ไฟเบอร์เลเซอร์อิตเทอร์เบียม
ประเด็นสำคัญ
- ช่วงการทำงานอยู่ที่ 1,030 ถึง 1,100 nm ในย่านอินฟราเรดใกล้ที่ใช้สำหรับการมาร์กในอุตสาหกรรม
- ประสิทธิภาพจากไฟฟ้าเป็นแสงมักเกิน 30% นำหน้าเลเซอร์ CO2 และ Nd:YAG อย่างมาก
- อายุการใช้งานยาวนานโดยต้องบำรุงรักษาน้อยที่สุด และการออกแบบที่กะทัดรัดและแข็งแรงทนสภาพแวดล้อมที่รุนแรง
- พอลิเมอร์ส่วนใหญ่ต้องใช้สารเติมแต่งที่ความยาวคลื่นนี้ เพราะแทบไม่มีการดูดกลืนโดยธรรมชาติในย่านนี้
ไฟเบอร์เลเซอร์อิตเทอร์เบียม
ไฟเบอร์เลเซอร์อิตเทอร์เบียมคือไฟเบอร์เลเซอร์ที่แกนซิลิกาเจือด้วยไอออนอิตเทอร์เบียม (Yb3+) เปล่งแสงในย่านอินฟราเรดใกล้ 1030–1100 nm และโดยทั่วไประบุที่ 1064 nm เมื่ออุตสาหกรรมพูดถึง "ไฟเบอร์เลเซอร์" ในบริบทการมาร์กพลาสติก เกือบทุกครั้งหมายถึงอุปกรณ์ชนิดนี้โดยเฉพาะ
เหตุใดจึงเป็นอิตเทอร์เบียม
อิตเทอร์เบียมมีโครงสร้างระดับพลังงานที่เรียบง่ายอย่างน่าทึ่ง ซึ่งโดยผลคือระบบสองระดับ ให้ข้อได้เปรียบเชิงปฏิบัติหลายประการเหนือธาตุเจือหายากชนิดอื่น
- ประสิทธิภาพเชิงควอนตัมสูงมาก ความยาวคลื่นปั๊ม (ราว 915 หรือ 976 nm) อยู่ใกล้ความยาวคลื่นที่เปล่งออก จึงสูญเสียพลังงานเป็นความร้อนน้อย นี่คือต้นเหตุของประสิทธิภาพจากปลั๊กไฟที่สูงของไฟเบอร์เลเซอร์และความสามารถในการระบายความร้อนด้วยอากาศ
- แบนด์วิดท์การขยายสัญญาณกว้าง รองรับการปรับรูปพัลส์และช่วงอัตราการเกิดซ้ำที่กว้างซึ่งสถาปัตยกรรม MOPA ใช้ประโยชน์
- รองรับกำลังสูง รูปทรงตัวกลางขยายสัญญาณที่ยาวและบางมีอัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรที่ยอดเยี่ยมสำหรับการระบายความร้อน
- ไม่มีคอขวดที่ระดับพลังงานบนแบบที่จำกัดเลเซอร์ผลึกบางชนิดที่อัตราการเกิดซ้ำสูง
ข้อกำหนดการมาร์กทั่วไป
| พารามิเตอร์ | ค่าทั่วไปสำหรับการมาร์กพลาสติก |
|---|---|
| ความยาวคลื่น | 1064 nm ตามพิกัด (1060–1070 nm) |
| กำลังเฉลี่ย | 20, 30, 50 W พบบ่อยที่สุด 100 W สำหรับการแกะสลักลึก |
| ความกว้างพัลส์ | ~100 ns คงที่ (Q-switched) ~2–500 ns ปรับได้ (MOPA) |
| อัตราการเกิดซ้ำ | 20–100 kHz โดยทั่วไป MOPA ขยายไปถึงย่าน MHz |
| คุณภาพลำแสง M² | 1.1–1.5 |
| การระบายความร้อน | ระบายความร้อนด้วยอากาศที่กำลังมาร์กทั่วไป |
ปัญหาการดูดกลืนที่ 1064 nm
