I moderni laser a fibra sono il risultato di uno sforzo collettivo di cento anni di ricerca e sviluppo. In pochi anni, questi sistemi laser sono passati da strumenti di livello industriale a macchine di uso quotidiano diffuse utilizzate da hobbisti e proprietari di piccole imprese.
Questo articolo fornisce uno sguardo approfondito alla tecnologia laser in fibra, ai suoi meccanismi interni, alle applicazioni e ai vantaggi.
Immergiamoci in esso.
Che cos'è la tecnologia laser a fibra?
La tecnologia laser a fibra utilizza un cavo in fibra ottica in vetro di silice come mezzo di guadagno per aumentare la forza del laser.
La fibra ottica è esposta a una sorgente luminosa ad alta intensità e, quando i raggi luminosi passano attraverso il cavo, si rifrangono internamente e vengono amplificati.
Ulteriori riflettori all'estremità del cavo in fibra riflettono e amplificano ulteriormente il raggio laser.
La potenza della sorgente luminosa determina la potenza di un laser a fibra. Le lampade ad alto wattaggio pompano la luce nel mezzo di guadagno, il che porta a una maggiore penetrazione del laser.
Grazie alla flessibilità dei sistemi laser in fibra, ha visto un'adozione diffusa nell'industria manifatturiera. Vedrai macchine laser in fibra comunemente usato per tagliare, saldare, fabbricare, pulire e forare metalli, nonché non metalli.
L'affascinante storia del laser a fibra
L'invenzione del moderno laser a fibra è una storia complessa e affascinante che abbraccia quasi cento anni e con la collaborazione di oltre una dozzina di menti scientifiche. La ricerca di Albert Einstein del 1917 nelle emissioni di luce simulate è diventata la base per i laser moderni. Einstein ha proposto la teoria secondo cui le foto della luce possono attivare gli atomi per rilasciare altri fotoni.
Quattro decenni dopo che Einstein (1957) pubblicò il suo articolo, Gordon Gould presentò la struttura di base dell'amplificazione della luce visibile.
Gould è stata la prima persona per usare l'acronimo della tecnologia nel suo taccuino di lavoro, chiamandolo LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.
Mentre Gould ha costituito la base del laser, Ted Maiman ha continuato a costruire il primo laser funzionale.
Solo pochi anni dopo il successo di Maiman, Elias Snitzer, che allora si occupava di fibre ottiche, creò un sistema per combinare le due tecnologie, creando il primo sistema laser a fibra nel 1963.
Le fibre ottiche erano ancora molto difficili da fabbricare negli anni '60 e, senza cavi in fibra di alta qualità, il laser in fibra non sarebbe stato competitivo rispetto ai laser alimentati a gas.
Nei successivi 30 anni, diversi scienziati, tra cui Snitzer, avrebbero migliorato il design e introdotto fibre ottiche ad alta purezza, fibre a doppio rivestimento e cavi in fibra drogati con metalli delle terre rare.
Alla fine degli anni 2000, azienda italiana Salvagnini porterebbe finalmente sul mercato una macchina per il taglio laser in fibra completamente funzionante. Da allora, i laser a fibra sono migliorati rapidamente e costantemente fino al punto di sorpassare Laser a CO2.
Dopo la vendita della prima taglierina laser in fibra, i miglioramenti nella tecnologia di produzione, nelle prestazioni CNC e nelle fibre ottiche hanno ulteriormente migliorato le capacità dei laser in fibra.
Come funzionano i laser a fibra? - Una guida facile da seguire
I raggi laser moderni sono una commutazione di anni di ricerca e decenni di miglioramenti nel processo di produzione.
Molti vedono i sistemi laser in fibra come una tecnologia complessa e scoraggiante. Ma i principi operativi di base sono molto facili da capire.
Qui analizziamo i passaggi di base coinvolti nel funzionamento del laser in fibra.
Passaggio 1: avvio della sorgente luminosa
Il primo elemento di un laser a fibra è la sorgente luminosa. I moderni laser a fibra utilizzano un diodo a semiconduttore per l'illuminazione. Una potenza maggiore si tradurrà in un laser in fibra ad alta potenza, ma al costo della generazione di calore in eccesso alla sorgente luminosa.
