Лазерні різальні та гравірувальні станки завдяки своїм потужним функціям і широкому діапазону застосування стали новим поколінням інструментів у сучасній обробці неметалевих матеріалів. Найважливішим компонентом лазерного станка є джерело лазерного випромінювання. Воно відповідає за генерацію та випромінювання лазерного променя. Якість лазерного джерела безпосередньо пов’язана з продуктивністю станка для різання та гравіювання.
Джерела лазерного випромінювання:
- скляна лазерна трубка CO2 – скляна трубка заповнена сумішшю газів, виготовлена з твердого скляного матеріалу.
- металева радіочастотна лазерна трубка CO2(RF), використовує радіочастотне збудження змінного струму.
- діодний лазер, також відомий як напівпровідниковий лазер, складається з напівпровідникового діодного матеріалу. Розглядати будем синій діодний лазер, скорочено «синій лазер».
Робочим середовищем лазера зі скляною трубкою є суміш вуглекислого газу, азоту та гелію. Постійним струмом збуджуються молекули вуглекислого газу для переходу з низького енергетичного рівня на високий енергетичний рівень, а потім назад на низький енергетичний рівень, при цьому випромінюються фотони. Цей процес безперервно повторюється, в результаті чого утворюється лазерний промінь певної інтенсивності. Допоміжні гази допомагають підвищити ефективність лазера. Азот відповідає за передачу енергії, сприяючи швидкому переходу молекул вуглекислого газу з низьких на високі енергетичні рівні. Гелій прискорює процес теплової релаксації, сприяючи швидкому переходу молекул вуглекислого газу з високих на низькі енергетичні рівні.
Принцип роботи радіочастотного лазера CO2 подібний до принципу роботи лазера в скляних трубках CO2, але метод збудження відрізняється. Радіочастотний лазер використовує високочастотне електричне поле, що генерується радіочастотним джерелом живлення, щоб збудити молекули вуглекислого газу для переходу і вироблення лазера. RF означає «радіочастота» – це сигнал змінного струму з високою частотою, який працює в діапазоні від 300 КГц до 30 ГГц, а не частота імпульсів.
Лінійка лазерів охоплює різні довжини хвиль, такі як ультрафіолет, видиме світло, ближній, середній і дальній інфрачервоний діапазони. Для конкретного джерела лазерного випромінювання робоче середовище, конструкція і модуляція довжини хвилі визначають вихідну потужність лазера.
Для CO2-лазерів, включаючи лазери на скляних трубках і лазери на радіочастотних трубках, природа їхнього робочого середовища визначає, що довжина лазерної хвилі, яку вони можуть безпосередньо випромінювати, становить близько 9-10 мкм. Цей діапазон потрапляє в «атмосферне вікно» 8-14 мкм, де коефіцієнт пропускання атмосфери високий, а втрати лазера відносно низькі. Звичайні неметалеві матеріали, такі як дерево, пластик і тканини, можуть ефективно поглинати світло в середньому інфрачервоному діапазоні. Тому CO2-лазери можуть легко різати і гравіювати ці неметалеві матеріали. Основні довжини хвиль CO2-лазерів становлять 9,3 мкм, 10,2 мкм і 10,6 мкм. Лазер 9,3 мкм підходить для обробки ПВХ, поліамідної плівки, полікарбонату, ПЕТ і т.д.; лазер 10,2 мкм – для обробки поліпропілену; а лазер 10,6 мкм – для обробки більшості неметалевих матеріалів.
Серія машин для різання та гравіювання Thunder Laser використовує лазерне джерело CO2 з довжиною хвилі 10,6 мкм, здатне обробляти дерево, акрил, ABS, папір, тканину, шкіру, камінь та багато іншого.
Діодні лазери мають ширший діапазон довжин хвиль, зазвичай 400-2000 нм. Найпоширеніші довжини хвиль, що використовуються для лазерної обробки: 532 нм (зелений), 450±5 нм (синій) і 405 нм (фіолетовий). Ці довжини лазерних хвиль належать до діапазону видимого світла і їх можна побачити неозброєним оком. Але пряме спостереження за видимими лазерами небезпечне, лазер може пошкодити очі.
Діодних лазери можуть обробляти неметалеві матеріали, а також підходять для обробки металів, оскільки метали можуть ефективно поглинати коротші довжини хвиль світла. Зокрема, сині лазери особливо ефективні для обробки жовтих металів з високим коефіцієнтом відбиття, таких як латунь і золото.
Чим довший шлях, який проходить лазерний промінь, і чим більше дзеркал використовується, тим більші втрати лазера. У малому і середньому лазерному обладнанні CO2-лазери, включаючи лазери зі скляною трубкою і радіочастотні лазери, зазвичай використовують три відбиваючих дзеркала для зміни траєкторії проходження променя. В результаті лазерний промінь виходить перпендикулярно до обробної платформи. Це пов’язано з тим, що розмір джерела СО2-лазера відносно великий і його не можна розмістити безпосередньо всередині лазерної головки.
