Pulsni laser ili CW: koji unos energije odgovara radnom komadu?

Za industrijske korisnike presudni su pre svega osnovni materijal, debljina sloja, željeno stanje površine i potrebno vreme procesa. Sistem koji ubedljivo uklanja tanak premaz sa velikom preciznošću ne mora automatski biti najbolji izbor za veliku, robusnu metalnu površinu.

Zato poređenje ne pokazuje koji je tip lasera načelno „bolji“. Odlučujuće je koja tehnologija za konkretan zadatak obrade omogućava svrsishodniji odnos kvaliteta, brzine i procesne sigurnosti.

Šta razlikuje pulsni i kontinuirani režim rada?

Oba pojma — pulsni laser i CW laser — označavaju dva načelno različita načina da se laserska energija stavi na raspolaganje. Kod pulsnog sistema energija se predaje u pojedinačnim, vremenski ograničenim impulsima. Između tih impulsa energije nema, odnosno ima je znatno manje. CW sistem radi kontinuirano; CW je skraćenica za „Continuous Wave“.

U praksi ta razlika znači da se energija vremenski drugačije unosi u površinu. Pulsni sistem može u veoma kratkom vremenskom intervalu da dostigne visoku vršnu snagu. Srednja snaga pri tome ipak može biti relativno niska. Kod CW sistema podešena snaga deluje kontinuirano tokom obrade. Tako mogu nastati različiti temperaturni tokovi i mehanizmi skidanja materijala.

Fraunhoferov institut za lasersku tehniku ILT opisuje i pulsne i kontinuirane laserske izvore za čišćenje i uklanjanje premaza. Koji se izvor primenjuje, zavisi od konkretnog zadatka obrade. Upravo to posmatranje vezano za primenu presudno je za B2B korisnike.

Zašto 300 vati nije direktno uporedivo sa 2.000 vati

Na tehničkom listu račun na prvi pogled deluje jednostavno: 2.000 vati je znatno više od 300 vati. Za tehničko poređenje pulsnih i CW sistema takav pristup je ipak nedovoljan. Podatak u vatima opisuje najpre snagu. Sam po sebi još ne govori u kakvoj vremenskoj strukturi energija dospeva na površinu.

Kod pulsnog lasera energija se koncentriše u pojedinačne impulse. Zato se dodatno moraju uzeti u obzir veličine kao što su energija impulsa, trajanje impulsa i frekvencija. Kod CW sistema snaga se prenosi kontinuirano. Pulsni sistem od 300 W i CW sistem od 2.000 W zato nisu dve varijante istog alata kod kojih je drugi uređaj jednostavno „jači“. Oni mogu imati različite profile zadataka.

Pulsni sistem može, na primer, biti svrsishodan kada tanak sloj treba kontrolisano obraditi i kada je potreban što precizniji unos energije. CW sistem, nasuprot tome, može imati prednosti kod robusnih većih površina, kada se zahteva visok učinak obrade. Prava veličina za poređenje zato nije samo vat. Odlučujuće je: koliko brzo sistem postiže željeno stanje površine na konkretnom radnom komadu?

Vršna snaga, energija impulsa i srednja snaga

Naročito kod pulsnog sistema relevantno je više tehničkih veličina. Energija impulsa pokazuje koliko je energije sadržano u jednom pojedinačnom impulsu. Trajanje impulsa opisuje koliko dugo taj impuls traje. Iz relativno visoke energije impulsa i veoma kratkog trajanja impulsa može nastati visoka trenutna, odnosno vršna snaga. Frekvencija istovremeno određuje koliko se impulsa proizvodi u sekundi.

Iz toga postaje jasno zašto samo posmatranje srednjeg broja vati nije dovoljno. Dva pulsna sistema sa istom srednjom snagom mogu se, zbog različitih parametara impulsa, različito ponašati na istoj površini. Za korisnika su zato zanimljive najmanje sledeće veličine:

• srednja snaga, energija impulsa i trajanje impulsa
• Frekvencija
• raspoloživa širina skeniranja
• fokus i geometrija snopa
• moguća brzina kretanja

Tek zajedno ti parametri daju tehničku sliku. To, međutim, ne znači da kupac mora sam da izračuna celokupnu lasersku fiziku. Za izbor je mnogo važnije što tačnije opisati stvarni slučaj primene. O tome kako te veličine zajedno deluju pri skidanju materijala detaljnije govori tekst o uticajnim veličinama na metalnim površinama.

