Arten von CO2-Laserquellen, Unterschiede und Anwendungen

Funktionsweise des CO2 Lasers

Warum werden manche Laser CO2 Laser genannt? Der Name bezieht sich ganz einfach auf die Entstehung des Laserstrahls durch Anregung eines Gasgemisches aus Helium (He), Stickstoff (N2), Wasserstoff (H2), Xenon (Xe) und Kohlendioxid (CO2).

Ein CO2-Laser wird aktiviert, indem das Gasgemisch mit einer Gleichspannung (DC) oder Hochfrequenzwellen (RF) stimuliert wird.

Das angeregte Gasgemisch erzeugt "Photonen“ und wenn genug produziert sind, werden sie vom Laser als Strahl freigesetzt. Derzeit gibt es drei Haupttypen von CO2 Laserquellen, die beschreiben, wie das Gasgemisch zurückgehalten wird:

• Glas,
• Metall,
• Keramik.

Im Fachjargon wird der Begriff "Laserquelle" auch häufig als Laser "Röhre" bezeichnet, also haben wir als Quellen beispielsweise eine Glasröhre, eine Metall oder Keramikröhre.

CO2 Laser emittieren typischerweise bei einer Wellenlänge von 10,6 μm, aber es gibt Dutzende anderer Laserlinien, deren Wellenlänge zwischen 9 und 11 μm (insbesondere bei 9,6 μm) liegt.

CO2 Laser mit Glasquelle

Die Glas CO2 Laserquelle ist die einzige Quelle, die durch die Gleichspannung stimuliert wird. Das Design von Glaslaserröhren ist seit ihrer Einführung in den 1960er Jahren ziemlich gleich geblieben.

Derzeit ist die Herstellung von Glasröhren fast ausschließlich in China angesiedelt, während die meisten Metall und Keramikröhren in den Vereinigten Staaten hergestellt werden.

Aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit von Glas und der Verwendung von Hochspannungs-Gleichstrom zur Anregung des Gasgemisches müssen alle Glas Laserröhren mit Wasser oder einem Kühlmittelgemisch auf Wasserbasis gekühlt werden.

Diese kontinuierliche Kühlmittelzufuhr während des Einsatzes ist sehr wichtig, da sonst ein Glasrohr durch die hohen Temperaturen, die der Laser erzeugt, zerstört werden könnte.

Das Aufladen der Laserquelle mit Gleichspannung führt zu einem hohen Energieverbrauch, da Glasröhren je nach Leistung der Röhre zwischen 15 kV (Kilovolt) und 26 kV benötigen.

Ein positiv geladenes Kabel von der Stromquelle wird direkt an die Laserröhre angeschlossen, um die zur Aktivierung des Lasers erforderliche Spannung bereitzustellen.

CO2 Laser mit Metall und Keramikquelle

Metalllaserröhren verwenden einen Metallkern / eine Metallröhre, um das Gasgemisch anstelle einer Glasröhre zu halten, während Keramiklaserröhren einen Keramikkern verwenden, um das Gas zu halten.

Anstatt Hochspannungsgleichstrom zu verwenden, verwenden Metall und Keramiklaserröhren eine Technik namens "Radiofrequenz", um Gase zur Erzeugung des Strahls anzuregen.

Die Verwendung von HF-Funkfrequenz hat einige Vorteile gegenüber Gleichspannung, einschließlich:

• geringerer Energieverbrauch,
• bessere Kontrolle des Lasergravurprozesses,
• längere Lebensdauer, was zu einer qualitativ hochwertigeren Laserstrahlausgabe über einen längeren Zeitraum führt.

Metall und Keramiklaserquellen können je nach Laserleistung luft oder wassergekühlt sein.

Unterschiede zwischen Quellen in Glas, Metall und Keramik

Jetzt, wo wir wissen, wie es technisch funktioniert, ist ein weiterer Bereich, auf den wir uns konzentrieren sollten, die Qualität des erzeugten Laserstrahls.