Діодні лазери мають дуже малий розмір і можуть бути розміщені безпосередньо всередині лазерної головки. Зазвичай для проходження лазерного променя не потрібно дзеркал або тільки одне дзеркало.
Якість лазерного променя безпосередньо визначає якість лазерної обробки. Якість лазера вимірюється такими параметрами, як M2. M2 – це відношення фактичного променя до ідеального гауссового променя. Чим ближче M2 до 1, тим краща якість променя. Інтуїтивно зрозуміло, що чим краща якість променя, тим менший розмір плями у фокусній точці, вища концентрація потужності лазера – як результат вища ефективність і точність різання та гравіювання.
В цілому, в області комерційних малих і середніх станків для лазерного різання і гравіювання якість лазерного променя CO2-лазерів краще, ніж у діодних лазерів. M2 для CO2-лазерів знаходиться в межах від 1,1 до 1,3, а значення M2 діодних лазерів- в межах від 1,1 до 1,7. Середовище підсилення CO2-лазерів є більш однорідним і стабільним – газова суміш як середовище підсилення є більш однорідною і стабільною порівняно з напівпровідниковими матеріалами, що використовуються в діодних лазерах.
Лазерна структура CO2-лазерів краще спроектована: конструкція CO2-лазерів дозволяє вихідному лазерному променю мати кращу форму моди, ближчу до ідеального гауссового профілю. Розмір і форма плями діодних лазерів тісно пов’язані з їхньою структурою і умовами експлуатації. У порівнянні з CO2-лазерами, форма плями діодних лазерів більш мінлива і нерегулярна. Малопотужні діодні лазери мають вищу якість променя, ніж потужні діодні лазери. Тому комерційні малі та середні машини для лазерного різання та гравіювання часто не використовують один потужний діодний лазер, а комбінують з декількох малопотужних для досягнення більшої загальної вихідної потужності.
CO2-лазери мають менший кут розбіжності: чим менший кут розбіжності, тим більш концентрованою є енергія променя, і тим більше він підходить для лазерного різання та гравіювання. Лазерне випромінювання CO2-лазерів – це тонкий, сфокусований промінь. У діодних лазерах через унікальну структуру і малий розмір, на виході відбувається заломлення, що призводить до більшого кута випромінювання вихідного лазера. Це вимагає використання додаткової оптичної призми для перетворення заломленого лазерного променя в паралельний пучок перед фокусуванням його через лінзу.
CO2 лазери на скляних трубках та радіочастотні CO2 лазери(RF) можуть досягти більш рівномірного процесу іонізації, тим самим виробляти стабільніший і якісніший лазерний промінь. RF-лазери зазвичай мають кращу якість променя і менші розміри плями, що дозволяє їм виконувати дуже тонке гравіювання.
Час обробки матеріалу діодними лазерами набагато довший, ніж CO2-лазерами. При обробці одного і того ж виробу час обробки діодним лазером, приблизно втричі перевищує час обробки CO2-лазером, і це особливо помітно при різанні. Для малих і середніх лазерних станків, таких як настільні моделі, вихідна потужність використовуваних діодних лазерів зазвичай становить 10-20 Вт, а в деяких моделях – 40 Вт і більше, а максимальна швидкість обробки не перевищує 1000 мм/с. На відміну від цього, вихідна потужність CO2-лазерних трубок в малих і середніх лазерних машинах від 30 Вт і може досягати 100Вт при максимальній швидкості обробки 1000мм/с-2000 мм/с. Вища потужність означає, що станок може досягти того ж ефекту з більшою швидкістю і за меншу кількість циклів або проходів обробки.
CO2-лазери можуть обробляти дерево, шкіру, гуму, папір, картон, тканину, прозорий і непрозорий акрил, камінь, скло, кераміку, анодований алюміній і метали з покриттям. Для обробки цих матеріалів діодні лазери вимагають розпилення фарби на нижню частину матеріалу або розміщення під ним чорної пластини або чорного паперу. Діодні лазери можуть обробляти дерево, шкіру, папір, картон, непрозорі акрилові матеріали (чорний, коричневий, червоний, жовтий, зелений), камінь, скло з покриттям, кераміку з покриттям, а також чисті метали: нержавіючу сталь, титан, залізо та оксид алюмінію, чого не можуть робити CO2-лазери. Для обробки металевих матеріалів CO2-лазерам потрібно розпилювати фарбу на поверхню металу. Діодні лазери також добре справляються з гравіюванням і різанням неметалевих матеріалів, але через свою меншу потужність вони підходять лише для різання тонких матеріалів і неглибокого гравіювання. Для товстіших матеріалів потрібно кілька циклів обробки, що може збільшити похибки.
