Lasery pompowane lampą błyskową są od ponad 40 lat z powodzeniem wykorzystywane w produkcji przemysłowej. W licznych zastosowaniach były i są kluczową technologią przy wytwarzaniu wymagających produktów.
Szczególnie mikrospawanie przy użyciu impulsowych laserów Nd:YAG umożliwiło przemysłową produkcję wielu delikatnych i technicznie złożonych części. Wysoka szczytowa moc impulsu oraz precyzyjnie dozowalne dostarczanie energii pozwalają na niezawodne spawanie najmniejszych elementów i materiałów wrażliwych.
W ciągu ostatnich 20 lat rozmiary tych systemów laserowych zostały znacznie zmniejszone dzięki nowym materiałom, bardziej wydajnym komponentom elektronicznym oraz kompaktowym modułom. Jednocześnie poprawiono niezawodność, obsługę i stabilność procesu. W rezultacie lasery Nd:YAG pompowane lampą błyskową stały się sprawdzonymi narzędziami pracy w wielu obszarach technologicznych.
Obecnie tysiące systemów laserowych Vision są m.in. wykorzystywane w technologii medycznej, sensorach, precyzyjnej mechanice, technice dentystycznej oraz w przemyśle jubilerskim.
Poniższe zalety obowiązują zasadniczo niezależnie od producenta:
Wobec zalet istnieje kilka wad natury technicznej:
Od kilku lat wykorzystanie laserów światłowodowych w przemysłowym spawaniu i cięciu systematycznie rośnie. Ich wysoka efektywność energetyczna, znakomita jakość wiązki oraz wyjątkowa niezawodność sprawiają, że są one szczególnie interesujące dla zautomatyzowanych procesów produkcyjnych i zastosowań o dużych wolumenach produkcji.
Laserów światłowodowych nie ograniczono zatem do przemysłu motoryzacyjnego; znalazły one zastosowanie także w wielu innych dziedzinach, w których wymagana jest wysoka dostępność urządzeń, odtwarzalne procesy i niskie koszty eksploatacji.
Podstawą współczesnych laserów światłowodowych są wydajne diody laserowe. Istotne rozwiązania technologiczne tych diod zostały pierwotnie opracowane dla zastosowań telekomunikacyjnych. Tam wymagano szczególnie wysokiej niezawodności, długiej żywotności i stabilnych parametrów optycznych.
W wyniku dalszego rozwoju diody laserowe zostały znacznie zoptymalizowane pod względem mocy, wydajności i żywotności. Nowoczesne diody typu single‑emitter, stosowane jako źródła pompowania w laserach światłowodowych, mogą osiągać bardzo wysokie moce optyczne w zależności od konstrukcji. Jednocześnie są zaprojektowane na czas pracy sięgający do 100 000 godzin.
Od kilku lat lasery światłowodowe w przemyśle we wszystkich obszarach spawania i cięcia zyskują na znaczeniu.
Wysoka efektywność i wyjątkowa niezawodność otwierają tym laserom szerokie zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym, jak również we wszystkich innych branżach, w których produkty są wytwarzane w dużych seriach.
Podstawą dzisiejszych laserów światłowodowych są diody laserowe opracowane dla zastosowań telekomunikacyjnych.
Około 15 lat temu rozpoczęto rozwój tych diod z celem osiągnięcia bardzo wysokich gęstości mocy i bardzo długiej żywotności.
Czas pracy rzędu 100 000 godzin odpowiada przy ciągłej eksploatacji 24 godziny na dobę przez siedem dni w tygodniu okresowi około 11,4 roku. Rzeczywista żywotność zależy jednak od temperatury pracy, obciążenia elektrycznego, koncepcji chłodzenia oraz warunków eksploatacji.
