Báza znalostí: CO2 laser

Princip, výhody a priemyselné využitie

CO₂ lasery predstavujú popri vláknových laserov jednu z najrozšírenejších technológií na značenie a rezanie organických materiálov. Vďaka svojej všestrannosti a schopnosti pracovať so širokým spektrom materiálov sú vhodné pre mnohé priemyselné aplikácie, najmä tam, kde je požadovaná rýchlosť a kvalita spracovania.

1. Čo je CO₂ laser
2. AkO CO₂ laser funguje
3. Konštrukcia CO₂ laserov
4. Priemyselné využitie CO₂ laserov
5. Typy CO₂ laserov
6. Vláknový vs CO₂ laser
7. Životnosť vláknových laserov
8. Významní výrobcovia

 

1. Čo je to CO₂ laser?

CO₂ laser je plynový laser, v ktorom je aktívnym médiom zmes plynov obsahujúca oxid uhličitý (CO₂), dusík (N₂) a hélium (He). Generovaný laserový lúč má vlnovú dĺžku ~10,6 µm (t. j. 10 600 nanometrov). Pre ľudské oko je lúč v tomto spektre neviditeľný. Výborne ho absorbujú organické materiály, ako je drevo, papier, plasty, textílie alebo koža. Preto je CO₂ laser najvhodnejší na značenie týchto materiálov.

2. Ako CO₂ laser funguje?

CO₂ laser generuje žiarenie prostredníctvom stimulovanej emisie v aktívnom plynovom médiu. Proces prebieha v niekoľkých krokoch:

1. Excitácia molekúl: Elektrická energia je dodávaná do zmesi plynov, čo excituje molekuly dusíka.

2. Prenos energie: Molekuly dusíka prenášajú energiu na molekuly oxidu uhličitého (CO₂), ktoré emitujú fotóny s vlnovou dĺžkou 10,6 µm.

3. Zosilnenie žiarenia: Svetlo sa odráža medzi zrkadlami v rezonančnej dutine a zosilňuje sa.

4. Výstup lúča: Časť žiarenia opúšťa rezonančnú dutinu a v podobe lúča je zaostrená optickým systémom na cieľový materiál.

CO₂ lasery sa líšia konštrukciou a princípom budenia plynovej zmesi. Niektoré lasery používajú jednosmerný prúd (DC) na generovanie výboja, zatiaľ čo iné využívajú rádiofrekvenčné (RF) budenie. RF budenie je efektívnejšie a umožňuje dosiahnuť vyšší výkon laseru.

3. Konštrukcia CO₂ laserov

CO₂ laser je komplexné zariadenie zložené z niekoľkých kľúčových komponentov:

● Plynová nádrž: Obsahuje zmes plynov, typicky CO₂, N₂ a He, v presnom pomere optimalizovanom na dosiahnutie maximálnej účinnosti laseru.

● Elektrický výbojový systém: Vytvára elektrický výboj, ktorý excituje molekuly CO₂ v plynovej zmesi. Existujú dva hlavné typy výbojových systémov: DC (jednosmerný prúd) a RF (rádiofrekvenčné budenie). DC systémy sú jednoduchšie, ale menej efektívne ako RF systémy, ktoré umožňujú dosiahnuť vyšší výkon a presnejšiu kontrolu nad parametrami laseru.

● Optický rezonátor: Tvoria ho dve zrkadlá umiestnené na koncoch laserovej trubice. Jedno zrkadlo je vysoko reflexné a odráža takmer všetky fotóny späť do aktívneho prostredia. Druhé zrkadlo je polopriepustné a prepúšťa časť fotónov von, čím vzniká laserový lúč. Rezonančná dutina je kľúčová na zosilnenie laserového lúča a dosiahnutie jeho koherencie.

● Laserová trubica: Uzavretá trubica, typicky vyrobená z kremenného skla, v ktorej sa nachádza plynová zmes a prebieha stimulovaná emisia. Trubica musí byť odolná voči vysokým teplotám a tlaku vznikajúcemu počas výboja.

● Chladiaci systém: Odvádza teplo generované počas prevádzky laseru. Prebytočné teplo znižuje účinnosť laseru a môže poškodiť komponenty. Na chladenie sa používa voda, vzduch alebo kombinácia oboch metód. Vodné chladenieje účinnejšie, ale vyžaduje zložitejší a nákladnejší systém. Vzduchové chladenie je jednoduchšie, ale menej efektívne.

Okrem vyššie uvedených komponentov môžu CO₂ lasery obsahovať aj ďalšie súčasti, ako sú:

● Beam expandér: Rozširuje priemer laserového lúča, čím zlepšuje zaostrenie a kvalitu značenia.

● Skenovací systém: Umožňuje presné nasmerovanie laserového lúča na materiál a vytváranie komplexných tvarov a vzorov.

4. Priemyselné využitie CO₂ laserov

CO₂ lasery vynikajú pri práci s organickými a niektorými anorganickými materiálmi, ktoré dobre absorbujú vlnovú dĺžku 10,6 µm.

Rezanie

CO₂ lasery sa používajú na rezanie materiálov procesom odparovania. CO₂ laserom je možné rezať plasty, drevo, textil, sklo, keramiku, kompozity aj tenké kovy. Zaostrený laserový lúč dodáva na malej ploche materiálu intenzívne teplo, čím ho lokálne zohrieva a odparuje. Hĺbka gravírovania alebo šírka rezu je riadená výkonom laseru, rýchlosťou posuvu lúča a vlastnosťami materiálu.

Pri rezaní sa často používa prídavný plyn, ako je kyslík, dusík alebo argón. Kyslík podporuje proces horenia a urýchľuje rezanie kovových materiálov, na ktoré sú však vhodnejšie vláknové lasery. Dusík a argón sa používajú na rezanie nehorľavých materiálov, ako sú plasty a niektoré kovy, a zabraňujú oxidácii. Prídavný plyn taktiež pomáha odstraňovať roztavený materiál z miesta rezu.

