L A S R A Mengineering ▪ laser ▪ technology

Szállézer /Fiber Laser/,

finommegmunkálás szállézerrel

L A S R A Mengineering ▪ laser ▪ technology

Szállézer /Fiber Laser/,finommegmunkálás szállézerrel

Szállézer - előzmények

• A Nd:YAG lézer sokáig egyeduralkodó a finommegmunkálásban Oka:

A 1064 nm szinte minden fémre és a legtöbb anyagra jó abszorpciót mutat A 1064 nm jól vezethető száloptikán – a hagyományos tükrös nyalábvezetés leegyszerűsödött A 1064 nm kis foltba fókuszálható, nagy a teljesítménysűrűség Viszonylag egyszerű felépítés kis befoglaló méretekkel A rubinlézer (1960) óta a kristálytechnológia sokat fejlődött A gerjesztőlámpa és más kopó alkatrészek kicserélése – új, praktikus konstrukcióknak köszönhetően –

rutinfeladattá vált

• Korszakalkotó változás: gerjesztőlámpa kiváltása pumpálódióda használatával (’80-as évek vége)Oka:

A félvezetőlézer előretörése, modulkialakítások, nagyobb teljesítmények, elektronika, hűtéstechnika fejlődése A gyakori karbantartás (lámpacsere) nem felhasználóbarát Az eddigi lámpás rezonátorok alacsony hatásfoka Jobb modulációs képesség

• Új kutatások a közeli infratartományban(’90-es évek eleje)Oka:

Új kristályok, anyagok, az adalékolás, a száloptika gyártástechnológiájának előrehaladás A hatásfok további javítása, a stabilitás, az üzembiztonság fokozása (diódalézerek hőérzékenysége)

• Két Nd:YAG rokon születése

A tárcsalézer – ötlet: kicsi stabil rezonátor, kompakt koncentrikus felépítés (az aktív kristály maga a zárótükör is, koncentrált körkörös gerjesztés) kiváló nyalábtulajdonságot és hatásfokot eredményezett

A szállézer –

Szállézer

Rezonátor konstrukció Sugárvezetés Ötlet: szál legyen a rezonátor Technológiai realitás: telekommunikációs ipar

szálgyártási és szálcsatolási megoldásai Pumpálás dióda lézerrel szálon keresztül,

hosszanti csatolás Szál rezonátor = szállézer: kellemes konstrukció,

jó hatásfok, minimális optikai elemkészlet, moduláris felépítés, ideális nyalábtulajdonságok

Szállézer felépítése I.

GTWave konstrukció jellemzői és előnyei

Pumpáló szálak(szilíciumdioxid)

Lézeraktív (jel) szál(Yb/YB+Er/Er adalékolt)

Kis törésmutatójú közös köpeny(polimer) Felhasználói előnyök

egyszerű gerjesztés a közös köpeny segítségével független pumpáló és aktív szál hosszanti becsatolású gerjesztési technika megnövelt abszorpciójú pumpálás

Szállézer felépítése II.

GTWave kétirányú gerjesztés = fokozottan flexibilis pumpálás

megnövelt belépési felületek nagyobb teljesítmények gerjesztéséhez megnövelt teljesítmény

igen alacsony jelbecsatolási veszteség kétirányú gerjesztés jelmegszakítás nélkül

megnövelt megbízhatóság folyamatos bevonat a szál hossza mentén a visszaverődő jel elvezetése a pumpáló diódákról

Szállézer felépítése III.

GTWave CW szállézer rezonátor kialakítás

Szál illesztés

Nagy fényerejű pumpáló diódamodulok915 nm/977 nm

Kicsatoló optika(~ 5% reflexió)

Záró optika( 99% reflexió)

GTWave egységLézeraktív közeg

Megcsapolások+

érzékelő diódák

Kimenő szál/nyalábvezető optika

Szállézer felépítése IV.

