Jason Hillenbrand az AMADA America lézergépek termékmenedzsere és Erik Zucker a JDSU (JDS Uniphase Corporation) lézer- és optikai termékek és technológiák kommunikációs és kereskedelmi igazgatója azon a kérdésen elmélkednek, hogy vajon mekkora az optimális energia szükséglet egy lézergép esetén?
A fémmegmunkálással foglalkozó vállalatok számára is alapvető cél, hogy egy fejlesztésnél a legkisebb befektetéssel maximális hasznosságot érhessenek el. A megfelelő lézertechnológia kiválasztásával jelentősen fokozható a hatékonyság, azonban számos tényezőt figyelembe kell venni a döntés meghozásakor.
Amikor a produktivitás növelésének problémájára keresnek megoldást a gyártók, gyakran arra a következtetésre jutnak, hogy a teljesítmény és a sebesség növelésével minden megoldható, hiszen egy alkatrész legyártása kevesebb időt vesz igénybe, így ugyanannyi idő alatt több termék készülhet el. Ezek mellett természetesen a felületi minőség, a kialakított élek minősége is döntő lehet, hiszen hiába képes a lézervágó gépünk kimagasló sebességgel megmunkálni egy adott alkatrészt, ha utána az utómegmunkálás során a nagy sebességből származó előny elvész és többletköltség rakódik a termékre.
Lézervágógépek esetén a két alapvető típus, a fiber lézer és a CO2 lézer közti egyik legszembetűnőbb különbség a sebességük. A fiber lézerek bizonyos vastagságtartományban sokkal nagyobb sebességgel képesek megmunkálni adott alkatrészeket, ami a technológia népszerűségének is az egyik fő oka, azonban vannak olyan alkalmazások, amikor egy CO2 lézerrel hatékonyabb lehet a gyártás. Az első fontos döntés tehát, amit meg kell hoznunk egy lézeres vágógép vásárlása előtt, hogy a CO2 vagy a fiber lézerek tulajdonságai felelnek meg jobban az általunk végzett gyártási folyamatok elvárásainak.
CO2 lézerek
A CO2 lézerek teljesítménye fokozatosan növekedett a technológia fejlődése során. A teljesítmény növekedésének elsősorban az ár szabott határt, hiszen a nagyobb teljesítményű lézerek több optikai elemmel, több alkatrésszel rendelkeztek, ami jelentősen növelte a gépek komplexitását, és ebből kifolyólag az árát is. Ahogy a gyártási technológiák fejlődtek, úgy lettek olcsóbbak az optikai alkatrészek is, így a magasabb teljesítményű lézerek is nagyobb szerepet kaptak a piacon, de igazán csak az elmúlt 10 évben terjedtek el.
CO2 lézerek esetében a nitrogénnel történő tiszta vágás, valamint az átlagosan nagyobb vágható lemezvastagságok jelentik a legnagyobb előnyt. A nagyobb teljesítmény számottevő növekedést tett lehetővé a sebességben is. Azonban az üzemeltetési költségek, az energiafogyasztás és a gépek ára a legtöbb esetben még mindig túl magasnak bizonyultak ahhoz, hogy ez a produktivitásbeli növekedéssel ellensúlyozható legyen.
Fiber lézerek
Az elmúlt tíz év során a fiber lézerek világában a teljesítmény 2 kW-ról viszonylag gyorsan 6 kW-ra nőtt, és további növekedés várható a következő években is. De vajon miért gyorsabb sokkal a fejlődés folyamata a CO2 technológiához képest? Talán az lehet az oka, hogy akik lézeres vágógépet vásárolnak “a több mindig jobb” filozófiát követik?
Ez részben igaz is, de nem minden esetben. Hol van az a pont, ahol a nagyobb teljesítmény már nem fokozza tovább a hatékonyságot? A válaszhoz egészen az alapokig, a fiber lézerek felépítéséhez kell visszanyúlni.
