تفاوت لیزر CO2 و لیزر فیبر

آخرین به روزرسانی

مقدمه ای بر تفاوت لیزر CO2 و لیزر فیبر

اکثر لیزرهای برش در یکی از دسته های لیزر CO2 یا فیبر قرار می گیرند. هر لیزر نقاط قوت و ضعفی دارد که باید هنگام انتخاب تجهیزات برای هر کار خاصی ارزیابی شوند. لیزرهای فیبر تقریباً می توانند تمامی مواد را برش دهند و این کار را ۳ تا ۵ برابر سریعتر از سایر دستگاه ها انجام می دهند. با این حال، آنها بیشتر برای برش ورق های فلزی به ضخامت ۵ میلی متر یا کمتر مناسب هستند.

در محدوده انتقالی از ضخامت ۵ تا ۲۰ میلی متری، مزایای لیزرهای فیبر کمتر مشخص هستند و قابلیت های لیزر CO2 سودمندتر خواهند بود. در ضخامت های بالای ۲۰ میلی متر، لیزرهای فیبر به سرعت مزایای خود را از دست می دهند. مواد ضخیم تر مانند فولاد، تا ضخامت ۱۰۰ میلی متر، معمولاً نیاز به لیزرهای CO2 با کمک اکسیژن دارند. این مقاله در صدد توضیح تفاوت ‌های بین لیزرهای CO2 و فیبر است؛ تفاوت هایی که دانستن شان در زمان انتخاب خدمات یا خرید تجهیزات مهم است.

لیزر CO2 چیست؟

لیزر CO2 از ارتعاش القایی الکتریکی مولکول‌های دی اکسید کربن برای تحریک گسیل سریع فوتون‌ها استفاده می‌کند. این فرآیند از طریق اعمال یک میدان الکتریکی در امتداد یا از عرض یک لوله پر از گاز حاوی ۱۰-۲۰٪ نیتروژن (N2) و دی اکسید کربن (CO2) همراه با مقدار کمی هیدروژن و زنون انجام می دهد. بقیه لوله با هلیوم پر می شود. میدان الکتریکی باعث ارتعاش مولکول های نیتروژن می شود. نیتروژن، به دلیل ماهیت هم هسته ای، انرژی خود را به صورت گسیل فوتون از دست نمی دهد در نتیجه انرژی مولکول های N2 به سرعت افزایش می یابد.

N2 و CO2 فرکانس‌های ارتعاشی طبیعی بسیار مشابهی دارند، بنابراین انرژی با نوسان همدردی (sympathetic oscillation)-برای این عبارت در زبان فارسی عبارتهای “انتقال انرژی ارتعاشی” یا “رزنانس مولکولی” مصطلح تر هستند ولی این ترجمه علمی تر و تخصصی تر است- به CO2 منتقل می‌شود. سپس مولکول های ارتعاشی به اتم های هلیوم برخورد می کنند، حالت ارتعاشی آنها را تغییر داده و هلیوم را گرم می کنند. گذار حالت ارتعاشی یک فوتون آزاد می کند، بنابراین نور تولید می کند.

CO2 دارای سه حالت ارتعاشی است که امکان دو انتقال احتمالی را فراهم می کند. بنابراین لیزرهای CO2 می توانند دو فرکانس اولیه نور لیزر را انتشار دهند (البته اگر برای این کار طراحی شده باشند). انتهای لوله با آینه های بروستر (Brewster mirrors) پوشانده شده است: یک نیمه نقره ای و دیگری کاملاً نقره ای. نور خروجی از آینه نیمه نقره ای به شکل پرتو در آورده شده (collimated) و قابل بازتاب و شکست است تا پرتو را هدایت و تغییر شکل دهد.

لیزرهای CO2 انرژی مادون قرمز منتشر می کنند. این نوع امواج الکترومغناطیسی فرکانس نسبتاً پایینی دارند، اما قدرت مؤثرتری نسبت به بسیاری از طول موج های دیگر دارد. بنابراین، این لیزرها مزایای قابل توجهی دارند:

1. با وجود پیچیدگی های فیزیکی، ساخت آنها ساده است.
2. قابلیت تنظیم از میلی وات تا توان های بالای کیلووات را دارند
3. تولید آنها ارزان است
4. امکان افزایش توان خروجی با افزایش طول لوله وجود دارد.
5. امکان تنظیم Q با چرخاندن آینه وجود دارد که منجر به افزایش توان پالس می شود.
6. برخی انواع دیگر، مانند لیزرهای اسلب جریان گاز RF، نسبت به مدل پایه پیشرفت هایی داشته اند. این بهبودها توان خروجی، عمر محصول و کارایی را افزایش داده اند.

