5 soorten lasers vergeleken

Lasers zijn een essentieel onderdeel van moderne laserverwerkingssystemen.

Met de vooruitgang van de laserverwerkingstechnologie evolueren ook de lasers zelf, wat leidt tot de opkomst van nieuwe types.

Aanvankelijk werden voor verwerking voornamelijk CO₂ gaslasers en lampgepompte vaste-stof YAG-lasers.

De focus van ontwikkeling is verschoven van laservermogen om de straalkwaliteit te verbeteren, zodra aan de vermogensvereisten is voldaan.

De ontwikkeling van halfgeleiderlasers, vezellasers en schijflasers heeft aanzienlijke vooruitgang gebracht op gebieden zoals de verwerking van lasermaterialen, medische behandeling, ruimtevaart en autofabricage.

De vijf meest voorkomende lasers op de markt zijn CO₂ lasers, Nd:YAG-lasers, halfgeleiderlasers, schijflasers en vezellasers. Kunt u informatie geven over hun kenmerken en toepassingsgebied?

CO2-laser

Toepassing:

De CO2 laser, met zijn karakteristieke golflengte van 10,6 micrometer, vertoont een lage absorptie in metalen materialen. Deze unieke eigenschap maakt het bijzonder effectief voor specifieke toepassingen in metaalbewerking en het snijden van niet-metalen materialen.

Bij metaalbewerking blinken CO2 lasers uit in lastoepassingen, vooral voor dunne tot middel dikke materialen. Hun lange golflengte zorgt voor een uitstekende koppeling met metalen oppervlakken, wat resulteert in diep doordringende lassen met minimale vervorming. Dit vermogen is cruciaal in industrieën die zeer nauwkeurige verbindingen vereisen, zoals de luchtvaart, elektronische instrumenten, autoproductie en de productie van geavanceerde machines.

Voor niet-metalen materialen hebben CO2 lasers de voorkeur voor snijbewerkingen. Hun golflengte wordt gemakkelijk geabsorbeerd door materialen zoals kunststof, hout, textiel en bepaalde composieten, waardoor schone, precieze sneden met minimale warmte beïnvloede zones mogelijk zijn. Deze veelzijdigheid heeft geleid tot een wijdverspreide toepassing in industrieën variërend van bewegwijzering en verpakking tot meubelfabricage en architectonische modelbouw.

Het aanpassingsvermogen van CO2 lasers strekt zich uit tot gespecialiseerde toepassingen zoals oppervlaktebehandeling, markeren en graveren op verschillende materialen. In de auto-industrie worden ze bijvoorbeeld niet alleen gebruikt om te lassen, maar ook voor het nauwkeurig snijden van interieuronderdelen en voor het markeren van identificatiecodes op onderdelen.

Naarmate productietechnologieën zich verder ontwikkelen, blijven CO2 lasers nieuwe toepassingen vinden, met name in hybride processystemen waar ze gecombineerd worden met andere lasertypes of productieprocessen om optimale resultaten te behalen bij complexe fabricagetaken.

Nd:YAG laser

Toepassing:

Nd:YAG (Neodymium-gedoopte Yttrium Aluminium Granaat) lasers vertonen uitzonderlijke absorptiekenmerken voor metalen, waardoor ze zeer effectief zijn voor precisie metaalbewerkingstoepassingen zoals snijden, lassen en markeren. Hun veelzijdigheid in metaalbewerking komt voort uit het vermogen van de laser om pulsen met hoge energie en korte duur te produceren die nauwkeurig kunnen worden geregeld.

Bij snijbewerkingen blinken Nd:YAG lasers uit in het produceren van schone, smalle kerfs met minimale warmte-beïnvloede zones (HAZ), vooral in dunne tot middel dikke metalen. Voor het lassen bieden ze mogelijkheden voor diepe penetratie en kunnen ze worden gebruikt voor zowel geleidings- als sleutelgatlassen, waardoor verschillende metaallegeringen met hoge snelheid kunnen worden verbonden. In markeertoepassingen zorgen deze lasers voor contrastrijke, permanente markeringen op een groot aantal metalen oppervlakken zonder de materiaalintegriteit aan te tasten.

De wijdverspreide toepassing van Nd:YAG lasers in diverse industrieën wordt toegeschreven aan hun unieke combinatie van hoog piekvermogen (tot enkele megawatts in gepulseerde modus), compact solid-state ontwerp en robuuste prestatiekenmerken. Deze lasers behouden een consistente straalkwaliteit en vermogensstabiliteit gedurende langere operationele perioden, waardoor ze ideaal zijn voor veeleisende industriële omgevingen.

