Comment choisir des lasers pour les machines de découpe laser?

Dans le domaine du traitement non métallique d'aujourd'hui, les machines de découpe et de gravure au laser sont devenues une nouvelle génération d'outils de productivité en raison de leurs fonctions puissantes et de leur large gamme d'applications. À l'intérieur de chaque machine laser, la source laser est l'un des composants les plus importants car elle génère et émet le faisceau laser.

La qualité de la source laser affecte directement les performances, la vitesse de traitement, la capacité de coupe, les détails de gravure et la stabilité à long terme de la machine de découpe et de gravure au laser. Ce guide compare trois sources laser courantes: les lasers à tubes de verre CO2, les lasers RF et les lasers à diodes.

1. Introduction aux sources laser

Un laser à tube de verre CO2 présente un aspect tubulaire. Ses principaux composants, y compris le tube de décharge, le tube de refroidissement par eau, le tube de stockage de gaz et le tube de retour de gaz, sont fabriqués à partir de matériaux en verre dur. Pour cette raison, il est souvent simplement appelé laser à tube de verre.

Un laser à tube CO2 RF est généralement abrégé en tube RF parce que sa méthode d'excitation utilise l'excitation AC par radiofréquence. Comparés aux lasers à tube de verre, les tubes RF sont plus compacts et sont souvent sélectionnés pour des applications nécessitant une gravure plus fine et un fonctionnement stable à long terme.

Un laser à diode, également connu sous le nom de laser à semi-conducteur, utilise une structure de diode à semi-conducteur comme composant de travail central. Dans cet article, le laser diode se réfère principalement au laser à diode bleue couramment utilisé dans les petites machines laser de bureau ou à cadre ouvert.

2. Principes de travail

2.1 Génération laser

Le milieu de travail d'un laser à tube de verre est un gaz mixte de dioxyde de carbone, d'azote et d'hélium. La génération laser utilise généralement une excitation DC. Le courant continu excite les molécules de dioxyde de carbone d'un niveau d'énergie faible à un niveau d'énergie élevé, et lorsque les molécules reviennent à un niveau d'énergie inférieur, elles émettent des photons. Ce processus se répète en continu et émet un faisceau laser.

Les gaz auxiliaires améliorent l'efficacité du laser. L'azote aide à transférer l'énergie et soutient la transition des molécules de dioxyde de carbone vers des niveaux d'énergie plus élevés, tandis que l'hélium accélère la relaxation thermique et aide les molécules de dioxyde de carbone à revenir plus rapidement à des niveaux d'énergie plus bas.

Le principe de fonctionnement d'un laser RF est similaire à celui d'un laser à tube de verre car les deux utilisent du dioxyde de carbone comme milieu de travail. La différence est la méthode d'excitation. Un laser RF utilise un champ électrique haute fréquence généré par une source d'alimentation RF pour exciter des molécules de dioxyde de carbone et produire une sortie laser.

Une diode laser utilise une structure de jonction p-n formée par des matériaux semi-conducteurs. Lorsqu'un signal CC externe atteint une certaine intensité, les électrons se recombinent avec des trous et libèrent des photons. Ces photons sont amplifiés par la cavité résonante pour produire un faisceau laser. En termes simples, un laser à diode peut convertir l'énergie électrique directement en énergie lumineuse.

2.2 Gamme de longueurs d'onde

Différentes sources de laser ont produit différentes longueurs d'onde selon leur milieu de travail et conception structurelle. Les lasers CO2, y compris les lasers à tube de verre et les lasers à tube RF, ont généralement une longueur d'onde d'environ 9-10 μm. Cette gamme est utile pour le traitement de nombreux matériaux non métalliques, car le bois, les plastiques, les tissus et les matériaux similaires peuvent absorber efficacement la lumière infrarouge moyenne.

Les longueurs d'onde laser CO2 courantes comprennent 9,3 μm, 10,2 μm et 10,6 μm. Un laser de 9,3 μm peut convenir à des matériaux tels que le film polyimide, le polycarbonate et le PET. Un laser de 10,2 μm peut convenir au polypropylène. Un laser de 10,6 μm convient à de nombreux matériaux non métalliques courants.

Les machines de découpe et de gravure laser Thunder utilisent une source laser CO2 de 10,6 μm, qui prend en charge une large gamme d'applications, notamment le bois, l'acrylique, l'ABS, le papier, le tissu, le cuir, les briques, etc. En changeant la fréquence de modulation, il peut également traiter des matériaux spéciaux tels que le film de polyimide.

