Témata
Reklama

Průmyslové lasery (4) - Hlavní typy laserů v průmyslové praxi

V současných průmyslových aplikacích se používá pět hlavních typů laserů: Nd:YAG, CO2, diskové, vláknové a diodové lasery. Jednotlivé typy se pak dále dělí podle typu buzení, provozního režimu (kontinuální, pulzní) a dalších parametrů. Každý typ má svoje výhody a nevýhody, jakož i typické aplikace, pro které je vhodný.

Přehled základních typů je uveden v tabulce. Pojďme se nyní na jednotlivé typy laserů a jejich vlastnosti podívat blíže.

Reklama
Reklama
Reklama
Obr. 1. Pevnolátkové lasery: 1 – Nd:YAG laser, 2 – diskový laser, 3 – vláknový laser, 4 – diodový laser. Význam šipek: modré – chlazení, zelené – buzení, fialové – svazek laseru. Červeně je zobrazen teplotní profil v aktivním médiu. U diodového laseru je buzení přímým elektrickým proudem.

Nd:YAG, vláknové a diskové lasery

Tyto tři typy laserů mají vlnovou délku řádově 1 µm a patří do třídy pevnolátkových laserů (solid state) s aktivním prostředím tvořeným matricí umělého YAG krystalu (yttrium-aluminium-granát) dopovaného ionty neodymu (Nd) nebo ytterbia (Yb). Hlavní rozdíl mezi těmito typy laserů spočívá v geometrii aktivního prostředí (viz obr. 1) – u Nd:YAG laseru má aktivní prostředí tvar tyčinky (délka 15–20 cm, průměr je řádově v mm), u diskového je to tenký disk (průměr 10 mm, tloušťka 0,25 mm) a u vláknového laseru je to dlouhé optické vlákno (délka řádově v metrech, průměr 50–300 µm). Ohromnou výhodou posledně jmenovaných laserů je možnost vést záření s vlnovou délkou 1 µm flexibilním optickým vláknem, což velmi usnadňuje „přenos“ záření z laseru do místa procesu.

Nd:YAG laser

Z uvedených typů je to historicky nejstarší typ nasazený v průmyslu. Používají se Nd:YAG lasery buzené buď výbojkami (LPSS – lamp pumped solid state, obr. 2), nebo laserovými diodami (DPSS – diode pumped solid state, obr. 3). LPSS Nd:YAG lasery mají nízkou účinnost přeměny elektrické energie na světelnou, neboť velká část energie výbojky se nevyužije a přemění se na teplo (je nutné chlazení vodou). DPSS Nd:YAG lasery mají vyšší účinnost a lepší kvalitu svazku.
V dnešní době se LPSS Nd:YAG lasery používají zejména v pulzním režimu pro laserové svařování (aplikace s požadavkem hlubokého průvaru a malé teplotně ovlivněné zóny) a vrtání (např. v leteckém průmyslu pro vrtání ušlechtilých ocelí a slitin). Výhodou těchto laserů je vysoká energie v pulzu (až 100 J@ms – pozn.: u laserů se udává energie v pulzu a doba pulzu), kterou tyto aplikace vyžadují. Nevýhodou je nízká účinnost, velké nároky na chlazení, vysoké provozní náklady a krátká životnost výbojek (~1 000 h). Firma IPG Photonics nedávno představila alternativu v podobě tzv. kvazikontinuálního vláknového laseru (QCW, viz tabulka), který nabízí shodné parametry a současně mnoho výhod spojených s vláknovým laserem.

Obr. 2. LPSS Nd:YAG laser: 1 – zadní zrcadlo, 2 – Nd:YAG krystal, 3 – optické buzení, 4 – výbojka (lampa), 5 – chladicí kapalina, 6 – keramický reflektor, 7 – stimulovaná emise, 8 – výstupní zrcadlo, 9 – svazek laseru

DPSS Nd:YAG se používají hlavně v tzv. Q-spínaném pulzním režimu, kdy laser generuje velmi krátké pulzy v řádech ns a průměrný výkon se pohybuje do 100 W. Hlavní použití je pro značení a gravírování kovů, plastů a dalších materiálů. V porovnání s LPSS lasery je zde vyšší účinnost, delší životnost a menší nároky na chlazení. Používání těchto laserů nicméně již několik let silně klesá a jsou nahrazovány vláknovými pulzními lasery, které nabízejí v podstatě pouze výhody.