Un sistema di raffreddamento robusto è necessario quando si ha a che fare con una potenza di uscita elevata concentrata in uno spazio così ridotto.
I laser utilizzati per la produzione in ambienti industriali sono incredibilmente potenti e una sorgente luminosa standard è spesso insufficiente per tali sistemi.
Alcuni laser in fibra aggirano i problemi di surriscaldamento utilizzando più diodi laser a pompa più piccoli per riempire di luce il cavo in fibra ottica.
Passaggio 2: pompa la luce nel nucleo della fibra ottica
Una volta inizializzata la sorgente luminosa, deve essere diretta verso il cavo in fibra ottica. Quando la luce esce dalla sorgente del diodo, si diffonde in tutte le direzioni.
Quindi materiali opachi più spessi circondano il diodo per impedire alla luce di fuoriuscire in direzioni indesiderate. Quindi l'unico punto di uscita per la luce sarebbe nella direzione della fibra ottica.
Il processo di dirigere sempre più luce in una singola fibra ottica è chiamato pompaggio.
Tuttavia, anche le fibre ottiche sono soggette a perdite di luce. Se pompi la luce in una fibra nuda, la maggior parte dell'energia si dissiperà nell'ambiente circostante. Quindi le fibre devono essere rivestite con un materiale sottile e flessibile, impedendo la dispersione della luce e migliorando l'indice di rifrazione della fibra. Le fibre si combinano con il materiale di rivestimento per formare un cavo e il nucleo del cavo è la fibra ottica.
Passaggio 3: la luce viene convertita in un raggio di luce laser
Quando la luce entra nel cavo in fibra, è ancora troppo debole e sfocata. Ma quando i pacchetti di luce (fotoni) passano attraverso la fibra, vengono rifratti internamente e concentrati. La luce rimbalza continuamente all'interno della fibra fino a formare un raggio laser.
Passaggio 4: la luce laser viene amplificata internamente
Anche dopo aver trasformato la luce laser in un raggio coesivo, la potenza in uscita è ancora relativamente bassa. Quindi il laser deve ora essere amplificato finché la qualità del raggio non migliora in modo significativo. L'amplificazione avviene in tre modi.
- Innanzitutto, i cavi in fibra ottica sono drogati con metalli delle terre rare che vengono eccitati dalla luce laser e rilasciano più fotoni. Questi fotoni extra forniscono energia aggiuntiva al raggio laser.
- Successivamente, il cavo in fibra viene avvolto a spirale per aumentare esponenzialmente le rifrazioni interne della luce laser.
- Infine, gli specchi riflettenti all'estremità del percorso del cavo impediscono alla luce di ritornare ai diodi laser o di uscire prematuramente dalla fibra ottica.
Passaggio 5: gestione della lunghezza d'onda
Un passaggio facoltativo per ottimizzare l'uscita del laser in fibra consiste nel controllare la lunghezza d'onda (frequenza) del raggio finale. L'emissione stimolata dalle molecole è a diverse lunghezze d'onda e può influenzare la qualità dell'emissione laser. Per controllare l'uscita del raggio, sono necessari reticoli in fibra di Bragg.
I reticoli in fibra di Bragg sono una serie di deflettori costruiti all'interno della fibra ottica che bloccano le lunghezze d'onda indesiderate della luce e consentono solo il passaggio di quelle desiderate.
Passaggio 6: un sistema di lenti modella e mette a fuoco la luce laser
Dopo che i diodi laser hanno pompato la luce nel nucleo del cavo in fibra ottica e si è formato un raggio laser, è abbastanza forte da fondere o addirittura tagliare i materiali. Ma a questo punto, la luce è troppo sfocata e il diametro dello spot del laser è troppo grande.
Una serie di lenti di alta qualità modellano il raggio laser in un punto più piccolo (spot) e aiutano a gestire altri parametri laser come la lunghezza focale. Obiettivi di qualità superiore si traducono in una migliore qualità del raggio.
Fase 7 – I deflettori elettronici cambiano la direzione della luce laser
Dopo aver attraversato il mezzo di guadagno e le lenti, il raggio laser è pronto per qualsiasi applicazione. Ma controllare la posizione e la direzione del raggio laser è ancora una sfida.
