Princip, výhody a průmyslové využití
CO₂ lasery představují vedle vláknových laserů jednu z nejrozšířenějších technologií pro značení a řezání organických materiálů. Díky své všestrannosti a schopnosti pracovat s širokým spektrem materiálů jsou vhodné pro mnoho průmyslových aplikací. Zejména tam, kde je vyžadována rychlost a kvalita zpracování.
- Co je CO2 laser
- Jak CO2 laser funguje
- Konstrukce CO2 laserů
- Průmyslové využití CO2 laserů
- Typy CO2 laserů
- Vláknový vs CO2 laser
- Životnost vláknových laserů
- Významní výrobci
1. Co je to CO2 laser?
CO₂ laser je plynový laser, ve kterém je aktivním médiem směs plynů obsahující oxid uhličitý (CO₂), dusík (N₂) a helium (He). Generovaný laserový paprsek má vlnovou délku ~10,6 µm (tj. 10 600 nanometrů). Pro lidské oko je paprsek v tomto spektru neviditelný. Výborně jej absorbují organické materiály, jako je dřevo, papír, plasty, textilie nebo kůže. Proto je CO₂ laser ke značení těchto materiálů nejvhodnější.
2. Jak CO2 laser funguje?
CO₂ laser generuje záření prostřednictvím stimulované emise v aktivním plynném médiu. Proces probíhá v několika krocích:
1. Excitace molekul: Elektrická energie je dodávána do směsi plynů, což excituje molekuly dusíku..
2. Přenos energie: Molekuly dusíku přenášejí energii na molekuly oxidu uhličitého (CO₂), které emitují fotony s vlnovou délkou 10,6 µm.
3. Zesílení záření: Světlo se odráží mezi zrcadly v rezonanční dutině a zesiluje se.
4. Výstup paprsku: Část záření opouští rezonanční dutinu a v podobě paprsku je zaostřena optickým systémem na cílový materiál.
CO2 lasery se liší konstrukcí a principem buzení plynové směsi. Některé lasery používají stejnosměrný proud (DC) pro generování výboje, zatímco jiné využívají radiofrekvenční (RF) buzení. RF buzení je efektivnější a umožňuje dosáhnout vyššího výkonu laseru.
3. Konstrukce CO2 laserů
CO2 laser je komplexní zařízení složené z několika klíčových komponent:
● Plynová nádrž: Obsahuje směs plynů, typicky CO2, N2 a He, v přesném poměru optimalizovaném pro dosažení maximální účinnosti laseru.
● Elektrický výbojový systém: Vytváří elektrický výboj, který excituje molekuly CO2 v plynové směsi. Existují dva hlavní typy výbojových systémů: DC (stejnosměrný proud) a RF (radiofrekvenční). DC systémy jsou jednodušší, ale méně efektivní než RF systémy. RF systémy umožňují dosáhnout vyššího výkonu a přesnější kontroly nad parametry laseru.
● Optický rezonátor: Tvořen dvěma zrcadly umístěnými na koncích laserové trubice. Jedno zrcadlo je vysoce reflexní a odráží téměř všechny fotony zpět do aktivního prostředí. Druhé zrcadlo je polopropustné a propouští část fotonů ven, čímž vzniká laserový paprsek. Rezonanční dutina je klíčová pro zesílení laserového paprsku a dosažení koherence.
● Laserová trubice: Uzavřená trubice, typicky vyrobená z křemenného skla, ve které je umístěna plynová směs a probíhá stimulovaná emise. Trubice musí být odolná vůči vysokým teplotám a tlaku vznikajícím během výboje.
● Chladicí systém: Odvádí teplo generované během provozu laseru. Přebytečné teplo snižuje účinnost laseru a může poškodit komponenty. Pro chlazení se používá voda, vzduch nebo kombinace obou metod. Vodní chlazení je účinnější, ale vyžaduje složitější a nákladnější systém. Vzduchové chlazení je jednodušší, ale méně efektivní.
Kromě výše uvedených komponent mohou CO2 lasery obsahovat další součásti, jako jsou:
● Beam expandér: Rozšiřuje průměr laserového paprsku, čímž zlepšuje zaostření a kvalitu značení.
● Skenovací systém: Umožňuje přesné nasměrování laserového paprsku na materiál a vytváření komplexních tvarů a vzorů.
4. Průmyslové využití CO2 laserů
CO₂ lasery vynikají při práci s organickými a některými anorganickými materiály, které dobře absorbují vlnovou délku 10,6 µm.
Řezání
CO2 lasery se používají k řezání materiálů procesem odpařování. CO2 laserem lze řezat plasty, dřevo, textil, sklo, keramiku, kompozity i tenké kovy. Zaostřený laserový paprsek dodává na malé ploše materiálu intenzivní teplo, čímž materiál lokálně zahřívá a odpařuje. Hloubka gravírování nebo šířka řezu je řízena výkonem laseru, rychlostí posuvu paprsku a vlastnostmi materiálu.
Při řezání se často používá přídavný plyn, jako je kyslík, dusík nebo argon. Kyslík podporuje proces hoření a urychluje řezání kovových materiálů, ke kterému jsou jina vhodnější vláknové lasery. Dusík a argon se používají pro řezání nehořlavých materiálů, jako jsou plasty a některé kovy, a zabraňují oxidaci. Přídavný plyn také pomáhá odstraňovat roztavený materiál z místa řezu.