Belangrijke industrieën die gebruik maken van Nd:YAG lasertechnologie zijn onder andere:

1. Ruimtevaart en defensie: Voor precisiesnijden en -lassen van kritieke onderdelen en markeren voor traceerbaarheid.
2. Productie van medische apparatuur: Bij de productie van stents, implantaten en chirurgische instrumenten die een zeer nauwkeurige verwerking vereisen.
3. Automobiel: Voor het lassen en snijden van carrosseriepanelen, frames en aandrijflijnonderdelen.
4. Elektronica: PCB boren, halfgeleiderwafer scribing en componentmarkering.
5. Wetenschappelijk onderzoek: Als betrouwbare bron voor spectroscopie, niet-lineaire optiekstudies en materiaalonderzoek.
6. Additieve productie: In metalen 3D printprocessen zoals Selective Laser Melting (SLM).

De duurzaamheid en betrouwbaarheid van Nd:YAG lasers, in combinatie met hun aanpasbaarheid aan verschillende vermogensniveaus en operationele modi (continue golf of gepulseerd), zorgen ervoor dat ze relevant blijven voor geavanceerde productie- en onderzoekstoepassingen, ondanks de opkomst van nieuwere lasertechnologieën.

Halfgeleiderlaser

Toepassing: Halfgeleiderlasers, gekenmerkt door hun hoge bundeluniformiteit en beperkte indringdiepte, zijn doorgaans niet geschikt voor toepassingen waarbij metaal wordt gesneden. Deze precieze straaleigenschappen maken ze echter ideaal voor diverse oppervlaktebehandelingen van metaal. Hun unieke eigenschappen zijn vooral voordelig bij processen zoals:

1. Lasercladding: Afzetten van slijtvaste of corrosiebestendige coatings op metalen oppervlakken met hoge precisie en minimale warmte-beïnvloede zone.
2. Oppervlakteharden: Het selectief verhitten en snel afkoelen van specifieke delen van metalen componenten om de hardheid en slijtvastheid te verhogen zonder de materiaaleigenschappen in het algemeen aan te tasten.
3. Additieve productie (3D printen): Metalen poederbedfusieprocessen met hoge resolutie mogelijk maken voor complexe geometrieën en op maat gemaakte onderdelen.

De controleerbaarheid en efficiëntie van de halfgeleiderlaser hebben geleid tot de wijdverspreide toepassing ervan in verschillende hightechindustrieën, waaronder:

• Ruimtevaart: Voor nauwkeurige oppervlaktebehandelingen van kritieke componenten, ter verbetering van de vermoeiingslevensduur en prestaties van turbineschoepen, onderdelen van landingsgestellen en structurele elementen.
• Medisch: Productie van ingewikkelde medische hulpmiddelen, implantaten en chirurgische instrumenten met verbeterde oppervlakte-eigenschappen.
• Automobiel: Oppervlakteverbetering van motoronderdelen, transmissieonderdelen en lichtgewicht structurele elementen om de duurzaamheid en prestaties te verbeteren.

Deze toepassingen maken gebruik van het vermogen van de halfgeleiderlaser om precieze, gelokaliseerde energie te leveren, waardoor het een hulpmiddel van onschatbare waarde is in geavanceerde fabricageprocessen waarbij oppervlaktekwaliteit en materiaaleigenschappen cruciaal zijn.

Schijflaser

Toepassing: De schijflaser maakt gebruik van een unieke ruimtelijke optische padkoppelingsstructuur, wat resulteert in een uitzonderlijk hoge straalkwaliteit. Deze eigenschap maakt hem ideaal voor een groot aantal toepassingen voor precisielaser materiaalbewerking.

De disklaser blinkt uit in verschillende metaalbewerkingsprocessen, waaronder zeer nauwkeurig snijden, dieptelassen, fijn markeren, additieve vervaardiging (cladding en 3D printen) en warmtebehandelingen zoals oppervlakteharden. De superieure straalkwaliteit zorgt voor een gefocuste energietoevoer, wat hogesnelheidsbewerkingen en een uitstekende randkwaliteit bij snijtoepassingen mogelijk maakt, evenals smalle en diepe lasnaden bij laswerkzaamheden.

Deze veelzijdige lasertechnologie is wijdverspreid in meerdere hightech industrieën. In de autoproductie worden schijflasers gebruikt voor taken die variëren van ingewikkeld "body-in-white" lassen tot het op maat snijden van plaatmateriaal. De luchtvaartsector maakt gebruik van schijflasers voor precisieboringen van koelgaten in turbineonderdelen en voor het lassen van lichtgewicht legeringen. In precisiemachines vergemakkelijken deze lasers de productie van complexe onderdelen met een hoge tolerantie. De 3C-industrie (Computer, Communicatie en Consumentenelektronica) profiteert van schijflasers in toepassingen zoals het fijnsnijden van dunne metalen platen voor behuizingen van mobiele apparaten en het met hoge snelheid markeren van elektronische componenten.