Puisque la lumière laser de CO2 est invisible à l'oeil humain, le laser de tonnerre combine la lumière rouge évidente d'indicateur avec le chemin invisible de laser par une lentille de focalisation. Les utilisateurs peuvent cliquer sur le bouton du cadre avant le traitement pour observer la lumière rouge en mouvement et confirmer la zone de traitement. Pendant le traitement laser réel, le couvercle doit être fermé pour des raisons de sécurité et les utilisateurs ne doivent jamais regarder directement le laser.

Les lasers à diode ont une gamme de longueurs d'onde plus large, généralement entre 400 et 2000 nm. Les longueurs d'onde de traitement courantes comprennent la lumière verte de 532 nm, la lumière bleue de 450 ± 5 nm et la lumière violette de 405 nm. Bien que ces longueurs d'onde soient visibles, la visualisation directe est toujours dangereuse et peut endommager les yeux.

2.3 Chemin de la lumière laser

En général, plus le trajet laser est long et plus les miroirs réfléchissants sont utilisés, plus la perte laser est importante. Dans les équipements laser de petite et moyenne taille, les lasers à tube en verre CO2 et à tube RF utilisent généralement trois miroirs réfléchissants pour modifier le trajet de la lumière et produire un faisceau laser perpendiculaire à la plate-forme de traitement.

Cette conception est nécessaire parce que les sources de laser de CO2 sont relativement grandes et ne peuvent pas être placées directement à l'intérieur de la tête de laser. En revanche, les lasers à diode sont petits et peuvent souvent être placés directement à l'intérieur de la tête laser. Un faisceau laser à diode unique nécessite généralement zéro ou un miroir réfléchissant pour la transmission.

2.4 Qualité laser

La qualité du faisceau laser affecte directement la qualité de coupe et de gravure. Il est généralement mesuré par M², qui compare le faisceau réel avec un faisceau gaussien idéal. Plus la valeur M² est proche de 1, meilleure est la qualité du faisceau. Une meilleure qualité de faisceau signifie un point focalisé plus petit, une densité de puissance plus élevée, une meilleure efficacité de traitement et de meilleurs détails.

Dans les machines commerciales de découpe et de gravure laser de petite et moyenne taille, les lasers CO2 ont généralement une meilleure qualité de faisceau que les lasers à diode. Les lasers CO2 ont généralement une valeur M² comprise entre 1,1 et 1,3, tandis que les lasers à diode vont généralement de 1,1 à 1,7.

Les lasers CO2 utilisent un mélange de gaz comme milieu de gain, qui est plus uniforme et stable que les matériaux semi-conducteurs utilisés dans les lasers à diodes. Les structures laser CO2 supportent également un meilleur mode transversal qui est plus proche d'un profil gaussien idéal.

Les lasers à tube RF offrent généralement une meilleure qualité de faisceau et des tailles de points plus petites que les lasers à tube de verre. Cela rend les tubes RF particulièrement utiles pour la gravure très fine et les applications où un traitement stable et délicat est requis.

2.5 pulvérisation cathodique

La pulvérisation cathodique se réfère à un phénomène où les ions positifs dans le plasma entrent en collision avec la cathode sous haute tension, provoquant la pulvérisation du matériau cathodique. Le matériau pulvérisé peut se déposer sur d'autres surfaces, provoquant une contamination de la cavité laser, des changements d'écartement des électrodes et d'autres problèmes qui affectent la durée de vie, la stabilité de sortie et la qualité du laser.

La pulvérisation cathodique est plus visible dans les lasers à tubes de verre en raison de facteurs tels que le matériau de la cathode, la structure de la conception et la surchauffe lorsque le refroidissement est insuffisant en fonctionnement continu. Les lasers à tube RF réduisent ce problème grâce à leur matériau de cathode et à leur structure d'emballage, ce qui se traduit par des performances plus stables et une durée de vie plus longue.

Les lasers à diode n'impliquent généralement pas de pulvérisation cathodique traditionnelle car leur fonctionnement est basé sur des matériaux semi-conducteurs à l'état solide plutôt que sur une décharge gazeuse.

3. Performance de traitement

3.1 Temps de traitement

Le temps de traitement des lasers à diode est généralement beaucoup plus long que celui des tubes laser CO2. Lors du traitement du même produit, le temps de traitement d'un laser à diode est généralement environ trois fois supérieur à celui d'un tube laser CO2, en particulier lors de la découpe.

Cette différence est liée à la puissance de sortie maximale et à la vitesse de traitement maximale. Les petites et moyennes machines laser à diode utilisent souvent des sources laser 10-20 W, avec quelques modèles atteignant plus de 40 W, tandis que leur vitesse de traitement maximale ne dépasse généralement pas 1000 mm/s.