La soluzione è un insieme di deflettori (specchi) controllati elettronicamente all'estremità del raggio laser. Quando la luce colpisce questi deflettori, un sistema controllato da computer cambia l'angolo del deflettore per controllare la direzione del laser a fibra.
Le parti sensibili all'interno della cavità del laser a fibra non sono progettate per essere spostate. Utilizzando questo metodo, il laser a fibra può rimanere fermo mentre si sposta solo il raggio laser.
7 principali vantaggi delle macchine laser a fibra per la tua azienda
Ecco un breve elenco dei vantaggi più importanti offerti dalle macchine laser a fibra.
Alta precisione
Uno dei miglioramenti più significativi dei laser a fibra rispetto ai precedenti Laser a CO2 è l'incredibile precisione del laser. Questa maggiore precisione è ottenuta dalla combinazione di diametri spot più piccoli e avanzamenti in CNC (controllo numerico computerizzato).
I laser a fibra possono ora spostarsi in modo accurato e preciso fino a un millesimo di pollice. (1000 pollici o ~0.001 micron).
Energy Efficiency
L'efficienza elettrica del laser viene misurata in base alla differenza tra la potenza assorbita dalla presa a muro e la potenza erogata dai raggi laser.
I laser a fibra sono incredibilmente efficienti dal punto di vista energetico e possono convertire fino al 35% dell'elettricità in ingresso in energia laser. Questo è leggermente superiore ai laser al neodimio e quasi il doppio dell'efficienza della CO2.
Dimensioni compatte
Un contributo significativo alla riduzione delle dimensioni per i laser a fibra è la mancanza di un tubo laser. I vecchi laser a CO2 utilizzano un tubo di vetro ingombrante che ospita una miscela di gas utilizzata come mezzo di guadagno.
Inoltre, l'utilizzo di laser a diodi ad alta efficienza energetica per pompare la luce nel mezzo laser porta a sistemi di raffreddamento più piccoli all'interno della cavità del laser in fibra.
Infine, la capacità di avvolgere il cavo in fibra all'interno della macchina ha portato a laser in fibra di maggiore potenza nello stesso pacchetto più piccolo.
Versatilità
I laser a fibra sono strumenti versatili che possono essere utilizzati in diversi sistemi di produzione. Ad esempio, una macchina per il taglio laser in fibra può anche incidere e marcare al laser.
Riducendo la messa a fuoco del raggio laser o utilizzando laser a fibra pulsata, è possibile ridurre l'emissione di energia e utilizzare il laser per applicazioni non di taglio.
Al di fuori del settore manifatturiero, i laser a fibra vengono utilizzati in apparecchiature mediche, strumenti di misurazione ingegneristici e molti altri.
Durata della vita lunga
Un altro eccellente punto di forza per i laser a fibra è la loro lunga durata e durata. Un laser a fibra standard è progettato per oltre 30,000 ore di funzionamento.
Questo è quasi 15 volte più lungo di una tradizionale macchina laser alimentata a gas. Grazie alla loro lunga durata, i laser a fibra richiedono anche una manutenzione meno frequente.
Compatibilità dei materiali
I laser a fibra sono consigliati principalmente per la lavorazione dei metalli. Puoi tagliare, contrassegnare, pulire, incidere e forare lamiere e lastre anche più spesse utilizzando i laser a fibra.
Tuttavia, i laser a fibra forniscono una compatibilità limitata con i non metalli. Compatibilità limitata significa che il laser può incidere e marcare ma fatica a tagliare il materiale.
È possibile utilizzare laser a fibra a bassa potenza per marcare e tagliare tessuti, pelle, legno, ecc.
Costi operativi inferiori
Le macchine laser a fibra offrono risparmi significativi grazie a una maggiore efficienza energetica, un minore consumo energetico e un funzionamento esente da manutenzione.
Il costo annuale per pezzo sarà considerevolmente inferiore a lungo termine rispetto alle tradizionali soluzioni laser alimentate a gas.
