Czym różnią się obecnie dostępne na rynku wycinarki laserowe?

Laser to urządzenie emitujące promieniowanie elektromagnetyczne w postaci wiązki, która umożliwia m.in. cięcie wybranego materiału. Czy wszystkie wycinarki laserowe dostępne na rynku działają tak samo?
Obecnie rynek jest zdominowany przez lasery światłowodowe, zwane również fiber. Akcja laserowa odbywa się w ich przypadku wewnątrz ciała stałego – najczęściej w specjalnym szkle domieszkowanym pierwiastkami ziem rzadkich. Druga stosowana technologia to lasery gazowe, w których ośrodkiem aktywnym jest mieszanina gazów. Lasery gazowe były kiedyś popularne, jednak obecnie nie są już sprzedawane do cięcia stali. Wynika to głównie ze skomplikowania ich działania. Do pracy potrzebują pięciu gazów – trzech laserowych i dwóch tnących. Rezonator lasera wykorzystuje CO2, hel i azot, a kolejne dwa doprowadzają gaz tnący do głowicy lasera. Maszyny takie są uciążliwe w obsłudze, a dodatkowo dochodzi jeszcze koszt wynajmu i wymiany butli. Jednak główny wydatek podczas użytkowania lasera CO2 to energia elektryczna, której koszt w wielu przypadkach jest nawet pięcio-, sześciokrotnie wyższy niż w przypadku lasera światłowodowego o tej samej mocy. Mimo to lasery CO2 dalej działają w wielu firmach, ponieważ przy niektórych materiałach spisują się lepiej. Głównie dotyczy to przemysłu niemetalowego, np. wycinania sklejki, tworzyw sztucznych czy materiałów na poduszki powietrzne. Natomiast w branży cięcia blach lepszym wyborem są lasery na ciele stałym. Ten typ dzielimy na światłowodowe i dyskowe.

Różnice w działaniu laserów

Laser dyskowy jest urządzeniem typu open cavity, czyli pracującym w otwartej przestrzeni. Polega to na tym, że światło wielokrotnie przechodzi przez granice ośrodków – ze szkła do powietrza, następnie odbija się od lustra, znowu przechodzi z powietrza do szkła, odbija się i tak wielokrotnie, zanim światło trafi do głowicy. Przy każdym przejściu przez granice ośrodków część światła zostaje rozproszona, część odbita i w związku z tym pojawiają się straty. Rezonator dyskowy ma znacznie mniejszą sprawność niż w przypadku lasera fiber, który jest tzw. laserem all-in-glass, w którym światło rezonuje wewnątrz szkła, dopóki nie dojdzie do głowicy. Nie musi ono przekraczać granic ośrodków, na których pojawiają się straty.

Pobór energii

Lasery dyskowe mają sprawność energetyczną na poziomie ok. 20%, natomiast lasery fiber dochodzą do sprawności 50%. Różnica przekłada się na to, ile prądu pobierają lasery oraz jak duże przyłącze energetyczne trzeba mieć w firmie. Przy większych mocach laserów CO2 może ono być nawet na poziomie 100 kW. W takim przypadku koszty samej energii są ogromne, szczególnie teraz przy rosnących cenach. Lasery dyskowe potrzebują mniej więcej połowę mocy w porównaniu do laserów CO2, czyli ok. 50 kW, natomiast lasery fiber ok. połowę ilości, której potrzebuje laser dyskowy. Istotny dla przedsiębiorcy jest fakt, że laser fiber pobiera energię w większości wtedy, kiedy emituje wiązkę lasera. Natomiast laser CO2– niezależnie od tego, czy pracuje, czy nie – zużywa sporo prądu. Wiele elementów wyposażenia, np. pompy próżniowe czy turbiny do przepływu gazów, pracuje nawet wtedy, gdy laser nie tnie. Kiedy laser światłowodowy nie pracuje, pobiera mniej więcej tylko tyle energii, ile potrzeba do oświetlenia i pracy komputera.