ข้อเท็จจริงเดียวที่สำคัญที่สุดสำหรับงานพอลิเมอร์คือ พลาสติกส่วนใหญ่ดูดกลืนที่ 1064 nm ได้ไม่ดี ต่างจากโลหะที่จับคู่กับความยาวคลื่นนี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ เทอร์โมพลาสติกธรรมชาติที่ไม่มีสารเติมโปร่งใสต่อความยาวคลื่นนี้เป็นส่วนใหญ่ ลำแสงทะลุผ่านไปโดยมีพลังงานสะสมที่พื้นผิวน้อยเกินกว่าจะสร้างรอยมาร์ก
มีสามแนวทางแก้ปัญหานี้
- ผสมสารดูดกลืน สารเติมแต่งสำหรับการมาร์กด้วยเลเซอร์ ได้แก่ ดีบุกออกไซด์เจืออนุมูลแอนติโมนี สารประกอบบิสมัท เม็ดสีไมกา เขม่าดำ เปลี่ยนพลังงาน 1064 nm เป็นความร้อนเฉพาะจุด นี่คือวิธีแก้มาตรฐานในอุตสาหกรรม และครอบคลุมในสารเติมแต่งอัจฉริยะช่วยเพิ่มการมาร์กพลาสติกด้วยเลเซอร์
- อาศัยส่วนประกอบที่มีอยู่แล้ว เขม่าดำ ใยแก้ว สารหน่วงการติดไฟ และเม็ดสีหลายชนิดให้การดูดกลืนอยู่แล้ว จึงอธิบายว่าเหตุใดเรซินวิศวกรรมที่เติมสารจึงมักมาร์กได้ดีตั้งแต่ออกจากแม่พิมพ์
- เปลี่ยนความยาวคลื่น เลเซอร์วาเนเดตที่ผ่านการคูณความถี่สามเท่าที่ 355 nm มาร์กพอลิเมอร์หลายชนิดด้วยกระบวนการโฟโตเคมีโดยไม่ต้องใช้สารเติมแต่ง แต่มีอัตราการผลิตต่ำกว่าและต้นทุนลงทุนสูงกว่า
หมายเหตุเชิงปฏิบัติ
ไฟเบอร์เลเซอร์อิตเทอร์เบียมเป็นอุปกรณ์ Class 4 ซึ่งเอาต์พุต 1064 nm มองไม่เห็นและผ่านชิ้นส่วนแสงของดวงตาไปถึงเรตินาได้อย่างมีประสิทธิภาพ การใช้ตู้ครอบระดับ Class 1 ความหนาแน่นเชิงแสงของแว่นตานิรภัยที่ถูกต้อง และเจ้าหน้าที่ความปลอดภัยด้านเลเซอร์ที่ได้รับแต่งตั้ง เป็นแนวปฏิบัติที่คาดหวังตาม ANSI Z136.1
ในด้านกระบวนการ ควรจำไว้ว่าผลลัพธ์การมาร์กเป็นคุณสมบัติร่วมของวัสดุและเลเซอร์ เกรดเรซิน ปริมาณสารให้สี ปริมาณสารเติมเต็ม สภาวะการขึ้นรูป และแม้แต่สัดส่วนวัสดุบดซ้ำ ล้วนเปลี่ยนผลลัพธ์ ดูพารามิเตอร์กระบวนการที่ส่งผลต่อคุณภาพของรอยมาร์ก
การเลือกขนาดต้นกำเนิดให้เหมาะกับงาน
ไฟเบอร์เลเซอร์มักซื้อครั้งเดียวและใช้งานยาวนานหนึ่งทศวรรษ จึงควรกำหนดข้อกำหนดให้ถูกต้อง กำลังเฉลี่ยเป็นตัวเลขที่ทุกคนอ้างถึง แต่แทบไม่ใช่ตัวเลขที่ตัดสินว่างานสำเร็จหรือไม่
| การใช้งาน | กำลังทั่วไป | สถาปัตยกรรม | สิ่งที่กำหนดการเลือกจริง |
|---|---|---|---|
| รหัสละเอียดและ Data Matrix บนเรซินที่เติมสารเติมแต่ง | 20–30 W | Q-switched เพียงพอ | ขนาดจุดและคุณภาพลำแสง ไม่ใช่กำลัง กำลังส่วนเกินทำให้ขอบเส้นคมชัดน้อยลง |
| หลายสีและหลายเรซินบนสายการผลิตเดียว | 20–50 W | MOPA | ความยืดหยุ่นของความกว้างพัลส์ เครื่องเดียวที่ครอบคลุมหลายวัสดุคุ้มค่ากับสถาปัตยกรรมนี้ |