Viele technische Aspekte tragen dazu bei, dass die Glaslaserquelle einen Laserstrahl mit großem Durchmesser emittiert, der je nach Leistung und Hersteller typischerweise etwa 5 mm oder weniger beträgt.

Aufgrund der Verwendung von Hochspannungs-Gleichstrom ist es auch schwierig, den Ausgang der Glasröhre im "gepulsten" Modus zu steuern. Der Strahl wird statt in einen kontinuierlichen Strom in kleine, intermittierende Leistungsimpulse aufgeteilt.

Es ist schwierig, die Gleichspannung schnell so einzustellen, dass Impulse abgegeben werden können. Dies bedeutet, dass eine Glaslaserröhre nicht die beste Rastergravurqualität liefert, insbesondere beim Gravieren von fotografischen Bildern.

Dies bedeutet auch, dass Markierungs und Gravurarbeiten langsamer ausgeführt werden müssen, um eine bessere Qualität zu erzielen.

Bei Metall- und Keramikquellen, die Funkfrequenzen zur Strahlerzeugung verwenden, können Funkwellen sehr schnell ein- und ausgeschaltet werden, was zu einer hervorragenden Pulsation führt und somit eine hervorragende Gravurqualität erzeugt, die für die fotografische Gravur und die Präzisionsarbeit der Details sehr wichtig ist .

Die Metalllaserquelle hat Hochfrequenz erzeugende Elektroden, die innerhalb des Metallkerns angebracht sind.

Keramische Quellen haben stattdessen Elektroden, die außerhalb der Quelle angebracht sind, da HF die Keramik passieren kann. Elektroden außerhalb des Gasgemisches zu haben, kann eine bessere Qualität des Laserstrahls und eine geringere Gasverunreinigung erzeugen.

Der Metallkern eines HF-Lasers ist eine Metallbox, die durch Zusammenschweißen von Metallteilen entsteht. Wenn sich die Elektroden im Metallkern befinden, kann es im Laufe der Zeit zu Scheuerstellen kommen, die die Schweißnähte schwächen.

Entgasung

Wenn die Schweißnähte schwächer werden, kann es zu Ausgasungen aus der Laserquelle kommen. Ausgasung tritt auf, wenn Gas aus der Röhre „entweicht“, was mit der Zeit zu einem allmählichen Verlust der Laserleistung führt.

Das bedeutet, dass ein 60-Watt-Metallröhrenlaser nach einigen Betriebsjahren möglicherweise nur noch 55 Watt abgibt.

Stattdessen entsteht ein Keramikkern, indem zwei Keramikteile miteinander verschmolzen werden. Dieser Prozess erzeugt einen einzigen, kontaminationsfreien, festen, gleichmäßigen und nahtlosen Kern, wodurch die Auswirkungen von Ausgasungen eliminiert werden.

Die Reinheit des Gases trägt nicht nur direkt zur Strahlqualität, sondern auch zur Lebensdauer der Laserröhre bei. Der qualitative Vorteil des Keramikkerns ist die höhere Strahlqualität, die zu feineren Details und schnelleren Pulsen führt, wodurch detailreiche Arbeiten mit hoher Geschwindigkeit bearbeitet werden können.

In Bezug auf die Laserquelle, die oft als „Motor“ eines Lasersystems bezeichnet wird, sind daher viele Informationen zu beachten. Die Wahl der besten Laserquelle hängt von den endgültigen Anwendungen ab.

Anwendungen von CO2 Laserquellen

CO2-Laser sind als Industrielaser für die Materialbearbeitung weit verbreitet, insbesondere für:

• Schneiden von Kunststoffen, Holz, Glas usw., die einen hohen Absorptionsgrad haben;
• Schneiden, Schweißen und Beschichten von Metallen wie Edelstahl, Aluminium oder Kupfer;
• Lasermarkierung verschiedener Materialien;
• Laserhärten zum Beispiel von mechanischen Teilen in Stahl;
• Laserschweißen in der Elektronik;
• 3D-Laserdruck von Polymermaterialien;

Weitere Anwendungen sind Laserchirurgie (einschließlich Ophthalmologie), Fernerkundung (LIDAR) und Spektroskopie.