Wysokie wymagania dotyczące żywotności tych diod pochodzą między innymi z przemysłu telekomunikacyjnego. Systemy wzmacniaczy optycznych były tam częściowo instalowane w trudno dostępnej infrastrukturze kabli podmorskich. Awaria takich komponentów wiązałaby się z kosztownymi i skomplikowanymi naprawami. Dlatego też wymagania dotyczące niezawodności i długoterminowej stabilności były bardzo wysokie.
Wysoka żywotność diod laserowych w połączeniu ze solidnymi i hermetycznie zamkniętymi źródłami laserowymi sprawia, że lasery światłowodowe są szczególnie atrakcyjne tam, gdzie priorytetem są niezawodność, wysoka dostępność urządzeń oraz niskie koszty eksploatacji.
Lasery Nd:Yag pompowane lampą błyskową często wymagają wydajnego zasilania elektrycznego ze względu na relatywnie niską sprawność rzędu około 3–4 %. W zależności od mocy lasera i konfiguracji systemu może być konieczne przyłącze trójfazowe.
Duża część pobranej energii elektrycznej przekształcana jest w ciepło, a nie w użyteczne promieniowanie laserowe. W związku z tym zazwyczaj wymagana jest wydajna chłodnica wodna, co pociąga za sobą dodatkowe zapotrzebowanie na miejsce, prace konserwacyjne oraz zużycie energii.
Nowoczesne FSS-lasery światłowodowe (qcw) osiągają typowo znacznie wyższe elektrooptyczne sprawności, przekraczające 30 %. W zależności od konstrukcji i klasy mocy niektóre aktualne systemy osiągają jeszcze wyższe wartości.
Dzięki mniejszej mocy strat kompaktowe systemy FSS-laserów światłowodowych często mogą być chłodzone powietrzem za pomocą układu zintegrowanego. W niskich i średnich klasach mocy często wystarcza typowe jednofazowe zasilanie sieciowe. W zależności od konfiguracji systemu możliwe są napięcia zasilające w przybliżeniu 90–230 V.
Jednak przy FSS-laserach światłowodowych o dużej mocy wyjściowej również może być konieczne zastosowanie aktywnej chłodnicy wodnej oraz mocniejszego zasilania elektrycznego. Konkretne rozwiązanie zależy zawsze od mocy lasera, czasu pracy oraz charakteru procesu aplikacyjnego.
Tabela porównawcza YAG i FSS
Nie. Lasery światłowodowe FSS nie zastąpią całkowicie systemów laserowych pompowanych lampą błyskową.
W wielu obszarach zastosowań, w których laser jest używany tylko sporadycznie lub nie w trybie ciągłej produkcji, systemy pompowane lampą błyskową pozostaną także w przyszłości ekonomicznie atrakcyjnym rozwiązaniem. Dotyczy to w szczególności przypadków, gdy stosunkowo niższy koszt zakupu jest ważniejszy niż maksymalna efektywność energetyczna, dostępność urządzenia i niskie bieżące koszty eksploatacji.
Nawet w zastosowaniach wymagających wyjątkowo dużej energii impulsu, pompowane lampą błyskową lasery Nd:YAG nadal posiadają techniczne zalety. Należy do nich na przykład spawanie wysoko refleksyjnych metali szlachetnych, takich jak złoto i srebro. Przede wszystkim w przemyśle jubilerskim i przy pracach naprawczych systemy te zachowają więc długoterminowo swoją stałą pozycję na rynku.
Wyższe koszty inwestycyjne serii FSS amortyzują się szczególnie w zastosowaniach wymagających dużych średnich mocy laserowych, długich czasów pracy i trwałej, wysokiej dostępności. Dzięki wysokiej efektywności energetycznej, niewielkim wymaganiom konserwacyjnym i znakomitej stabilności procesu, lasery FSS są szczególnie odpowiednie do zautomatyzowanych procesów produkcyjnych i wytwarzania dużych serii.
Wyjątkowo wysoka dostępność tych systemów umożliwia ich zastosowanie w zautomatyzowanych komórkach produkcyjnych aż po integrację z liniami produkcyjnymi pracującymi w trybie ciągłym, na przykład w przemyśle motoryzacyjnym.
