Třetí generace diskových laserů

Výhody diskového laseru vycházejí z pěti unikátních vlastností:

1. Prakticky žádný „lensing" (zakřivení ploch způsobené tepelným namáháním);  díky axiálnímu toku tepla poskytuje vysokou světlost diskových laserů.
2. Nízké požadavky čerpacích diod na světlost umožňují výrobu cenově efektivních laserů s vysokou efektivitou konverze elektrické energie na optickou, obzvláště při režimech s vysokým průměrným výkonem.
3. Změna velikosti plochy průřezu paprsku umožňuje změnu výkonu při zachování konstantních vnitřních hustot energie.
4. Hluboká saturace zesílení eliminuje problémy se zpětnými odrazy, které jsou běžné u  vláknových laserů.
5. Typické příčné řezy jsou obecně velké v porovnání s podélným roztažením zdrojového média. Díky tomu jsou použitelné špičkové zdroje výkonu bez problémů způsobených nelinearitou.

Výstup diskového laseru může být škálován dvěma způsoby. Zaprvé, výstupní výkon na disk se řídí přímo výkonem čerpacího zdroje. Čerpací zdroj diskového laseru se skládá z diskrétních diodových modulů. Počet čerpacích modulů může být přizpůsoben tak, aby byl získán požadovaný výkon na disk, což umožňuje jednoduché provozní změny.

Zadruhé může být několik disků uspořádáno opticky v sérii, čímž se dosáhne dalšího zvýšení výstupního výkonu při konstantní kvalitě paprsku. Kombinace v sérii v rámci jednoho rezonátoru je preferovaný způsob, protože tak může být použito jednodušších optických struktur. Do série byly zapojeny až 4 disky. Komerční systémy se čtyřmi disky dosahují výstupního výkonu 16 kW, který je ekvivalentní 4 kW na disk. Všechny lasery série TruDisk mají integrované přepínače (až 6) pro distribuci paprsku k různým pracovním stanicím.

Doposud experimentální výzkum nenarazil na základní omezení maximálního výkonu na disk. Výpočty Univerzity Stuttgart naznačují, že zisk 30 kW z jednoho disku je v zásadě možný. Prozatím nejbrilantnější diskový laser vyrobil Boeing. Téměř difrakcí omezená kvalita paprsku „použitelná v taktických laserových zbraních" byla dosažena na významném výstupním výkonu více než 27 kW. Až doposud nebyly tyto parametry dosaženy s jiným konceptem laseru, což poukazuje na unikátní schopnosti diskového konceptu.

Obr. 2 ukazuje možnost adaptace čerpacího bodu na disku, která je výhodná pro škálovatelnost výstupního výkonu na disk. Výstupní výkon z jednoho disku může být zvýšen při zachování konstantní čerpací hustoty výkonu. Jen průměr čerpacího bodu se zvyšuje s mocninou požadovaného výstupního výkonu. Když se průměr čerpacího bodu zdvojnásobí, je možné zvýšit čerpací výkon čtyřnásobně beze změny hustoty výkonu ani tepelných podmínek uvnitř disku. Na rozdíl od jiných konceptů, jako je tyčový nebo vláknový laser, není výstupní hustota výkonu na samotném disku kritická ani při nejvyšších výstupních výkonech.

S tímto konceptem je velmi jednoduché zvýšit výstupní výkon jednoho disku beze změny kvality paprsku. Obrázek 3 ukazuje jasně, že změna v kvalitě paprsku nemá prakticky žádný vliv na dosažitelný výstupní výkon zdroje paprsku. Tím pádem je možné kvalitu paprsku diskového laseru přizpůsobit potřebám konkrétních aplikací.

Navíc obrázek 3 ukazuje maximální výstupní výkon z jednoho disku okolo 5,5 kW. To je základ nového TruDisk 4200, který garantuje 4 kW na součásti. Rezervy laseru mohou být použity pro realizaci výkonové zpětné vazby. Vzhledem k tomu, že dosažená svařovací hloubka je závislá přímo na výkonu laseru, uživatel nemůže připustit jakékoli změny tohoto parametru. Na rozdíl od jiných konceptů laserů nemají ani podmínky prostředí ani vnitřní parametry, jako například teplota chladicí vody laseru, žádný vliv na výstupní výkon, který v případě TruDisku zůstává konstantní za všech okolností.

Díky zvýšenému výstupnímu výkonu na disk bylo sníženo množství komponent laseru, mohla tedy být snížena velikost laseru a zároveň dramaticky klesla i cena systému.

Cenová efektivita

Cena diskového laseru trvale klesá od jeho prvního představení v roce 1998. Nicméně třetí generace diskových laserů přinesla významné snížení jak kapitálových investic, tak provozních nákladů, a to z několika důvodů. Zaprvé, jak již bylo zmíněno, diodové moduly pro nový TruDisk jsou výkonnější než kdy dříve. Větší výkon diod znamená větší výkon na disk. Větší výkon na disk znamená méně disků na jednotkový výkon a méně disků znamená snížení množství čerpacích jednotek, čerpacích modulů, rezonačních optik atd. a zmenšenou skříň laseru. Toto vše přispívá ke snížení výrobních nákladů a nižší potřebě plochy, což snižuje provozní náklady.