Vezellaser

Vezellasers hebben een revolutie teweeggebracht in de metaalbewerking door hun uitzonderlijke eigenschappen, waaronder een hoge elektro-optische omzettingsefficiëntie (tot 30-40%), superieure metaalabsorptiecoëfficiënten en een uitstekende straalkwaliteit (M² < 1,1). Deze eigenschappen maken fiberlasers bijzonder geschikt voor een breed scala aan metaalbewerkingstoepassingen:

1. Precisiesnijden: Kan dunne tot middel dikke metalen snijden (tot 25 mm voor staal) met hoge snelheid en minimale warmte-beïnvloede zone (HAZ).
2. Lassen met hoge snelheid: Ideaal voor zowel geleidings- als sleutelgatlassen, met diepe penetratie en smalle lasrupsen.
3. Microbewerking: Uitstekend voor fijn markeren, graveren en boren van microgaatjes in verschillende metalen.
4. Oppervlaktebehandeling: Effectief voor laserpeenen, reinigen en structureren van metalen oppervlakken.
5. Additieve productie: Veel gebruikt in metalen 3D printprocessen zoals Selective Laser Melting (SLM).

De veelzijdigheid en efficiëntie van fiber lasers hebben geleid tot hun wijdverspreide toepassing in verschillende industrieën, waaronder:

• Ruimtevaart: Precisiesnijden en -lassen van lichtgewicht legeringen, gaten boren in turbineonderdelen.
• Automobiel: Snijden en lassen met hoge snelheid van carrosseriedelen, framecomponenten en aandrijflijnonderdelen.
• Elektronica (3C): Microlassen van batterijonderdelen, snijden van dunne metalen platen voor behuizingen.
• Medisch: Productie van chirurgische instrumenten, implantaten en medische hulpmiddelen.
• Energie: Lassen van dikke materialen voor de aanleg van pijpleidingen en apparatuur voor energieopwekking.

Bij het kiezen van de meest geschikte lasertechnologie voor een specifieke toepassing is het cruciaal om verschillende factoren in overweging te nemen:

1. Materiaalsoort en -dikte
2. Vereiste verwerkingssnelheid en -kwaliteit
3. Initiële investering en bedrijfskosten
4. Onderhoudsvereisten en systeembetrouwbaarheid
5. Flexibiliteit voor verschillende toepassingen

De onderstaande tabel geeft een overzicht van de belangrijkste kenmerken en toepassingen van vijf belangrijke lasertypes die gebruikt worden bij industriële metaalbewerking:

Vergelijking van prestaties en toepassingen

Halfgeleiderlasers bieden aanzienlijke voordelen ten opzichte van traditionele CO2- en vaste-stof YAG-lasers, waaronder compacte afmetingen, licht gewicht, hoge efficiëntie, laag energieverbruik, langere operationele levensduur en superieure metaalabsorptiekenmerken. Deze eigenschappen maken ze steeds aantrekkelijker voor precisie metaalbewerkingstoepassingen.

Naarmate de halfgeleiderlasertechnologie zich verder ontwikkelt, hebben ook andere varianten van halfgeleiderlasers die gebruik maken van halfgeleidertechnologie een snelle ontwikkeling doorgemaakt. Hiertoe behoren fiber lasers, direct-diode lasers (DDL's) en schijflasers, die elk unieke voordelen bieden voor specifieke productieprocessen.

Vezellasers, vooral die gedoteerd met zeldzame aardelementen zoals ytterbium, erbium of thulium, hebben een exponentiële groei doorgemaakt in industriële toepassingen. Hun uitzonderlijke straalkwaliteit, hoge wall-plug efficiëntie (meestal >30%) en robuuste ontwerp hebben een revolutie teweeggebracht in het verwerken van lasermateriaal. Fiber lasers blinken uit in het op hoge snelheid snijden van dunne tot middel dikke metalen, precisielassen en oppervlaktebehandelingstoepassingen. Hun schaalbaarheid van lage tot hoge vermogens (10W tot 100kW+) maakt veelzijdigheid in verschillende productiesectoren mogelijk.

Vezellasers worden niet alleen gebruikt voor materiaalbewerking, maar ook op diverse andere gebieden, zoals:

1. Optische vezelcommunicatie: Signaalversterking met hoog vermogen en weinig ruis voor datatransmissie over lange afstanden.
2. Detectie en LiDAR: nauwkeurige afstandsmeting en 3D-kartering voor autonome voertuigen en industriële automatisering.
3. Additieve productie: Stroomvoorziening voor selectieve lasersmelt- (SLM) en laser-metaaldepositie (LMD) processen voor de productie van complexe metalen onderdelen.
4. Microbewerking: Ultranauwkeurig materiaal verwijderen voor de productie van elektronica en medische apparatuur.

Naarmate de technologie zich verder ontwikkelt, zijn de opkomende trends onder meer de ontwikkeling van vezellasers met ultrakorte pulsen voor koude ablatieprocessen en de integratie van vezellasers met geavanceerde bundelvormende optiek voor een geoptimaliseerde energiedistributie in specifieke toepassingen.