СО2 лазер: Разбор принципов работы, преимуществ и недостатков

CO2 лазеры работают на длине волны около 10,6 микрометров, что попадает в инфракрасный диапазон. Это делает их идеальными для обработки материалов, которые хорошо поглощают инфракрасное излучение, таких как дерево, пластик, стекло, ткань и некоторые металлы.

Основные области применения CO2 лазеров включают:

1. Гравировка и резка: CO2 лазеры широко используются для гравировки и резки различных материалов, включая дерево, пластик, стекло и металл. Они могут производить очень точные и детализированные узоры и рисунки.
   
2. Медицина: В медицине CO2 лазеры используются для резекции (удаления) тканей и для косметических процедур, таких как удаление морщин и шрамов.
   
3. Промышленность: В промышленности CO2 лазеры используются для сварки, резки и травления металлов и других материалов.
   

Важно отметить, что при работе с CO2 лазерами необходимо следовать строгим мерам безопасности, включая защиту глаз и кожи от инфракрасного излучения.

Лазер co2 является одним из первых газовых лазеров. Первый co2 был разработан в 1964 году инженером-электриком Чандра Кумар Наранбхай Патель. На сегодняшний день газовые лазеры являются одними из самых мощных с непрерывной подачей излучения. Для того чтобы ощутить всю мощность co2, необходимо рассмотреть принцип его работы.

Передача энергии накачки происходит с помощью молекул N2 (азота) к молекулам co2 (углекислого газа). В качестве активной среды, которая находится в трубке, используют смесь газов, а именно диоксид углерода (co2), азота (N2), гелия (Не), в некоторых случаях водорода (Н2), водяного пара или ксенона (Хе). Принцип работы заключается в том, что с помощью электрической накачки молекулы азота возбуждаются и переходят в метастабильное состояние, в котором передают свою энергию возбуждения молекулам co2. Молекула углерода переходит в возбужденное состояние и испускает на атомном уровне один фотон. Далее данный фотон сталкивается с атомами другой возбужденной молекулы co2, которая испускает уже два фотона. И так, в трубке образуется большое количество фотонов. Другие газы, например, гелий необходим для релаксации молекул и понижения тепла. Водяной пар или водород могут повторно окислить угарный газ, который образуется при разряде, в углекислый газ и реакция начнется заново. Далее, в трубке расположено два зеркала, одно сначала трубки непрозрачное, которое изготавливается, в основном, из меди (Cu), второе на выходе луча, полупрозрачное, изготавливается из алмаза, так как последний имеет высокую прочность, степень прозрачности и обеспечивает сохранность всей системы из-за нечувствительности к тепловым перепадам. Именно оно пропускает фотоны, но не все, а только их часть, чтобы в трубке оставалась другая часть данных частиц для воспроизведения себе подобных. Выходя из полупрозрачного зеркала, фотоны попадают сначала на пространственный фильтр, который очищает лазер от боковых мод, а потом на линзу, которая собирает частицы в прямой луч.

Плюс заключается в том, что все фотоны имеют одинаковую длину волны, движутся параллельно друг другу, поэтому лазерный луч не рассеивается, в отличие от обычного света. Современные лазерные станки co2 являются горизонтальными, поэтому для направления луча на материал используют систему зеркал, которые отражают луч под необходимым углом. Луч попадает на каретку, содержащую последнее зеркало под углом 90 градусов, которое направляет луч уже на материал.

Излучение в co2 происходит на длине волны в 10.6 мкм. Средняя мощность составляет от нескольких десятков ватт до нескольких киловатт.

Непроточные с запечатанными трубками. Его используют для получения мощностей от нескольких ватт до нескольких сотен ватт. Непроточный лазер отличается от других нем, что газ и весь оптический путь находятся в запаянной трубке. Газовые трубки являются прочными и компактными установками, срок службы которых достигает несколько тысяч часов.

Непроточные с запечатанными трубками. Его используют для получения мощностей от нескольких ватт до нескольких сотен ватт. Непроточный лазер отличается от других нем, что газ и весь оптический путь находятся в запаянной трубке. Газовые трубки являются прочными и компактными установками, срок службы которых достигает несколько тысяч часов.

Диффузно-охлаждающие. Газ в данных типах расположен между двух плоских RF-электродов, охлажденных водой. При создании избыточного тепла он передается на электроды путем диффузии. Данный лазер вырабатывает несколько киловатт мощности.

Лазеры, имеющие быстрое осевое и поперечное течение потока. Избыточное тепло в данном лазере поглощается за счет быстрого течения газовой смеси, которая переходит через внешний охлаждающий элемент, например, воду. Указанный вид лазеров выдает мощность в несколько киловатт.

Лазеры, имеющие поперечно возбужденную среду. Он отличается наличием высокого газового давления. Поперечные возбуждения осуществляются с помощью серии электродов вдоль трубки, так как напряжение, которое необходимо для продольного разряда, становится быстро высоким. Так как газовый разряд не может быть стабильным при высоком давлении в трубке, лазер данного вида может работать только в импульсном режиме. Лазер с поперечно возбужденной средой выдает мощность в несколько десятков киловатт.

