Optimális teljesítmény megválasztása a hatékony lézervágáshoz

A fémmegmunkálással foglalkozó vállalatok számára az alapvető cél az, hogy minimális befektetés ellenében maximális produktivitást 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 létfontosságú, hiszen hiába képes a lézervágógépünk kimagasló sebességgel megmunkálni egy adott alkatrészt, ha utána az utómegmunkálás során a nagy sebességből származó előny elvész.

Amada_fiber_power_cikk1

Lézervágógépek esetén a két alapvető típus, a fiber lézer és a CO2 lézer közti egyik legszembetűnőbb különbség a sebességük. A fiber lézerek 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 emellett jelentős növekedést tett lehetővé a sebességben is. Azonban az üzemeltetési költségek, az energiafogyasztás és a gépek ára még mindig túl magasnak bizonyultak ahhoz, hogy ez a produktivitásbeli növekedéssel ellensúlyozható legyen.

Amada_fiber_power_cikk2

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?

Részben ez is igaz, azonban fontos figyelembe venni, hogy ez nem minden esetben követendő. 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 a fiber lézerek nem rendelkeznek azokkal az optikai elemekkel mint a CO2 lézerek. Nem tartalmaznak tükröket, optikákat, vákuum pumpákat, CO2 gázt és még sok más összetevőt, 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 lézergépeket? A kérdésre nem könnyű válaszolni, először is a sugárparaméter-szorzat (BPP) fogalmával kell megismerkednünk.

Amada_fiber_power_cikk4

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.

Amada_fiber_power_cikk5

Jelenleg egyetlen fiber lézer modul 2 kW-os teljesítményre képes, általában 0.9 mm*mrad-os BPP-vel. Bár ez teljesítményét tekintve gyengébbnek mondható, az alacsonyabb BPP sokkal gyorsabb vágást tesz lehetővé. Ezekből a modulokból viszont többet is alkalmazhatunk, így 4, vagy 6 kW-os rendszert is létrehozhatunk.

Bár a nagyobb teljesítményű rendszerek esetében az összesített BPP emelkedik, az egyes 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 lézerforrás alkalmazásával.

Megbízhatóság és robusztusság

Akik jártasak a fiber lézerek teljesítménynövelésében, azok számára ezek nem új információk, hiszen ahogy már korábban is említettük, a nagyteljesítményű fiber lézerek előállítása évek óta lehetséges. Azonban azt fontos hozzátenni, hogy a lézerforrások technológiája eddig még nem állt készen arra, hogy a megfelelően nagy teljesítményt a minőség fenntartásához elegendően alacsony BPP mellett állítsa elő. A jelenlegi fejlesztések célja, hogy nagyobb vágási teljesítményt érjünk el, kevesebb modullal, azaz, hogy a lehető legmagasabb minőséget, és legalacsonyabb összesített BPP-t érjük el. A felhasználó számára ez abban nyilvánul meg, hogy egy 4 kW-os lézerrel ugyanolyan, vagy akár nagyobb sebességgel végezheti a vágást, mint egy korábbi 6 kW-os berendezéssel.

Ezek mellett természetesen számos más tényező is befolyásolhatja a lézeres vágás minőségét. Ilyenek például a lencsék, a fúvókák vagy a gépkezelő szaktudása, azonban a végeredményre a legnagyobb hatást a lézer teljesítményének és minőségének a kombinációja gyakorolja. Összesítve tehát, a lézeres megoldások kiválasztása során nem mondhatjuk ki egyértelműen, hogy a nagyobb teljesítményű rendszer a jobb választás.

Amada_fiber_power_cikk3

A tőkebefektetés, a legyártott alkatrészenkénti költségek, a megmunkálási idő, az élminőség és a másodlagos megmunkálások szükségessége is olyan tényezők, melyeket mindenképpen figyelembe kell venni egy ilyen mértékű beruházás előtt. Továbbá az alkatrészek száma és a lézerforrás technológiájának megbízhatósága szintén nagy szerepet játszik a döntésben, hiszen a nem tervezett szervizelések költségei jelentősen ronthatnak a kezdetben jónak tűnő ár-érték arányon.

A szilárdtest technológia rendkívül gyors fejlődésen megy keresztül. Egyes becslések szerint a 2015-ben eladott síklézerek 60-65%-a fiber lézer lesz. Ez azonban nem azt jelenti, hogy a fiber lézer technológia jobb lenne, mint a CO2, hiszen nem minden esetben ez az optimális választás.

Mindenki számára létezik egy konstrukció, ami a megfelelő teljesítménnyel rendelkezik és az ára is optimális, azonban ha lehetőség van rá, érdemes fontolóra venni a fiber lézer alkalmazását, mivel az eddigi tapasztalatok alapján fényes jövő vár erre a technológiára.

Forrás: Amada