Wenn Sie einfach Formen aus verschiedenen Materialien ausschneiden möchten, liefern DC- oder HF-erregte Quellen in allen Fällen eine hervorragende Qualität. Unabhängig von der verwendeten Quelle benötigt das zu schneidende Material mehr kontinuierliche Energie, um sich durch dicke Materialien zu bewegen.

Wenn wir andererseits bestimmte Details erhalten möchten, kann die HF-Quelle Schnitte schneller verarbeiten als die gleichstromerregte Quelle.

Ein weiterer zu berücksichtigender Faktor ist die Leistungsstabilität zwischen den Quellen für Niedrigleistungsanwendungen wie das Schneiden von Papier oder dünnen Folien.

Bei DC-Lasern (Glasröhre) ist es komplexer, die Leistung auf weniger als 10 % der maximalen Leistung einzustellen, sodass Sie für empfindliche Anwendungen möglicherweise eine Laserröhre mit geringerer Leistung benötigen.

Beim Schneiden von Papier beispielsweise verursacht ein Hochleistungs-Gleichstromlaser aufgrund der begrenzten Leistungssteuerung typischerweise Verbrennungen. Die Leistungsstabilität wird stark verbessert, indem stattdessen eine HF-Laserquelle verwendet wird.

Bei Anwendungen wie dem fortlaufenden Gravieren von Fotos, Texten und Logos auf verschiedenen Materialien sind RF-Quellen eindeutig die beste Wahl. Obwohl die Gleichstromquelle eine zufriedenstellende Gravurqualität erzeugen kann, liefert die HF-Quelle sowohl eine viel höhere Gravurqualität als auch eine bessere Verarbeitungsgeschwindigkeit.

Wenn Sie erhebliche Mengen sowohl gravieren als auch schneiden, besteht eine Möglichkeit darin, die Ergebnisse beider Laserquellen zu vergleichen, um festzustellen, was für Ihre speziellen Anforderungen am besten geeignet ist.

Dauer von CO2 Laserquellen

Die Kosten und Investitionen des Lasersystems sind ebenfalls wichtige Faktoren, die es zu berücksichtigen gilt. Die Langlebigkeit der Laserquelle spielt eine Schlüsselrolle.

DC-Laserquellen werden von den Herstellern im Allgemeinen für eine Lebensdauer von 1.000 bis 2.000 Stunden (bei einer 40-Stunden-Woche) oder etwa 1 bis 2 Jahre je nach Leistung und Hersteller der Laserquelle bewertet.

Bezüglich der Lebensdauer von HF-Quellen gibt es einen kleinen Unterschied zwischen Metall- und Keramikkernlasern.

Die Metallröhren-HF-Quelle kann je nach Leistung und anderen Variablen 4-6 Jahre halten, während die keramische HF-Quelle eine etwas längere Lebensdauer von 5 bis 7 Jahren erreichen kann.

Die durchschnittlichen Kosten für die Überholung oder das Wiederaufladen der HF-Laserquelle sind deutlich höher als für die DC-Quelle.

Zusammenfassend bieten DC-Quellen die günstigste Lösung für einen Laser auf dem Markt. Dies opfert jedoch Verarbeitungsgeschwindigkeit und Gravurqualität.

Das größte Opfer beim Kauf einer HF-Quelle sind stattdessen die Kosten der Quelle sowohl für den Anfang als auch für die Überholung oder den Austausch des Geräts. Die Qualität des Schnitts ähnelt der einer Gleichstromquelle, aber die Qualität der Gravur ist die beste, die es gibt.

Die richtige Wahl hängt von Faktoren wie Budget, Anwendungsanforderungen und gewünschter Endqualität ab.

Entdecken Sie unten die Anwendungen und Maschinen für die Lasermarkierung und das Laserschweißen.