Fiberlaser - funktionalitet og anvendelsesområder

• Definition: Faststoflasere, der leder lys ind i optiske glasfibre, typisk doteret med sjældne jordarter. 

• Vigtige styrker: Enestående præcision, høj effektivitet, alsidighed og robusthed. 

• Anvendelser: Indviklet indgravering/mærkning 

• Fordele: Kompakt design, energieffektivitet, lang levetid, lav vedligeholdelse, berøringsfri proces 

• Begrænsninger: Ikke ideel til organiske materialer som træ eller gennemsigtige materialer (klart glas),  eller nogle plasttyper. 

Inden for produktion og design har laserteknologi som helhed revolutioneret materialeforarbejdning. Blandt alle lasere skiller fiberlasere sig ud på grund af deres præcision, effektivitet og mærkningsfleksibilitet ved anvendelse. Denne guide forklarer fiberlasere, deres fordele, almindelige anvendelser og vigtige sikkerhedshensyn, som er relevante, når man skal vælge en ny laser. 

Undersøg lasermaskiner

En fiberlaser er en faststoflaser, hvor både laserlyset og pumpelyset ledes ind i optiske glasfibre. Laserens aktive medium er glasfiberens indre tværsnitsareal, ofte doteret med et sjældent jordartselement som ytterbium. 

Nærmere bestemt leverer laserdioder energi ved at sende lys (f.eks. ved 915 nm, 977 nm eller 1064 nm) til den doterede glasfiber via optiske fibre. Disse optiske fibre forbindes gennem splejsning, en glassvejseproces, der eliminerer åbne strålestier for pumpe- eller laserlys. Det gør fiberlasere usædvanligt robuste over for forurening og vibrationer. 

De fleste fiberlasere til mærkning og gravering er pulserende fiberlasere, der ofte bruger et MOPA-design (Master Oscillator Power Amplifier). Denne single-pass-forstærkning i en oprullet fiber muliggør et stort forstærkerområde og høj forstærkning inden for et kompakt volumen. 

Pulserende fiberlasere har typisk en pulsspidseffekt på 10 kW-20 kW og en gennemsnitlig udgangseffekt på 10 W-100 W, hvilket gør dem velegnede til forskellige præcisionsopgaver. Deres høje strålekvalitet og fremragende fokus muliggør flere anvendelser: 

• Kompleks gravering og mærkning: Fiberlasere udmærker sig ved at levere permanente mærkninger med høj kontrast på metaller, visse plasttyper og keramik. Det er nemt at indgravere og mærke detaljerede mønstre i høj opløsning, hvilket gør dem perfekte til indgravering af design, tekst, logoer eller serienumre. Derudover er dyb gravering ikke noget problem for fiberlasere på grund af deres særlige effekttæthed. Derfor spænder anvendelsesområderne for de fiberlasere, Trotec producerer, fra smykkeindustrien til bilindustrien.    
• Yderligere anvendelser af fiberlasere generelt: Derudover kan nogle fiberlasere også bruges til svejsning eller overfladerensning og finder også flere og flere anvendelser inden for andre områder. 

Når du vælger et lasersystem, vil du støde på forskellige teknologier, hvor det kan være overvældende at vælge den rigtige til din brugssituation. Følgende sammenligning kan give dig et overblik over forskellene mellem lasertyperne. 

Fiberlaser kontra CO2-laser: 

• Hastighed og materialer: Med en bølgelængde på 1.064 mikrometer producerer fiberlasere en ekstrem lille fokuseringsdiameter, hvilket resulterer i, at intensiteten er op til 100 gange højere end ved CO2-lasere med den samme gennemsnitlige afgivne effekt. Derfor er fiberlasere optimalt velegnede til metalmærkning ved hjælp af udglødning, til metalgravering og til plastikmærkning med høj kontrast.  

•  På den anden side er CO2-lasere med deres længere bølgelængde ideelle til skæring, gravering og mærkning af ikke-metalliske materialer som træ, akryl, læder, papir, tekstiler og glas. 

• Præcision og strålekvalitet: Til sammenligning tilbyder fiberlasere typisk højere præcision og finere strålekvalitet, hvilket resulterer i glattere skærekanter på metaller. 

• Vedligeholdelse og levetid: Fiberlasere har generelt en længere levetid og kræver kun lidt vedligeholdelse på grund af kontaktløs mærkning og gravering og ingen krigsdele.

