Báza znalostí: vláknový laser

Princíp, výhody a priemyselné využitie

Vláknové lasery sú dnes považované za jednu z najpokročilejších a najefektívnejších technológií v oblasti priemyselného značenia a spracovania materiálov.

1. Co je vláknový laser
2. Ako funguje
3. Běžné vlnové dĺžky
4. Ktorú vlnovú dĺžku použiť
5. Vláknový vs CO₂ laser
6. Gravírovanie alebo rezanie odparovaním
7. Porovnanie vláknových laserov s inými typmi laserovrov
8. Typy vláknových laserov
9. Aké materiály možno značiť
10. Životnosť vláknových laserov
11. Významní výrobcovia

 

1. Čo je to vláknový laser?

Vláknový laser je typ pevnolátkového laseru, v ktorom dochádza k generovaniu laserového žiarenia v jadre optického vlákna dopovaného prvkami zo skupiny lantanoidov (vzácne zeminy).

Vlákno je tvorené kremičitým alebo fosfátovým sklom a dopované napríklad erbiom, ytterbiom alebo praseodymom. Výsledkom je vysoko koncentrovaný laserový lúč s vysokou kvalitou a stabilitou.

V niektorých aplikáciách laserového značenia sa používa aj neodým, čo je typické najmä pre špeciálne typy vláknových laserov.

Dopované optické vlákna môžu byť navyše prispôsobené rôznym aplikáciám (napr. rôzne vlnové dĺžky pre rôzne materiály).

2. Ako vláknový laser funguje?

Vláknové lasery fungujú na princípe stimulovanej emisie žiarenia v optickom vlákne dopovanom vzácnymi zeminami. V tomto procese sa svetelná energia z laserových diód, tzv. budivého svetla, absorbuje v jadre optického vlákna a transformuje sa na laserový lúč s presne definovanou vlnovou dĺžkou.

Proces generovania laserového lúča vo vláknovom laseri prebieha v niekoľkých fázach:

1. Vytvorenie budivého svetla: Elektrická energia je transformovaná na svetelnú energiu pomocou laserových diód.
2. Zber a vedenie do optického vlákna: Svetlo z viacerých diód sa zbiera a vedie do optického vlákna.
3. Priechod budivého svetla optickým vláknom: Svetlo prechádza jadrom optického vlákna a je odrážané od plášťa. Vďaka fenoménu totálnej reflexie zostáva svetlo vo vnútri jadra.
4. Stimulovaná emisia v laserovej dutine: Svetlo dosiahne dopovanú časť vlákna (laserovú dutinu), kde interaguje s atómami vzácnych zemín a excituje ich elektróny na vyššiu energetickú hladinu. Pri návrate na nižšiu energetickú hladinu elektróny emitujú fotóny špecifickej vlnovej dĺžky.
5. Zosilnenie laserového svetla: Svetlo sa zosilňuje pomocou Braggových mriežok, ktoré fungujú ako selektívne zrkadlá. Zosilnené svetlo sa formuje do laserového lúča s vysokou kvalitou a stabilitou. Braggove mriežky tiež zabezpečujú spätnú väzbu v laserovej dutine a selektívne vyberajú určitú vlnovú dĺžku.

 

3. Vlnové dĺžky bežne generované vláknovými lasermi

Vlnová dĺžka: ~1064 nm

V priemysle najpoužívanejšia vlnová dĺžka. Generujú ju ytterbiom dopované vláknové lasery. Výsledkom je lúč v blízkej infračervenej oblasti.

Táto vlnová dĺžka má vysokú absorpciu vo väčšine kovov a niektorých špeciálnych plastov, čo z nej robí najvhodnejšiu voľbu pre priemyselné aplikácie.

Medzi cieľové materiály patrí oceľ (vrátane nehrdzavejúcej), hliník, meď, titán, mosadz a bronz.

