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.