Q چیست؟

Q مخفف عامل کیفیت (Quality factor) است. این پارامتر در سیستم های رزنانس، مانند لیزرها، برای نشان دادن نسبت انرژی ذخیره شده در سیستم به انرژی اتلاف شده در هر دوره تناوب استفاده می شود. به عبارت دیگر، Q نشان دهنده “کیفیت” رزنانس است و هرچه مقدار آن بیشتر باشد، نوسانات در سیستم پایدارتر و طولانی تر خواهد بود.

در لیزر CO2، Q با تنظیم موقعیت آینه بازتابنده (آینه نیمه نقره ای) قابل تنظیم است. با چرخاندن این آینه، می توان طول حفره رزنانس لیزر را تغییر داد. این تغییر طول بر فرکانس رزنانس حفره و در نتیجه بر Q سیستم تأثیر می گذارد.

به طور کلی، Q بالا منجر به تولید پالس های لیزری با توان بالاتر می شود. دلیل این امر این است که با افزایش Q ، انرژی بیشتری در حفره رزنانس ذخیره می شود و در نهایت در قالب یک پالس لیزری قوی تر آزاد می شود.

در لیزرهای CO2، تنظیم Q از طریق چرخاندن آینه بازتابنده، یک روش رایج برای کنترل توان پالس لیزر است. این کار به اپراتور لیزر اجازه می دهد تا با توجه به نیاز خود، بین پالس های لیزری با توان بالا یا کم انتخاب کند.

لیزرهای اسلب جریان گاز RF

لیزرهای اسلب جریان گاز RF نوعی از لیزرهای CO2 هستند که در آنها از یک جریان گاز خنک شده با هوا برای تولید نور لیزر استفاده می شود. این نوع لیزرها به دلیل راندمان بالا، کیفیت پرتو عالی و توان خروجی بالا شناخته شده اند. در لیزرهای اسلب جریان گاز RF، گاز CO2 و سایر گازهای فعال (مانند هلیوم و نیتروژن) از طریق یک محفظه مستطیلی شکل به نام “اسلب” جریان می یابند. این محفظه توسط الکترودهای RF احاطه شده است که میدان الکتریکی متناوبی را در گاز ایجاد می کنند. میدان الکتریکی باعث می شود مولکول های CO2 برانگیخته شوند و نور لیزر را در طول موج 10.6 میکرومتر ساطع کنند.

لیزر فیبر چیست؟

لیزرهای فیبر ساختاری یکپارچه دارند و بر اساس یک فیبر نوری تخصصی ساخته شده اند. نور از یک منبع لیزری حالت جامد کوچک به ژنراتور فیبر نوری وارد می شود و لایه ی دوپ شده (dopoed) فیبر نوری به عنوان تقویت کننده عمل می کند. یک لیزر فیبر از یک سری قطعات تشکیل شده است که به ترتیب کار می کنند تا نور لیزر ایجاد کنند. این سیستم با یک منبع پمپ (دیود لیزری) کار می کند که نور ساطع می کند. این نور توسط یک راهنمای فیبر نوری پوشش داده شده با قابلیت بازتاب (reflecting clad fiber optic guide) که تقریباً تمامی نور منبع پمپ را نگه می دارد، جذب می شود.

نور راهنما را ترک می کند و وارد حفره لیزر می شود. نور منبع پمپ با عناصر دوپ شده با فلزات کمیاب (rare-earth dopants) در داخل این حفره برخورد می کند. این فرآیند از طریق یک فرآیند چرخه ای برانگیختگی الکترون و به دنبال آن بازگشت به سطح انرژی پایین تر، نور بیشتری تولید می کند. عنصر دوپ شده فرکانس گسیل مشخصی دارد که فرکانس نور لیزر خروجی را تعیین می کند.