Okrem kovov dokáže 1064 nm účinne značiť aj niektoré typy plastov, najmä ak obsahujú laserové aditíva alebo pigmenty absorbujúce infračervené žiarenie.

Ytterbiom dopované vláknové lasery s touto vlnovou dĺžkou sú ideálne pre aplikácie ako gravírovanie, rezanie alebo zváranie kovových materiálov.

Vláknové lasery s touto vlnovou dĺžkou majú veľmi úzky lúč a vysokú hustotu energie. To umožňuje precízne značenie aj jemných detailov (napr. QR kódy, logá) a hlbšie gravírovanie.

Vlnová dĺžka: ~1550 nm

Táto vlnová dĺžka sa nachádza v bezpečnej oblasti pre ľudské oko, čo z nej robí ideálnu voľbu pre aplikácie, kde je potrebné minimalizovať riziko zranenia. Generujú ju erbiom dopované vláknové lasery.

Typické aplikácie zahŕňajú telekomunikácie (prenos dát optickými vláknami), medicínu (napr. dermatológia, očná chirurgia) a špeciálne gravírovanie na citlivé materiály.

Vlnová dĺžka: ~1940–2000 nm

Táto oblasť vlnových dĺžok má vysokú absorpciu vo vode, preto je vhodná pre medicínske aplikácie a spracovanie materiálov obsahujúcich vlhkosť. Generujú ju thuliem dopované vláknové lasery.

Vďaka tejto vlastnosti sú tieto lasery ideálne pre aplikácie, kde je potrebné minimalizovať tepelný dopad na okolité materiály, napríklad pri spracovaní plastov alebo dreva.

Vlnová dĺžka: ~2100 nm

Generujú ju holmiem dopované vláknové lasery. Používajú sa v medicíne, najmä pri chirurgii a rozrušovaní kameňov v urológii. V priemyselných aplikáciách nachádzajú tieto lasery uplatnenie pri práci s organickými materiálmi. Možno ich použiť na gravírovanie alebo jemné rezanie dreva s vysokým obsahom vlhkosti bez tepelného poškodenia materiálu, ako aj na spracovanie kože a textílií.

4. Ktorú vlnovú dĺžku použiť ?

Dlhšie vlnové dĺžky (napr. 1550 nm alebo 2000 nm) majú väčšiu absorpciu vo vode a organických materiáloch, čo je výhodné pre medicínu alebo spracovanie plastov.

Kratšie vlnové dĺžky (napr. 355 nm, generované UV lasermi) sú lepšie na veľmi jemné značenie plastov alebo skla.

Vlnová dĺžka 1064 nm, ktorú generujú ytterbiom dopované vláknové lasery, ponúka ideálnu rovnováhu univerzálnosti a výkonu. Preto je najbežnejšou voľbou v priemysle. Podobnú vlnovú dĺžku generujú lasery dopované neodýmom (Nd:YAG lasery), ale ytterbiom je vhodnejší, pretože ponúka vyššiu účinnosť, nižšie tepelné straty a jednoduchšiu konštrukciu vlákien.

5. Vláknový laser vs CO₂ laser

Vláknové lasery a CO₂ lasery sa líšia predovšetkým v aktívnom médiu, kde sa generuje laserový lúč. Vláknové lasery využívajú optické vlákno dopované vzácnymi zeminami, zatiaľ čo CO₂ lasery využívajú zmes plynov s oxidom uhličitým ako hlavnou zložkou.

Výhody vláknových laserov oproti CO₂ laserom:

Vyššia efektivita
Vláknové lasery dosahujú účinnosť premeny energie (až 75 %, bežne okolo 30–50 %), zatiaľ čo CO₂ lasery iba okolo 20 %.

Vyššia kvalita lúča
Vláknové lasery umožňujú zaostrenie do menšieho bodu, a teda aj dosiahnutie vyššej intenzity žiarenia. Úzky lúč umožňuje jemné a detailné značenie. Výstup lúča je stabilný aj pri dlhodobom používaní.