Fiberlaser kontra Nd:YAG-laser: 

• Brugsscenarier: Pulserende fiberlasere har delvist erstattet traditionelle YAG-lasere til mange anvendelser, især mærkning og gravering. Fiberlasere er generelt bedre egnet til industriel metalbearbejdning og højhastighedsproduktion. 

• Puls: YAG-lasere kan have højere pulsspidseffekt (30-100 kW) sammenlignet med 10 kW-20 kW for fiberlasere. 

• Brugervenlighed: Fiberlasere giver betydelige fordele i form af kompakt design, robusthed, lang levetid og generel omkostningseffektivitet. 

Fiberlaser kontra Diode-laser  

• Alsidige materialer og anvendelsesmuligheder: Fiberlasere arbejder typisk ved 1064 nm. Denne bølgelængde absorberes i høj grad af metaller, hvilket gør fiberlasere ideelle til mærkning af metaller og visse plasttyper. Diodelasere arbejder normalt ved 450 nm (blåt lys) eller nogle gange omkring 808-980 nm (infrarødt lys) afhængigt af diodetypen. Blå dioder (450 nm) absorberes godt af organiske materialer som træ, læder og nogle plastmaterialer, ud over at de mærker nogle metaller. Så fiberlasere bruges hovedsageligt til specielle formål inden for metal- og plastmærkning, mens diodelasere giver større alsidighed på tværs af forskellige materialer. 

• Dyb gravering på metaller: Fiberlasere er velegnede til dyb gravering på metaller, mens diodelasere ikke kan opnå samme dybde i metalmærkning. 

• Budget: Diodelasersystemer (som Speedy 100 cross ) giver ofte et større mærkningsområde til en lavere pris sammenlignet med mange galvo-fiberlasersystemer.  

Energien leveres af laserdioder, hvis lys (ofte 915 nm eller 977 nm) bringes til den doterede glasfiber via optiske fibre. De optiske fibre er forbundet med hinanden via splejsning (svejsning af glas), dvs. at der ofte ikke er åbne stråleruter for pumpe- eller laserlys (se figur 1). Som følge heraf er fiberlaseren relativt ufølsom over for forurening og vibrationer. Da pumpedioderne er rumligt adskilt fra hinanden, og hver har sin egen køleplade, er pumpediodernes levetid høj. Så længe laserpulsernes spidseffekt holdes under ca. 10-20 kW, resulterer det i en høj samlet levetid på flere titusinder af timer. Der findes både kontinuerligt udsendende fiberlasere ("cw" = continuous wave) og pulserende fiberlasere. Kun pulserende fiberlasere vil blive diskuteret nedenfor, da de er meget bedre egnet til mærknings- og graveringsopgaver. Pulsens varighed er typisk omkring 100 nanosekunder - kortere pulser på nogle få nanosekunder kan opnås, men kun ved betydeligt lavere pulsenergi.

De pulserende fiberlasere i "MOPA"-designet består af en "styreoscillator" (også "seed-laser") og en fiberkoblet "effektforstærker". Førstnævnte er enten en diodelaser eller en "laser på en chip" med en gennemsnitlig effekt på nogle få milliwatt til et maksimum på ca. 150 mW. Laseren udsender pulser med en defineret pulsform. "Laser på en chip" indeholder en laser på en enkelt chip - laseraktivt medium, reflektorer og andre optiske komponenter er ofte ikke kun integreret, men konstrueret monolitisk. Forstærkeren består af en ytterbium-doteret glasfiber, som forsynes med energi via fiberkoblede pumpedioder. Hvis der skal genereres en laserpuls, oplader pumpedioderne først forstærkerfiberen (populationsinversion). Før den aflades ved spontan emission, udsender seed-laseren en puls, der forstærkes et par hundrede gange til tusind gange, når den passerer gennem fiberen. Forstærkningen sker i et enkelt gennemløb ("single-pass amplifier"). Fiberen er ofte i spoleform - derfor kan man i et lille volumen realisere et stort forstærkerområde og dermed høj forstærkning.

En væsentlig fordel ved fiberlasere er deres imponerende lange levetid. Rumligt adskilte pumpedioder, hver med sin egen køleplade, bidrager til en høj levetid for disse kritiske komponenter. Fiberlasere har generelt en samlet levetid på 50.000 til 100.000 driftstimer, før der er behov for større vedligeholdelse, eller der sker en væsentlig forringelse. Denne forlængede levetid gør dem til en smart langtidsinvestering. 

