L A S R A M engineering ▪ laser ▪ technology

1. L A S R A Mengineering ▪ laser ▪ technology Szállézer /Fiber Laser/, finommegmunkálás szállézerrel

2. L A S R A Mengineering ▪ 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) Oka: • 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) Oka: • 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. 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. 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. 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. Szállézer jellemzői I. GTWave egység tulajdonságai 1. 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. Kimeneti teljesítmény reprodukálási képesség (több, mint 30 egységnél vizsgálva) Kimenő teljesítmény/névleges teljesítmény Pumpáló teljesítmény/névleges pumpáló teljesítmény

11. Szállézer jellemzői III. GTWave egység tulajdonságai 3. Teljesítménynövekedés a pumpáló teljesítmény függvényében Kimenő teljesítmény (W) Bemenő pumpáló teljesítmény @915 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 diódalézerélettartama Lehetőség: Mivel a szükséges pumpáló teljesítményt sok (akár 20-30) diódamodul állítja elő,ha valamelyik tönkremegy, a többi nagyobb árammal meghajtva helyettesíti Fennmaradó probléma: • 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. 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 ≥ 30.000 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) Vastag- lemez vágás Forrasztás Nyaláb paraméter szorzat Szinterezés Nemfémes vágás Nyomdaipar Vágás Markírozás Fúrás 3D gyors prototípusgyártás Mikrohajlítás Mikroforrasztás Űrtechnika Lézer teljesítmény

20. Vágás I. Jobb nyalábminőség, mélyebb penetráció, nagyobb stabilitásNd: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 stabilitásNd:YAG lézer kiváltása

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

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

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

25. Hegesztés I. Pace maker Jobb nyalábminőség, nagyobb stabilitás, nincs karbantartásNd: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 karbantartásNd:YAG lézer kiváltása v = 1,5 m/p v = 1,0 m/p v = 0,5 m/p

27. Hegesztés III. Elektronika Jobb nyalábminőség, nagyobb stabilitás, nincs karbantartásNd: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 darabszámokNd: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 Jobb nyalábminőség, nagyobb megmunkálási sebességNd: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 Jobb nyalábminőség, nagyobb megmunkálási sebességNd: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 nyalábminőségNd:YAG lézer kiváltása Szelektív lézeres szinterezés • a 1090 nm különösen előnyös rozsdamentes acél- és titánpor szinterezéséhez • finomabb felbontás: könnyebb struktúrák

32. Méréstechnika, űrtechnika Jobb nyalábminőségDiódalézer 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.: 10-100 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: 0.0004 µm/kg Vezérlő: Fanuc komp. NCT CNC