Kako nastaje termički uticaj

Površina apsorbuje lasersku energiju i delimično je pretvara u toplotu. Koliko jako toplota utiče na osnovni materijal, zavisi između ostalog od unete energije, vremena interakcije, svojstava materijala i kretanja snopa.

Pulsni sistemi zbog kratkog vremena dejstva mogu za određene zadatke da omoguće kontrolisan unos energije. To je naročito zanimljivo kada treba obraditi tanak pokrivni sloj na osetljivijoj podlozi. Kod CW sistema energija se unosi kontinuirano. Na robusnim radnim komadima to može da omogući visok učinak. Ako se, naprotiv, radi presporo ili se previše energije koncentriše na malu površinu, unos toplote može da poraste.

Iz toga ponovo sledi: CW ne znači automatski „prevruće“, a puls ne znači automatski „bez toplote“. Oba sistema moraju se pravilno parametrizovati. Materijal i brzina kretanja pri tome igraju jednaku ulogu kao i laserski izvor. Relevantna je i toplotna provodljivost osnovnog materijala: aluminijum, na primer, unetu toplotu može da raspoređuje drugačije nego nerđajući čelik. Zato tehnički izbor uvek treba da se zasniva na stvarnom materijalu.

Kakvu ulogu ima površinski učinak

U industrijskoj primeni ne računa se isključivo vizuelni rezultat. Vreme obrade je jednako važno. Preduzeća moraju znati kolika se površina, odnosno koliko radnih komada može obraditi u toku jednog sata ili jedne smene. Površinski učinak zavisi između ostalog od:

• vrste i debljine sloja
• laserskog izvora i snage
• širine skeniranja i brzine obrade
• potrebnog broja prelaza
• željenog krajnjeg stanja

Veoma precizan postupak može tehnički odlično da funkcioniše, ali da za veliki obim proizvodnje bude prespor. Obrnuto, pogonu koji dnevno obrađuje samo nekoliko vrednih radnih komada možda i nije potreban maksimalan površinski učinak.

Tu se pokazuje bitna razlika između različitih profila primene. Restauratorska radionica može imati drugi optimum nego proizvođač čeličnih konstrukcija. Alatničarska radionica može imati druge zahteve nego preduzeće koje obrađuje velike metalne konstrukcije. Zato na pitanje o izvedbi uvek treba odgovoriti zajedno sa pitanjem o stvarno potrebnoj produktivnosti.

Rđa, lak i oksidni slojevi postavljaju različite zahteve

Ne reaguje na isti način svaki sloj koji treba skinuti.

Rđa

Produkti korozije mogu se kretati od lake površinske rđe do izraženih, debelih slojeva. Kod tanke korozije zanimljiv može biti kontrolisan pulsni postupak. Kod velikih, robusnih površina i odgovarajućeg stepena zarđalosti prednosti može pružiti sistem orijentisan na snagu. Šira oblast primene obrađena je na stranici Obrada rđe na metalu laserskom tehnikom.

Lak

Premazi lakom mogu se sastojati od više slojeva. Osnovni premaz, međupremaz i završni sloj mogu imati različita optička i termička svojstva. Zbog toga se ponašanje tokom obrade može promeniti čim se dođe do novog sloja. Ako treba osloboditi samo određenu zonu, preciznost može biti važnija od maksimalnog površinskog učinka. Kod potpunog uklanjanja premaza na velikoj površini, nasuprot tome, veću težinu može imati vreme procesa.

Oksidni slojevi

Oksidi se javljaju u veoma različitim debljinama. Tanki slojevi i oksidne boje na zavarenim spojevima jasno se razlikuju od jake kovarine. I ovde stoga ne postoji opšta preporuka: pravi izbor zavisi od sloja i željenog krajnjeg stanja.