دوپانت ایتربیم (ytterbium) نور را در فرکانس ۱۰۶۴ نانومتر گسیل می کند و این نوع به طور کلی در برش لیزری استفاده می شود. نور گسیل شده درون حفره به یک سری گریتینگ براگ فیبری (fiber-bragg gratings) برخورد می کند که به عنوان بازتابنده های داخلی عمل می کنند و نور را درون حفره لیزر نگه می دارند. نوع دوم گریتینگ براگ به عنوان «دروازه» عمل می کند و اجازه می دهد بخشی از نور عبور کند در حالی که بیشتر آن را به داخل حفره بازتاب می کند.

نور لیزر از طریق یک راهنمای فیبری دیگر از حفره خارج می شود، که در این مرحله به شدت پرتوهایش موازی هستند (collimated). سپس پرتو از یک عدسی با فاصله کانونی کوتاه عبور می کند و در شکل و قطر مورد نیاز برای کاربرد برش متمرکز می شود. به عنوان یک گروه تخصصی از لیزرهای حالت جامد، دستگاه های فیبر مزایای قابل توجهی نسبت به سایر فناوری ها ارائه می دهند، از جمله:

1. عملکرد بدون نیاز به تعمیر و نگهداری برای دوره های طولانی
2. ادغام آسان در تجهیزات
3. بسیار قابل اعتماد و پایدار در حین استفاده
4. می تواند کیفیت پرتو بسیار بالایی با نویز کم و حداقل سوسو زدن کم فرکانس تولید کند.
5. جمع و جور و قابل حمل
6. هزینه مالکیت کمتر نسبت به سیستم های دیگر با قدرت معادل
7. قابلیت کاربری در شرایط محیطی چالش برانگیز مانند تغییرات دما

تفاوت های بین لیزر CO2 و لیزر فیبر چیست؟

لیزرهای CO2 برای تولید همان انرژی خروجی، به میزان قابل توجهی انرژی بیشتری نسبت به لیزرهای فیبر مصرف می کنند، بنابراین هزینه های عملیاتی آنها بسیار بالاتر است. همچنین هزینه اولیه لیزرهای CO2 به طور قابل توجهی کمتر از لیزرهای فیبر معادل است. گران ترین دستگاه های برش مجهز به لیزر فیبر معمولاً ۵ تا ۱۰ برابر قیمت معادل خود با لیزر CO2 هستند. لیزرهای فیبر دقت برش بالاتری نسبت به CO2 ارائه می دهند. آنها ۱۰ مرتبه بیشتر از دستگاه های CO2 دوام می آورند، که اغلب به عنوان ۲۵۰۰۰ ساعت کار گزارش می شود. خدمات نوسازی برای دستگاه های فیبر نیز به راحتی در دسترس هستند.

تفاوت لیزر CO2 و لیزر فیبر:مواد قابل برش

لیزرهای CO2 برای برش بسیاری از مواد غیرفلزی و فلزات غیرآهنی مناسب هستند. مثال ها عبارتند از: اکریلیک، ملامین، مروارید، کاغذ، مایلار، پلاستیک، لاستیک، چوب غیر رزینی، Delrin® (POM)، پارچه، کوریان (Corian®)، چوب پنبه، فایبرگلاس، چرم، مقوای متراکم و تخته سه لا. از طرف دیگر، لیزرهای فیبر در کاربردهای مواد کمتر خاص هستند و با اکثر مواد کار خواهند کرد، اگرچه برای برش هایی با ضخامت ۲۰ میلی متر یا کمتر، بهترین گزینه به حساب می آیند. نمونه هایی از این مواد عبارتند از: فلزات (شامل انواع بسیار بازتابنده مانند فولاد ضد زنگ)، شیشه، اکریلیک (PMMA)، POM، کاغذ، مقوای متراکم و اکثر فوم ها.

تفاوت لیزر CO2 و لیزر فیبر: قدرت و توان لیزر

لیزرهای CO2 را می توان در توان هایی از چند ده وات تا حدود ۱۰۰ کیلووات ساخت. مگر اینکه دستگاه بسیار طولانی باشد، دستگاه های با توان بالا پرتوهای با کیفیت پایین تولید می کنند. به دلیل راندمان بسیار کم آنها (5-10٪)، دستگاه های بزرگتر به ظرفیت خنک کنندگی قابل توجهی نیاز دارند که ابعاد آنها را بیشتر هم می کند.