En comparaison, les tubes laser CO2 dans les petites et moyennes machines laser commencent généralement au-dessus de 30 W et peuvent atteindre des centaines de watts, tandis que la vitesse de traitement maximale peut atteindre 1000 mm/s ou même 2000 mm/s. Une puissance plus élevée permet à la machine d'obtenir le même résultat à une vitesse plus rapide et avec moins de cycles de traitement.

3.2 Matériaux applicables

Les lasers de CO2 peuvent traiter le bois, le cuir, le papier, le carton, le tissu, l'acrylique transparent et opaque, la pierre, le verre, la céramique, l'aluminium anodisé, et les métaux enduits. Les lasers de diode peuvent traiter le bois, le cuir, le papier, le carton, l'acrylique opaque, la pierre, le verre enduit, la céramique enduite, l'acier inoxydable, le titane, le fer, et l'oxyde d'aluminium.

3.3 Effet de traitement

Les lasers à tube de verre sont efficaces pour couper de nombreux matériaux non métalliques, y compris le papier, le bois, les produits en bambou, l'acrylique, le caoutchouc et d'autres matériaux. Ils sont souvent sélectionnés lorsque les utilisateurs ont besoin d'une capacité de coupe plus forte à un coût relativement inférieur.

Les lasers de rf exécutent particulièrement bien dans la gravure de non-métal. Leurs caractéristiques de mise en forme et de polarisation du faisceau soutiennent des effets de traitement plus délicats et uniformes. La mise en forme du faisceau peut ajuster la taille et la forme du spot, améliorant ainsi la distribution d'énergie pendant le traitement, tandis que la polarisation linéaire peut aider à réduire les pertes d'énergie lors du traitement de certains matériaux réfléchissants.

Les lasers à diode peuvent également graver et couper des matériaux non métalliques, mais leur puissance étant généralement inférieure, ils conviennent mieux à la découpe de matériaux minces et à la gravure peu profonde. Pour les matériaux plus épais, plusieurs passages sont souvent nécessaires, ce qui peut augmenter les erreurs de traitement.

4. Considérations générales sur la machine

4.1 Durée de vie

Les tubes en verre CO2 ne peuvent pas être remplis et réutilisés, de sorte que leur durée de vie est plus courte que les tubes laser RF, allant généralement de 2 000 à 4 000 heures. Avec un bon environnement de travail et un bon entretien, les tubes en verre peuvent durer plus longtemps. Thunder Laser offre une garantie de 1 an pour les lasers à tube de verre.

Les tubes CO2 RF ont des performances stables et ne nécessitent pas d'entretien particulier. Ils peuvent être remplis et réutilisés, et leur durée de vie peut dépasser 10 000 heures. Thunder Laser offre une garantie de 2 ans pour les tubes RF.

Les lasers à diode ont une durée de vie d'environ 10 000 heures, mais certains lasers à diode peuvent ne pas atteindre leur durée de vie nominale. Parce que les lasers à diode doivent souvent fonctionner à puissance élevée ou même à 100% pendant de longues périodes, le vieillissement des composants, la réduction de la puissance de sortie, le risque de défaillance et les problèmes de stabilité peuvent augmenter avec le temps.

4.2 Méthode de refroidissement

Le fonctionnement prolongé du laser génère de la chaleur, ce qui peut provoquer une production laser instable et une qualité de faisceau réduite. Pour cette raison, l'équipement laser nécessite un système de refroidissement. Les lasers à tube de verre utilisent généralement le refroidissement par eau, tandis que les lasers à tube RF et les lasers à diode utilisent généralement le refroidissement par air.

Le refroidissement par eau est silencieux et efficace, ce qui le rend approprié pour les équipements laser haute puissance. Cependant, l'installation et la maintenance sont plus complexes car un système de refroidissement supplémentaire est nécessaire. Le refroidissement par eau peut également être affecté par le gel dans des environnements à basse température, et l'eau de refroidissement surchauffée peut réduire les performances de refroidissement.

Il est plus facile installer et maintenir le refroidissement à l'air, et il soutient des conceptions plus intégrées de machine. Cependant, il est principalement adapté aux équipements de petite et moyenne taille car l'efficacité du refroidissement peut être inférieure à celle du refroidissement par eau. Les ventilateurs de refroidissement peuvent également produire du bruit.

Pour réduire le bruit de ventilateur pour les tubes RF refroidis par air, Thunder Laser utilise un tableau de contrôle de la vitesse du ventilateur intelligent. Le ventilateur s'ajuste automatiquement parmi quatre niveaux de vitesse basés sur la puissance de traitement, aidant à réduire le bruit inutile quand la machine est au ralenti ou fonctionne à la puissance inférieure.