Všestrannosť materiálov
Vláknové lasery sú vhodné na značenie širokého spektra materiálov: kovy (hliník, oceľ, titán), plasty, keramiku. Bez problémov zvládajú náročné materiály, ako je nehrdzavejúca oceľ a tvrdé zliatiny.

Dlhšia životnosť
Vláknové lasery majú životnosť až 150 000 hodín, CO₂ lasery okolo 30 000 hodín.

Nižšie prevádzkové náklady
Vláknové lasery neobsahujú lampy ani zrkadlá, ktoré by sa museli meniť, čo minimalizuje prevádzkové náklady. Na rozdiel od toho CO₂ lasery vyžadujú spotrebné diely – zrkadlá a šošovky sa časom opotrebúvajú alebo poškodzujú vplyvom tepla a znečistenia a laserové trubice majú obmedzenú životnosť a musia sa pravidelne meniť (obvykle po 10 000–30 000 hodinách).

Kompaktný dizajn
Vláknové lasery sú vďaka absencii zložitej optickej sústavy (zrkadlá, externé rezonátory) a využitiu vláknovej technológie väčšinou malé a ľahko integrované do priemyselných liniek alebo prenosných zariadení. Vyžadujú menej priestoru ako CO₂ lasery, čo znižuje nároky na inštalačné zázemie.

Vysoká rýchlosť značenia
Vláknové lasery umožňujú rýchle značenie vďaka rýchlemu prenosu energie a presnému zaostreniu lúča. To umožňuje značenie textov, kódov alebo grafiky v priebehu sekúnd, a to aj pri sériovej výrobe. Tento výkon minimalizuje prestoje a zvyšuje produktivitu bez kompromisu na kvalite značenia.

CO₂ lasery sú však stále lepšou voľbou na rezanie hrubších materiálov nad 5 mm.

Nevýhody vláknových laserov oproti CO₂ laserom:

Vyššie obstarávacie náklady
Počiatočná investícia býva pri vláknových laserov vyššia v porovnaní s CO₂ lasermi. Vláknové lasery sú ekonomickejšie pri dlhodobej prevádzke, ale pre menšie firmy môže byť vstupná cena prekážkou.

Obmedzené použitie na niektoré materiály
Vláknové lasery nie sú ideálne na značenie organických materiálov (drevo, sklo, papier) alebo priehľadných plastov, kde CO₂ lasery vynikajú. Vlnovú dĺžku ~10,6 µm CO₂ laserov lepšie absorbujú organické materiály (drevo, sklo, koža, papier) a niektoré kovy s povrchovou úpravou (napr. lakovaná oceľ).

Obmedzená hĺbka gravírovania
Vláknové lasery sú primárne navrhnuté na precízne povrchové značenie tvrdých materiálov (napr. kovov) a technických plastov, zatiaľ čo CO₂ lasery vynikajú v hlbokom gravírovaní vďaka schopnosti intenzívne pôsobiť na organické a niektoré anorganické materiály. Hlboké gravírovanie kovov vláknovými lasermi je možné, ale časovo a energeticky náročné.

Menšia pracovná plocha
V porovnaní s CO₂ lasermi býva pracovná plocha vláknových laserov menšia, čo môže byť obmedzením pri veľkoformátových aplikáciách.

Výber správneho typu laseru závisí od požiadaviek na hĺbku gravírovania, materiál a rýchlosť procesu.

6. Gravírovanie alebo rezanie odparovaním

Vláknové lasery sa používajú na gravírovanie aj rezanie materiálov. Oba procesy fungujú na princípe odparovania materiálu pomocou koncentrovaného laserového lúča.

Pri gravírovaní sa materiál odparuje len do určitej hĺbky, čím sa na povrchu vytvára požadovaný reliéf.

Gravírovanie vláknovým laserom je možné realizovať ako povrchové, tak aj hlboké. Na hlbšie gravírovanie je potrebný vyšší výkon alebo viacnásobné prechody laseru cez rovnaké miesto.

