Szállézer technológia előnyei. ● Kiváló nyalábminőség ● Nagy leadott teljesítmény ● A nyaláb továbbítása optikai szálon ● Beépített hűtő ● Beépített nyalábkapcsolók ● Beépített tartalékolás ● Nincs mechanikus rezonátor ● Nincsenek javítandó alkatrészek ● Nincs lyukasztási idő ● Nincs szivattyú, szűrő, tükör, lézercső ● Idő és energia megosztás ● Kompakt lézerfejek ● Mobil lézer IPG Laser GmbH Siemensstr. 7 D-57299 Burbach +49 (0)2736 4420 340
[email protected] www.ipgphotonics.com
Szállézer — a zöld energia Az elmúlt évtizedekben a hagyományos CO2-lézerek és a diódagerjesztésű Nd:YAG lézerek uralták az anyagfeldolgozás piacát. Mára azonban oda jutottunk, hogy a (FIBER) szállézer-technika megpróbál versenyre kelni a CO2-lézer kipróbált „igáslovával”, és nagyobb teljesítményének köszönhetően egy sor hegesztési és vágási alkalmazás terén máris számos hagyományos CO2-lézert és diódagerjesztésű Nd:YAG lézert kiváltott. A szállézerek piaci részaránya az anyagfeldolgozással összefüggő alkalmazásokban évente 30%-ot meghaladó arányban nő, minthogy a hagyományos CO2, a diódagerjesztésű Nd:YAG, valamint a tárcsalézerekkel szemben költségkímélő alternatívát kínálnak. A szállézer különösen a fémfeldolgozás terén rendelkezik komoly előnnyel minden más lézerrel szemben, legyen szó teljesítményről, hatékonyságról, vágásminőségről, illetve karbantartási és üzemeltetési költségről. A nyaláb egy hajlékony szálon halad előre és egyszer sem kell korrigálni. Ezért a szállézerek könnyen beépíthetők az új rendszerekbe vagy nagyszerűen felhasználhatók a felújításoknál. Az alábbi rövid, tényszerű összefoglaló válaszokat ad a gyakran feltett kérdésekre. „Melyek a szállézerek előnyei a hagyományos gáz-, illetve kristálylézerekkel szemben, és milyen vágási, illetve hegesztési eredményeket lehet elérni vele?”
Kiváló sugárnyaláb minőség
0,5 kW – 2kW teljesítményű szállézer, 50 µm-es vagy nagyobb feldolgozó szálakkal
A teljesítmény mellett a sugárnyaláb minőség (BPP) a lézerforrások legfontosabb paramétere. A szállézer olyan kis területre fókuszálható, amelynek területe a CO2-lézer átmérőjének mindössze egytizede. A szállézerrel megmunkált munkadarab azért sokkal szebb, mert felületét százszor akkora teljesítménysűrűség éri. Éppen ezért nem is szokás egy az egyben összevetni a szállézer és a CO2-lézer teljesítményét. (1 kW-nyi szállézer-teljesítmény 3 kW CO2-lézerteljesítménynek megfelelő sebességgel vágja a 3-5 mm vastag rozsdamentes acélt). A 15 és 20 mm lemezvastagság tartományban a lézerteljesítményt meg kell növelni ahhoz, hogy a szállézer gyorsabban vágjon, mint a CO2-lézer. Ezenkívül a kb. 1 µm-es üzemi hullámhossz szobahőmérsékleten nagyjából 7-szer akkora abszorpciót hoz létre a fémekben, mint a 10,6 µm-es hullámhossz. A CO2-lézer és a szállézer terjedését figyelembe véve, alapvető különbségek mutatkoznak közöttük a szállézer javára: • •
• 5kW-os Low Order Mode és 1kW-os Single Mode szállézerek (BPP <4,5 mm x mrad és 0,35 mm x rad)
• •
Kisebb fókuszpont-átmérő, jobb BPP értékkel. A kisebb fókuszpont nagyobb teljesítménysűrűséget vagy nagyobb fókuszhosszúságot képes előállítani, ami fokozza az eljárás stabilitását. Kisebb és könnyebb optika használatát teszi lehetővé. Kismértékű fókuszelcsúszás. Alacsony veszteség a szálkábelen.
