementów metalowych.
Średnia moc (50–500 W): Grawerowanie głębszych struktur oraz lekkie cięcie.
Wysoka moc (powyżej 500 W): Przemysłowe cięcie i spawanie metali.
9. Jakie materiały można znakować laserem fibrowym?
Lasery fibrowe o długości fali 1064 nm są odpowiednie do znakowania metali, takich jak stal, aluminium, mosiądz, miedź, tytan, złoto czy srebro, oraz tworzyw sztucznych, takich jak ABS, poliwęglan, nylon czy akryl.
Typowe zastosowania laserów fibrowych obejmują:
- grawerowanie i znakowanie kodów (QR, kody kreskowe, numery seryjne),
- produkcję elektroniki (znakowanie płytek drukowanych),
- przemysł motoryzacyjny (znakowanie części i narzędzi),
- przemysł medyczny (znakowanie narzędzi chirurgicznych, implantów).
10. Jaka jest żywotność laserów fibrowych?
Żywotność lasera fibrowego określana jest jako MTBF (Mean Time Between Failures), czyli średni czas między awariami. MTBF laserów fibrowych wynosi do 150 000 godzin. W praktyce jednak żywotność może się różnić w zależności od typu lasera, warunków pracy i konserwacji. Lasery CO₂ mają MTBF na poziomie około 30 000 godzin.
Należy pamiętać, że nie wszystkie lasery sprzedawane jako „fibrowe” faktycznie wykorzystują zasadę generowania wiązki laserowej w aktywnym światłowodzie. Ważne jest, aby upewnić się, że laser rzeczywiście posiada aktywne włókno optyczne, a nie jedynie pasywne włókno służące do transmisji wiązki laserowej z innego źródła.
11. Najważniejsi producenci laserów fibrowych
Liderem na rynku laserów fibrowych jest amerykańska firma IPG Photonics Corp., która posiada około 70% udziału w rynku. Producent ten oferuje szeroką gamę laserów impulsowych i ciągłych o mocach od 10 W do ponad 100 kW.
Dla europejskich klientów sensownym wyborem są lokalni producenci, którzy oferują wysokiej jakości produkty oraz lokalne wsparcie techniczne. Należą do nich brytyjska firma SPI Lasers, będąca częścią niemieckiej grupy Trumpf, oraz francuska firma ES Laser, która od 30 lat dostarcza lasery fibrowe i CO₂ do precyzyjnego znakowania, grawerowania, mikroobróbki i spawania.
Relatywnie nowym graczem na tym polu jest francuski producent i innowator Technomark, który cieszy się silną renomą w przedsiębiorstwach przemysłowych dzięki wyjątkowo niezawodnym znakowarkom mikroudarowym. W dziedzinie laserów Technomark dostarcza kompleksowe stacje laserowe serii Graphix oparte na technologii lasera fibrowego.