Tipologie di Sorgenti Laser CO2, differenze ed applicazioni

Come funziona il Laser CO2

Perché alcuni laser sono chiamati laser CO2? Molto semplicemente, il nome si riferisce alla creazione del raggio laser stimolando una miscela di gas composta da elio (He), azoto (N2), idrogeno (H2), xeno (Xe) e anidride carbonica (CO2).

Un laser CO2 si attiva stimolando la miscela di gas con una tensione di corrente continua (CC) o con onde a radiofrequenza (RF).

La miscela di gas stimolata produce "fotoni" e quando ne vengono prodotti a sufficienza, vengono rilasciati dal laser come un raggio. Attualmente ci sono tre tipi principali di sorgenti laser CO2 che descrivono come viene trattenuta la miscela di gas:

• vetro,
• metallo,
• ceramica.

Nel gergo, il termine "sorgente laser" è comunemente chiamato anche "tubo" laser, per cui abbiamo ad esempio come sorgenti un tubo di vetro, un tubo di metallo o di ceramica.

I laser a CO2 tipicamente emettono a una lunghezza d'onda di 10,6 μm, ma ci sono dozzine di altre linee laser la cui lunghezza d’onda oscilla tra 9 ed 11 μm (in particolare a 9,6 μm).

Laser CO2 con sorgente in vetro

La sorgente laser a CO2 in vetro è l'unica sorgente stimolata dalla tensione CC. Il design dei tubi laser in vetro è rimasto praticamente lo stesso sin dalla loro introduzione negli anni '60.

Attualmente, la produzione di tubi di vetro ha sede quasi esclusivamente in Cina, mentre la maggior parte dei tubi in metallo e ceramica sono fabbricati negli Stati Uniti.

A causa della facilità con cui il vetro conduce il calore insieme all'uso di corrente continua ad alta tensione per stimolare la miscela di gas, tutti i tubi laser in vetro devono essere raffreddati usando acqua o una miscela refrigerante a base d'acqua.

Questa fornitura continua di liquido refrigerante durante l'uso è molto importante, altrimenti un tubo di vetro si potrebbe distruggere per via delle alte temperature prodotte dal laser.

Caricando la sorgente laser con tensione CC si ha un elevato consumo di energia poiché i tubi di vetro richiedono da 15 kV (kilovolt) a 26 kV, a seconda della potenza del tubo.

Un cavo caricato positivamente dalla fonte di alimentazione si attacca direttamente al tubo laser per fornire la tensione necessaria per attivare il laser.

Laser CO2 con sorgente in metallo e ceramica

I tubi laser in metallo utilizzano un nucleo/tubo di metallo per contenere la miscela di gas anziché un tubo di vetro, mentre i tubi laser in ceramica utilizzano un nucleo in ceramica per trattenere il gas.

Invece di utilizzare CC ad alta tensione, i tubi laser in metallo e ceramica utilizzano una tecnica chiamata "radiofrequenza" per stimolare i gas a produrre il raggio.

L'uso della radiofrequenza RF presenta alcuni vantaggi rispetto alla tensione CC, tra cui:

• un minor consumo di energia,
• un migliore controllo del processo di incisione laser,
• una maggiore durata, con conseguente emissione del raggio laser di qualità superiore per un periodo di tempo più lungo.

Le sorgenti laser in metallo e ceramica possono essere raffreddate ad aria o ad acqua a seconda della potenza del laser.

Differenze tra sorgenti in vetro, metallo e ceramica

Ora che sappiamo come funziona dal punto di vista tecnico, un'altra area su cui concentrarsi è la qualità del raggio laser prodotto.

Molti aspetti tecnici contribuiscono affinché la sorgente laser in vetro emetta un raggio laser di grande diametro, tipicamente intorno ai 5 mm o meno a seconda della potenza e del produttore.

Inoltre, a causa dell'utilizzo di corrente continua ad alta tensione, è difficile controllare l'uscita del tubo di vetro in modalità "impulsata". Il raggio viene suddiviso in piccoli impulsi intermittenti di potenza invece di un flusso continuo.

È difficile regolare rapidamente la tensione CC in modo da poter emettere impulsi. Ciò significa che un tubo laser in vetro non produrrà la migliore qualità di incisione raster, soprattutto per l'incisione di immagini fotografiche.

Significa anche che i lavori di marcatura e incisione devono essere eseguiti a velocità inferiori per ottenere una migliore qualità.

Per le sorgenti in metallo e ceramica che utilizzano la radiofrequenza per generare il raggio, le onde radio possono essere attivate e disattivate molto rapidamente con conseguente eccellente pulsazione, producendo così un'eccellente qualità di incisione, caratteristica che è molto importante per l'incisione fotografica e il lavoro di precisione dei dettagli.

La sorgente laser in metallo ha elettrodi che generano la radiofrequenza montati all'interno del nucleo metallico.

Le sorgenti in ceramica hanno invece elettrodi montati all'esterno della sorgente per via del fatto che la RF può passare attraverso la ceramica. Avere elettrodi al di fuori della miscela di gas può produrre un raggio laser di migliore qualità e una minore contaminazione dei gas.