Zatem obie technologie nie konkurują ze sobą zasadniczo. Optymalny wybór zależy raczej od konkretnego profilu zastosowania. Systemy pompowane lampą błyskową przekonują zwłaszcza przy sporadycznym użytkowaniu, wysokich energiach pojedynczego impulsu i zastosowaniach wrażliwych na cenę. Lasery FSS wykazują największe zalety przy wysokim obłożeniu, procesach zautomatyzowanych oraz przy szczególnie wysokich wymaganiach dotyczących efektywności, powtarzalności i dostępności urządzeń.
Co jest nowego, skoro lasery światłowodowe dostępne są od wielu lat?
Lasery światłowodowe zasadniczo nie są nową technologią. Nowością jest jednak szczególna koncepcja mocy laserów FSS (qcw) firmy Vision Lasertechnik.
Laser FSS może w trybie pulsowym krótkotrwale dostarczyć szczytową moc impulsu do 1 500 / 3 000 / 4 500 / 6 000 Watt. Konwencjonalny laser światłowodowy o ciągłej mocy wyjściowej 3 000 Watt byłby natomiast wyraźnie większy, technicznie bardziej złożony i kosztowałby w przedziale wysokich sześciu cyfr.
Szczególność technologii zastosowanej w naszych laserach FSS polega na specjalnie opracowanym zarządzaniu ciepłem i energią. Pozwala to na krótkotrwałe zasilanie diod laserowych znacznie wyższym prądem niż przewidziany w pracy ciągłej (CW).
Baza techniczna nie stanowi więc zwykłego lasera CW o mocy 3 000 Watt, lecz na przykład lasera światłowodowego o mocy znamionowej 300 Watt. Dzięki swojej specyficznej konstrukcji i celowemu krótkotrwałemu zwiększeniu mocy diod system może w trybie pulsowym osiągać moce szczytowe równe dziesięciokrotności wartości znamionowej.
Dzięki temu technologia FSS łączy dwie decydujące cechy:
Dzięki tej koncepcji można oferować pulsujące lasery światłowodowe o wysokich mocach szczytowych przy kosztach inwestycyjnych porównywalnych z systemami pompowanymi lampami błyskowymi.
Nieco wyższe początkowe koszty zakupu lasera FSS często rekompensują się już po krótkim czasie eksploatacji. Jeśli uwzględni się wyższą dostępność urządzenia, niższe zużycie energii, mniejsze wymagania konserwacyjne oraz niższe koszty eksploatacyjne, to w wielu zastosowaniach w całym okresie użytkowania pojawia się wyraźna przewaga ekonomiczna.
Prawdziwa innowacja nie polega więc na samym zastosowaniu lasera światłowodowego. Kluczowa jest kombinacja wysokiej, pulsowanej mocy szczytowej, zwartej architektury systemu, wysokiej wydajności oraz długoterminowo niskich kosztów eksploatacji.
Lasery Nd:YAG pompowane lampą błyskową pozostają dla wielu zastosowań sprawdzoną i ekonomicznie interesującą technologią. Nadają się zwłaszcza do pulsacyjnych procesów mikrospawania, do mniejszych serii produkcyjnych, zastosowań naprawczych oraz do obszarów, w których priorytetem jest niski koszt wejścia.
Lasery światłowodowe FSS (qcw) oferują natomiast wyraźne korzyści pod względem efektywności energetycznej, jakości wiązki, stabilności procesu, dostępności urządzenia oraz kosztów eksploatacji. W związku z tym są często preferowanyym rozwiązaniem dla procesów zautomatyzowanych, wysokich nakładów produkcyjnych oraz zastosowań o szczególnie wysokich wymaganiach dotyczących powtarzalności i niezawodności.
Która technologia laserowa będzie lepszym wyborem, zależy ostatecznie od konkretnego zastosowania, materiału, wymaganej wydajności procesu, wielkości produkcji oraz warunków ekonomicznych.