Osetljivi i robusni delovi

Bitan faktor pri odlučivanju jeste vrednost, odnosno osetljivost dela. Kod vrednih vidljivih površina, tankih metalnih delova, kontura alata ili restauratorskih primena u prvom planu je najčešće kontrolisana obrada. Tu mogućnost veoma precizne parametrizacije može biti posebno važna.

Kod masivnih čeličnih delova, robusnih komponenti postrojenja ili velikih površina, nasuprot tome, veću težinu može imati produktivnost. To ne znači da je CW sistem načelno pogodan samo za grube radove. To znači samo da prednosti veće kontinuirane snage postaju posebno značajne tamo gde deo i željeni rezultat dopuštaju takav unos energije. Pri izboru mogu pomoći sledeća pitanja:

• Koliko je deo vredan i koliko je površina osetljiva?
• Kolika promena sme najviše da nastane?
• Kolika je površina koja se obrađuje?
• Da li vidljiva površina mora da ostane očuvana?
• Da li se nakon toga lakira, lepi ili zavaruje?
• Koliko brz proces mora da bude?

Ove informacije su znatno rečitije od pitanja o određenom broju vati.

Mobilna primena i veće površine

I radno okruženje utiče na izbor. Kompaktan pulsni laser može biti zanimljiv kada rukovalac često mora da menja delove ili mesta primene. U radionicama, kod restauracija, u izradi kalupa ili kod pojedinačnih radova na održavanju mobilnost igra veliku ulogu.

Snažniji pokretni sistem, sa druge strane, može bolje odgovarati primenama u kojima se obrađuju veće povezane površine. Pritom se moraju uzeti u obzir napajanje strujom, hlađenje, odsisavanje i organizacija radnog mesta.

Ipak, ni sama veličina mašine ne govori sve. Presudno je kako izgleda ceo radni proces. Ako se deo teško transportuje, sistem možda mora da se donese do radnog komada. Kod serijskih delova, nasuprot tome, stacionarna obradna ćelija može biti svrsishodnija. Pregled sistema Beamlux i klasa snage prikazuje različite izvedbe za takve profile primene.

Serijska proizvodnja i automatizacija

U serijskoj proizvodnji ocena se menja. Ovde nije reč samo o tome da li rukovalac može da obradi površinu — proces mora da bude ponovljiv. Skener, osa ili robot mogu da vode obradnu glavu duž definisane geometrije. Tako se brzina, rastojanje i putanja obrade mogu reprodukovati. To može biti značajno kako kod pulsnih, tako i kod kontinuiranih sistema.

Fraunhofer ILT i Fraunhofer IWS bave se pripremom površina zasnovanom na laseru i integracijom odgovarajućih procesa u automatizovane proizvodne tokove. Tipični zadaci mogu biti:

• lokalna priprema površine za lepljenje
• obrada zone budućeg zavarivanja
• uklanjanje funkcionalnog sloja
• čišćenje definisane konture alata
• priprema površine za nanošenje premaza

Kod serijskih procesa, pored kvaliteta površine, posebno se mora posmatrati vreme takta. Sistem može tehnički da funkcioniše, ali da ne dostiže traženi broj komada. Obrnuto, maksimalni učinak obrade može biti nepotreban ako laserski proces već radi brže od narednog koraka proizvodnje. Zato mašina mora da se uklopi u ukupan proces.

Koji podaci su potrebni za izbor

Pouzdan izbor uređaja ne počinje pitanjem o modelu. Počinje od dela. Za prvu tehničku procenu trebalo bi da po mogućstvu postoje sledeće informacije:

• Osnovni materijal: čelik, nerđajući čelik, aluminijum, bakar ili drugi materijal
• Sloj koji se uklanja: rđa, lak, oksid, kovarina ili ostatak iz procesa
• Debljina sloja: tanak površinski film ili izražen nanos
• Površina: nekoliko kvadratnih centimetara, pojedinačni delovi ili više kvadratnih metara
• Učestalost primene: povremeno, svakodnevno ili stalno u proizvodnom procesu
• Željeno stanje: vizuelno čisto, tehnički definisano, spremno za zavarivanje, lepljenje ili nanošenje premaza
• Mobilnost: radionica, promenljivo mesto primene ili čvrsto integrisan sistem

Iz ovih podataka proističe znatno bolji profil zahteva. Tek nakon toga ima smisla poređenje konkretnih klasa snage.