Pri rezaní laserový lúč prechádza materiálom skrz, čím ho rozdeľuje na požadovaný tvar.

Gravírovanie aj rezanie vláknovým laserom nachádza uplatnenie vo všetkých odvetviach, kde je kľúčová precíznosť, trvanlivosť a estetika spracovania.

Gravírovanie vláknovým laserom: príklady aplikácií

Značenie QR kódov a čiarových kódov: Táto aplikácia vláknových laserov nachádza využitie v logistike, skladovaní a priemyselnej výrobe. Gravírované kódy sú odolné voči opotrebovaniu a umožňujú spoľahlivú identifikáciu výrobkov, ako sú automobilové diely alebo lekárske nástroje.

Značenie log a firemných značiek: Vláknový laser je skvelý pomocník pri personalizácii a brandingu produktov. Príkladom aplikácie môže byť gravírovanie loga na nerezové fľaše, hodinky alebo elektronické zariadenia.

Gravírovanie sériových čísel a identifikátorov: Táto aplikácia je kľúčová v automobilovom a leteckom priemysle, kde zabezpečuje spätnú sledovateľnosť jednotlivých komponentov. Laserové gravírovanie sa používa na motory, kovové konštrukcie alebo elektronické súčiastky.

Rezanie vláknovým laserom: príklady aplikácií

Výroba tenkostenných komponentov: Vláknové lasery sa používajú pri precíznom rezaní kovov (napr. nehrdzavejúcej ocele, mosadze) pre elektroniku alebo jemné mechanické súčiastky.

Spracovanie šperkov: Laser dokáže vytvárať jemné detaily, ktoré by tradičné metódy, ako je rytie, nedokázali dosiahnuť s rovnakou presnosťou. Príkladom je vyrezávanie zložitých vzorov do drahých kovov, ako je zlato, striebro alebo titán. Tvrdé zliatiny možno laserom ľahko rezať do komplikovaných tvarov bez deformácií. Vysoko presný lúč laseru zaručuje minimálny odpad, čo je pri práci s drahými kovmi ekonomicky výhodné.

Mikrorezanie v medicíne: Vláknové lasery sú kľúčové pri výrobe chirurgických nástrojov alebo implantátov vďaka vysokej presnosti a minimálnemu tepelnému vplyvu. Laser generuje lokálne teplo iba v mieste spracovania, čo zabraňuje deformáciám alebo poškodeniu okolitého materiálu.

7. Porovnanie vláknových laserov s inými typmi laserov

Vláknový laser vs. CO₂ laser

Výhody vláknového laseru: Excelujú v aplikácii na kovy, majú vyššiu rýchlosť a nižšie prevádzkové náklady.
Výhody CO₂ laseru: Vhodné pre organické materiály, kde majú vyššiu absorpciu, a pre aplikácie s veľkou pracovnou plochou.

Vláknový laser vs. Nd:YAG laser

Výhody vláknového laseru: Nižšie náklady na údržbu, dlhšia životnosť, vyššia účinnosť.
Výhody Nd:YAG laseru: Výkonnejší pri niektorých špecializovaných aplikáciách, ako je hlboké gravírovanie.

8. Typy vláknových laserov

Členenie laserov podľa rôznych kritérií pomáha definovať, ktorý typ laseru je vhodný pre konkrétnu aplikáciu:

Podľa režimu prevádzky:

Pulzné vláknové lasery:
• Emitujú krátke impulzy svetla s vysokým špičkovým výkonom.
• Využitie: Gravírovanie jemných detailov (QR kódy, sériové čísla), mikroobrábanie alebo laserové čistenie.

Kontinuálne vláknové lasery:
• Emitujú nepretržitý lúč o konštantnej intenzite.
• Využitie: Rezanie kovových plechov, zváranie alebo výroba chirurgických nástrojov.