4.3 Volume et poids

Pour les lasers à tubes en verre, la longueur du tube est positivement liée à la puissance de sortie maximale. Une puissance de sortie plus élevée nécessite un tube de verre plus long car un tube à décharge plus long fournit un support laser plus long.

Les lasers à tube RF haute puissance sont plus grands que les tubes RF de faible puissance, mais leur conception compacte scellée les rend beaucoup plus petits que les tubes en verre. Les tubes RF sont en métal, ils sont donc plus lourds que les lasers à tubes de verre, mais ils sont également plus compacts et durables.

Les lasers à diode ont une structure simple, un rendement élevé et une taille compacte. Ils sont les plus légers parmi les trois types de sources laser et sont couramment utilisés dans les petites machines de bureau ou les machines à cadre ouvert plus simples.

4.4 Difficulté d'assemblage

Les machines laser CO2 sont généralement enfermées dans une armoire et pré-assemblées en usine. Ils sont testés avant la livraison pour s'assurer que l'équipement peut fonctionner correctement, ce qui les rend plus faciles pour les débutants et les utilisateurs sans connaissances techniques.

Les machines laser à diodes sont souvent expédiées en tant que composants et nécessitent un assemblage par le client. Cela nécessite plus de connaissances techniques et de compétences pratiques. Pour les utilisateurs de bricolage, l'auto-assemblage peut faire partie de l'expérience, mais cela augmente également le temps et la difficulté d'installation.

Les utilisateurs de laser de diode peuvent également devoir acheter les composants facultatifs tels que des plates-formes de nid d'abeilles et des pompes d'échappement pour réaliser de meilleures performances. Ces composants sont souvent inclus par défaut avec les machines laser CO2.

5. Scénarios d'utilisation

Lors du choix d'une source laser, les utilisateurs doivent tenir compte des besoins de l'application, du budget, des types de matériaux, des exigences de précision, de la vitesse de traitement, de l'environnement de travail et des attentes en matière de maintenance. Chaque source laser a ses propres avantages et limites.

5.1 Lasers à tubes en verre

Les lasers à tube de verre sont relativement peu coûteux par rapport aux autres types de laser. Ils conviennent aux utilisateurs ayant des budgets limités, aux startups et aux projets à faible coût. Ils peuvent fournir de fortes performances de coupe pour de nombreux matériaux non métalliques.

Cependant, la qualité du faisceau de tube de verre n'est pas aussi forte que la qualité du faisceau de tube RF. Leur vitesse de réponse de sortie est relativement plus lente et ils ne peuvent pas bien fonctionner à faible puissance, ce qui limite certaines applications de traitement de haute précision.

5.2 Lasers à tube RF

Les lasers de rf offrent des avantages tels que la dimension compacte, l'entretien facile, le bas coût d'exploitation, la qualité élevée de faisceau, et la longue durée de vie. Leur plus petite taille prend en charge une conception d'équipement plus compacte et leur sortie stable les rend adaptés à une utilisation de haute précision et à long terme.

Dans la gravure laser non-métal, les lasers RF sont souvent préférés pour les effets de gravure fine. Que le traitement du bois, de l'acrylique, du cuir, du tissu ou du papier, les lasers RF peuvent créer des résultats de gravure précis et clairs, ce qui les rend adaptés aux utilisateurs nécessitant une qualité de gravure supérieure.

5.3 Lasers à diodes

Les lasers de diode conviennent à de diverses applications à petite échelle mais ont des limitations dans la qualité de faisceau, l'opération d'impulsion courte, les effets de la température, la puissance, la vitesse de traitement, et la gamme matérielle. Comparés aux lasers CO2, ils sont moins adaptés au traitement rapide ou en profondeur de nombreux matériaux non métalliques.

Leurs avantages sont le faible coût, la portabilité et la flexibilité. Ils peuvent être attrayants pour les utilisateurs qui n'utilisent que des lasers occasionnellement, ont un espace limité, ont besoin d'une opération mobile ou travaillent sur de petits projets à faible volume.

6. Conclusion

Choisir la bonne source laser pour une machine de découpe laser dépend des matériaux que vous traitez, de l'épaisseur que vous devez couper, de la qualité de gravure que vous attendez, de votre budget et de la fréquence d'utilisation de la machine. Les lasers de tube de verre de CO2 conviennent à la coupe rentable et au traitement général de non-métal, alors que les lasers de rf sont meilleurs pour la gravure fine, la longue durée de vie, et les résultats de haute qualité stables.

Les lasers à diode peuvent être utiles pour les petits projets, portables et occasionnels, mais ils sont généralement plus lents et moins puissants que les sources laser CO2. Pour les utilisateurs qui ont besoin d'une découpe efficace, d'une gravure profonde ou d'une production constante, les sources laser CO2 sont généralement le choix le plus judicieux.