Značenie a povrchová úprava

Ďalším využitím CO₂ laserov je značenie výrobkov a komponentov. Gravírovať je možné materiály ako drevo, technické plasty, koža a sklo. Laserové značenie je trvácne, odolné voči oderu a falšovaniu a umožňuje značiť aj malé a zložité tvary.

Ďalšou metódou je popúšťanie, pri ktorom na povrchu kovu vznikajú vrstvy oxidov, ktorých vlastnosti definujú farebný vzhľad.

Zváranie

CO₂ lasery sa používajú na zváranie feromagnetických aj neferomagnetických kovov, ako sú oceľ, hliník, meď alebo titán, a termoplastov, ako ABS, polykarbonát, polypropylén alebo nylon.

Vďaka minimálnemu tepelnému ovplyvneniu okolitého materiálu je možné zvárať aj tenké alebo citlivé diely bez deformácií.

5. Typy CO₂ laserov

CO₂ lasery sa delia na niekoľko typov, ktoré sa líšia konštrukciou, princípom budenia a parametrami:

Longitudinálne a transverzálne lasery

Patria medzi najstaršie a najjednoduchšie typy CO₂ laserov. Využívajú kontinuálny prietok plynu trubicou s elektrickým výbojom. Tieto lasery sa vyznačujú vysokým výkonom, ale nízkou účinnosťou a zložitou konštrukciou.

Uzavreté lasery

V uzavretých laserových systémoch je plynová zmes hermeticky uzavretá v trubici. Na udržanie stabilného zloženia plynu a predĺženie životnosti laseru sa do zmesi pridávajú vodná para, vodík a kyslík, ktoré katalyticky regenerujú CO₂ z oxidu uhoľnatého (CO) vznikajúceho počas výboja. Uzavreté lasery sú kompaktnejšie, lacnejšie a vyžadujú menej údržby ako longitudinálne a transverzálne lasery.

TEA lasery

Transverzne excitované atmosférické lasery pracujú pri atmosférickom tlaku a využívajú krátke impulzy elektrického výboja na excitáciu molekúl CO₂. To umožňuje dosiahnuť vysoké špičkové výkony v impulze, ale priemerný výkon je nižší ako pri kontinuálnych laserových systémoch. TEA lasery sa používajú v aplikáciách, kde je požadovaná vysoká energia v impulze, napríklad na značenie materiálov citlivých na teplo.

Vlnovodné lasery

Využívajú vlnovod – úzku trubicu s kovovým alebo dielektrickým povrchom – na vedenie laserového lúča. Vlnovod umožňuje dosiahnuť vysokú hustotu energie v lúči a kompaktnú konštrukciu laseru. Vlnovodné lasery sa vyznačujú nízkym výkonom, ale vysokou kvalitou lúča a stabilitou. Používajú sa na presné gravírovanie, značenie a mikroobrábanie.

Voľba typu CO₂ laseru závisí od konkrétnej aplikácie a požadovaných parametrov, ako sú výkon, kvalita lúča, pulzný režim a cena.

6. CO₂ laser vs. vláknový laser

Výhody CO₂ laserov:

• Lepšia absorpcia v organických materiáloch (drevo, sklo, papier, textílie).

• Vhodné na rezanie veľkých plôch a hrubších materiálov.

• Nižšie obstarávacie náklady pri základných modeloch.

Nevýhody CO₂ laserov:

• Vyššia spotreba energie a nižšia účinnosť (okolo 20 %).

• Kratšia životnosť laserovej trubice (10 000–30 000 hodín).

• Vyššie náklady na údržbu (zrkadlá, šošovky).

7. Aká je životnosť CO₂ laserov?

Životnosť CO₂ laserov závisí od konštrukcie a kvality použitých komponentov, predovšetkým laserovej trubice. Priemerná životnosť laserových trubíc sa pohybuje medzi 10 000 a 30 000 hodinami prevádzky v závislosti od kvality trubice, prevádzkových podmienok a intenzity používania.

• Sklenené trubice majú kratšiu životnosť (10 000–15 000 hodín), zatiaľ čo kovové alebo keramické trubice môžu vydržať až 30 000 hodín.

• Správne chladenie a pravidelná údržba výrazne predlžujú životnosť. Prehrievanie alebo znečistenie skracuje dobu funkčnosti.

• Značenie pri trvalo vysokom výkone skracuje životnosť trubice.

• Po dosiahnutí maximálnej životnosti trubicu možno vymeniť, čo predlžuje celkovú funkčnosť zariadenia.

V porovnaní s vláknovými lasermi majú CO₂ lasery nižšiu životnosť, avšak vzhľadom na nižšie obstarávacie náklady je táto technológia pre mnohé aplikácie stále ekonomicky výhodná.

8. Najvýznamnejší výrobcovia CO₂ laserov

Nemecká spoločnosť TRUMPF patrí medzi lídrov v oblasti laserových technológií. Jej CO₂ lasery sa vyznačujú vysokou spoľahlivosťou, dlhou životnosťou a špičkovou kvalitou spracovania.

Medzi európsku špičku patrí s viac než 30 rokmi skúseností v odbore aj renomovaný francúzsky výrobca laserových systémov ES LASER. Špecializuje sa na vývoj a výrobu CO₂, vláknových a hybridných laserových technológií na precízne značenie, gravírovanie, mikroobrábanie a rezanie. Príkladom sú ytterbiom dopované vláknové lasery série EsFly, alebo séria EsCode bez optického izolátora, určená na značenie nereflexných materiálov a integráciu do výrobných liniek.