Nepřetržité inovace v oblasti výkonu, spolehlivosti a efektivity udržují jednu z nejstarších laserových technologií stále relevantní.
Věděli jste, že společnost Coherent byla průkopníkem CO₂ laserů a v roce 1966 uvedla svůj první komerční produkt? To bylo pouhé dva roky poté, co byl tento typ laseru poprvé vynalezen v Bell Labs. V následujících desetiletích se CO₂ lasery rychle staly nejoblíbenějším zdrojem pro svařování, řezání, značení a gravírování v různých průmyslových odvětvích, jako je automobilová výroba, výroba polovodičů a elektrotechnický průmysl.
CO₂ lasery jsou někdy považovány za zastaralou technologii. Ve skutečnosti však CO₂ lasery, které vstupují do sedmé dekády své existence, rozhodně neodcházejí do důchodu. Naopak, nacházejí stále širší využití v tradičních i nově se rozvíjejících aplikacích.
Ačkoliv význam kilowattových CO₂ laserů v oblasti zpracování kovů klesl poté, co si vláknové lasery získaly komerční popularitu kolem roku 2010, mnoho aplikací pro nekovové materiály stále spoléhá jak na nízko-, tak vysokovýkonné CO₂ lasery.
Kde CO₂ lasery vynikají?
Jedním z klíčových důvodů, proč CO₂ lasery zůstávají důležité, je základní fyzika. CO₂ lasery vyzařují světlo o vlnové délce přibližně 10 µm, které je velmi dobře absorbováno různými materiály – včetně plastů, organických materiálů jako dřevo, lepenka, kůže, přírodní a syntetické textilie, pryže, kompozitů a sklo-keramiky. Naopak téměř všechny tyto materiály špatně absorbují světlo o vlnové délce 1 µm z vláknových laserů.
Další výhodou je silná absorpce CO₂ laserového záření vodou, což činí tyto lasery mimořádně užitečnými v chirurgii, jelikož většina tkání – dokonce i kost – obsahuje značné množství vody.
Co naopak 10µm laserové světlo špatně absorbuje? Vodivé kovy. Proto společnost Coherent vyrábí vysoce výkonná laserová zrcadla a další reflexní optiku z kovových substrátů, jako je měď a hliník.
Pokročilá technologie CO₂ laserů
Dalším důvodem, proč CO₂ lasery zůstávají relevantní, jsou neustálé technologické inovace, které je činí efektivnějšími, spolehlivějšími a hospodárnějšími než jejich předchůdci.
První generace vícekilowattových CO₂ laserů používaly rychlý průtok plynu skrz laserovou dutinu, což bylo pouze škálování starších nízkovýkonných „pomaloproudých“ laserů. Tento přístup byl však nákladný na provoz, vyžadoval velké systémy a měl nižší účinnost a spolehlivost.
Vývoj difuzně chlazených (DC) „slabových“ CO₂ laserů, jako jsou vysokovýkonné (1–8 kW) modely Coherent DC a středně výkonné (120–1000 W) modely Coherent DIAMOND J-Series, přinesl revoluci v technologii. Tento design umožňuje účinnější odvod tepla a výrazně snižuje spotřebu plynu, zvyšuje účinnost a spolehlivost.
Hlavní výhody slabových CO₂ laserů oproti tradičním rychloproudým systémům jsou:
- Kompaktní velikost
- Minimální spotřeba plynu
- Vyšší kvalita výstupního paprsku
Nízkovýkonové CO₂ lasery (pod 120 W), jako série Coherent DIAMOND C/Cx, využívají uzavřenou vlnovodnou konstrukci, která byla zdokonalována po desetiletí. Moderní verze poskytují vyšší spolehlivost, výkon, stabilitu a delší životnost než kdy dříve.
Funkčnost DIAMOND C/Cx laserů byla rozšířena o integrované modulátory a intracavitární Q-spínání, což umožňuje jejich využití v precizních aplikacích, například při výrobě plochých displejů a mikroelektroniky.
Široké spektrum aplikací CO₂ laserů
CO₂ lasery mají tak široké využití, že není možné vyjmenovat všechny aplikace. Níže uvádíme některé klíčové oblasti:
Automobilový průmysl a obecná výroba
- Řezání airbagů: CO₂ lasery umožňují přesné a rychlé řezání pevných, hustě tkaných materiálů používaných v airbagech. To zajišťuje čisté okraje a zachování integrity materiálu, což je klíčové pro bezpečnost a spolehlivost airbagového systému. Řezání zároveň utěsní okraje, čímž zabraňuje třepení materiálu.
Obrázek 2: Řezání airbagů je vynikající aplikací pro lasery, které snadno proříznou mechanicky odolnou tkaninu a utěsní řeznou hranu, takže nedojde k roztřepení. - Zeslabení přístrojové desky: Strategické zeslabení nebo nařezání přístrojové desky a krytů airbagů umožňuje volnější design interiéru automobilů a zároveň zajišťuje správnou funkčnost airbagů.
- Řezání polymerových dílů: Používá se například pro senzory, mlhová světla nebo další komponenty. Také umožňuje drobné úpravy sériově vyráběných dílů, například nárazníků pro různé modely automobilů. Laser nabízí flexibilitu výroby – vzory otvorů lze snadno definovat a měnit – a zároveň vytváří hladké hrany bez defektů.