Mezi hlavní světové výrobce průmyslových Nd:YAG laserů patří firma GSI JK Lasers, Rofin, Lasag aj.

Diskové lasery

Jedná se o moderní technologii vyvíjenou především firmou Trumpf. Princip je podobný jako u Nd:YAG laseru, ale aktivní prostředí zde tvoří malý disk. Výhodou je rovný teplotní profil po celém disku (obr. 1), který umožňuje dosáhnout vysokých výkonů (až 16 kW) s dobrou kvalitou výstupního svazku, což byl právě velký problém u Nd:YAG laserů. Použití je zejména pro výkonově náročné operace, jako je svařování a řezání kovů. Nevýhodou diskových laserů je menší účinnost (15–20 %) a nižší životnost než u laserů vláknových.

Vláknový laser

Vláknový laser představuje technologicky nejmodernější typ pevnolátkového laseru, kde aktivní prostředí tvoří dlouhé optické vlákno dopované ytterbiem (obr. 4). Buzení z laserových diod je vedeno přes optickou spojku do aktivního vlákna a namísto zrcadel jsou zde Braggovy mřížky, což jsou struktury vytvořené přímo na optickém vlákně. Záření je pak z vlákna „vyvázáno“ pomocí optického kolimátoru.

Obr. 3. Diodami buzený Nd:YAG laser (DPSS): 1 – zadní zrcadlo, 2 – kolimační optika, 3 – pole laserových diod, 4 – chlazení, 5 – napájení, 6 – Nd:YAG krystal, 7 – výstupní zrcadlo, 8 – výstupní svazek

Vláknové lasery se dále dělí podle pracovního režimu na kontinuální (CW), pulzní nebo kvazipulzní (QCW), hlavní použití těchto typů je uvedeno v tabulce. Zásadní výhodou vláknového laseru je jeho jednoduchost (celý laser tvoří vlastně optické vlákno), robustnost a modularita, která je u těchto laserů unikátní – laser je tvořen tzv. laserovými moduly, jejichž spojováním se může postupně navyšovat výkon (dnes až 80 kW).

K dalším výhodám náleží vysoká účinnost (30–35 %), vysoká životnost (až 100 000 h), malé prostorové nároky, vysoká kvalita laserového svazku, nejnižší provozní náklady ze všech uvedených typů a téměř nulové nároky na údržbu. Dominantním světovým výrobcem vláknových laserů je firma IPG, mezi další patří GSI JK Lasers, Rofin, SPI a další.

CO2 lasery

CO2 lasery patří do skupiny plynových laserů (aktivní prostředí je směs plynů obsahující CO2). V průmyslu se používají lasery buzené buď radiofrekvenčně (RF) nebo elektrickým výbojem (DC – direct current). Z hlediska uzavřenosti rezonátoru se dělí na tzv. sealed off lasery s hermeticky uzavřeným rezonátorem a na tzv. průtočné lasery, kdy plyn rezonátorem neustále proudí (což je nutné u vysokých výkonů ~10 kW).

Do výkonů 5 kW jsou nejčastěji používány DC RF CO2 lasery (difuzně chlazené, RF buzené) Základní princip je na obr. 5. Buzení aktivního plynu se provádí radiofrekvenčním vlněním, které probíhá mezi dvěma elektrodami, jež současně zajišťují díky svojí velké ploše difuzní chlazení plynu. Tyto lasery vynikají vysokou spolehlivostí, dlouhou životností a nízkými provozními náklady.

Obr. 4. Vláknový laser: 1 – budicí diody, 2 – optická spojka, 3 – Braggova mřížka, 4 – optické vlákno, 5 – výstupní kolimátor, 6 – svazek laseru

Využití CO2 laserů je pro značení, gravírování a řezání nekovů (plastů, plexiskla, kůže, papíru, skla aj.), kdy nelze použít výše uvedené lasery s vlnovou délkou 1 µm. Zde se používají výkony do 1,5 kW. Další průmyslovou aplikací je řezání a svařování kovů (výkony až do 20 kW), kde jsou CO2 lasery dobře zavedeny.

Obr. 5. RF DC CO2 laser: 1 – výstupní svazek, 2 – tvarovač svazku, 3 – výstupní zrcadlo, 4 – chlazení, 5 – RF buzení, 6 – zadní zrcadlo, 7 – RF excitační výboj, 8 – velkoplošné elektrody.

