Laser iterbowy (światłowodowy)

Laser iterbowy (światłowodowy)

Najważniejsze informacje

• Zakres pracy wynosi od 1030 do 1100 nm, w paśmie bliskiej podczerwieni stosowanym w znakowaniu przemysłowym.
• Sprawność elektryczno-optyczna często przekracza 30%, znacznie wyprzedzając lasery CO2 i Nd:YAG.
• Długa żywotność przy minimalnej konserwacji oraz kompaktowa, wytrzymała konstrukcja odporna na trudne warunki.
• Większość polimerów wymaga przy tej długości fali dodatku, ponieważ ma tam niewielką własną absorpcję.

Laser iterbowy (światłowodowy)

Laser iterbowy to laser światłowodowy, którego rdzeń krzemionkowy jest domieszkowany jonami iterbu (Yb3+), emitujący w paśmie bliskiej podczerwieni 1030–1100 nm i konwencjonalnie określany dla 1064 nm. Gdy w branży w kontekście znakowania tworzyw sztucznych mówi się „laser światłowodowy”, niemal zawsze chodzi właśnie o to urządzenie.

Dlaczego iterb

Iterb ma niezwykle prostą strukturę poziomów energetycznych — w praktyce układ dwupoziomowy — co daje kilka praktycznych zalet w porównaniu z innymi domieszkami ziem rzadkich:

• Bardzo wysoka sprawność kwantowa. Długość fali pompowania (ok. 915 lub 976 nm) leży blisko długości fali emisji, więc mało energii tracone jest jako ciepło. To podstawowa przyczyna wysokiej sprawności całkowitej lasera światłowodowego i możliwości chłodzenia powietrzem.
• Szerokie pasmo wzmocnienia. Umożliwia kształtowanie impulsów i szeroki zakres częstotliwości powtarzania wykorzystywany przez architektury MOPA.
• Wysoka wytrzymałość mocowa. Długa, cienka geometria ośrodka czynnego ma doskonały stosunek powierzchni do objętości dla odprowadzania ciepła.
• Brak wąskiego gardła górnego poziomu, które ogranicza niektóre lasery kryształowe przy wysokich częstotliwościach powtarzania.

Typowa specyfikacja do znakowania

Problem absorpcji przy 1064 nm

Najważniejszym faktem dla obróbki polimerów jest to, że większość tworzyw sztucznych słabo absorbuje przy 1064 nm. W przeciwieństwie do metali, które skutecznie sprzęgają się z tą długością fali, naturalne, niewypełnione tworzywo termoplastyczne jest dla niej w znacznym stopniu przezroczyste. Wiązka przenika przez materiał, a na powierzchni wydziela się zbyt mało energii, aby powstał znak.

Problem rozwiązują trzy drogi:

• Wprowadzenie absorbera do kompozytu. Dodatki do znakowania laserowego — tlenek cyny domieszkowany antymonem, związki na bazie bizmutu, pigmenty mikowe, sadza — zamieniają energię 1064 nm w miejscowe ciepło. To standardowe rozwiązanie przemysłowe, omówione w artykule inteligentne dodatki poprawiają znakowanie laserowe tworzyw sztucznych.
• Wykorzystanie istniejących składników. Sadza, włókno szklane, środki uniepalniające i wiele pigmentów już zapewniają absorpcję. To wyjaśnia, dlaczego wypełnione żywice inżynieryjne tak często znakują się dobrze prosto z formy.
• Zmiana długości fali. Laser wanadanowy z potrojeniem częstotliwości, pracujący przy 355 nm, znakuje wiele polimerów fotochemicznie bez dodatków, przy mniejszej wydajności i wyższym koszcie inwestycyjnym.

Uwagi praktyczne

Lasery iterbowe są urządzeniami klasy 4, których wiązka 1064 nm jest niewidoczna i skutecznie przechodzi przez układ optyczny oka do siatkówki. Zgodnie z ANSI Z136.1 oczekuje się obudowy klasy 1, okularów o właściwej gęstości optycznej oraz wyznaczonego inspektora bezpieczeństwa laserowego.

Po stronie procesu należy pamiętać, że wynik znakowania jest właściwością materiału i lasera łącznie. Gatunek żywicy, zawartość barwnika, zawartość wypełniacza, warunki wtrysku, a nawet udział regranulatu zmieniają wynik — zob. parametry procesu wpływające na jakość znakowania.

Dobór źródła do zadania

Lasery światłowodowe kupuje się zwykle raz i użytkuje przez dekadę, więc warto starannie opracować specyfikację. Moc średnia to wartość, którą wszyscy podają, ale rzadko to ona decyduje o powodzeniu zadania:

Soczewkę skanującą należy dobierać razem z detalem, a nie po nim. Ogniskowa wyznacza zarówno rozmiar pola, jak i średnicę plamki, a soczewka dobrana tak, aby objąć całe gniazdo, może po cichu obniżyć rozdzielczość potrzebną dla kodu.

