L A S R A M engineering ▪ laser ▪ technology

Az előadások a következő témára: "L A S R A M engineering ▪ laser ▪ technology"— Előadás másolata:

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

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

3 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 –

4 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

5 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)

6 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

7 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

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

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

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

11 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 nm (W)

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

13 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

14 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

15 Szállézer jellemzői VII. Nyalábminőség
egymódusos nyalábvezető szál a működési hullámhosszra diffrakció-határolt nyalábminőség M2 ~ 1.1

16 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

17 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 ≥ ó Méret: 19”6HU, súly 40 kg GTWave egység Lézeraktív közeg Pumpáló modul Integrált CW lézer

18 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

19 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

20 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

21 Vágás II. Jobb nyalábminőség, mélyebb penetráció, nagyobb stabilitás Nd:YAG lézer kiváltása

22 Vágás III. Jobb nyalábminőség, mélyebb penetráció, nagyobb stabilitás Nd:YAG lézer kiváltása

23 Vágás IV. Jobb nyalábminőség, mélyebb penetráció, nagyobb stabilitás Nd:YAG lézer kiváltása

24 Vágás V. Jobb nyalábminőség, mélyebb penetráció, nagyobb stabilitás Nd:YAG lézer kiváltása

25 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

26 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

27 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

28 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

29 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

30 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

31 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

32 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)

33 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

34 LASRAM FL100 Lézer típus: SZÁLLÉZER Lézer hullh.: 1090 nm +/-5nm
Névl.átlagtelj.: 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

35 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: µm/kg Vezérlő: Fanuc komp. NCT CNC