Energiafogyasztás és energiaköltségek
A CO2-lézer és a szállézer energiafelhasználásának (4kW) összehasonlítása 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 Energia lézer
Energia hűtő
Készenlét lézer
Készenlét hűtő
4kW-os CO2
44,0
16,8
12,0
8,0
4kW-os szállézer (hűtővel és 2utas nyalábkapcsolóval)
13,3
4,7
0,9
1,0
A 4 kW-os szállézer névleges üzemi energiafelvétele 18 kW, a 4 kW-os CO2-lézer 57 kW-os energiafelvételével szemben. Ha a szállézerekben a kompresszoros hűtők helyett hőcserélőket használunk, akkor a teljesítményfelvétel tovább csökkenthető.
A CO2-lézer és a szállézer (4kW) energia költségének összehasonlítása Feltételezett energiaár: 0,06€ / kWh
3,00 € 2,50 € 2,00 € Euró 1,50 € 1,00 € 0,50 € 0,00 € Energiaköltség
Energiaköltség
Készenlét lézer/
lézer / ó
hűtő / ó
ó
Készenlét
4kW CO2
2,64 €
1,01 €
0,72 €
0,48 €
4kW-os szállézer (hűtővel és 2utas nyalábkapcsolóval)
0,80 €
0,28 €
0,05 €
0,06 €
hűtő / ó
A 4 kW-os szállézer energiaköltsége névleges teljesítményen kisebb, mint a CO2-lézer (4kW) készenléti költsége. A szállézer hatékonysága megfelel a „Green Laser Power” követelményszintnek. A fejlett IPG szállézer technológia esetében általában 30%-kal jobb hatékonysággal lehet számolni.
Helyigény és annak költsége
4kW-os (vagy 8kW-os) szállézer beépített nyalábkapcsolóval és hűtővel Helyigény (CO2 / szállézer, 4kW)
30 20 [m2] 10 0 4kW CO2 Helyigény
4kW szállézer
26
2
A 4kW-os (8kW-os) szállézer helyigénye 13-szor kisebb, mint a 4kW-os CO2-lézeré. A padló költsége/ó (200€/m2/év, 5000 ó)
1,20 € 1,00 € 0,80 € 0,60 € 0,40 € 0,20 € 0,00 € 4kW CO2 A padló költsége/ó (200€/m2/év, 5000 ó
1,04 €
4kW szállézer (hűtővel 2-utas nyalábkapcsolóval
0,08 €
A padló költsége között is lehet különbség – néha akár több mint 200 € /m2.
Tartalék- és cserealkatrészek költsége Óránkénti tartalék- és cserealkatrész-költség CO2 / szállézer (mindkettő 4kW)
0,60 € 0,50 € 0,40 € Euró 0,30 € 0,20 € 0,10 € 0,00 € Lézer- Vák. cső sziv.
Szűrő
Opt.
KvarcVent. cső
Kieg.
Gáz (He, N2 CO2)
0,51 € 0,05 € 0,13 € 0,09 € 0,04 € 0,02 € 0,05 € 0,31 €
4kW CO2 4kW szállézer (hűtővel és 2utas nyalábkapcsolóval)
ILYEN KÖLTSÉG NEM JELENTKEZIK
Szemben a CO2-lézerrel, a szállézer nem igényel karbantartást. Nincsenek alkatrészei – pl. lézercsövek, vákuumszivattyúk, kimeneti csatolók, ventilátorok vagy lézergázok – amelyeket folyton cserélni kellene. A szállézer feldolgozószálakat használ, amelyek minimális hajlítási rádiusza 200 mm. A feldolgozószál kiváló gyorsulása óriási előny.
Tartalék-/cserealkatrészek összesen
1,20 € 1,00 € 0,80 € Euró 0,60 € 0,40 € 0,20 € 0,00 € Tartalék-/cserealkatrészek össz.
4kW CO2 1,20 €
4kW szállézer (hűtővel és 2-utas nyalábkapcsolóval)
Nincs
A tartalék- és cserealkatrészek összköltsége óránként a CO2 és a szállézer esetében.