Fiberlasere har flere overbevisende fordele: 

• Hurtig mærkning i høj kvalitet, især på metal og plast 
• Høj præcision også på fine og detaljerede mærkninger 
• Kompakt og vedligeholdelsesfrit design: Glasfibrenes store overfladeareal og lave volumen muliggør effektiv køling og bidrager til et kompakt, robust og stort set vedligeholdelsesfrit design. 
• Energieffektivitet: De har en høj elektrisk-optisk effektivitet (over 20 %), hvilket fører til lavere energiomkostninger og mindre spildvarme under drift. 
• Lavere samlede omkostninger: Sammenlignet med ældre YAG-lasere har fiberlasere betydeligt lavere samlede levetidsomkostninger for lignende anvendelser, hvilket gør dem til et mere økonomisk valg i det lange løb. 
• Modstandsdygtighed over for forurening: Intern styring af pumpe- og laserlys i optiske fibre, opnået gennem præcisionssplejsning, eliminerer åbne strålestier, hvilket gør dem meget modstandsdygtige over for støv og andre forurenende stoffer. 

På trods af deres enorme kapacitet har fiberlasere begrænsninger med hensyn til materialekompatibilitet: 

• Gennemsigtige materialer: Materialer som klart glas er en udfordring for fiberlasere. Bølgelængden på fiberlasere absorberes ikke let af gennemsigtige materialer, hvilket fører til dårlige eller ingen graverings-/skæreresultater.  
• Træ: Fiberlasere er ikke ideelle til skæring eller dyb gravering af træ. Træets organiske, ujævne struktur fører ofte til ingen eller uoverensstemmende resultater. Her er CO2-lasere generelt det foretrukne valg til skæring eller gravering. 
• Visse former for plast: Generelt kan man opnå gode mærkningsresultater på plast med en fiberlaser. Her skaber pigmenterne i plasten en lysere eller mørkere farve afhængigt af pigmenteringen, hvor mørke pigmenter giver en lysere farve, og lysere plast giver en mørkere farve. På den anden side kan nogle plasttyper ikke mærkes på grund af deres varmefølsomhed, som afhænger meget af plastens sammensætning.   
• Materialer med risiko for fiberskader: Generering af pulser med meget kort varighed og høj energi kan skabe ekstremt høje spidsintensiteter inden for glasfiberens lille tværsnit, hvilket potentielt kan beskadige fiberen ved at danne "farvecentre". 
• Andre uegnede materialer: Materialer, der indeholder krom (VI), som f.eks. visse typer læder, kulfibre, PVC, PVB, PTFE (teflon) og berylliumoxid, bør aldrig bearbejdes med laser på grund af udslip af giftige dampe.

Fiberlasere udsender intens stråling, som kan være skadelig. Derfor er sikkerhed altafgørende, når man betjener et lasersystem. De vigtigste sikkerhedspunkter omfatter: 

• Beskyttelse af øjne og hud: Direkte eksponering for laserstrålen kan give alvorlige og permanente øjenskader eller forårsage hudforbrændinger. Alligevel er der ikke behov for yderligere beskyttelse som f.eks. passende lasersikkerhedsbriller med Trotec-lasere, da der kun leveres lasere i laserklasse 2.  
• Røg og partikler: Fiberlaserskæring, især af metaller, genererer røg, støv og partikler. Derfor er ordentlig ventilation og udsugningssystemer afgørende for at forhindre indåndingsrisici og opretholde et sikkert arbejdsmiljø. 
• Brandfare: Den intense varme kan antænde brændbare materialer. Derfor er det nødvendigt at sikre, at dit arbejdsområde er fri for brændbare stoffer. 

Overholdelse af disse forholdsregler samt strenge sikkerhedsprotokoller er afgørende for at beskytte både operatører og personer i nærheden. 

I betragtning af deres høje effektivitet, lange levetid og enestående præcision på metaller og plast er fiberlasere ofte en velegnet investering. Fordelene med hensyn til hastighed, kvalitet og alsidighed retfærdiggør ofte en investering i en fiberlaser af høj kvalitet, især for virksomheder med fokus på metalforarbejdning og anvendelser med høj præcision. 

Hvis dine primære behov involverer gravering eller mærkning af metaller med uovertruffen præcision og hastighed, eller hvis du har brug for et robust system med minimal vedligeholdelse og lang levetid, er en fiberlaser velegnet til dig. Men overvej altid dine specifikke krav til materiale og anvendelse. Derudover er vores eksperter altid glade for at hjælpe dig i din beslutningsproces eller besvare eventuelle spørgsmål, du måtte have. 

Kom i kontakt med fiberlaserekspert