Fiberlaser – funktioner och användningsområden

• Definition: Solid state-lasrar som leder ljus i optiska glasfibrer, vanligtvis dopade med sällsynta jordartsmetaller. 

• Främsta styrkor: Exceptionell precision, hög effektivitet, mångsidighet och robusthet. 

• Användningsområden: Detaljerad gravyr/märkning 

• Fördelar: Kompakt design, energieffektivitet, lång livslängd, lågt underhållsbehov, beröringsfri process 

• Begränsningar: Inte optimal för organiska material som trä, transparenta material (klarglas),  samt vissa plaster 

Inom tillverkning och design har lasertekniken som helhet revolutionerat materialbearbetningen. Av alla lasrar utmärker sig fiberlasern genom sin precision, effektivitet och flexibilitet i tillämpningarna. I den här guiden går vi igenom fiberlasrar, deras fördelar, vanliga användningsområden och viktiga säkerhetsaspekter som är relevanta när du väljer en ny laser. 

Utforska lasermaskiner

En fiberlaser är en solid state-laser där både laserljuset och pumpljuset leds genom optiska glasfibrer. Laserns aktiva medium är glasfiberns inre tvärsnittsarea, ofta dopad med någon sällsynt jordartsmetall, t.ex. ytterbium. 

Mer i detalj tillförs energi av laserdioder, som levererar ljus (t.ex. vid 915 nm, 977 nm eller 1 064 nm) till den dopade glasfibern via optiska fibrer. De optiska fibrerna ansluts genom skarvning, en glassvetsningsprocess som eliminerar öppna strålbanor för pump- eller laserljus. Detta gör fiberlasrarna exceptionellt motståndskraftiga mot föroreningar och vibrationer. 

De flesta fiberlasrar för märkning och gravyr är pulsade fiberlasrar, ofta med en MOPA (Master Oscillator Power Amplifier)-design. Denna single pass-förstärkning i en lindad fiber möjliggör ett stort förstärkningsområde och hög förstärkning inom en kompakt volym. 

Pulsade fiberlasrar har vanligtvis en pulstoppeffekt på 10 kW–20 kW och en genomsnittlig uteffekt på 10 W–100 W, vilket gör dem lämpliga för olika precisionsuppgifter. Den höga strålkvaliteten och utmärkta fokuseringen möjliggör många olika tillämpningar: 

• Komplex gravyr och märkning: Fiberlasrar är utmärkta för permanenta och kontrastrika märkningar på metaller, vissa plaster och keramer. Det är enkelt att gravera och märka detaljerade mönster i hög upplösning, vilket gör dem perfekta för gravering av designer, text, logotyper eller serienummer. Dessutom är djupgravyrer inget problem för fiberlasern tack vare den speciella effekttätheten. Därför sträcker sig användningsområdena för Trotecs fiberlasrar från smyckesindustrin till fordonsindustrin.    
• Ytterligare tillämpningar av fiberlasrar i allmänhet: Vissa fiberlasrar kan dessutom användas för svetsning eller ytrengöring och får allt fler användningsområden även på andra områden. 

När du väljer ett lasersystem kommer du att stöta på olika tekniker, där det kan vara överväldigande att välja rätt för dina användningsområden. Följande jämförelse kan ge dig en överblick över skillnaderna mellan olika typer av lasrar. 

Fiberlaser vs CO2-laser: 

• Hastighet och material: Med en våglängd på 1 064 mikrometer producerar fiberlasrar en extremt liten brännviddsdiameter; vilket ger en intensitet upp till 100 gånger högre än den för CO2-lasrar med samma emitterade medelkraft. Fiberlasrar är därför lämpade för metallmärkning genom glödgning, för metallgravering och för högkontrastmärkning av plast.  

•  Å andra sidan är CO2-lasrar med sin längre våglängd idealiska för skärning, gravering och märkning av icke-metalliska material som trä, akryl, läder, papper, textilier och glas. 

• Precision och strålkvalitet: I jämförelse erbjuder fiberlasrar vanligtvis högre precision och finare strålkvalitet, vilket resulterar i jämnare snittkanter på metaller. 

• Underhåll och livslängd: Fiberlasrar har i allmänhet längre livslängd och kräver mindre underhåll tack vare kontaktfri märkningar och gravyrer samt inga krigsdelar.