| รอยมาร์กสีอ่อนบนพลาสติกสีเข้มหรือดำ | 20–50 W | MOPA | พัลส์สั้นทำให้เกิดฟองแทนที่จะเกิดถ่าน Q-switched ทำได้ยากที่นี่ไม่ว่ากำลังจะเท่าใด |
| การมาร์กผลิตภัณฑ์เดียวปริมาณสูง | 30–50 W | Q-switched | เวลาต่อรอบและความเร็วสแกนเนอร์ สูตรคงที่ไม่ต้องปรับพัลส์ |
| การแกะสลักลึกและงานแม่พิมพ์ | 50–100 W | แบบใดก็ได้ | อัตราการนำวัสดุออกและกำลังการดูด ดูการแกะสลักด้วยเลเซอร์ |
| ชิ้นงานขนาดใหญ่หรือหลายตำแหน่งวางงาน | กำหนดโดยพื้นที่มาร์ก | แบบใดก็ได้ | พื้นที่สแกนและความยาวโฟกัส พื้นที่ที่ใหญ่ขึ้นหมายถึงจุดที่ใหญ่ขึ้นและความละเอียดต่ำลง |
กำหนดเลนส์สแกนพร้อมกับชิ้นงาน ไม่ใช่หลังจากนั้น ความยาวโฟกัสกำหนดทั้งขนาดพื้นที่และเส้นผ่านศูนย์กลางจุด และเลนส์ที่เลือกเพื่อให้ครอบคลุมพื้นที่วางงานทั้งหมดอาจทำให้เสียความละเอียดที่รหัสต้องการไปโดยไม่รู้ตัว
การแก้ปัญหาการมาร์กพอลิเมอร์ด้วยไฟเบอร์เลเซอร์
| อาการ | สาเหตุที่เป็นไปได้ | การแก้ไข |
|---|---|---|
| ไม่เกิดรอยมาร์กเลยบนเรซินธรรมชาติ | พอลิเมอร์โปร่งใสที่ 1064 nm โดยสภาพ | เป็นเรื่องที่คาดไว้ ไม่ใช่ข้อบกพร่อง เกรดนี้ต้องใช้สารเติมแต่งเลเซอร์ หรืองานต้องใช้ความยาวคลื่นอื่น |
| มีรอยมาร์กแต่จางและเป็นสีเทา | ปริมาณสารเติมแต่งต่ำเกินไป หรือการกระจายตัวไม่ดี | ตรวจสอบอัตราส่วนผสมมาสเตอร์แบตช์และรูปแบบสกรูก่อนปรับการตั้งค่าเลเซอร์ การกระจายตัวไม่ดีปรากฏเป็นคุณภาพรอยมาร์กที่ต่างกันภายในชิ้นงานเดียว |
| ความคมชัดลดลงหลังเปลี่ยนล็อตเรซิน | ความแปรปรวนของสารให้สีหรือวัสดุบดซ้ำ | วัดใหม่แทนการปรับใหม่ การไล่ตามความแปรปรวนของล็อตด้วยพารามิเตอร์เลเซอร์ซ่อนปัญหาของวัสดุซึ่งจะเกิดซ้ำ |
| ใยแก้วยื่นออกมาในรอยมาร์ก | พอลิเมอร์ระเหย แต่แก้วไม่ระเหย | ลดพลังงานและใช้หลายรอบ ดูการแก้ปัญหาใยแก้วโผล่ |
| รอยมาร์กดีตรงกลางพื้นที่ แต่ไม่ดีที่ขอบ | ความแบนของพื้นที่ หรือโฟกัสไม่คงตลอดพื้นที่สแกน | ตรวจสอบเลนส์ F-theta และการสอบเทียบพื้นที่ ชิ้นงานสามมิติอาจต้องใช้โมดูลโฟกัสแปรผัน |
| ความคมชัดลดลงทีละน้อยตลอดหลายเดือน | ชิ้นส่วนแสงปนเปื้อนจากควันของการมาร์ก | ปรับปรุงระบบดูดที่จุดทำงานและทำความสะอาดหน้าต่างป้องกันตามกำหนด ตัวต้นกำเนิดไฟเบอร์เองแทบไม่เลื่อน |
| เป็นสีเหลืองหรือพองรอบรอยมาร์ก | พลังงานต่อหน่วยพื้นที่มากเกินไป | เพิ่มความเร็วแทนการลดกำลัง แล้วกู้ความคมชัดด้วยรอบที่สองหากจำเป็น |
ต้นทุนการเป็นเจ้าของ