GTWave CW szállézer teljesítmény növelés

Lézeraktív tekercsegységek sorbakapcsolása moduláris elv gerjesztés belépő felületeinek száma nő, pumpáló blokkok használata fokozatos teljesítménynövelés lehetősége

Szállézer jellemzői I.

GTWave egység tulajdonságai 1. Pumpáló teljesítmény eloszlása a szál mentén

Teljesítmény a pumpáló szálban

Teljesítmény a jelszál köpenyében

Szál hossz cm

Becsato

lási ará

ny %

Szállézer jellemzői II.

GTWave egység tulajdonságai 2. Kimeneti teljesítmény reprodukálási képesség

Pumpáló teljesítmény/névleges pumpáló teljesítmény

Kim

en

ő t

eljesít

mén

y/n

évle

ges t

eljesít

mén

y

(több, mint 30 egységnél vizsgálva)

Szállézer jellemzői III.

GTWave egység tulajdonságai 3. Teljesítménynövekedés a pumpáló teljesítmény függvényében

Bemenő pumpáló teljesítmény @915 nm (W)

Kim

en

ő t

eljesít

mén

y (

W)

Szállézer jellemzői IV.

Kimeneti teljesítmény stabilitása

CW kimenő teljesítmény 100 W névleges teljesítménynél

Kim

en

ő t

eljesít

mén

y (

W)

Eltelt idő (h)

Kimenő teljesítmény (W)

Szállézer jellemzői V.

Élettartam – megbízhatóság: a szállézerek egyik kulcskérdése 1.

Minőségi alkatrészek beszerzése, kvalifikált gyártás Megbízhatóság-orientált fejlesztési feladatok Kritikus elemek hőmérsékletfigyelése

Fennmaradó probléma:A diódapumpált szilárdtest- és szállézer legvalószínűbb meghibásodási pontja: a pumpáló diódalézer élettartama

Lehetőség:Mivel a szükséges pumpáló teljesítményt sok (akár 20-30) diódamodul állítja elő, ha valamelyik tönkremegy, a többi nagyobb árammal meghajtva helyettesíti

Fennmaradó probléma:

Működő diódák terhelése nő + átlagos élettartam csökken lézer tönkremeneteli valószínűsége nő

Végzetes meghibásodási határ

Átlagos élettartam a meghibásodásig / h

Dió

daár

am /

A

Dió

date

ljesí

tmén

y /

W

Idő / h

Szállézer jellemzői VI.

Élettartam – megbízhatóság: a szállézerek egyik kulcskérdése 2.

Megoldás:

redundáns struktúra még több pumpálómodullal végig alacsonyabb meghajtó áram a névleges diódateljesítményt a lézer élettartam végére éri el a modulok kitolódik a meghibásodási határ

Következmény:Az előírt élettartam alatt nincs teljesítményesés, a de működés is végig stabil, mert a pumpáló áram maximum a névleges (előírt) értékig emelkedik

Az üzembiztosság a 3 műszakos, adott paraméterekre beállított technológiáknak alapfeltétele

Dió

daár

am /

A

Idő / h

Névleges diódaáram

Szállézer jellemzői VII.

Nyalábminőség

egymódusos nyalábvezető szál a működési hullámhosszra diffrakció-határolt nyalábminőségM2 ~ 1.1

Szállézer jellemzői VIII.

Nyalábvezető és fókuszáló optika

ipari kivitel – megbízható működés mozgó tengelyen is kis méret, kis tömeg száltörés érzékelés érzékeny hőmegfutás védelem M2 < 1.1 reflexióálló tokozás a fókuszáló fej figyeli a szálbevezetés sértetlenségét

Szállézer jellemzői IX.