Fiberlaser vs Nd:YAG-laser: 

• Användningsområden: Pulsade fiberlasrar har delvis ersatt traditionella YAG-lasrar för många tillämpningar, särskilt märkning och gravering. Fiberlasrar är i allmänhet bättre lämpade för industriell metallbearbetning och höghastighetsproduktion. 

• Puls: YAG-lasrar kan ha högre pulstoppeffekt (30–100kW), jämfört med 10kW–20kW för fiberlasrar. 

• Användbarhet: Fiberlasrar erbjuder betydande fördelar när det gäller kompakt design, robusthet, lång livslängd och övergripande kostnadseffektivitet. 

Fiberlaser vs diodlaser  

• Mångsidig vad gäller material och användning: Fiberlasrar arbetar normalt vid 1 064 nm. Denna våglängd absorberas i hög grad av metaller, vilket gör fiberlasrar idealiska för märkning av metaller och vissa plaster. Diodlasrar arbetar vanligtvis vid 450 nm (blått ljus) eller ibland runt 808–980 nm (infrarött ljus) beroende på diodtyp. Blå dioder (450 nm) absorberas väl av organiska material som trä, läder och vissa plaster, och kan även märka vissa metaller. Fiberlasrar används främst för speciella ändamål vid metall- och plastmärkning, medan diodlasrar erbjuder bredare mångsidighet för olika material. 

• Djupgravering av metaller: Fiberlasrar är lämpliga för djupgravering på metaller, medan diodlasrar inte kan uppnå samma djup vid märkning av metall. 

• Budget: Diodlasersystem (som Speedy 100 cross ) ger ofta ett större märkningsområde till en lägre kostnad jämfört med många galvofiberlasersystem.  

Energin tillförs av laserdioder, vars ljus (ofta 915 nm eller 977 nm) leds till den dopade glasfibern via optiska fibrer. De optiska fibrerna är sammankopplade genom skarvning (svetsning av glas), vilket innebär att det ofta inte finns några öppna strålvägar för pump- eller laserljus (se figur 1). Fiberlasern är därför relativt okänslig för föroreningar och vibrationer. Eftersom pumpdioderna är rumsligt separerade från varandra och var och en har sin egen kylfläns är livslängden för pumpdioderna hög. Så länge laserpulsernas toppeffekt hålls under cirka 10–20 kW ger detta en total livslängd på tiotusentals timmar. Det finns både kontinuerligt emitterande fiberlasrar (cw = continuous wave) och pulsade fiberlasrar. Endast pulsade fiberlasrar diskuteras nedan, eftersom de är mycket bättre lämpade för märknings- och graveringsapplikationer. Pulslängden är normalt cirka 100 nanosekunder. Kortare pulser på några nanosekunder kan uppnås, men endast med betydligt lägre pulsenergi.

De pulsade fiberlasrarna i MOPA-konstruktionen består av en s.k. huvudoscillator (även seed laser) och en fiberkopplad "effektförstärkare". Den förstnämnda är antingen en diodlaser eller en laser på ett chip, med en genomsnittlig effekt på några milliwatt upp till maximalt cirka 150 mW. Lasern sänder ut pulser med en definierad pulsform. Laser på ett chip innehåller en laser på ett enda chip. Laseraktivt medium, reflektorer och andra optiska komponenter är ofta inte bara integrerade utan konstruerade i ett enda stycke. Förstärkaren består av en ytterbiumdopad glasfiber som förses med energi via fiberkopplade pumpdioder. Om en laserpuls ska genereras laddar pumpdioderna först upp förstärkarfibern (populationsinversion). Innan seedlasern laddas ur genom spontanemission avger den en puls som förstärks från några hundra till tusen gånger när den passerar genom fibern. Förstärkningen sker vid en och samma passage (single-pass amplifier). Fibern är ofta spolformad, vilket medför att ett stort förstärkarområde och därmed hög förstärkning kan genomföras i en liten volym.

En betydande fördel med fiberlasrar är den imponerande livslängden. Rumsligt separerade pumpdioder, med egna kylflänsar, bidrar till en lång livslängd för de viktiga komponenterna. Fiberlasrar har i allmänhet en total livslängd på 50 000 till 100 000 driftstimmar innan större underhåll eller betydande försämring. Den långa livslängden gör dem till en smart långsiktig investering. 