لیزرهای فیبر با دوپینگ ایتربیم کم توان در همان محدوده لیزرهای CO2 قرار می گیرند، اما حد توان بالایی این نوع لیزرها به 1 مگاوات (برای دستگاه های بسیار بزرگ و بسیار گران قیمت) می رسد. راندمان عملیاتی بالا (اغلب بیش از 90٪) منجر به نیاز محدود به خنک کننده، به ویژه در دستگاه های کوچکتر می شود.

تفاوت لیزر CO2 و لیزر فیبر: طول موج

تفاوت طول موج بین لیزر CO2 و لیزر فیبر حدود ده برابر است. لیزرهای CO2 نور را در 10.6 میکرومتر (یا 9.6 میکرومتر برای برخی از انواع) تولید می کنند، در حالی که لیزرهای فیبر با دوپینگ ایتربیم در 1064 نانومتر (یا 1.064 میکرومتر) نور ساطع می کنند.

تفاوت لیزر CO2 و لیزر فیبر:سرعت برش

در حالی که لیزرهای فیبر برای همه انواع مواد طراحی نشده اند، اما دستگاه های لیزر فیبر تقریباً 3 تا 5 برابر (در کارهای مناسب) بازدهی بیشتری نسبت به دستگاه های CO2 با قابلیت مشابه دارند.

تفاوت لیزر CO2 و لیزر فیبر :کیفیت برش

لیزرهای فیبر پرتوهای پایدارتر و به طور کلی باریک تری تولید می کنند که می توان آنها را با دقت بیشتری متمرکز کرد. آنها تمایل دارند برش های با کیفیت بهتری نسبت به دستگاه های برش لیزری CO2 تولید کنند.

تفاوت لیزر CO2 و لیزر فیبر : ایمنی لیزر

خطرات مرتبط با لیزرها به شدت پرتو (توان در واحد سطح مقطع) و خطر نور سرگردان مربوط می شود. در این زمینه، لیزرهای CO2 و فیبر خطرات مشابهی را به همراه دارند.

لیزرهای CO2 برای تولید همان انرژی خروجی به ورودی انرژی بسیار بیشتری نسبت به لیزر فیبر معادل نیاز دارند. به این معنی که ژنراتور لیزر CO2 یک دستگاه بزرگتر و خطرناک تر است.

تفاوت لیزر CO2 و لیزر فیبر :هزینه اولیه

از نظر هزینه اولیه، لیزرهای فیبر به ازای هر وات قدرت، گران تر از دستگاه های CO2 هستند. با این حال، آنها معمولاً تا 10 برابر عمر مفید دستگاه های CO2 را دارند، بنابراین معمولاً در بلندمدت گزینه بهتری هستند.

از نظر مصرف برق عملیاتی، لیزرهای CO2 حدود 5 تا 10٪ راندمان دارند، به این معنی که 10 تا 20 برابر بیشتر از لیزری که به صورت نور لیزر ساطع می کنند، برق مصرف می کنند. این موضوع در مقایسه با لیزرهای فیبر که به طور کلی راندمانی بیش از 90٪ دارند (یعنی فقط 10٪ از توان آنها به نور لیزر تبدیل نمی شود) بسیار ضعیف است.

جدول مقایسه لیزر CO2 و لیزر فیبر

ویژگی	لیزر CO2	لیزر فیبر
طول موج	10.6 میکرومتر	1064 نانومتر
قدرت	تا 100 کیلووات	تا 1 مگاوات
راندمان	5-10%	بیش از 90%
هزینه اولیه	پایین‌تر	بالاتر
هزینه عملیاتی	بالاتر	پایین‌تر
طول عمر	کوتاه‌تر	طولانی‌تر (تا 25000 ساعت)
مواد قابل برش	اکریلیک، ملامین، چوب، فلزات غیرآهنی (ضخامت بالا)	فلزات (شامل انواع بازتابنده)، اکریلیک، چوب
سرعت برش	پایین‌تر	بالاتر (3-5 برابر سریع‌تر)
کیفیت برش	خوب	بسیار خوب
دقت برش	متوسط	بالا
کاربردها	برش مواد ضخیم، صنایع تولیدی	برش دقیق، فلزات، الکترونیک
مزایا	هزینه اولیه پایین، مناسب برای مواد ضخیم	راندمان بالا، سرعت بالا، دقت بالا، طول عمر زیاد
معایب	راندمان پایین، هزینه عملیاتی بالا، طول عمر کوتاه‌تر	هزینه اولیه بالا