Podľa dopovacieho prvku:

Ytterbiom dopované vláknové lasery:
• Najčastejší typ, generujúci lúč o vlnovej dĺžke ~1064 nm.
• Využitie: Gravírovanie a rezanie kovov, značenie plastov.

Erbiom dopované vláknové lasery:
• Emitujú svetlo o vlnovej dĺžke ~1550 nm, bezpečné pre ľudské oko.
• Využitie: Telekomunikácie a medicínske aplikácie.

Thuliem dopované vláknové lasery:
• Produkujú svetlo o vlnovej dĺžke ~2000 nm.
• Využitie: Chirurgia a spracovanie organických materiálov.

Podľa kvality lúča:

Single-mode vláknové lasery:
• Majú úzky lúč s vysokou kvalitou, vhodné pre precízne značenie a mikroobrábanie.

Multi-mode vláknové lasery:
• Produkujú širší lúč s vyšším výkonom, ideálne pre rýchle rezanie a zváranie.

Podľa výkonu:

• Nízky výkon (do 50 W): Gravírovanie plastov, značenie menších kovových dielov.
• Stredný výkon (50–500 W): Gravírovanie hlbších štruktúr a ľahké rezanie.
• Vysoký výkon (nad 500 W): Priemyselné rezanie a zváranie kovov.

9. Aké materiály možno vláknovým laserom značiť?

Vláknové lasery s vlnovou dĺžkou 1064 nm sú vhodné na značenie kovov, ako sú oceľ, hliník, mosadz, meď, titán, zlato alebo striebro, a plastov, ako ABS, polykarbonát, nylon alebo akryl.

Typické aplikácie vláknových laserov zahŕňajú:

• gravírovanie a značenie kódov (QR, čiarové kódy, sériové čísla),
• výrobu elektroniky (značenie dosiek plošných spojov),
• automobilový priemysel (značenie dielov a nástrojov),
• medicínsky priemysel (značenie nástrojov, implantátov).

 

10. Aká je životnosť vláknových laserov?

Životnosť vláknového laseru sa udáva ako MTBF (Mean Time Between Failures), čo je priemerná doba medzi poruchami. MTBF vláknových laserov môže dosahovať až 150 000 hodín. V praxi sa však životnosť môže líšiť v závislosti od typu laseru, prevádzkových podmienok a údržby. CO₂ lasery majú MTBF približne 30 000 hodín.

Platí, že nie všetky lasery predávané ako „vláknové“ skutočne využívajú princíp generovania laserového lúča v aktívnom optickom vlákne. Je potrebné sa uistiť, že laser skutočne obsahuje aktívne optické vlákno, a nie len pasívne vlákno na prenos laserového lúča z iného zdroja.

11. Najvýznamnejší výrobcovia vláknových laserov

Vedúce postavenie v oblasti vláknových laserov má americká spoločnosť IPG Photonics Corp., ktorá zaujíma približne 70 % trhu. Tento výrobca ponúka širokú škálu pulzných a kontinuálnych laserov s výkonmi od 10 W do viac ako 100 kW.

Pre európskych zákazníkov dávajú zmysel miestni výrobcovia, ktorí okrem kvalitného produktu poskytujú aj lokálnu technickú podporu. Patrí medzi nich britská spoločnosť SPI Lasers, ktorá je súčasťou nemeckej skupiny Trumpf, a francúzska spoločnosť ES Laser, ktorá už 30 rokov dodáva vláknové a CO₂ lasery pre precízne značenie, gravírovanie, mikroobrábanie a zváranie.

Relatívne novým hráčom na tomto poli je francúzsky výrobca a inovátor Technomark, ktorý si vybudoval pevné renomé v priemyselných podnikoch vďaka spoľahlivým mikroúderovým strojom. V oblasti laserov dodáva Technomark all-in-one laserové stanice série Graphix, ktoré pracujú na princípe vláknového laseru.