Lasery s krátkými pulzy pro povrchové úpravy

Již na konci osmdesátých let začaly zdroje laserového záření nacházet uplatnění v odstraňování povrchových vrstev kovů. Aplikace, pro které byly lasery s nanosekundovými délkami pulzů použity, ukázaly, že díky krátkému působení laserového svazku na materiál (a tím velmi malému tepelnému ovlivění), je možné zcela vynechat jinak nezbytné finální opracování součástí. Konkrétně se většinou jednalo o pevnolátkové laserové systémy Nd:YAG čerpané lampami. V polovině devadesátých let již zdroje dosahovaly průměrného výkonu 100 W s délkou pulzu 100 ns, což v důsledku vedlo ke zvýšení účinnosti a rychlosti procesu. Na konci devadesátých let pak přišly na trh první vláknové lasery pro mikroobrábění. Ty se nejprve používaly v oblasti telekomunikací jako systémy pro zesílení signálu.

Pulzní vláknové systémy s vlnovými délkami kolem 1 µm začaly být díky svým velmi kompaktním rozměrům brzy aplikovány pro laserové značení. Jedna z hlavních výhod pulzních vláknových laserů – velká hustota výkonu, tj. vysoká koncentrace energie do malého bodu (spotu) – způsobila, že na trh přicházely stále výkonnější a levnější popisovací a gravírovací systémy. Díky tomu se brzy začalo objevovat více možností pro jejich využití.

Především díky použití pružných skleněných vláken mohla být konstrukce komponent pro vedení laserového svazku výrazně zjednodušena. Samotná vlákna, která nejsou citlivá na vnější vlivy, tak zaručují stabilní provoz zařízení a bezproblémovou opakovatelnost procesu. V dnešní době se v laserech IPG používá inovativní systém laserových modulů, který v kombinaci s optimalizovanými elektronickými komponentami umožňuje velmi rychlou modulaci, a tím přesné a stabilní řízení jednotlivých pulzů. Tyto výše vyjmenované vlastnosti jsou nezbytnou podmínkou pro přesné zpracování materiálů, ať už z pohledu prostoru či času.

V případě v současnosti používaného nanosekundového pulzního laseru IPG se jedná o tzv. Q-switch laserový systém (Q-spínaný). Ten se vyznačuje především jednoduchým kompaktním designem. Základním prvkem je vláknový hlavní oscilátor, u kterého je délka pulzu pevně nastavena a pohybuje se od 20 ns do 2 000 ns s opakovací frekvencí mezi 1 kHz a 500 kHz. Vysokých průměrných výkonů je následně dosahováno jedno- či vícestupňovým zesilováním tohoto slabého záření z hlavního oscilátoru.

Pro vedení laserového záření v až několik metrů dlouhých procesních vláknech je toto záření dále šířeno skrz tzv. optický izolátor a kolimátor. V závislosti na zpracovávaném materiálu a koncepci systému vedení paprsku mohou být kolimátory zvoleny tak, aby se průměr svazku pohyboval v rozmezí 2 mm až 10 mm. Ve speciálních případech proces vyžaduje změnu šířky pulzu během procesu – pak je možné použít tzv. MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) laser od firmy IPG.

Díky neustálému vývoji vláknových laserů IPG je dosahováno stále vyšších hodnot průměrného výkonu – to umožňuje rychlejší a efektivnější zpracování (mnohdy zcela nových) materiálů. Flexibilní modelová řada těchto laserů navíc přináší jedinečnou možnost zvolit vždy vhodný laserový zdroj pro každou aplikaci. V tomto případě se tak může jednat o např. nízkou energii v pulzu v kombinaci s opakovací frekvencí v řádu MHz a vynikající kvalitou svazku nebo o vysokou energii v pulzu (100 mJ) a špičkový výkon několik MW.

Zde stojí za zmínku nový Mega Pulse laser YLPN-50-120-5000-S s průměrným výstupním výkonem 5 kW. Špičkový výkon v pulzu dosahuje více než 400 kW při energii 50 mJ a délce pulzu 120 ns. Celková účinnost tohoto laseru je vyšší než 30 %. Kombinace procesních vláken s průměrem jádra 400 µm a 600 µm a vysokého průměrného výkonu dělá z vláknového laseru Mega Pulse ideální zařízení pro efektivní a rychlé zpracování povrchů.