Značení a povrchová úprava
Dalším využitím CO2 laserů je značení výrobků a komponent. Gravírovat lze materiály jako dřevo, technické plasty, kůže a sklo. Laserové značení je trvanlivé, odolné proti otěru a padělání a umožňuje značit i malé a složité tvary. Další metodou je popouštění, při kterém na povrchu kovu vznikají vrstvy oxidů, jejichž vlastnosti definují barevný vzhled.
Svařování
CO2 lasery se používají ke svařování feromagnetických a neferomagnetických kovů, jako je ocel, hliník, měď nebo titan, a termoplastů, jako je ABS, polykarbonát, polypropylen nebo nylon. Díky minimálnímu tepelnému ovlivnění okolního materiálu lze svařovat i tenké nebo citlivé díly bez deformací.
5. Typy CO2 laserů
CO2 lasery se dělí na několik typů, lišících se konstrukcí, principem buzení a parametry:
Longitudinální a transverzální lasery
Patří mezi nejstarší a nejjednodušší typy CO2 laserů. Využívají kontinuální průtok plynu trubicí s elektrickým výbojem. Tyto lasery se vyznačují vysokým výkonem, ale nízkou účinností a složitou konstrukcí.
Uzavřené lasery
V uzavřených laserech je plynová směs hermeticky uzavřena v trubici. Pro udržení stabilního složení plynu a prodloužení životnosti laseru se do směsi přidávají vodní pára, vodík a kyslík, které katalyticky regenerují CO2 z oxidu uhelnatého (CO) vznikajícího během výboje. Uzavřené lasery jsou kompaktnější, levnější a vyžadují méně údržby než longitudinální a transverzální lasery.
TEA lasery
Transverzně excitované atmosférické lasery pracují za atmosférického tlaku a využívají krátké pulsy elektrického výboje pro excitaci molekul CO2. To umožňuje dosáhnout vysokých špičkových výkonů v pulzu, ale průměrný výkon je nižší než u kontinuálních laserů. TEA lasery se používají v aplikacích, kde je vyžadována vysoká energie v pulzu, například pro značení materiálů citlivých na teplo.
Vlnovodné lasery
Využívají vlnovod - úzkou trubici s kovovým nebo dielektrickým povrchem - pro vedení laserového paprsku. Vlnovod umožňuje dosáhnout vysoké hustoty energie v paprsku a kompaktní konstrukce laseru. Vlnovodové lasery se vyznačují nízkým výkonem, ale vysokou kvalitou paprsku a stabilitou. Používají se pro přesné gravírování, značení a mikroobrábění.
Volba typu CO2 laseru závisí na konkrétní aplikaci a požadovaných parametrech, jako jsou výkon, kvalita paprsku, pulzní režim a cena.
6. CO₂ laser vs. vláknový laser
Výhody CO₂ laserů:
• Lepší absorpce v organických materiálech (dřevo, sklo, papír, textilie).
• Vhodné pro řezání velkých ploch a tlustších materiálů.
• Nižší pořizovací náklady u základních modelů.
Nevýhody CO₂ laserů:
• Vyšší spotřeba energie a nižší účinnost (kolem 20 %).
• Kratší životnost laserové trubice (10 000–30 000 hodin).
• Vyšší náklady na údržbu (zrcadla, čočky).<meta charset="UTF-8">
7. Jaká je životnost CO₂ laserů?
Životnost CO₂ laserů závisí na konstrukci a kvalitě použitých komponent, především laserové trubice. Průměrná životnost laserových trubic se pohybuje mezi 10 000 a 30 000 hodinami provozu v závislosti na kvalitě trubice, provozních podmínkách a intenzitě používání.
• Skleněné trubice mají kratší životnost (10 000–15 000 hodin), kovové nebo keramické trubice mohou vydržet až 30 000 hodin.
• Správné chlazení a pravidelná údržba výrazně prodlužují životnost. Přehřívání nebo znečištění zkracuje dobu funkčnosti.
• Značení na trvalý vysoký výkon zkracuje životnost trubice.
Po dosažení maximální životnosti trubice ji lze obvykle vyměnit, což prodlužuje celkovou funkčnost zařízení. Ve srovnání s vláknovými lasery mají CO₂ lasery nižší životnost, s ohledem na nižší pořizovací náklady je však pro mnoho aplikací tato technologie stále ekonomicky výhodná.
8. Nejvýznamnější výrobci CO₂ laserů
Německá společnost TRUMPF patří mezi lídry v oblasti laserových technologií. Její CO₂ lasery se vyznačují vysokou spolehlivostí, dlouhou životností a špičkovou kvalitou zpracování.
Přes 30 let zkušeností v oboru má renomovaný francouzský výrobce laserových systémů ES LASER. Specializuje se na vývoj a výrobu CO₂, vláknových a hybridních laserových technologií pro precizní značení, gravírování, mikroobrábění a řezání. Příkladem jsou Ytterbiem dopované vláknové lasery řady EsFly, nebo řada EsCode bez optického izolátoru, určená ke značení nereflexních materiálů a k integraci do výrobních linek.