Obrázek 3: CO2 laser vyřezává do vstřikovaného polotovaru nárazníku zákaznickou úpravu. - Odizolování sběrnicových vodičů: CO₂ lasery dokážou rychle a efektivně odstranit izolaci ze sběrnicových vodičů před svařováním. Často se používají v páru, aby odizolovaly obě strany vodiče současně
Obrázek 4: Odstranění izolace funguje dobře, protože laser CO2 je absorbován izolačním materiálem, ale odráží se od podkladové mědi.. - Svařování trubek a profilů: CO₂ lasery se široce využívají pro souvislé svary na trubkách a profilech. Tento proces, označovaný jako „profilové svařování“, umožňuje vytvoření pevných, bezešvých spojů sledujících konturu spojovaných dílů.
Polovodiče a elektronika
- Řezání a vrtání: CO₂ lasery se používají k řezání (tzv. „depanelingu“) a vrtání otvorů („vias“) v deskách plošných spojů. Mohou také vrtat nízkoteplotní spolusintrovanou keramiku (LTCC), která se využívá jako mikroelektronický substrát při výrobě vícevrstvých zařízení, například pamětí flash RAM.
- Laserové žíhání křemíkových plátků: Výkonné CO₂ lasery umožňují proces žíhání waferů, který je klíčovým krokem při výrobě integrovaných obvodů (FEOL – Front End of Line).
- Ploché displeje: Modulované a Q-spínané CO₂ lasery umožňují přesné řezání buněk a polarizátorů při výrobě plochých displejů, přičemž minimalizují tepelně ovlivněnou zónu a zajišťují vysokou kvalitu hran.
- Odizolování vodičů: Díky přesnému odstranění materiálu jsou CO₂ lasery obzvláště užitečné pro odizolování tenkých drátů.
Balení
- Zpracování obalových materiálů (converting): Proces transformace papíru, plastu, kartonu, fólií nebo filmů na hotové obalové produkty. CO₂ lasery se díky své rychlosti, flexibilitě a spolehlivosti používají pro širokou škálu řezacích operací. Optimalizaci procesu umožňuje výběr laseru s vhodnou vlnovou délkou – Coherent nabízí CO₂ lasery s výstupem 9,3 µm, 10,2 µm a 10,6 µm podle absorpčních vlastností materiálu.
- Řezání kartonu: Rostoucí poptávka po kartonových obalech podporuje vyšší efektivitu a flexibilitu výroby krabic. Výkonné CO₂ lasery umožňují rychlou, efektivní a flexibilní sériovou výrobu. Technologie umožňuje i „krabice na míru“, kde je obal vytvořen přesně podle rozměrů přepravovaného zboží.
- Dělení a perforace tenkých fólií: CO₂ lasery mohou snadno vytvářet perforace v tenkých filmech a fóliích a hojně se využívají při výrobě „snadno otevíratelných“ obalů. Jsou také ideální pro obaly s upravenou atmosférou (MAP) – například pro mikroperforace v plastových sáčcích na balené saláty a další čerstvé produkty, což umožňuje cirkulaci vzduchu a prodlužuje jejich čerstvost.
- Výroba výsekových desek: Ve velkosériových výrobách obalů se často používají výsekové desky (dieboards) k vyřezávání přesných tvarů do obalových materiálů. Tyto desky, obvykle vyrobené z překližky nebo kompozitních materiálů, obsahují kovové výsekové nože. CO₂ lasery se využívají k přesnému vyřezávání drážek do výsekových desek, protože umožňují detailní, čisté řezy s minimálním zužováním.
Obrázek 5: Vyřezávání přesných a rovnoběžných drážek do tlusté desky. - Digitální výsek: Přímé řezání vlnitých lepenek pomocí výkonných CO₂ laserů umožňuje vysokou flexibilitu a výrobu menších sérií, například pro reklamní stojany a kreativní balení.
Obrázek 6: Přímé řezání kartonu umožňuje flexibilní digitální výsek bez nutnosti použití výsekové desky. - Kiss cutting (poloviční řezání): Laser prořízne pouze horní vrstvu dvouvrstvého materiálu, aniž by prořízl spodní vrstvu. Tato technika se běžně využívá při výrobě etiket, nálepek a samolepek, což umožňuje snadné sloupnutí a aplikaci. CO₂ lasery zajišťují přesnost a konzistenci, což je ideální pro sériovou výrobu samolepících produktů složitých tvarů.
- Značení: Mnoho materiálů používaných v obalovém průmyslu, včetně polymerů a keramiky, lze efektivně značit pomocí CO₂ laserů.
Textilní průmysl
- Řezání: Laserové řezání tkanin, kůže a plachtovin nabízí vysokou rychlost a přesnost.
- Vyblednutí / opracování (distressing): Lasery poskytují rychlou, kontrolovatelnou a ekologickou metodu značení džínoviny tak, aby napodobovala opotřebení a stárnutí. Mohou se také používat k reprodukci grafiky a vzorů na džínovinu a další textilie.
Lékařství
- Chirurgie: Silná absorpce CO₂ laserového záření vodou činí tyto lasery efektivními chirurgickými nástroji. Často se využívají ve stomatologii a ústní chirurgii k řezání kostí, zubní skloviny a měkkých tkání.
- Dermatologie: CO₂ lasery umožňují přesné odstraňování tenkých vrstev kůže bez výrazného ovlivnění okolní tkáně. Používají se k léčbě vrásek, bradavic, mateřských znamének a dalších kožních problémů.
Toto je pouze výběr aplikací, kde dnes CO₂ lasery nacházejí uplatnění. Protože jsou jediným praktickým zdrojem dlouhovlnného infračerveného světla a mnoho materiálů toto světlo výborně absorbuje, CO₂ lasery zůstanou důležitou technologií i v nadcházejících letech. Po 60 letech služby tedy CO₂ lasery rozhodně neodcházejí do důchodu!
Chcete se dozvědět více? Kontaktujte nás, rádi Vám představíme objevte širokou nabídku vysokovýkonných i nízkovýkonných CO₂ laserů Coherent.