Az egyik legfontosabb különbség a két technológia között, hogy az AMADA fiber lézerek nem rendelkeznek azokkal az optikai elemekkel, mint a CO2 lézerek. A fiber lézersugár előállításához és továbbításához sok összetevőre (pl. vákuum pumpákra, CO2 gázra, tükrökre, optikákra) nincs szükség, ami a CO2 lézer előállításához szükséges. A fiber lézerek monolitikus struktúrák, melyek diódákból összeállított gerjesztő csomagokat tartalmaznak. Ezek állítják elő azt a szükséges optikai teljesítményt, amely utána egy speciális, fiber optikai kábelbe juttatva létrehozza az előre meghatározott paraméterekkel rendelkező, monokromatikus lézerfényt. Egy ilyen egységet neveznek modulnak.
Általában egy modul teljesítménye 500, 700, 1000 W körül mozog, de ezeknél nagyobb teljesítményű modulok is találhatók a piacon, a lézerdiódák számától és a diódák egyéni teljesítményétől függően. A nagy teljesítményű lézerdiódák koncepciója rendkívül egyszerű: ha több diódát integrálunk egy modulban, a teljesítmény is nagyobb lesz. Több modul kombinálásával pedig a lézer összteljesítménye fokozható, így rendkívül magas értékek is elérhetők. Azonban itt merül fel a korábban említett probléma, vajon hol a határ? Miért nem gyártanak 100 kW-os lézervágó gépeket? A kérdésre nem könnyű válaszolni, először is a sugárparaméter-szorzat (BPP) fogalmával kell megismerkednünk.
Sugárparaméter-szorzat
A BPP, vagy sugárparaméter-szorzat az az érték, ami a kialakított lézersugár minőségét és méretét adja meg, a forrástól függetlenül. Konkrétabban ez az érték a sugárnyaláb átmérőjének és a sugár divergenciájának (széttartásának) szorzata a rendszer bármely pontján, legyen az a szabadon futó lézernyaláb, az optikai kábel, vagy a munkadarab felülete. Általánosságban azt mondhatjuk, hogy a kisebb BPP-vel rendelkező lézerek előállítása nehezebb, mivel a kisebb BPP kisebb, tömörebb sugarat eredményez. Ez az egyik legfőbb oka annak, hogy a fiber lézerek sokkal gyorsabb vágásra képesek, mint a CO2 lézerek, hiszen a fiber lézerek esetében akár tized akkora BPP értékek is elérhetők.
Az alacsony BPP értékek elérésének egyik módja, hogy “nagy fényerejű” diódákat alkalmazunk. A lézerdiódák elektronikai szempontból tekintve tulajdonképpen egyszerű diódák, annyi eltéréssel, hogy a rajtuk átfolyó áram hatására fényt bocsátanak ki. Maga az elektron-foton konverzió nagy, általában 50-60%-os hatásfokkal történik. Értelemszerűen a diódák előállítási technológiája, minősége és hatékonysága kulcsfontosságú a lézerminőség szempontjából.
A diódákat általában félvezetőkből, a fiber lézer előállítására alkalmas diódákat pedig elsősorban gallium-arzenidből (GaAs) készítik. A GaAs kristályokat úgynevezett félvezető szeleteken (wafer) növesztik, egy a memóriák és processzorok előállításához hasonló folyamat során. Talán bele se gondolunk, de nap, mint nap találkozunk ezekkel a lézerdiódákkal. Ugyanezt a technológiát használják például a CD/DVD meghajtók, hogy adatokat írjanak és olvassanak, de ezeket a lézerforrásokat használják a digitális jelek küldésére is az internetkábelekben keresztül. Éppen ezért különösen fontos, hogy a technológia megbízható legyen, mivel egy hiba esetén komoly károk is keletkezhetnek a világon átívelő adatkapcsolatok megszűnésekor. Ez a megbízhatóság teszi lehetővé, hogy az iparban is alkalmazhassunk diódákat, hiszen ebben a szegmensben is elengedhetetlen a hosszú éveken át tartó, leállásmentes használat.