Zadruhé, nové diody jsou vyráběny společností Trumpf v USA a jsou levnější než jakékoli dřívější moduly dodávané externími dodavateli. Je rovněž důležité zmínit, že jelikož čerpací body na disku jsou relativně velké, diody užívané pro čerpání diskových laserů mohou mít relativně nízkou kvalitu paprsku (500-600 mm*mrad). Naopak diody používané ve vláknových laserech jsou směrovány do vláken s velmi malým průměrem a spojovány do laseru s malým průměrem a díky tomu vyžadují velmi dobrou kvalitu paprsku. To znamená, že architektura diskových laserů má základní výhodu oproti vláknovým laserům, pokud jde o nutnou kvalitu a cenu čerpacích zdrojů. Trumpf využívá této ekonomické výhody integrací laserových technologických sad (např. integrovaná výkonová zpětná vazba, obsáhlá  teleprezence, hot plug napojení světlovodného kabelu/vlákna, až 6 výstupů světlovodného kabelu apod.) při zachování cenové parity vůči vysokovýkonnostním vláknovým laserům.

Nakonec nejenže jsou diodové moduly levnější, ale diody mají navíc podstatně zvýšenou očekávanou životnost, což vede ke značnému snížení provozních nákladů.

Očekávaná životnost diod

Očekávaná životnost je kontroverzní téma plné debat. Jeden z předních výrobců laserů snížil odhady očekávané životnosti diod z 500 000 hodin na pouhých 50 000 hodin v průběhu posledních tří let. U diskových laserů jde trend opačným směrem, přičemž u první generace byla tato hodnota okolo 25 000 hodin a víc. Ve skutečnosti neselhávají diody samotné, ale spíše jejich chlazení. Chlazení je řešeno skrze mikrokanálky, které mohou během času erodovat díky relativně velkému průtoku vody. Když eroze degraduje mikrokanálky do stavu, kdy začne unikat voda, diodový modul je u konce životnosti.

Nová generace laseru TruDisk obsahuje pouze pasivně chlazené diody. Jednoduše řečeno, mechanismus ničení mikrokanálků je pryč. Ve skutečnosti se mechanismus selhání posunul na materiál polovodičů, který je v zásadě stejný jako v jednoduchých emitérech používaných v jiných konceptech laserů, což vede ke stejné očekávané životnosti diod.

Integrovaná  zastavená plocha

Co znamená tento pojem, nebylo by jednodušší použít pouze rozměr? Ano, bylo by to jednodušší, ale zavádějící. Pojmem „integrovaná" je myšlená plocha obsahující vše potřebné pro průmyslový laser. Místo pouze generování paprsku obsahuje TruDisk tepelný výměník, optické vazební členy, prostor potřebný pro vícenásobné výstupy, úsek přístupu k optickým částem a integrovanou výkonovou zpětnou vazbu. Jinými slovy integrovaná plocha znamená vše, co uživatel potřebuje, bez extra překvapení při instalaci.

Nová generace 4kW diskových laserů má integrovanou podlahovou plochu okolo 1,6 x 0,95 m, obrovský rozdíl 61 % oproti první generaci. Nový 4kW diskový laser obsahující integrovaný chladič, 4 přepínače paprsku a optické vazební členy je opravdu nejmenším 4kW laserem na trhu. Nový 8kW laser je přibližně o polovinu menší než předchozí generace.

Aplikace TruDisk laserů

Diskové lasery TruDisk mohou být mimo klasické aplikace použity například v následujících operacích:

-          vysokorychlostní řezání tenkých plechů;

-          jemné svařování tenkých fólií;

-          svařování v pohonných jednotkách;

-          hybridní laserové svařování vysokým výkonem;

-          laserové skenerové (letmé) svařování.

Závěr

Trumpf opět posunul vývoj svých laserových technologií. V roce 2009 byla představena nová řada průmyslových laserů TruDisk, což je již třetí generace diskových laserů společnosti Trumpf. V porovnání s druhou generací diskových laserů bylo dosaženo významné úspory v investičních i provozních nákladech. Zastavěná plocha laseru TruDisk byla zmenšena o 60 % bez odebrání jakékoli funkcionality druhé generace. Díky přizpůsobivému konceptu disku mohou být jak výstupní výkon, tak kvalita paprsku přizpůsobeny potřebám konkrétní aplikace. Maximální výstupní výkon byl zvýšen na 16 kW, zatímco kvalita paprsku je 2-8 mm*mrad.

I když dostupnost diskových laserů bývá větší než 99,5 %, modulární design umožňuje jednoduchý servis a údržbu. Většina komponent může být vyměněna uživatelem bez zásahu technika výrobce.

Široké spektrum různých aplikací diskového laseru odráží mnohostrannost tohoto konceptu. Aplikace v „mikro" oblasti zvládá stejně jako oblast silných plechů. Díky volitelné aplikaci „Cutassist" disponuje TruDisk vyšší inteligencí umožňující rychlejší řezání na jedné straně, stejně jako lepší kvalitu řezu na straně druhé.

Díky vynikající kvalitě paprsku je nová generace laseru TruDisk vhodná pro řezací a svařovací aplikace s plechem o tloušťce 0,05 až 15 mm. Opracování „na dálku" patří k nejběžnějším procesům na laseru TruDisk. Diskový laser je používán pro vzdálené procesy již léta. Poslední vývoj multikilowattového laseru TruDisk a technologie s tavným řezáním „na dálku" umožňují použití pro plechy o tloušťce až 4 mm.

David Havrilla, Dr.-Ing. Rüdiger Brockmann

Trumpf

Ales.plesinger@cz.trumpf.com

www.cz.trumpf.com