Fiberlasrar erbjuder flera övertygande fördelar: 

• Snabba och högkvalitativa märkningar, särskilt på metall och plast 
• Hög precision även på fina och detaljerade märkningar 
• Kompakt och underhållsfri design: Glasfibrernas stora yta och låga volym möjliggör effektiv kylning, vilket bidrar till en kompakt, robust och praktiskt taget underhållsfri design. 
• Energieffektivitet: De har hög elektrisk-optisk verkningsgrad (över 20 %), vilket leder till lägre energikostnader och mindre spillvärme under drift. 
• Lägre totala kostnader: Jämfört med äldre YAG-lasrar har fiberlasrar betydligt lägre totala livslängdskostnader för liknande applikationer, vilket gör dem till ett mer ekonomiskt val i det långa loppet. 
• Tålig mot föroreningar: Intern styrning av pump- och laserljus inom optiska fibrer, som uppnås genom precisionsskarvning, eliminerar öppna strålvägar, vilket gör dem mycket motståndskraftiga mot damm och andra föroreningar. 

Trots de enorma möjligheterna har fiberlasrar begränsningar när det gäller materialkompatibilitet: 

• Genomskinliga material: Material som klarglas är en utmaning för fiberlasrar. Våglängden hos fiberlasrar absorberas inte så lätt av transparenta material, vilket leder till dåliga eller inga graverings-/skärresultat.  
• Trä: Fiberlasrar är inte optimala för skärning eller djupgravering i trä. Träets organiska, ojämna struktur leder ofta till uteblivna eller inkonsekventa resultat. CO2-lasrar är i allmänhet ett bättre val vid skärning och gravering. 
• Vissa plaster: I allmänhet kan goda märkningsresultat på plast uppnås med en fiberlaser. Pigmenten i plasten skapar en ljusare eller mörkare färg beroende på pigmenteringen, där mörka pigment ger en ljusare färg och ljusare plaster ger en mörkare färg. Å andra sidan kan vissa plaster inte märkas på grund av sin värmekänslighet, vilket till stor del beror på plastens sammansättning.   
• Material med risk för fiberskador: Generering av pulser med mycket kort varaktighet och hög energi kan skapa extremt höga toppintensiteter inom glasfiberns lilla tvärsnitt, vilket potentiellt kan skada fibern genom att bilda "färgcentra". 
• Andra olämpliga material: Material som innehåller krom (VI), t.ex. vissa typer av läder, kolfiber, PVC, PVB, PTFE (teflon) och berylliumoxid, får aldrig bearbetas med laser eftersom det avger giftiga ångor.

Fiberlasrar avger intensiv strålning som kan vara skadlig. Därför är säkerheten av yttersta vikt vid användning av alla lasersystem. De viktigaste säkerhetsåtgärderna är följande: 

• Skydd för ögon och hud: Direkt exponering för laserstrålen kan orsaka allvarliga och permanenta ögonskador och brännskador på huden. Trots detta behövs ingen ytterligare skyddsutrustning som t.ex. lämpliga skyddsglasögon för Trotecs lasermaskiner, eftersom endast lasrar i laserklass 2 används.  
• Ångor och partiklar: Fiberlaserskärning, särskilt av metaller, genererar ångor, damm och partiklar. Därför är det viktigt med korrekta ventilations- och utsugssystem för att förhindra att något inandas och för att upprätthålla en säker arbetsmiljö. 
• Brandfara: Den intensiva värmen kan antända brandfarliga material. Därför måste du se till att arbetsytan är fri från brännbart material. 

Att följa dessa försiktighetsåtgärder samt strikta säkerhetsprotokoll är avgörande för att skydda både operatörer och personer i närheten. 

Med tanke på den höga effektiviteten, långa livslängden och exceptionella precisionen på metaller och plaster är fiberlasrar ofta en bra investering. Fördelarna vad gäller hastighet, kvalitet och mångsidighet motiverar ofta en investering i en högkvalitativ fiberlaser, särskilt för företag som är inriktade på metallbearbetning och högprecisionsapplikationer. 

Om dina primära behov omfattar gravering eller märkning av metaller med oöverträffad precision och hastighet, eller om du behöver ett robust system med minimalt underhåll och lång livslängd, passar en fiberlaser dig. Tänk dock alltid på dina specifika material- och applikationskrav. Våra experter hjälper gärna till i beslutsprocessen och kan svara på eventuella frågor. 

Kontakta en expert på fiberlaser