A csúcskategóriás lézerforrásoknál az egyik alapvető elvárás az, hogy nagy megbízhatóságú optikai teljesítményt nyújtsanak, kisebb BPP mellet. A legújabb technológiai fejlesztéseknek köszönhetően a lézerforrások teljesítménye jelentősen növekedett az elmúlt évek során, így mára egyetlen dióda forrásból 140 W érhető el, kimagasló fényerő mellett. Ezen források kombinálásával és egy aktív optikai szálra történő kapcsolásával kiváló teljesítmény, alacsony BPP értékek és a nagy fényerő érhető el, ami elengedhetetlen a hatékony és gyors lézeres vágáshoz.
Jelenleg egyetlen Amada fiber lézer modul 2 kW-os teljesítményre képes, általában 0,9 mm*mrad BPP értékkel rendelkezik. Bár ez teljesítményét tekintve alacsonyabbnak mondható, azonban az alacsonyabb BPP a kulcs a sebességhez és a vágásminőséghez valamint a teljesítménynövelés alapja. Bár a nagyobb teljesítményű rendszerek esetében az összesített BPP emelkedik, az egyes Amada modulok alacsony BPP-jének köszönhetően a kombinált modulok sugárparaméter-szorzata is viszonylag alacsonyan tartható. Ennek köszönhetően kimagasló vágási sebességet és minőséget érhetünk el egy nagyobb teljesítményű Amada lézerforrás alkalmazásával is.
Megbízhatóság és robusztusság
A fiber lézerek teljesítménynövelése szempontjából ezek nem új információk, hiszen nagy teljesítményű fiber lézer források előállítása évek óta lehetséges. Azonban a stabil minőségi vágáshoz nem csupán kellő nagyságú teljesítmény kell, hanem kellően kicsi BPP érték is. A cél, hogy nagyobb vágási teljesítményt érjünk el, kevesebb komponenssel vagy modullal, és végeredményként a legalacsonyabb összesített BPP-t érjük el. Ez sikerült.
A felhasználó számára ez annyit jelent, hogy egy alacsonyabb BPP értékű 4 kW-os fiber lézerrel ugyanolyan, vagy akár nagyobb sebességgel lehet vágni, mint egy rosszabb BPP értékű 6 kW-os fiber lézerrel. Vagy így akár egy alacsonyabb BPP értékű 6kW-os vágás ugyanolyan vagy gyorsabb tud lenni, mint egy 8 kW-os fiberlézeré, ráadásul jobb vágási minőséggel.
Ezek mellett természetesen más tényezők is befolyásolhatják a lézeres vágási eredményt. Ilyenek például a lencsék, a fúvókák vagy a gépkezelő tapasztalata, azonban a sugárminőség kombinálva a kimenő teljesítménnyel jelentős hatású. Tehát a fiber lézeres lehetőségek mérlegelésekor ne feltételezzük automatikusan, hogy a nagyobb teljesítmény jobb is.
A befektetett tőke, a termékenkénti költség, a megmunkálási idő, az élminőség és a másodlagos megmunkálások mind fontosak a teljes képhez. Emellett a lézerforrás technológiájának megbízhatósága szintén meghatározó fontosságú, hiszen jelentősen ronthat a kezdetben jónak tűnő ár-érték arányon.
A szilárdtest technológia gyorsan fejlődik. Egyes becslések szerint a 2015-ben eladott síklézerek több, mint felét fiber lézer tette ki. De ne ragadjon mindenkit magával a fiber láz hiszen nagyon sok esetben ma is a CO2 lézer az optimális választás. Mindenki számára létezik megfelelő teljesítményű és árú lézergép, csak meg kell találni. Jó keresést.
(Forrás: AMADA America)