100 W-os szállézer felépítése és paraméterei

OEM modulrendszer teljesítményarányos bővíthetőség költségérzékeny alkalmazásokhoz

CW és modulált üzemmód Teljesítmény CW 100 W Teljesítményingadozás (12 ó) 1% Max. frekvencia 10 kHz Max. csúcsteljesítmény 20 x CW Lassú és gyors felfutású moduláció Visszacsatolt és nyílthurkú működés Nyalábméret 5 mm Divergencia (FA) < 0.4 mrad M2 1.1 Belső és külső vezérelhetőség Nyalábvezető szál hossz 6 m Visszaverődés blokkolása Diódaáram és kimenő teljesítmény kijelzés Analóg és digitális interface Távkapcsolás és távvisszajelzés Vízhűtés Élettartam ≥ 30.000 ó Méret: 19”6HU, súly 40 kg

GTWave egységLézeraktív közeg

Pumpáló modul

Integrált CW lézer

A szállézer előnyei

Csekély éves karbatartásigény : nincs eldobható alkatrész, nincs szükség beállításra, kalibrálásra

TEM 00 - Nyalábminőség - Nyalábsűrűség /foltméret Elmarad a sok külső nyalábvezető optika és optikatartó, nem kell állítani (CO2

lézer!) A rendszer stabilitása jobb, mint a Nd:YAG lézeré (ez főképp az orvosi

alkalmazásokban kulcsfontosságú) Tisztán szilárd test lézer felépítés Nincs ún. termikus lencse probléma A teljesítménysűrűségnek és a foltméretnek köszönhetően igen kis méretű

alkatrészek is megmunkálhatók 3-10 –szer jobb hatásfok, mint a Nd:YAG lézer esetében A befoglaló méretek alkalmassá teszik bonyolult, összetett rendszerekbe való

integrálásra

Alkalmazási területek teljesítmény és nyalábjellemzők szerint

Vágás

Kemény-forrasztás

Edzés

Vastag-lemezvágás

Visszaolvasztás

Bevonatolás

Polimerhegesztés

Hegesztés

Szinterezés

Nemfémesvágás

Forrasztás

Nyomdaipar

Mikroforrasztás

Mikrohajlítás

3D gyors prototípusgyártás

Fúrás Markírozás

Nyalá

b p

ara

méte

r szorz

at

Űrtechnika

Lézer teljesítmény

(1090

nm

-en

)

Vágás I. Jobb nyalábminőség, mélyebb penetráció, nagyobb stabilitás

Nd:YAG lézer kiváltása

Stent (érfalmerevítő katéter rozsdamentes acélból) vágása finomabb részletek

Stencillapok vágása (NYÁK gyártás) simább vágatfal, sorjamentes szélek

Precíziós lemezalkatrész gyártás nagyobb megmunkálási sebesség

Vágás II. Jobb nyalábminőség, mélyebb penetráció, nagyobb stabilitás

Nd:YAG lézer kiváltása

Vágás III. Jobb nyalábminőség, mélyebb penetráció, nagyobb stabilitás

Nd:YAG lézer kiváltása

Vágás IV. Jobb nyalábminőség, mélyebb penetráció, nagyobb stabilitás

Nd:YAG lézer kiváltása

Vágás V. Jobb nyalábminőség, mélyebb penetráció, nagyobb stabilitás

Nd:YAG lézer kiváltása

Hegesztés I. Pace maker Jobb nyalábminőség, nagyobb stabilitás, nincs karbantartás

Nd:YAG lézer kiváltása

Kapszula körbehegesztése finom varratképzés azonnali hermetikus lezárás minimális hőhatás a befoglalt elemekre

Kondenzátor-, elemtok zárósapkájának hegesztéseCsatlakozó vezetékek ráhegesztése a nyalábparaméterek nagyfokú állandósága növeli a technológiai megbízhatóságot és egyenletes varratminőséget eredményez gyorsabb megmunkálás

Hegesztés II. KO304-0,5mm Jobb nyalábminőség, nagyobb stabilitás, nincs karbantartás

Nd:YAG lézer kiváltása

v = 1,5 m/p

v = 1,0 m/p

v = 0,5 m/p

Hegesztés III. Elektronika Jobb nyalábminőség, nagyobb stabilitás, nincs karbantartásNd:YAG, CO2 lézer kiváltása