Радіочастотні лазери CO2 демонструють винятково хороші результати при гравіюванні неметалевих матеріалів. Їх особливості формування лазерного променя і поляризації забезпечують більш делікатний і рівномірний ефект обробки. Технологія генерації лазерного променя може регулювати форму і розмір лазерної плями, що призводить до більш рівномірного розподілу енергії під час лазерної обробки, тим самим підвищуючи якість і ефективність обробки. Крім того, лінійна поляризація, характерна для радіочастотних лазерів, допомагає зменшити втрати енергії при обробці матеріалів з високим коефіцієнтом відбиття.
Якщо потрібно різати товсті матеріали або виконувати глибоке гравіювання, рекомендується використовувати CO2-лазер, оскільки CO2-лазери мають більшу потужність. Вища потужність гарантує обробку на більш високих швидкостях за один прохід.
Скляні трубки з CO2 не можна заправляти і використовувати повторно, тому термін їхньої служби коротший, ніж у радіочастотних лазерних трубок, і зазвичай становить від 4000 до 6000 годин. Однак, якщо проводиться належне технічне обслуговування, скляні трубки можуть прослужити навіть більше 5 років.
Радіочастотні трубки з CO2 стабільно працюють і не потребують спеціального обслуговування. Радіочастотні трубки CO2 можна заправляти і використовувати повторно, а термін служби перевищує 10 000 годин.
Термін служби діодних лазерів становить приблизно 10 000 годин. Однак деякі діодні лазери можуть не досягти свого номінального терміну служби. Це пов’язано з тим, що потужність діодних лазерів, як правило, відносно низька, і для досягнення результатів їм часто доводиться працювати на високій потужності протягом тривалих періодів. Тривала робота на високій потужності може прискорити старіння компонентів лазера і скоротити термін його служби, призводить до значного нагрівання лазера, що може змінити спектр випромінювання і пороговий струм діода, що збільшує ризик виходу з ладу, впливає на стабільність і може призвести до пошкодження оптичних компонентів.
Для забезпечення стабільної роботи протягом тривалого часу, лазерне обладнання, як правило, обладнане системою охолодження. У лазерах зі скляною трубкою використовується система водяного охолодження, тоді як у лазерах на радіочастотних лазерних трубках і діодних лазерах як правило використовується повітряне охолодження. Перевага водяного охолодження полягає в тому, що воно працює дуже тихо, майже не створюючи додаткового шуму. Має хороший охолоджувальний ефект і може ефективно знижувати температуру, що робить його ефективним навіть для потужного лазерного обладнання. Перевагами повітряного охолодження є простота встановлення та обслуговування, а також інтегрований і зручний демонтаж. Оскільки охолодження може бути не таким ефективним, як водяне, воно в основному підходить для малого та середнього лазерного обладнання. Робота вентилятора може створювати певний шум.
Для лазерів зі скляною трубкою довжина прямо пропорційно пов’язана з максимальною вихідною потужністю. Якщо вам потрібна більша вихідна потужність лазера, вам потрібно вибрати довшу скляну трубку – чим довше лазерне середовище, тим вища максимальна вихідна потужність лазера. Скляні лазери відносно недорогі порівняно з іншими типами лазерів, що робить їх доступними для користувачів з обмеженим бюджетом, стартапів і недорогих проектів. Однак якість променя скляних трубок не така хороша, як у RF-трубок, швидкість відгуку відносно низька, і вони не можуть працювати на низькій потужності, що обмежує їх застосування у високоточній обробці.
Радіочастотні(RF) лазери мають компактний розмір, навіть при виборі більш потужних RF-трубок збільшення їхнього розміру є незначним. Просте обслуговування, зручна інтеграція і установка, низькі експлуатаційні витрати, висока якість променя і тривалий термін служби роблять їх приваблими для прибдання і використання в довгостроковій перспективі. RF-лазери підходять для використання, де вимагають високої точності і довготривалої стабільної роботи. В області лазерного гравіювання неметалевих матеріалів перевага надається RF-лазерам завдяки їхнім ефектам тонкого гравіювання. На дереві, акрилі, шкірі, тканині чи папері радіочастотні лазери забезпечують точне і чітке гравіювання, що відповідає вимогам високотехнологічних ринків.
Діодні лазери мають просту структуру,і компактні розміри, що робить їх найлегшими серед трьох типів лазерів. Порівняно з CO2-лазерами, вони мають вужчий діапазон застосування, меншу потужність і меншу швидкість обробки неметалевих матеріалів. Однак їхня низька вартість, портативність і придатність для епізодичного використання, дрібносерійного виробництва роблять їх привабливими для певних груп користувачів.