CO2 с мощностью в несколько мегаватт. Они используются в противоракетном оружии. Отличительная особенность таких мощных лазеров заключается в том, что энергия подается не с помощью газового разряда, а посредством химической реакции, что на выходе дает огромную мощность.

Перед тем, как приобрести станок с co2 необходимо задать себе следующие вопросы:

I. Что вы будете делать?
II. Какой материал вы будете обрабатывать?
III. Какое рабочее поле необходимо?
IV. Какая должна быть комплектация станка?
V. Какое необходимо помещение?

I. Необходимо определить для каких целей станок будет приобретен. Например, для создания какого-либо продукта или оказания услуги. В зависимости от выбранной цели можно выбрать подходящий тип лазера, гравировальный аппарат, в случае если работа заключается в гравировки изделий, нанесение на поверхность материалов рисунков либо раскройщик, если необходима резка деталей. Также нужно определить какой объем производства будет запланирован: крупное производство, либо небольшое дело.
II. Материал. Все материалы имеют свои стандартные размеры. Станки также имеют определенные стандартные размеры. От размера материала напрямую зависит то, какое рабочее поле станка необходимо выбрать.
III. Рабочее поле. Все станки с co2 по размеру разделяются на следующие виды:

Все станки с co2 по размеру разделяются на следующие виды:

Рабочая зона – 2000х3000 мм;
Место – на производствах большого масштаба;
Размер – занимают большое пространство в помещении и требуют дополнительное место для размещения материалов и возможность помещения их на станок (для разворота листа материала и расположения его в станке);
Производительность – позволяет обрабатывать и создавать большое количество единиц продукции;
Подходят для резки или гравировки крупных материалов.

От глубины опускания стола зависит то, насколько толстый материал необходимо обработать.
Столы различают:

Фиксированные. Данный тип стола подходит для плоских материалов, раскроя ткани, гравировки на тонких материалах, так как в данном случае нет необходимости опускать или поднимать стол.

Регулируемые столы. Данные столы предназначены для обработки толстых материалов, например, толстого поролона. В свою очередь регулируемые столы бывают автоматизированными и ручными.

Автоматизированные регулирующие столы необходимы, если осуществляется обработка материалов разной толщины. Данные столы имеют механизм опускания, который может быть оснащен либо ремнем, либо цепным приводом. Большой недостаток ремней заключается в том, что их необходимо постоянно регулировать, так как последние имеют свойство растягиваться.

Ручные – регулируются с помощью механического опускания посредством ручки.

Столы лазеров co2 делятся на несколько видов:

Ламеливые. Данные столы состоят из ламелий (металлические перегородки), которые расположены параллельно друг другу на равных расстояниях. Указанный стол подходит для обработки только толстых материалов. Если попытаться обработать на данном станке ткань, бумагу, картон или мелкие детали, то материалы провиснут, а детали провалятся внутрь установки, что привет к поломке всего лазера.

Сотовое покрытие стола. За счет данной поверхности возможна обработка бумаги, ткани и других тонких материалов.

Конвейерные столы. Такие столы предназначены для обработки рулонных изделий и представляют непрерывную подачу материала. На данном столе можно обрабатывать бумагу, картон, ткань, кожу.

Качественный станок должен быть выполнен из толстого качественного железа. Если необходимо приобрести напольный станок, то последний должен иметь раму.

От мощности трубки зависит скорость ее работы и толщина материала, который возможно будет разрезать лазером из данной трубки. Мощность трубки co2 может быть от 40 Ватт до 400 Ватт.
В зависимости от мощности и от срока службы трубки разделают следующие станки:

Мощность – 40-50 Ватт.
Срок службы трубки – 1500-3000 часов.

Мощность – 60-80 Ватт.
Срок службы трубки – 6500-10000 часов.

Мощность - 100-400 Ватт.
Срок службы трубки - 6500-10000 часов.

Мощность блока розжига должна соответствовать мощности лазерной трубки. То есть, мощность блока розжига должна быть не ниже, чем мощность трубки.

Виды направляющих:

Роликовые - используются на небольших станках, например настольных.

Рельсовые - в свою очередь делятся на рельсовые круглые и рельсовые прямоугольные. Данные направляющие используется на больших производственных лазерных станках.

Немаловажный вопрос при выборе лазера co2 - это помещение, в котором будет стоять последний. Более того, помещение должно позволять хранить расходный материал, иметь возможность поместить расходный материал в лазер. Немало важно, что при установке станка в помещение, между станком и стенами помещения должно быть расстояние 0,5 – 1 метра. Таким образом, помещение необходимо выбирать в зависимости от размеров станка.

Резюмируя все вышеизложенное, можно сделать вывод, что лазеры co2 являются одними из самых мощных установок по резке, полировки и иной обработки материалов разной природы. Лазерные станки co2 не производят отходов так как режущим инструментом выступает лазер, образующийся на атомном уровне в газовой трубке. Для приобретения такой высокотехнологичной установки необходимо решить: для каких целей последняя приобретается, что будет обрабатывать станок, каких размеров, в каком объеме, а также заранее выбрать подходящее по размеру помещение.