L A S R A M engineering ▪ laser ▪ technology Szállézer /Fiber Laser/, finommegmunkálás szállézerrel

L A S R A M engineering ▪ 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) 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) 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

Kis törésmutatójú közös köpeny (Yb/YB+Er/Er adalékolt) Szállézer felépítése I. GTWave konstrukció jellemzői és előnyei 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 Pumpáló szálak (szilíciumdioxid) Lézeraktív (jel) szál (Yb/YB+Er/Er adalékolt)

Szállézer felépítése II 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

Nagy fényerejű pumpáló diódamodulok Szállézer felépítése III. GTWave CW szállézer rezonátor kialakítás GTWave egység Lézeraktív közeg Záró optika ( 99% reflexió) Kicsatoló optika (~ 5% reflexió) Nagy fényerejű pumpáló diódamodulok 915 nm/977 nm Megcsapolások + érzékelő diódák Kimenő szál/ nyalábvezető optika Szál illesztés

Szállézer felépítése IV. GTWave CW szállézer teljesítmény növelés Lézeraktív tekercsegységek sorbakapcsolása moduláris elv gerjesztés belépő felületeinek száma nő, pumpáló blokkok használata fokozatos teljesítménynövelés lehetősége

Teljesítmény a pumpáló szálban Teljesítmény a jelszál köpenyében Szállézer jellemzői I. GTWave egység tulajdonságai 1. Pumpáló teljesítmény eloszlása a szál mentén Teljesítmény a pumpáló szálban Becsatolási arány % Teljesítmény a jelszál köpenyében Szál hossz cm

Szállézer jellemzői II. GTWave egység tulajdonságai 2 Szállézer jellemzői II. GTWave egység tulajdonságai 2. Kimeneti teljesítmény reprodukálási képesség (több, mint 30 egységnél vizsgálva) Kimenő teljesítmény/névleges teljesítmény Pumpáló teljesítmény/névleges pumpáló teljesítmény

Kimenő teljesítmény (W) Bemenő pumpáló teljesítmény @915 nm (W) Szállézer jellemzői III. GTWave egység tulajdonságai 3. Teljesítménynövekedés a pumpáló teljesítmény függvényében Kimenő teljesítmény (W) Bemenő pumpáló teljesítmény @915 nm (W)

Szállézer jellemzői IV. Kimeneti teljesítmény stabilitása CW kimenő teljesítmény 100 W névleges teljesítménynél Kimenő teljesítmény (W) Kimenő teljesítmény (W) Eltelt idő (h)

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 Működő diódák terhelése nő + átlagos élettartam csökken  lézer tönkremeneteli valószínűsége nő Végzetes meghibásodási határ Diódaáram / A Diódateljesítmény / W Idő / h Átlagos élettartam a meghibásodásig / h

Szállézer jellemzői VI 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 Névleges diódaáram Diódaáram / A Idő / h

Szállézer jellemzői VII. Nyalábminőség egymódusos nyalábvezető szál a működési hullámhosszra diffrakció-határolt nyalábminőség M2 ~ 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 egység Lézeraktív 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 Edzés Polimer hegesztés Visszaolvasztás Kemény- forrasztás Bevonatolás Hegesztés (1090 nm-en) Forrasztás Vastag- lemez vágás Nyaláb paraméter szorzat Szinterezés Nemfémes vágás Nyomdaipar Vágás Fúrás Markírozás 3D gyors prototípusgyártás Mikrohajlítás Mikroforrasztás Űrtechnika Lézer teljesítmény

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 hegesztése Csatlakozó 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 Hegesztés III. Elektronika Jobb nyalábminőség, nagyobb stabilitás, nincs karbantartás Nd: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 darabszámok Nd: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 Gravírozás - markírozás Jobb nyalábminőség, nagyobb megmunkálási sebesség Nd: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 Mikrohajlítás HD gyártás Jobb nyalábminőség, nagyobb megmunkálási sebesség Nd: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 nyalábminőség Nd:YAG lézer kiváltása Szelektív lézeres szinterezés a 1090 nm különösen előnyös rozsdamentes acél- és titánpor szinterezéséhez finomabb felbontás: könnyebb struktúrák

Méréstechnika, űrtechnika Jobb nyalábminőség Diódalézer kiváltása 1550 nm, 2-5 W, ill.kW Lézeres terepmérés nagyobb teljesítmény megbízható jobb nyalábminőség – jobb célmegkülönböztetés szemre biztonságos hullámhossz egyéb szabadtéri alkalmazás (távközlés)

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: SZÁLLÉZER Lézer hullh.: 1090 nm +/-5nm Névl.átlagtelj.: 10-100 W M2: 1.1 Sugár minőség: 0.38 mm.mrad Megmunk.fej: FLH 100 Fókusztávolság: 50 mm Fókuszfolt: 10 µm Segédgáz: G1/8’’, 18 bar

LASRAM FL100 Tengelyek: X,Y,Z,A Mdb. max: 300 x 300 x 100 mm Sebesség: 250 mm/s, 1080°/s Lépéshossz: 0,1µm Tengelypont.: 1µm/100mm Ismétlési pont.: +/- 0,5 µm Pozícionálási p.: 0,1µm Forg./A/ teng.lép.: 0,0002° Ismétlési p./A/: +/-0,0003° Tengelypont.: 0,0006° Axiális merevség: 0.0004 µm/kg Vezérlő: Fanuc komp. NCT CNC