Il nucleo metallico di un laser RF è una scatola di metallo che viene creata saldando insieme i pezzi di metallo. Avere gli elettrodi all'interno del nucleo metallico può causare nel tempo uno sfregamento che indebolirà le saldature.

Il Degassamento

Man mano che le saldature si indeboliscono, è possibile che si verifichi un degassamento dalla sorgente laser. Il degassamento si verifica quando il gas “fuoriesce” dal tubo con conseguente graduale perdita di potenza del laser nel tempo.

Ciò significa che un laser a tubo metallico da 60 watt potrebbe emettere solo 55 watt dopo alcuni anni di utilizzo.

Un nucleo in ceramica viene invece creato fondendo insieme due parti in ceramica. Questo processo produce un singolo nucleo privo di contaminanti, solido, uniforme e senza saldature, eliminando gli effetti di degassamento.

La purezza del gas contribuisce direttamente non solo alla qualità del raggio, ma anche alla durata del tubo laser. Il vantaggio qualitativo del nucleo in ceramica è la maggiore qualità del raggio che si traduce in dettagli più fini insieme a impulsi più veloci, il che significa che un lavoro altamente dettagliato può essere elaborato ad alte velocità.

Esistono dunque molte informazioni da considerare riguardo alla sorgente laser, che spesso viene definita il "motore" di un sistema laser. La scelta della sorgente laser migliore dipende dalle applicazioni finali.

Applicazioni delle sorgenti Laser CO2

I laser a CO2 sono ampiamente utilizzati come laser industriali per la lavorazione di materiali, in particolare per:

• taglio di materie plastiche, legno, vetro, ecc., che presentano un elevato grado di assorbimento;
• taglio, saldatura e rivestimento di metalli come acciaio inossidabile, alluminio o rame;
• marcatura laser di vari materiali;
• tempra laser ad esempio di parti meccaniche in acciaio;
• saldatura laser nell'elettronica;
• stampa 3D laser di materiali polimerici;
• altre applicazioni includono la chirurgia laser (inclusa l'oftalmologia), il telerilevamento (LIDAR) e la spettroscopia.

Se si desidera semplicemente ritagliare forme di vari materiali, le sorgenti eccitate in CC o in RF produrranno una qualità eccellente in tutti i casi. Indipendentemente dalla fonte utilizzata infatti il materiale da tagliare richiede un'energia più continua per farsi strada attraverso i materiali spessi.

Se invece desideriamo ottenere dettagli particolari, la sorgente RF sarà in grado di elaborare tagli più velocemente della sorgente eccitata in CC.

Un altro fattore da considerare è la stabilità della potenza tra le sorgenti per applicazioni a bassa potenza come il taglio di carta o film sottili.

Per i laser in CC (tubo di vetro) è più complesso impostare la potenza al di sotto del 10% della potenza massima, quindi potrebbe essere necessario un tubo laser di potenza inferiore per applicazioni sensibili.

Quando si taglia la carta, ad esempio, un laser CC ad alta potenza in genere provoca bruciature a causa della possibilità limitata di controllo della potenza. La stabilità della potenza viene notevolmente migliorata utilizzando invece una sorgente laser RF.

Nel caso di applicazioni come incisioni continue di foto, testo e loghi su vari materiali, le sorgenti RF sono chiaramente la scelta migliore. Sebbene la sorgente in CC possa produrre un'incisione di qualità soddisfacente, la sorgente RF fornirà sia una qualità di incisione molto più elevata che una migliore velocità di elaborazione.

Se si eseguono quantità significative di lavorazioni sia di incisione che di taglio, un'opzione potrebbe essere quella di confrontare i risultati tra entrambe le sorgenti laser per determinare ciò che è meglio per le proprie esigenze particolari.

Durata delle sorgenti Laser CO2

Anche il costo e l’investimento del sistema laser sono fattori importanti da considerare. La durata della sorgente laser gioca un ruolo chiave.

Le sorgenti laser in CC sono generalmente valutate dai produttori per durare 1.000-2.000 ore (operando una settimana di 40 ore) o circa 1-2 anni a seconda della potenza e del produttore della sorgente laser.

Per quanto riguarda la durata delle sorgenti RF, c'è una leggera differenza tra i laser con nucleo in metallo e in ceramica.

La sorgente RF a tubo metallico può durare 4-6 anni a seconda della potenza e di altre variabili, mentre la sorgente RF in ceramica può raggiungere una durata leggermente più lunga che va da 5 a 7 anni.

Il costo medio per il refurbishing o ricarica della sorgente laser RF è chiaramente maggiore rispetto alla sorgente CC.

In sintesi, le sorgenti CC forniscono la soluzione più economica per un laser sul mercato. In questo modo si sacrifica però la velocità di elaborazione e la qualità dell'incisione.

Il più grande sacrificio per l'acquisto di una sorgente RF è invece il costo della sorgente sia inizialmente che per il refurbishing o la sostituzione dell'unità. La qualità del taglio sarà simile a quella di una sorgente CC, ma la qualità dell'incisione sarà la migliore disponibile in circolazione.

La scelta giusta è legata al fatto di soppesare fattori come budget, esigenze applicative e qualità finale desiderata.

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