Na rozdíl od laserů s vlnovou délkou 1 µm nelze záření CO2 laseru (10,6 µm) vést optickým vláknem a je nutné pro vedení svazku používat zrcadla, což je velkou nevýhodou – optická dráha je složitější, je nutná její kalibrace, justování, jsou zde nároky na čistotu a údržbu zrcadel atd. Hlavními světovými výrobci CO2 laserů jsou firmy Coherent, Rofin, Trumpf nebo Synrad.

Diodové lasery

U diodového laseru se záření generuje přímo v polovodiči (GaAs, AlGaAs) v PN přechodu průchodem elektrického proudu. Tyto mikroskopické emitery (výkon ~ mW) se skládají do řad (bars) délky několika mm a výkonu cca 10 W, které se dále skládají na sebe do sloupců (stacks, výkon až 600 W). Spojováním sloupců se dosahují výkony v řádech kW. Hlavní nevýhodou je velmi nízká kvalita laserového svazku (velká rozbíhavost), proto nelze svazek fokusovat do malého bodu. Výhodou je naopak vysoká účinnost (50–60 %). Diodové lasery jsou proto vhodné hlavně pro povrchové aplikace – svařování, navařování, kalení a nanášení vrstev (cladding). Mezi hlavní světové výrobce patří firmy Coherent, IPG, Laserline a Dilas.

Studené mikroobrábění

V poslední době se začínají také používat tzv. ultrarychlé (ultrafast) lasery s velmi krátkými pulzy (~ps až fs), které jsou vhodné pro tzv. studené mikroobrábění, neboť díky takto krátkým pulzům nevzniká v materiálu tepelně ovlivněná zóna.

Ing. Miroslav Novák
Lao – průmyslové systémy
//www.lao.cz/
novak@lao.cz


Tab. Základní přehled průmyslových laserů
Legenda: *u pulzních laserů se udává energie v pulzu a doba pulzu, případně střední výkon. Typické aplikace: Ř – řezání, S – svařování, Z – značení, G – gravírování, K – kalení, N – nanášení vrstev, M – mikroobrábění, nk – nekovy. Buzení LD – laserové diody. Režim CW – kontinuální, QCW – kvazipulzní.

Reklama
Vydání #9
Kód článku: 120911
Datum: 04. 09. 2012
Rubrika: Trendy / MSV 2012
Autor:
Firmy
Související články
Pohodlné upínání magnetem

Pokud jde o úsporu času při seřízení a upnutí obrobků bez deformace, je elektricky aktivovaná technologie permanentních magnetů považována za špičkový systém. S trochou konstrukční zručnosti mohou být během sekundy a bez deformace upnuty a z pěti stran obrobeny především velkoformátové díly. Ani v oblasti standardních modulů nezůstává vývoj bez odezvy. Moderní magnetické upínací desky umožňují optické nebo automatizované monitorování upínacího procesu.

Princip laserového čištění a jeho možnosti

Laserové čištění patří mezi mladé technologie, jež nacházejí stále nové uplatnění nejen v průmyslu. Hlavním důvodem jsou nízké provozní náklady, ekologická šetrnost k životnímu prostředí a v neposlední řadě šetrnost k čištěnému materiálu oproti konvenčním metodám.

Výhody laserem kalených povrchů

Laserové kalení již není zdaleka výsadou pouze při zušlechtění forem. Díky dostupnosti a klesajícím cenám laserů (pořizovacím i provozním) je tato technologie stále častěji uplatňována také v tradičním strojírenství pro vhodné konstrukční materiály a strojní díly.

Související články
Výrobní laserové technologie

Výrobní laserové technologie lze dělit mnoha způsoby-, podle použitého výkonu, délky pulzu nebo interakce s materiálem. Nejjednodušší způsob rozdělení laserových technologií je do tří skupin: dělení a odebírání materiálu, spojování materiálu a úprava povrchu materiálu. Vzhledem k rozmanitosti využití laseru není toto dělení zcela jednoznačné a existuje několik dalších technologií, které se nacházejí mezi těmito kategoriemi.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Využití výrobků z recyklovaných plastů

Plastové odpady a jejich využití je v současné době velmi diskutovaným tématem. Očista naší země je velice důležitá, protože spousta plastového odpadu končí na skládkách a ve vodách oceánů. Proč tento odpad nezpracovat v rámci recyklace na smysluplné výrobky?