ไฟเบอร์เลเซอร์เข้ามาแทนที่ Nd:YAG ในการมาร์กพลาสติกเพราะต้นทุนการใช้งาน ไม่ใช่คุณภาพของรอยมาร์ก และเหตุผลเหล่านี้ควรระบุอย่างตรงไปตรงมาเมื่อพิสูจน์ความคุ้มค่าของเงินลงทุน
- ไม่มีหลอดไฟ ไม่มีท่อน้ำหล่อเย็น ไม่ต้องจัดแนวผลึก อายุการใช้งานไดโอดปั๊มโดยทั่วไประบุไว้ราว 100,000 ชั่วโมง และเรโซเนเตอร์ปิดผนึก จึงไม่มีงานจัดแนวชิ้นส่วนแสงประจำ
- ระบายความร้อนด้วยอากาศที่กำลังระดับการมาร์ก ไม่มีเครื่องทำความเย็นหมายถึงไม่มีการบำรุงรักษาเครื่องทำความเย็น ไม่มีสารหล่อเย็น และสาธารณูปโภคที่ต้องเดินไปยังเซลล์น้อยลงหนึ่งอย่าง
- ประสิทธิภาพจากปลั๊กไฟสูง มักสูงกว่า 30% เทียบกับตัวเลขหลักหน่วยต่ำของ Nd:YAG ที่ปั๊มด้วยหลอดไฟ ซึ่งปรากฏโดยตรงในค่าไฟและภาระความร้อนที่อาคารต้องระบายออก
- วัสดุสิ้นเปลืองจริงคือหน้าต่างป้องกัน ควรตั้งงบประมาณสำหรับหน้าต่างนี้ และสำหรับระบบดูดที่ทำให้หน้าต่างสะอาด ประสิทธิภาพที่ลดลงทีละน้อยเกือบทั้งหมดในการติดตั้งไฟเบอร์ที่ดูแลดีมาจากชิ้นส่วนแสงสุดท้าย ไม่ใช่ตัวต้นกำเนิด
ในทางกลับกัน สารเติมแต่งคือต้นทุนประจำที่การมาร์กด้วยไฟเบอร์นำเข้ามาบนพลาสติก หากเกรดวัสดุมีเขม่าดำ ใยแก้ว หรือเม็ดสีที่ดูดกลืนอยู่แล้ว ต้นทุนนั้นอาจเป็นศูนย์ ซึ่งควรตรวจสอบก่อนจะกำหนดมาสเตอร์แบตช์ตามความเคยชิน
ศัพท์และเอกสารที่เกี่ยวข้อง
- ไฟเบอร์เลเซอร์
- โซลูชันการมาร์กพลาสติกด้วยเลเซอร์
- วิทยาศาสตร์วัสดุพื้นฐานสำหรับการมาร์กพลาสติกด้วยเลเซอร์
- มาสเตอร์แบตช์สำหรับการมาร์กด้วยเลเซอร์
- เลเซอร์ MOPA
- พลาสติกที่มาร์กด้วยเลเซอร์ได้
การประยุกต์ใช้ในการผลิต
The Sabreen Group ให้การสนับสนุนด้านวิศวกรรมอย่างเป็นอิสระสำหรับการประยุกต์ใช้ไฟเบอร์เลเซอร์อิตเทอร์เบียมและการเลือกสารเติมแต่งเลเซอร์ ไม่ว่าจะเป็นการกำหนดกระบวนการ การรับรองวัสดุ หรือการแก้ปัญหาในสายการผลิต ทีมบริการด้านวิศวกรรมพร้อมให้ความช่วยเหลือ ติดต่อเราเพื่อหารือเกี่ยวกับการใช้งาน
คำถามที่พบบ่อย
ไฟเบอร์เลเซอร์อิตเทอร์เบียมทำงานที่ความยาวคลื่นเท่าใด
หลักๆ 1,030 ถึง 1,100 นาโนเมตร โดยระบบมาร์กอุตสาหกรรมมักอยู่ที่ 1,060 ถึง 1,070 nm ย่านอินฟราเรดใกล้นี้เหมาะกับการประมวลผลโลหะ และเมื่อใช้สารเติมแต่งที่เหมาะสมก็ใช้กับพลาสติกได้หลากหลาย
ไฟเบอร์เลเซอร์อิตเทอร์เบียมมีประสิทธิภาพเพียงใด
ประสิทธิภาพจากไฟฟ้าเป็นแสงสูง มักเกิน 30% ประสิทธิภาพนี้ร่วมกับอายุไดโอดที่ยาวและการบำรุงรักษาน้อย คือสิ่งที่ทำให้ต้นทุนรวมในการเป็นเจ้าของต่ำกว่าทางเลือก CO2 และ Nd:YAG