5 sorprendenti applicazioni dei laser a fibra
Le applicazioni laser non di produzione sono più adatte ai laser a diodi a bassa potenza. Sebbene i laser a fibra siano utilizzati in campo medico, i laser Nd: YAG dominano quel campo.
Perché l'elevata potenza erogata dai laser a fibra può raggiungere più di decine di kilowatt, sono favoriti per le loro capacità produttive. Ecco cinque delle più comuni applicazioni laser in fibra.
Taglio laser
Le frese metalliche sono una delle applicazioni più diffuse per i sistemi laser in fibra. La maggior parte della moderna produzione di metalli prevede la manipolazione di lamiere, tubi di metallo o lastre di metallo sottili.
Inoltre, il taglio laser in fibra eccelle nel trattare esattamente quei tipi di materiali. Macchine per taglio laser variano in base alla potenza erogata dai raggi laser, alle dimensioni della macchina e alle capacità di automazione.
Per un taglio di precisione è necessaria una qualità del raggio superiore. Pertanto, lenti di alta qualità devono essere utilizzate e pulite regolarmente.
Incisione laser
I laser a fibra possono incidere in modo rapido e preciso lettere e disegni complessi in prodotti che dureranno finché il prodotto sarà in uso.
Un importante caso d'uso dell'incisione laser deriva dalla combinazione di sistemi laser CNC con software di progettazione per consentire agli utenti di creare modelli dettagliati e complessi su qualsiasi numero di superfici.
Marcatura laser
I laser a fibra a bassa potenza sono opzioni eccellenti per la marcatura di componenti e prodotti. Possono impartire rapidamente i dettagli del prodotto e le istruzioni di sicurezza su un componente con elevata precisione e chiarezza.
marcatura laser viene spesso utilizzato per disegnare loghi e marchi aziendali sul prodotto finale.
Le fabbriche su larga scala utilizzano marcatori laser in fibra per impartire numeri di serie e numeri di lotto in piccoli componenti come chip di memoria, PCB e telai di automobili.
Saldatura laser
Saldatura laser fibra è una tecnica di saldatura ad alta precisione utilizzata per unire due fogli di materiale più sottili con segni di saldatura minimi. Inoltre, è possibile saldare la plastica utilizzando laser a bassa potenza o pulsati.
La saldatura laser è più costosa di quella tradizionale TIGor Saldatura MIG ed è tipicamente riservato ad applicazioni specializzate come saldature microscopiche, saldatura di metalli preziosi, ecc.
La saldatura laser è un'ottima alternativa ad altri metodi di giunzione delle lamiere come i rivetti in quanto produce una finitura più a filo. Allo stesso modo, la saldatura laser è preferita per unire non metalli quando sono richiesti giunti a tenuta d'aria e la colla (o gli adesivi) non è un'opzione praticabile.
Pulizia laser
Laser in fibra sono utilizzati anche per ripulire i bordi e le superfici dei metalli. I pezzi di ferro arrugginiti possono essere puliti utilizzando un laser a fibra in pochi secondi rispetto alla levigatura. La pulizia laser produce anche una migliore finitura superficiale.
I laser possono anche ripulire segni di saldatura e sbavature metalliche da altri processi di produzione. La pulizia laser è meno comune nella produzione generale a causa del suo costo iniziale più elevato.
La pulizia riguarda principalmente la potenza e l'uniformità del laser. La qualità e la messa a fuoco del raggio sono fattori secondari per questo processo.
Laser a fibra contro laser CO2 contro laser Nd: YAG
Finora, in questo articolo, ci siamo concentrati solo sui laser in fibra. Tuttavia, al momento sono disponibili altri due sistemi laser che sono popolari e, in alcuni casi, migliori dell'opzione in fibra.
CO2 precede i laser in fibra di mezzo secolo ed è un'opzione collaudata e affidabile. Nd: YAG è simile ai laser in fibra e una tecnologia leggermente più recente che è ancora in fase di ricerca. Questa sezione mette a confronto le tre tecnologie e ne evidenzia i rispettivi vantaggi.
Tecnologia
- La CO2 è una vecchia tecnologia laser che utilizza corrente elettrica ad alta tensione per eccitare le molecole di gas, generando fotoni all'interno del tubo di miscela di vetro. Questi fotoni vengono quindi amplificati in un laser da due riflettori esterni.