Zašto je test materijala važniji od tehničkog lista

Tehnički listovi su neophodni, ali ne mogu u potpunosti da zamene stvarnu probu obrade. Test materijala već za kratko vreme pokazuje koja su pitanja zaista bitna: da li se sloj uklanja čisto? Kako osnovni materijal izgleda nakon toga? Kojom brzinom može da se radi? Koliko široko može da se skenira? Koliko prelaza je potrebno? I koliko se pulsni sistem razlikuje od CW sistema baš na tom delu?

Upravo neposredno poređenje može da iznenadi. Sistem sa manjom nominalnom snagom može kod precizne primene biti isplativiji ako je potrebno manje dorade. Obrnuto, veća kontinuirana snaga kod robusne površine može toliko skratiti vreme obrade da je ekonomski jasno isplativija. Beamlux zato nudi testove materijala i demonstracije uživo za konkretne primene.

Bezbednost kod pulsnih i CW sistema

Nezavisno od toga koja se tehnologija odabere, snažne otvorene laserske primene moraju se bezbedno isplanirati. Ručno vođeni sistemi za čišćenje mogu biti laseri klase 4. Praktični vodič DGUV FBHM-139 „Strahlarbeiten – Reinigen und Entschichten mit Laserstrahlung“, izdanje 06/2024, obrađuje odgovarajuće ručno vođene sisteme klase 4.

Pri proceni rizika moraju se, između ostalog, uzeti u obzir direktno i reflektovano lasersko zračenje, kao i opasne materije koje nastaju tokom procesa. Procesno odsisavanje je zato važna tema nezavisno od izvedbe uređaja. Osim toga, može biti potrebno sledeće:

• obezbeđenje laserske zone i odgovarajuće zaštitne pregrade
• zaštitne naočare za laser i obuka zaposlenih
• kontrola pristupa
• procena reflektujućih površina
• protivpožarna zaštita i odgovarajuća tehnika filtracije

Za bezbednost pri radu sa laserom u preduzeću dodatno su merodavna i pravila TROS Laserstrahlung koja izdaje BAuA. Snažniji sistem se zato nikada ne sme ocenjivati isključivo na osnovu brzine obrade: radno mesto i bezbednosni koncept takođe moraju da odgovaraju primeni. Najvažnije tačke sažima stranica Bezbednosne napomene za klasu lasera 4.

Zaključak: odgovor zavisi od dela

Koji unos energije odgovara radnom komadu, ne proizlazi iz pojedinačnog podatka o vatima. Obe tehnologije imaju različite osobine. Pulsni sistemi mogu da pruže prednosti naročito kod kontrolisanih, preciznih i lokalno ograničenih zadataka. CW sistemi kod robusnih površina i velikih površina mogu da pretvore svoju veću kontinuiranu snagu u produktivnost. Presudni su, međutim, uvek konkretan materijal i sloj koji treba ukloniti.

Za B2B izbor treba zajedno posmatrati najmanje sledeće faktore: osnovni materijal, vrstu premaza, debljinu sloja, željeno stanje površine, potreban učinak po površini, dnevno opterećenje, potrebu za mobilnošću, stepen automatizacije i bezbednosne zahteve. Tek iz toga može da se izvede koja tehnologija odgovara zadatku.

To istovremeno znači: pulsni laser od 200 ili 300 vati može za određenu primenu da bude tehnički i ekonomski bolje rešenje od znatno snažnijeg CW sistema. Kod druge površine rezultat može da bude potpuno obrnut. Zbog toga bi odluku trebalo po mogućnosti doneti na osnovu originalnog materijala.

Izvori

• Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT — „Reinigen“: Informacije o pulsnoj i kontinuiranoj laserskoj obradi za čišćenje, uklanjanje premaza i pripremu površine.
• Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS — Informacije o laserskoj prethodnoj obradi površine i automatizovanim postupcima spajanja.
• DGUV — FBHM-139 „Radovi mlaznim čišćenjem – čišćenje i uklanjanje premaza laserskim zračenjem“, izdanje 06/2024.
• BAuA — TROS Laserstrahlung, izdanje iz jula 2018.

Povezani sadržaji