เหตุใดจึงโฟกัสได้ดีมาก
คุณภาพลำแสงยอดเยี่ยม ตัวกลางขยายสัญญาณคือเส้นใยแก้วนำแสงที่เจือธาตุ ซึ่งกักและกำหนดรูปลำแสง ทำให้โฟกัสเป็นจุดเล็กมากได้ ต่ำกว่า 20 ไมครอนในทางปฏิบัติ จึงได้ความหนาแน่นพลังงานสูงสำหรับรายละเอียดที่ละเอียด
ไฟเบอร์เลเซอร์อิตเทอร์เบียมมาร์กพลาสติกได้ทุกชนิดหรือไม่
ไม่ได้หากไม่มีตัวช่วย พอลิเมอร์ส่วนใหญ่ดูดกลืนที่ 1,060 ถึง 1,070 nm ได้น้อย วัสดุที่ไม่ได้ดัดแปลงจึงมาร์กได้จางหรือไม่ติดเลย สารเติมแต่งไวต่อเลเซอร์ที่ผสมเข้าในพอลิเมอร์คือสิ่งที่ทำให้การมาร์กที่คมชัดสูงใช้งานได้จริง
เปรียบเทียบกับเลเซอร์ CO2 และ Nd:YAG อย่างไร
ประสิทธิภาพพลังงานสูงกว่า อายุไดโอดยาวกว่า และต้นทุนบำรุงรักษาต่ำกว่า การบิดเบี้ยวจากความร้อนน้อยที่สุดแม้ที่กำลังสูง โฟกัสได้ดีกว่าจากคุณภาพลำแสงที่เหนือกว่า และการส่งลำแสงผ่านเส้นใยแก้วที่ยืดหยุ่น
งานมาร์กพลาสติกต้องใช้กำลังเท่าใดจริงๆ
น้อยกว่าที่ข้อกำหนดส่วนใหญ่สันนิษฐาน สำหรับรหัสและสัญลักษณ์ Data Matrix บนเรซินที่เติมสารเติมแต่ง 20–30 W โดยปกติเพียงพอ และกำลังส่วนเกินทำให้ขอบเส้นคมชัดน้อยลงแทนที่จะปรับปรุงรอยมาร์ก กำลังมีความสำคัญกับการแกะสลักลึกและการเติมพื้นที่ขนาดใหญ่ สำหรับการมาร์กละเอียด ขนาดจุดและคุณภาพลำแสงเป็นตัวตัดสินผลลัพธ์
เหตุใดความคมชัดจึงเปลี่ยนทั้งที่ไม่ได้เปลี่ยนอะไรบนเลเซอร์
เกือบทุกครั้งคือวัสดุ ความแปรปรวนของล็อตสารให้สี สัดส่วนวัสดุบดซ้ำ และสภาวะการขึ้นรูป ล้วนเปลี่ยนความคมชัดของรอยมาร์กโดยไม่มีพารามิเตอร์เลเซอร์ใดเคลื่อน ควรวัดวัสดุใหม่แทนการปรับเลเซอร์ใหม่ การชดเชยความแปรปรวนของล็อตด้วยการตั้งค่ากระบวนการปิดบังปัญหาการจัดหาซึ่งจะกลับมาอีก
ไฟเบอร์เลเซอร์ต้องบำรุงรักษาอะไรบ้าง
น้อยมากที่ตัวต้นกำเนิด ซึ่งปิดผนึกและโดยทั่วไประบายความร้อนด้วยอากาศที่กำลังระดับการมาร์ก โดยอายุไดโอดปั๊มมักระบุไว้ราว 100,000 ชั่วโมง วัสดุสิ้นเปลืองจริงคือหน้าต่างป้องกันหน้าสแกนเฮด ซึ่งสกปรกจากควันของการมาร์ก ประสิทธิภาพที่ลดลงทีละน้อยส่วนใหญ่ในการติดตั้งไฟเบอร์มาจากหน้าต่างนั้นและระบบดูดที่ไม่เพียงพอ ไม่ใช่จากเลเซอร์
ขอใบเสนอราคาฟรี
Scott Sabreen — ประธานและหัวหน้าวิศวกร ประสบการณ์กว่า 30 ปี ติดต่อเราวันนี้เพื่อปรึกษาการใช้งานของคุณและโซลูชันจาก SABREEN โดยไม่มีค่าใช้จ่าย
โทรศัพท์: +1 972-820-6777