لیزر CO2 در چه صنایعی به طور معمول استفاده می شود؟

لیزرهای CO2 می توانند اکثر مواد را برش دهند و در همه صنایع، از جمله پزشکی، نظامی، ارتباطات و سایر صنایع تولیدی کاربرد دارند. به طور خاص، آنها بهترین گزینه برای برش صفحات فلزی ضخیم تر (10-20 میلی متر یا بیشتر) هستند. اپراتورها اغلب برای افزایش سرعت برش یک صفحه فولادی 100 میلی متری، اکسیژن را به فرآیند برش اضافه می کنند.

لیزر فیبر در چه صنایعی به طور معمول استفاده می شود؟

لیزرهای فیبر در بخش هایی که به دقت بالا و ارزش بالا اهمیت می دهند، مانند: مخابرات، پزشکی، پردازش مواد، خودرو و الکترونیک، رایج تر هستند. دستگاه های برش لیزری فیبر می توانند اکثر مواد را برش دهند، اما بهترین عملکرد را در برش فلزات دشوار و بازتابنده مانند تیتانیوم، برنج و آلومینیوم دارند.

آیا استفاده از لیزر CO2 و لیزر فیبر ایمن است؟

با فرض اتخاذ اقدامات مناسب، بله، هم لیزرهای CO2 و هم لیزرهای فیبر ایمن هستند. هیچ لیزری به طور ذاتی ایمن نیست. نور سرگردان لیزر می تواند افراد را تقریباً در یک لحظه کور کند و باید به عنوان یک خطر واقعی در محل کار در نظر گرفته شود.

به همین دلیل، هنگام کار با هر نوع تجهیزات لیزری باید اقدامات احتیاطی دقیق انجام شود. برخی از اقدامات احتیاطی رایج عبارتند از: محافظ های اشعه لیزر، فاصله اجباری و عینک های ایمنی. تقریباً تمام دستگاه های برش لیزر نور را از طریق یک شکاف هوایی کوچک به سمت پایین و به سمت سطح برش هدایت می کنند. بنابراین هر گونه نور “سرگردان” که از پهلو خارج می شود، منسجم نخواهد بود (یعنی به صورت لیزر ظاهر نمی شود، بلکه به صورت پرتوهای واگرا ظاهر می شود). خطر نسبتاً کم است، مگر زمانی که مواد صیقلی و بازتابنده را برش می دهید، اما عینک ایمنی همچنان مهم است.

سوالات متداول(FAQ)

خلاصه

این مقاله لیزرهای برش CO2 و فیبر را معرفی کرد، توضیح داد که آنها چه هستند و به بررسی ویژگی های مختلف هر کدام و اینکه کدام مواد را می توان با آنها برش داد، پرداخت. این مقاله برای اولین بار در سایت بازارگاه ساخت و تولید دیجیتال ایران به نشانی Digimfg.ir منتشر شده است.

منابع

xometry.com/resources/sheet/co2-laser-vs-fiber-laser

سلب مسئولیت

محتوای ارائه شده در این صفحه وب صرفا جنبه اطلاع رسانی دارد. DIGIMFG هیچگونه ضمانت یا مسئولیتی، چه به صورت صریح یا ضمنی، در خصوص صحت، کامل بودن یا اعتبار اطلاعات بر عهده نمی گیرد. پارامترهای عملکرد، تلرانس های هندسی، ویژگی‌های طراحی خاص، کیفیت یا نوع مواد، یا فرایندها را نباید نمایانگر آنچه توسط تأمین کنندگان یا تولیدکنندگان شخص ثالث در شبکه DIGIMFG ارائه می‌شود، دانست. خریدارانی که به دنبال دریافت قیمت هستند موظفند تا الزامات فنی ویژه موردنیاز برای قطعات را تعریف کنند. برای کسب اطلاعات بیشتر، لطفاً به شرایط و ضوابط ما مراجعه کنید.