Konstrukcja laserów na ciele stałym

Laser dyskowy składa się z bardzo dużej ilości elementów mechanicznych wymagających precyzyjnego wykonania i złożenia. Obrazowo można stwierdzić, że źródło lasera typu dyskowego jest wielkości biurka, natomiast lasera typu fiber o tej samej mocy –komputera stacjonarnego. Różnica jest nawet 10-krotna. W laserze fiber w zasadzie nie ma elementów mechanicznych, które by uczestniczyły w całym procesie działania lasera – składa się on z diod pompujących, światłowodów i elementów metalowych, które odpowiadają za odprowadzenie ciepła. Reszta to głównie układy sterujące i zasilacz. Dzięki temu ta technologia jest dużo prostsza. Zarówno wycinarki ze źródłem fiber, jak i ze źródłem dyskowym posiadają światłowód prowadzący wiązkę od źródła do głowicy. Jest to jednak światłowód tzw. pasywny – nie uczestniczy w generowaniu światła, ma tylko prowadzić wiązkę. W laserach CO2 odbywa się to za pomocą luster (tak jak się puszcza zajączki ze słońca). Problemem jest to, że lustra się brudzą, przypalają i to są kolejne koszty i czas poświęcany na obsługę techniczną. W laserach fiber luster nie ma. Problem jednak polega na tym, że rdzeń światłowodu procesowe- go najczęściej ma średnicę tylko 100 mikrometrów. Dlatego w przypadku lasera dyskowego potrzebne są bardzo precyzyjne mechanizmy, które pozwalają na ustawienie światłowodu w taki sposób, aby skoncentrowana wiązka trafiła dokładnie w rdzeń. Dodatkowo światło musi przejść przez soczewkę, która je skupia przed wprowadzeniem do światłowodu, oraz przez powierzchnię szklaną do samego światłowodu, która jest częściowo refleksyjna. Aby zminimalizować straty, powierzchnię szkła pokrywa się specjalnymi warstwami antyrefleksyjnymi, które jednak nie eliminują ich całkowicie. Elementy mogą się przegrzewać i może dojść do uszkodzenia na skutek najmniejszego pyłku, który jest niewidoczny dla ludzkiego oka. Zachowanie reżimu czystości jest w tym przypadku bardzo istotne. Jednak w warunkach przemysłowych jest to zazwyczaj problematyczne lub niemożliwe. W laserach typu fiber nie ma w ogóle połączenia, które byłoby wrażliwe na zanieczyszczenia pomiędzy światłowodem procesowym a źródłem lasera, ponieważ światłowód jest zespawany i na stałe doprowadzony do źródła. Niepotrzebne są również przeglądy, żeby sprawdzić, czy urządzenie działa poprawnie, więc znikają kolejne koszty. Często jednak klienci myślą, że możliwość odłączenia źródła światłowodu jest lepszym rozwiązaniem, bo można go samemu wymienić. Proces ustawiania światłowodu tak, żeby światło trafiło z odpowiednią precyzją w odpowiednio czystych, sprawdzonych warunkach wymaga jednak wysokiej klasy specjalisty i najczęściej nie jest możliwe do wykonania przez użytkownika. Podsumowując, pod względem poboru energii technologie laserowe należałoby uszeregować w taki sposób: lasery CO2 pobierają najwięcej energii, lasery dyskowe potrzebują jej połowę mniej, a lasery światłowodowe połowę mniej niż dyskowe. Lasery CO2 do transmisji wiązki wykorzystują lustra, które trzeba justować, czyścić, mogą się one jednak przypalić z powodu kurzu czy pyłu, który na nich osiądzie. Wiązka jest prowadzona tunelami, które również muszą być bardzo szczelne. Lasery dyskowe mają prowadzenie wiązki światłowodem, jednak on ma złącza od strony źródła, które też mogą ulec uszkodzeniu i wymagają usta- wiania i obsługi. Lasery światłowodowe mają również światłowód procesowy prowadzący wiązkę, ale nie mają żadnego złącza od strony źródła – nie ma więc potrzeby ustawiania, kalibracji ani problemu zanieczyszczenia takiego połączenia.