- I laser Nd: YAG (granato di ittrio e alluminio drogato al neodimio) pompano la luce in un cristallo di neodimio che funge da mezzo laser. Quando si pompa la luce nel cristallo, le impurità eccitate generano fotoni (emissione stimolata).
- I laser a fibra pompano la luce in un cavo in fibra ottica che funge da mezzo laser e amplifica la luce internamente grazie al suo alto indice di rifrazione.
Prezzi
Costi del laser vanno da poche centinaia di dollari (USD) fino a un milione. I laser a gas sono i più economici a $2,000 per un'unità per principianti, mentre i modelli entry-level in fibra e YAG iniziano intorno al $15,000 marchio.
L'investimento iniziale nei laser a gas è notevolmente basso, ma i costi di manutenzione possono iniziare a crescere.
I laser CO2 sono più adatti per cicli di produzione a basso volume. In tali situazioni, una durata inferiore e una scarsa efficienza energetica possono essere giustificate dalla significativa riduzione dei costi iniziali.
Taglia
I laser a CO2 sono più ingombranti a causa del tubo di miscela di gas grande e pesante utilizzato per la generazione di fotoni. Poiché si pompa direttamente la luce in una fibra e nei laser YAG, non è necessario il tubo di vetro che genera fotoni.
Le macchine laser a fibra occupano meno spazio e mantengono una qualità del raggio superiore.
EFFICIENZA
Il più grande assorbimento di potenza di un sistema laser è la sorgente luminosa, poiché è necessaria per l'amplificazione.
Poiché entrambi i laser a fibra e YAG utilizzano lampade ad alta efficienza energetica per pompare la luce nel mezzo laser, hanno un'efficienza complessiva più elevata che porta a costi operativi inferiori.
I laser a semiconduttore che utilizzano diodi hanno la massima efficienza, fino al 60% ma solo a 5-10 W di potenza.
A questa distanza, i laser a semiconduttore sono utili solo per la marcatura e il taglio di compensato o tessuti.
Durata
La durata dei laser a CO2 è la più bassa tra tutte le tecnologie laser poiché il tubo della miscela di gas si degrada nel tempo e deve essere sostituito dopo 2,000 ore di funzionamento.
Al contrario, i laser a fibra possono funzionare alla loro potenza elevata (di picco) tutto il giorno e mantenere comunque la loro lunga durata. I laser al neodimio condividono una durata di vita simile ai laser a fibra monomodale.
L’affidabilità
Le moderne ottimizzazioni hanno portato a una maggiore affidabilità di tutti i sistemi laser. In generale, un laser a stato solido e un laser a gas avranno lo stesso livello di affidabilità in condizioni operative ottimali.
Tuttavia, in situazioni pericolose come i pavimenti delle fabbriche o gli impianti di lavorazione chimica, i laser a gas avranno un'affidabilità inferiore a causa della natura fragile del tubo laser di vetro.
Compatibilità dei materiali
I laser CO2 hanno la compatibilità con i materiali più diversi in quanto possono essere utilizzati su metalli, plastica, polimeri, legno e altro ancora. Sono limitati solo da superfici metalliche altamente riflettenti come bronzo o rame, poiché la maggior parte dell'energia laser viene riflessa dalla superficie.
I laser YAG hanno una compatibilità con materiali metallici ragionevolmente elevata, ma sono compatibili solo con alcuni non metalli ceramici.
I laser a fibra sono il meglio di entrambi i mondi in quanto hanno una compatibilità quasi universale con i metalli, compresi quelli con superfici altamente riflettenti e una discreta compatibilità non metallica.
Quale tipo di macchina laser a fibra è la migliore per le tue esigenze?
Le macchine laser a fibra sono una soluzione versatile, flessibile ed economica per le piccole e medie imprese. Tuttavia, è fondamentale acquistare una macchina che sia la più adatta alle proprie esigenze.
Soprattutto perché le macchine laser in fibra hanno un costo di investimento iniziale più elevato, la scelta di una macchina adatta alla tua attività può ridurre significativamente il tuo periodo di ROI (ritorno sull'investimento).