Výuka a výzkum aditivních technologií

Inovativní výrobní technologie nacházejí své místo také v technickém vzdělávání. Do svých osnov je dříve či později zakomponovaly všechny technické vysoké školy. Avšak pořízení nákladných technologií se neobejde bez podpory ze strany průmyslového výzkumu. Na Fakultě strojní ČVUT v Praze nyní disponují úplně novým zařízením M2 cusing pro výrobu dílů metodou DMLS německého výrobce Concept Laser, dnes působící pod značkou GE Additive. Stroj dodala společnost Misan a technologie slouží primárně pro výzkum v leteckém průmyslu.

Nové technologie osvětlení vozidel

Získat zkušenosti s novými zdroji světla bylo cílem jednoletého projektu Ideag, do něhož se na konci roku 2017 pustila mladoboleslavská společnost EDAG Engineering CZ. Výsledný prototyp zadní lampy navržené pro model Škoda Superb ukazuje možnosti využití tří moderních technologií: elektroluminiscenční fólie, OLED panelu a COB LED destiček.

Kombinace technologií slévání a 3D tisku

Aditivní technologie přinášejí do oboru slévárenství nový pohled na věc a výrazně ovlivňují nejen proces výroby odlitků, ale i myšlení pracovníků ve slévárnách. Aditivní výroba zásadním způsobem mění zavedené pracovní postupy, systémy práce s výrobní dokumentací, technickou přípravu výroby a technologii výroby odlitků. Mění také možnosti konstrukce odlitků včetně jejich tvarové náročnosti. Proto můžeme bez přehánění tvrdit, že celou slévárnu a její postup výroby odlitků lze vměstnat do jednoho stroje - 3D tiskárny na kovy.

Nanotechnologie v automobilovém průmyslu

Nanomateriály budou hrát v automobilovém průmyslu bezpochyby významnou roli. Výroba automobilů v budoucnosti se změní na personalizovaný a zakázkový 3D tisk z nanokompozitních materiálů, které nahradí zcela ocel a plasty. Automobil s nanosenzory, které se stanou jeho čidly, se bude sám orientovat a přizpůsobovat okolnímu prostředí.

Kapalina jako tvářecí medium

V dnešní době je stále více kladen důraz na sofistikovanost i ekonomickou efektivnost výrobních procesů. Současně je žádána výroba stále složitějších tvarů, vyplývajících především z designových návrhů lisovaných součástí, které dříve nebyly řešitelné jako např. výroba negativních tvarů, složitě prostorově i tvarově orientovaných trubkových dílců apod. V tomto případě lze s výhodou, namísto pevných konvenčních nástrojů, využít výrobní metody zaměřené na nepevné nástroje, jako je např. kapalina.

Moderní způsoby ochrany vysokopevných ocelí

V posledních letech je v automobilovém průmyslu kladen stále větší důraz na snižování hmotnosti vozu, potažmo spotřeby a z ní plynoucích emisí, za současného zvýšení bezpečnosti posádky. Jednou z možností, jak splnit tyto požadavky, je nahrazení starých materiálů používaných pro výrobu určitých komponentů za nové, pevnější. Díl z pevnějšího materiálu může být tenčí a potažmo i lehčí oproti dílu původnímu, ale současně je schopen vydržet stejné, nebo i větší namáhání.

Jsou smíšené konstrukce dočasně za svým zenitem?

Nikdo nenamítá proti oprávněné potřebě lehkých konstrukcí v dopravě, aeronautice, obalové technice a u pohyblivých částí strojů, systémů a zařízení. Avšak jsou smíšené konstrukce s plasty vyztuženými vlákny v současnosti opravdu za svým zenitem?

Laserová technologie Platino pro každého

Nová verze fiber laseru Platino od italského výrobce Prima Power je jeden z nejúspěšnějších produktů z celého portfolia společnosti. 2D laser postavený na více než konsolidované platformě ze syntetického granitu má na kontě více než 2 000 instalací po celém světě. Stroj byl vybaven a aktualizován důležitými technologickými inovacemi, které přispívají k tomu, že je ještě rychlejší, spolehlivější a produktivnější.

Harmonizace ve svařování

Mezinárodní harmonizace norem a pravidel pro svařování je důležitá z mnoha důvodů. Primárním důvodem je skutečnost, že svařování je považováno za "zvláštní proces" (EN ISO 9001), při kterém nelze zcela zjistit jakost po skončení procesu inspekcí, ale jakost musí být sledována před i v průběhu celého procesu svařování.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit