Światłowód z potencjałem

© Fotolia

Udostępnij:

 

Lasery fiber mogą być z powodzeniem stosowane zarówno w procesach cięcia i spawania, jak również zgrzewania, lutowania, grawerowania i znakowania. Co więcej, są nie tylko uniwersalne, ale także energooszczędne, wysokosprawne i bezawaryjne, a także pozwalają na wykonywanie operacji niemożliwych do realizacji za pomocą lasera o innym źródle wiązki. Pytanie, czy wyprą z rynku pozostałe typy laserów, pozostaje jednak jak na razie bez odpowiedzi.

Lasery fiber zostały wynalezione przez rosyjskich naukowców do celów diagnostyki precyzyjnej. Szybko jednak opanowały rynek aplikacji przemysłowych, głównie ze względu na oferowane korzyści – nie tylko natury finansowej. Dziś stanowią ponad połowę wszystkich sprzedawanych na świecie laserów, w tym dedykowanych branży przemysłowej, wyprzedzając lasery CO2 oraz na ciele stałym, których udział w rynku od kilku lat sukcesywnie spada. Tylko w 2014 r. globalna wartość sprzedaży laserów fiber do aplikacji przemysłowych przekroczyła 1,4 mld dolarów, aby w kolejnych dwóch latach wzrosnąć odpowiednio o 16% i 11% r/r. Dla porównania sprzedaż laserów CO2 w tym samym okresie skurczyła się o 5% i 11% r/r, a cały rynek wycinarek w latach 2015-2016 wzrósł o 4% r/r.



– Lasery włóknowe do cięcia materiałów zupełnie zdominowały rynek wycinarek laserowych – mówi Grzegorz Chrobak, dyrektor operacyjny IPG Photonics Sp. z o.o. – Należy przy tym zaznaczyć, że co najmniej 70% wycinarek laserowych sprzedawanych na polskim rynku – zarówno klientom małym, jak i dużym koncernom – wyposażonych jest w lasery włóknowe naszej produkcji.

Jak wskazują eksperci z firmy Strategies Unlimited, ów trend wzrostowy powinien utrzymać się również w kolejnych latach, przyczyniając się do dalszego umacniania się pozycji laserów fiber w rankingu preferowanych technologii laserowych.

Efektywna obróbka cienkich materiałów
Laser fiber należy do grupy laserów na ciele stałym, w których wiązka laserowa przesyłana jest i wzmacniana za pomocą światłowodu o geometrii włóknowej domieszkowanego pierwiastkami ziem rzadkich (erbem, iterbem, neodymem) i zaopatrywanego w energię przez półprzewodnikowe diody pompujące. Taka konstrukcja i sposób wytwarzania wiązki przekłada się na kompaktowe rozmiary urządzeń wyposażonych w laser fiber (średnio 1 m2 dla lasera o mocy 5 kW), a niewielka długość fali rzędu 1,064 μm (dziesięciokrotnie mniejsza niż w laserze CO2) pozwala osiągnąć wysoką gęstość energii, a tym samym m.in. ciąć materiał z prędkością znacznie większą niż laser CO2 tej samej mocy. Co więcej, właściwość ta umożliwia także obróbkę materiałów refleksyjnych (jak miedź czy mosiądz), w przypadku których inne typy lasera okazują się bezradne.

Generalnie bardzo dobre parametry wiązki predestynują tę technologię do znalezienia szerokiego spektrum zastosowań w aplikacjach przemysłowych – od mikro- i makroobróbki, przez cięcie i spawanie, po zgrzewanie i lutowanie. Dobre efekty przynosi również zastosowanie jej w procesach grawerowania metali, znakowania metali metodą odpuszczania oraz kontrastowego znakowania tworzyw sztucznych. Warunkiem koniecznym np. w przypadku cięcia jest jednak niewielka grubość obrabianego materiału – rzędu 3-5 mm. Grubsze detale wymagają zastosowania laserów o większej mocy, a także zwiększenia średnicy wiązki, a tym samym ograniczenia prędkości pracy maszyny. Konieczność ta niweluje różnice w szybkości pracy i stosunku mocy do prędkości między laserem fiber a CO2, co jednak nie wpływa na pozycję tego pierwszego jako rozwiązania bardziej ekonomicznego pod względem kosztów operacyjnych.



Korzyści nie tylko ekonomiczne
To właśnie kwestia kosztów – zwłaszcza w zakresie cięcia – podnoszona jest jako główny argument przemawiający za wyborem technologii fiber oraz jako zasadnicza przesłanka jej sukcesu w zdobywaniu kolejnych przyczółków na rynku przemysłowym. Jak wylicza firma Kimla, w przypadku blach ze stali czarnej o grubości 3-4 mm laser fiber nie tylko pozwala uzyskać taką samą prędkość cięcia jak laser CO2 przy dwukrotnie mniejszej mocy źródła laserowego, ale także zużywa 7-krotnie mniej energii. Przykładowo, laser fiber o mocy 2 kW wymaga 12 kW energii, podczas gdy laser CO2 o mocy 4 kW i porównywalnej prędkości cięcia – ok. 90 kW energii. Przy cięciu grubszych arkuszy moc obu laserów co prawda ulega zrównaniu, ale laser fiber wciąż pochłania jedynie 19 kW energii.

Wysoka energooszczędność jest efektem nie tylko większej sprawności (30% w porównaniu z 10% w przypadku lasera CO2), ale także mniejszego zużycia energii przez poszczególne komponenty (chłodnicę, układ odpylający) oraz braku prądożernej pompy próżniowej i turbiny rozpędzającej mieszankę gazów. To zaś przekłada się na redukcję kosztów pracy maszyny – według danych firmy Eckert nawet o 84% w przypadku cięcia stali nierdzewnej o grubości 1 mm. Ten sam producent podaje, że laser CO2 pobiera więcej energii w trybie stand-by niż laser fiber w normalnym trybie pracy (sic!). Stąd też ten ostatni jest często nazywany laserem „zielonym” – ze względu na wysoką efektywność energetyczną i ekologiczność.

Niższe koszty pracy to jednak nie jedyny argument przemawiający za inwestycją w technologie fiber. Równie istotna jest też wspomniana wysoka gęstość energii dzięki krótkiej fali światła, kompaktowe wymiary będące pochodną eliminacji turbiny i pompy próżniowej, a także wysoka żywotność – liczona według ostrożnych szacunków na 50 tys. do 100 tys. godzin pracy. Diody fiber są bowiem praktycznie bezawaryjne – w przeciwieństwie do systemu luster w laserze CO2, który wymaga stałej uwagi i regularnego monitoringu nawet co 2 tys. roboczogodzin.

– Źródło lasera fiber ma bardzo prostą konstrukcję. Nie ma części ruchomych, które mogłyby ulec awarii, ani części zużywających się, które trzeba wymieniać – tłumaczy tę właściwość Magdalena Klimaszewska, lider działu marketingu w firmie Power- -Tech. – Wiązka lasera prowadzona jest za pomocą światłowodu, który umożliwia przekazywanie jej bez żadnych zakłóceń i strat energii.

Zakres stosowania lasera fiber w różnych aplikacjach
Mimo to ten ostatni jest wciąż bardzo chętnie wykorzystywany w procesach cięcia materiałów o grubości 12-20 mm. Dlatego też jego pozycja na rynku wydaje się na razie niezagrożona, choć niektórzy producenci – zwłaszcza oferujący równolegle technologię waterjet – zauważają, że dużo bardziej korzystnym rozwiązaniem jest zakup zestawu składającego się z lasera fiber i maszyny do cięcia wodą.

– Naszym zdaniem nie można całkowicie zastąpić lasera CO2 laserem fiber. Ta ostatnia, mimo że obecnie powszechnie uważana za najbardziej uniwersalną, nie jest całkowicie komplementarna z technologią CO2 – wyjaśnia Adam Korpysz, specjalista ds. handlowych w firmie Polteknik. – Z uwagi na m.in. charakterystykę wiązki wytwarzanej przez rezonator fiber technologia ta znajduje szczególne zastosowanie przy cięciu materiałów cienkich, pozostając najbardziej efektywną w zakresie grubości 1-6 mm. Powyżej tego zakresu obróbka, choć dalej możliwa, skutkuje regresją jakości krawędzi i prędkości samego procesu. Szczególnie dotyczy to materiałów z grupy stali nierdzewnych, gdzie technologia CO2 jest nadal trudna do zastąpienia.

Kryterium grubości materiału nie odgrywa tak istotnego znaczenia w przypadku znakowania i grawerowania. O użyteczności technologii fiber decyduje tutaj raczej rodzaj materiału: o ile w procesie znakowania metali i większości tworzyw sztucznych (poza srebrem i PET) znakowarki na źródle fiber radzą sobie podobnie lub nawet lepiej niż te bazujące na laserze CO2, o tyle już w przypadku drewna, kauczuku, papieru, skóry i szkła przewagę zdobywa ten ostatni. Stąd też laser fiber wykorzystywany jest przede wszystkim w branżach przetwarzających metale, w tym zwłaszcza w motoryzacji.

– Ciągły rozwój technologii laserowej sprawia, że branża zmierza zdecydowanie w kierunku stosowania w coraz większej mierze laserów. Stosowanie odpowiedniej mocy lasera (np. najmocniejszego w naszej gamie lasera typu fiber o mocy 50 W) sprawia, że znakowanie jest bardzo szybkie i efektywne, a co więcej – w większości znakowanych materiałów jesteśmy w stanie uzyskać głębokości podobne do metody mikroudarowej, co zwiększa trwałość znakowania – wyjaśnia Tomasz Olejarz, key account manager w firmie GravoTech.

Szybkość i trwałość stanowią również istotne aspekty przemawiające za stosowaniem technologii fiber w spawalnictwie.

Nie bez znaczenia są tu też jakość i estetyka spoiny, zwłaszcza w przypadku bardzo cienkich blach. Decyduje o tym przede wszystkim niewielka strefa wpływu ciepła determinowana przez wąski promień źródła laserowego, co bezpośrednio przekłada się na redukcję odkształceń spawanych materiałów.

Udostępnij:

Drukuj



Agata Świderska




TOP w kategorii






Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również