Ecco i principali fattori da considerare prima di acquistare un laser a fibra.
Applicazione laser
Descrivi il tuo caso d'uso principale per un laser a fibra. Se lavori principalmente sulla fabbricazione di lamiere, ottenere una taglierina laser in fibra sarebbe una decisione aziendale intelligente. Approfittate della diversa compatibilità dei metalli.
Le macchine per la pulizia, la marcatura e la saldatura laser sono strumenti uni-task progettati per un solo scopo. Se non puoi utilizzare completamente queste macchine su base regolare, è meglio evitarle.
Formato della macchina
Sebbene le macchine laser a fibra siano piccole e compatte, hanno comunque bisogno di ampio respiro.
Dovresti avere abbastanza spazio intorno alla macchina per un buon flusso d'aria in modo che il laser non si surriscaldi.
Inoltre, dovresti avere abbastanza spazio di roaming in modo che qualcuno non urti accidentalmente la macchina mentre è operativa.
È inoltre necessario considerare una ventilazione decente durante il taglio della plastica o di alcuni materiali pericolosi che possono generare fumi pericolosi.
Potenza laser
I laser a fibra ad alta potenza sono per lo più riservati al taglio di blocchi di metallo spessi. La maggior parte delle industrie non beneficerà di un laser a stato solido da 10kW.
La marcatura laser richiede la minor quantità di energia, mentre l'incisione, la pulizia e il taglio richiedono livelli di potenza variabili in base alle condizioni operative.
Evita i laser ad alta potenza se non offrono vantaggi significativi alla tua azienda.
Costo straordinario
Un laser a stato solido, come uno a fibra, generalmente costerà di più all'acquisto iniziale rispetto a uno a CO2.
Tuttavia, i laser a fibra hanno costi operativi inferiori grazie alla loro eccellente efficienza, anche quando colpiscono bersagli ad alta potenza.
Anche i laser a fibra sono considerati esenti da manutenzione a causa della loro durata di vita eccezionalmente lunga.
Modalità operativa
I laser possono funzionare in due modalità a seconda dell'applicazione.
- Modalità onda continua – In questa modalità, i fotoni escono dalla macchina in un'onda continua e il laser bombarda senza sosta la superficie del pezzo. Il funzionamento ad onda continua può anche portare a bruciature sui bordi del pezzo.
- Modalità impulsiva – In questa modalità, i fotoni escono dalla macchina in brevi lampi chiamati impulsi. I laser a fibra pulsata emettono meno energia nel pezzo e riducono la possibilità di fusione o deformazione indesiderata. Le durate dell'impulso del laser determinano l'energia dell'impulso di un laser. Durate più lunghe si tradurranno in una maggiore produzione di energia.
Capacità di produzione
La maggior parte dei laser utilizza un piano di lavoro fisso. Le dimensioni del letto limitano la capacità produttiva delle macchine laser in fibra.
Una dimensione del letto più grande sarebbe necessaria per le aziende più grandi che necessitano di tempi di consegna rapidi, ma non sarà praticabile per la produzione di massa.
A parte le dimensioni del letto, alcune taglierine laser in fibra utilizzano un sistema di alimentazione a bobina.
Qui, il corpo principale del laser a fibra è collegato a un aspo svolgitore di lamiera che alimenta continuamente il metallo alla macchina.
Sistemi laser alimentati da bobina sono in genere riservati per cicli di produzione ad alto volume e bassa complessità.
Conclusione
I sistemi laser a fibra sono nati come una teoria non verificabile nella mente di Einstein e lentamente sono diventati uno degli strumenti moderni più innovativi di oggi. Questi laser sono strumenti versatili che sono una parte cruciale di diversi settori, tra cui la lavorazione dei metalli, la robotica, la chirurgia e altro ancora. Molto apprezzate per il loro ingombro ridotto ed efficienza, le macchine laser in fibra sono ora più convenienti che mai.
Inoltre, l'ampia compatibilità dei materiali dei sistemi laser a fibra ha dato loro un vantaggio rispetto ad altri processi di fabbricazione dei metalli.
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