Mikrohuzalozás (pl. mobiltelefon gyártás) szelektív hegesztés: csekély hőhatás a környező alkatrészekre a kis készülékméret ideális integrációs lehetőséget nyújt

HD gyártás pórusmentes hermetikus lezárás a jobb minőségű és megbízhatóságú varrat kevesebb utómunkát jelent

Elektronikus egységek ponthegesztése nagyobb termelékenység minimális helyigényű, maximális flexibilitású nyalábvezetés

Hegesztés IV. Jobb nyalábminőség, csökkentett ciklusidők - nagyobb darabszámokNd:YAG lézer kiváltása

Eldobható borotva pengéjének rögzítése 75 m-es anyag hegesztése: ideális jellemzők rozsdamentes vékonylemez megmunkálásához kombinálható lézeres vágással, jelöléssel összeszerelés utáni megmunkálás

Gravírozás - markírozás Jobb nyalábminőség, nagyobb megmunkálási sebességNd:YAG, CO2 lézer kiváltása

Kontakt kerámiahenger (Anilox) gravírozása részletesebb, folyamatosabb cellarajzolat gyorsabb megmunkálás jobb tintaeleresztő képesség

Réz nyomóhenger gravírozása kedvező felületi behatolás magas reflexiójú anyagoknál is élesebb kontúr, jobb felbontás

Alkatrészek markírozása cizelláltabb kép nagyobb írássebesség mellett a kompakt kivitel és a száloptika révén egyszerű beépíthetőség hagyományos jelöléstechnikák leváltásakor

Mikrohajlítás HD gyártás Jobb nyalábminőség, nagyobb megmunkálási sebességNd:YAG lézer kiváltása

Winchester armatúrák hajlítása kész alkatrészek „csavarása” (post processing) jól kézben tartható folyamat a stabilitás miatt nagy sorozatok legyárthatók karbantartást alig igényel

Prototípus gyártás Jobb nyalábminőségNd:YAG lézer kiváltása

Szelektív lézeres szinterezés a 1090 nm különösen előnyös rozsdamentes acél- és titánpor szinterezéséhez finomabb felbontás: könnyebb struktúrák

Méréstechnika, űrtechnika Jobb nyalábminőségDiódalézer kiváltása

Lézeres terepmérés nagyobb teljesítmény megbízható jobb nyalábminőség – jobb célmegkülönböztetés szemre biztonságos hullámhossz egyéb szabadtéri alkalmazás (távközlés)

1550 nm, 2-5 W, ill.kW

Szállézer alkalmazási irányai - piaci lehetőségek

• A Nd:YAG lézerrel szemben nagyobb behatolási mélység• Terjedelmesebb munkadarabok és megnövekedett

munkatávolságok• Megmunkálás nagyobb távolságról• Vastagabb anyagok• Kedvezőbb jellemző méretek• Jobb vágatminőség és kisebb résméret• Rövidebb ciklusidők• Nagyobb termelékenység• Fokozott flexibilitás• Kedvező rendszerépítési lehetőség

LASRAM FL100

Lézer típus: SZÁLLÉZERLézer hullh.: 1090 nm +/-5nmNévl.átlagtelj.: 10-100 WM2: 1.1Sugár minőség: 0.38 mm.mradMegmunk.fej: FLH 100Fókusztávolság: 50 mmFókuszfolt: 10 µmSegédgáz: G1/8’’, 18 bar

LASRAM FL100

Tengelyek: X,Y,Z,AMdb. max: 300 x 300 x 100 mmSebesség: 250 mm/s, 1080°/sLépéshossz: 0,1µmTengelypont.: 1µm/100mmIsmétlési pont.: +/- 0,5 µmPozícionálási p.: 0,1µmForg./A/ teng.lép.:0,0002°Ismétlési p./A/: +/-0,0003°Tengelypont.: 0,0006°Axiális merevség: 0.0004 µm/kgVezérlő: Fanuc komp. NCT CNC