Diagnostyka znakowania polimerów laserem światłowodowym

Koszt posiadania

Laser światłowodowy wyparł Nd:YAG w znakowaniu tworzyw sztucznych ze względu na koszty eksploatacji, a nie jakość znaku, a powody warto przedstawić wprost przy uzasadnianiu inwestycji:

• Bez lamp, bez rurek przepływowych, bez justowania kryształu. Żywotność diod pompujących podaje się zwykle na ok. 100 000 godzin, a rezonator jest szczelny — nie ma rutynowej czynności justowania optyki.
• Chłodzenie powietrzem przy mocach znakowania. Brak agregatu chłodniczego oznacza brak jego konserwacji, brak chłodziwa i jedno medium mniej do doprowadzenia do gniazda.
• Wysoka sprawność całkowita. Często powyżej 30%, wobec niskich pojedynczych procentów dla Nd:YAG pompowanego lampowo, co bezpośrednio widać w rachunku za energię i w obciążeniu cieplnym, które budynek musi odprowadzić.
• Rzeczywistym materiałem eksploatacyjnym jest okno ochronne. Należy je uwzględnić w budżecie, wraz z odciągiem, który utrzymuje je w czystości. Niemal cała stopniowa utrata parametrów w dobrze prowadzonej instalacji światłowodowej wynika z końcowego elementu optycznego, a nie ze źródła.

W zamian dodatek jest kosztem cyklicznym, który znakowanie światłowodowe wprowadza w przypadku tworzyw sztucznych. Jeśli gatunek już zawiera sadzę, wypełniacz szklany lub pigment absorbujący, koszt ten może wynosić zero — warto to sprawdzić, zanim masterbatch zostanie określony z przyzwyczajenia.

Powiązane terminy i lektura uzupełniająca

• Lasery światłowodowe
• Rozwiązania w zakresie znakowania laserowego tworzyw sztucznych
• Podstawy materiałoznawcze znakowania laserowego tworzyw sztucznych
• Masterbatch do znakowania laserowego
• Laser MOPA
• Tworzywa nadające się do znakowania laserowego

Zastosowanie w produkcji

The Sabreen Group zapewnia niezależne wsparcie inżynieryjne w zakresie zastosowań laserów iterbowych i doboru dodatków laserowych. Jeśli określają Państwo proces, kwalifikują materiał lub usuwają problem produkcyjny, pomocy udzieli nasz zespół usług inżynieryjnych. Prosimy o kontakt, aby omówić Państwa zastosowanie.

Najczęściej zadawane pytania

Na jakiej długości fali pracuje laser iterbowy?

Głównie od 1030 do 1100 nanometrów, przy czym przemysłowe systemy znakujące pracują zwykle przy 1060–1070 nm. To pasmo bliskiej podczerwieni nadaje się do obróbki metali oraz, z odpowiednimi dodatkami, szerokiej gamy tworzyw sztucznych.

Jak sprawne są lasery iterbowe?

Wysoka sprawność elektryczno-optyczna, często przekraczająca 30%. Ta sprawność, w połączeniu z długą żywotnością diod i niską konserwacją, zapewnia im niższy całkowity koszt posiadania niż alternatywy CO2 i Nd:YAG.

Dlaczego tak dobrze się skupiają?

Doskonała jakość wiązki. Ośrodkiem czynnym jest sam domieszkowany światłowód, który ogranicza i kształtuje wiązkę, umożliwiając skupienie w bardzo małą plamkę — w praktyce poniżej 20 mikrometrów — a tym samym dużą gęstość energii dla drobnych szczegółów.

Czy laser iterbowy może znakować każde tworzywo?

Nie bez wsparcia. Większość polimerów ma niewielką absorpcję przy 1060–1070 nm, więc niemodyfikowany materiał znakuje się słabo lub wcale. Dodatki wrażliwe na laser wprowadzone do polimeru umożliwiają praktyczne znakowanie z wysokim kontrastem.

Jak wypadają w porównaniu z laserami CO2 i Nd:YAG?

Wyższa sprawność energetyczna, dłuższa żywotność diod i niższe koszty konserwacji, minimalne odkształcenia termiczne nawet przy dużej mocy wyjściowej, lepsza skupialność dzięki wyższej jakości wiązki oraz elastyczne prowadzenie wiązki światłowodem.

Ile mocy faktycznie potrzebuje zastosowanie w znakowaniu tworzyw sztucznych?

Mniej, niż zakłada większość specyfikacji. W przypadku kodów i symboli Data Matrix na żywicy z dodatkiem zwykle w zupełności wystarcza 20–30 W, a nadmiar mocy pogarsza ostrość krawędzi linii, zamiast poprawiać znak. Moc ma znaczenie przy głębokim grawerowaniu i wypełnianiu dużych powierzchni; w drobnym znakowaniu o wyniku decydują rozmiar plamki i jakość wiązki.

Dlaczego kontrast się zmienił, mimo że nic w laserze się nie zmieniło?

Prawie zawsze winny jest materiał. Zmienność partii barwnika, udział regranulatu i warunki wtrysku zmieniają kontrast znaku bez zmiany któregokolwiek parametru lasera. Należy ponownie zmierzyć materiał, zamiast dostrajać laser — kompensowanie zmienności partii ustawieniami procesu ukrywa problem z dostawami, który powróci.

Jakiej konserwacji wymaga laser światłowodowy?

Bardzo niewielkiej w samym źródle, które jest szczelne i zwykle chłodzone powietrzem przy mocach znakowania, z żywotnością diod pompujących podawaną na ok. 100 000 godzin. Rzeczywistym materiałem eksploatacyjnym jest okno ochronne przed głowicą skanującą, które zanieczyszcza się oparami znakowania. Większość stopniowej utraty parametrów w instalacji światłowodowej wynika z tego okna i niewystarczającego odciągu, a nie z lasera.

---