Pulzní vysokovýkonné lasery IPG jsou nabízeny ve dvou různých podobách podle typu konstrukce. Prvním typem je kompaktní rack, který umožnuje jednoduchou integraci do stávajících zařízení. Dále existuje systémová verze v podobě skříně s možnostmi různých průmyslových rozhraní, např. Profinet, a s integrovaným bezpečnostním rozhraním.

Nanosekundové pulzní vláknové lasery se středními výkony od 100 W do několika kW jsou nejvíce využívány především při různých povrchových úpravách materiálu. Konkrétně se jedná o čištění a další technologie selektivního odstraňování povrchových vrstev materiálu. Proces je navíc velmi efektivní – např. u laserového čištění v případě použití laseru s průměrným výkonem 100 W a energií v pulzu 1 mJ dosahuje rychlost čištění u kovových materiálů cca 250 cm².min-1. Tepelně ovlivněná oblast na základním materiálu je velmi malá, takže čištěná součást není během procesu nijak poškozena. Zpracovávaný materiál je tepelně ovlivněn pouze lokálně – laserový paprsek ohřeje jeho povrch natolik, že dojde k natavení a odpaření odebíraného materiálu, tzv. sublimaci. Níže uvádíme přesnější rozdělení aplikací.

V případě povrchových úprav jde hlavně o čištění, odstraňování vrstev, odstraňování laků a nátěrů a strukturování povrchů. V případě odstraňování materiálu se bavíme zejména o gravírování, vysokorychlostním značení, vrtání nebo tzv. remote řezání.

Ve všech výše jmenovaných případech dojde při zpracování k překrývání pulzů, které je pro výsledek procesu rozhodující. Aby bylo použití laserů také ekonomicky výhodné, je vedle vysoké kvality zpracování samozřejmě nutná i vysoká rychlost procesu. Z důvodu zaručení konstantního překrývání pulzů je žádoucí dále zvyšovat opakovací frekvenci. Aby bylo navíc docíleno většího úběru materiálu, jsou při těchto úpravách upřednostňovány velké průměry svazku s vysokými energiemi v pulzu až 100 mJ. Dnešní značně rostoucí trh aplikací čistění laserem to potvrzuje – s lasery se můžeme setkat např. při restaurování kamenných památek nebo při čištění různých strojírenských součástí. Z praxe lze namátkou uvést čištění forem používaných v automobilovém průmyslu. Jelikož se často jedná o viditelné plochy, nesmí být forma v žádném případě laserem nijak porušena. Se správným nastavením parametrů procesu a vhodnou volbou procesní optiky lze však dosáhnout dokonale vyčištěného povrchu. Nezáleží přitom na tom, zda se jedná o 2D, či 3D aplikaci. Laser může být také použit přímo vnitřní prostory formy. Protože jsou formy používány pro výrobu dílů v automobilovém průmyslu, jsou kladeny velmi vysoké nároky na produktivitu procesu. Velmi často mívá proto laserová stopa čtvercový tvar, neboť v tomto případě jsou požadavky na překrývání jednotlivých laserových stop na povrchu materiálu nejmenší. Při použití laseru Mega Pulse s průměrným výkonem 5 kW a čtvercovým tvarem stopy, je možné při čištění forem dosáhnout rychlosti čištění materiálu více než 50 m² .h^-1.

Vysokovýkonné pulzní vláknové lasery ukazují svoji všestrannost a možnosti využití pro různé aplikace v mnoha průmyslových odvětvích. S pulzním laserem o průměrném výkonu 5 kW představuje firma IPG novou třídu laserů, která je obzvláště vhodná pro povrchové úpravy materiálů. Díky kombinbaci dvou důležitých vlastností – vysokého průměrného výkonu a vysoké opakovací frekvence – lze laser použít pro zpracování takových ploch a materiálů, kde bylo zpracování laserem původně ekonomicky nepřijatelné či technicky nemožné.

IPG Laser

Ing. Roman Švábek

rsvabek@ipgphotonics.com

Uložit