Az üzemeltetés összköltsége CO2 / szállézer - 4kW Összköltség/óra
6,00 € 5,00 € 4,00 € Euro 3,00 € 2,00 € 1,00 € 0,00 € 4kW CO2 Összköltség/óra (ezen belül helyigény,
5,68 €
4kW szállézer (hűtővel és 2-utas nyalábkapcsolóval)
1,37 €
energiaköltség, 100% ON, 5000 ó, tartalék- és csere-alkatrész költség)
A szállézernek négyszer annyi ideig kell dolgoznia ahhoz, hogy üzemeltetési költsége elérje a 4 kW-os CO2-lézerét. Megtakarítás 3 év alatt (5000 óra/év):
TELJES ÜZEMELTETÉSI KÖLTSÉG: 4kW-os CO2-lézer: 85.200 € / 4kW-os szállézer: 20.550 € Megtakarítás: 64.650 €
3kW-os CO2-lézer összehasonlítása 1kW-os szállézerrel Energiafogyasztás 3kW-os CO2-lézer / 1kW-os szállézer 40,0 30,0 kW 20,0 10,0 0,0
3kW-os CO2 1kW-os szállézer (hűtővel)
Fogyasztás lézer
Fogyasztás hűtő
Készenlét lézer
Készenlét hűtő
36,0
13,0
10,0
6,0
3,5
1,6
0,4
0,6
Vágás szállézerekkel
rozsdamentes acél
vágógáz:
Max. vágási sebesség (m/perc)
A különböző lézerek max. vágási sebességének összehasonlítása
Fiber Laser vastagság (mm)
Dr. Morgenthal, Fraunhofer IWS Dresden, 2. Nemzetközi Szállézer Workshop, 2005: „A YLR-1000 szállézer közel ugyanolyan vágási sebességet biztosít 3-5 mm anyagvastagság esetén, mint a CO2-lézer 2,5 – 3kW teljesítmény mellett. A különböző lézerek vágóél-topográfiája összehasonlítható.”
4kW-os CO -lézer összehasonlítása 2kW-os 4kW-os CO22-lézer összehasonlítása 2kW-os szállézerrel Energiafelhasználás 4kW-os CO2-lézer / 2kW-os szállézer
45,0 40,0 35,0 30,0 25,0 kW
20,0 15,0 10,0 5,0 0,0
4kW-os CO2-lézer
Fogyasztás hűtő
Készenlét lézer
Készenlét hűtő
44,0
16,8
12,0
8,0
7
2,6
0,6
0,7
Vágási sebesség (m/perc)
2kW-os szállézer (hűtővel)
Fogyasztás lézer
Rozsdamentes acél
Anyagvastagság (mm)
Vágási eredmények
Sebesség (m/perc)
Rozsdamentes acél Lágyacél
Foltméret
Vastagság (mm)
Nitrogénnel vágott rozsdamentes acél 18
YLR-2000
16
YR30 vágófej Szál = 100 µm fc= 73 mm ff= 100 mm
Sebesség m/perc
14 12 10 8 6 4 2 0 0
0,5
1
1,5 2 2,5 Anyagvastagság, mm
3
3,5
Vágási eredmények
A 15 mm-es rozsdamentes acélminták vágásminősége 5 kW-os CO2-lézerrel és 4 kW-os szállézerrel (Fraunhofer IWS, Dresden).
2 kW-os szállézer (10mm), v= 0,7 m/perc (8 mm), v= 1,2 m/perc (6mm), v= 2,1 m/perc (4mm), v= 4,4 m/perc 10mm
8mm
6mm
4mm
Vágási eredmények 4 3,5
Vágási sebesség [m/perc]
3 2,5 2 1,5 8 mm-es rozsdamentes acél
1 0,5 0 1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
5,5
Lézerteljesítmény [kW]
8mm-es rozsdamentes acél vágása, YLR-5000 (5kW), BPP 4.5 mmxmrad
Szállézer és tárcsalézer 4 kW-os lézerek összehasonlítása energiafogyasztás tekintetében 20,0 15,0 kWatt 10,0 5,0
4kW-os tárcsalézer 4kW-os (WW) szállézer
0,0 LÉZER HŰTŐ 16,8
4kW-os disc lézer
HŰTŐ
LÉZER (Készenl.)
(Készenl.)
6,2
2,0
8,0
4kW-os (WW) szállézer
13,3
4,7
0,9
1
4kW-os (IHE) szállézer
13,3
2,3
0,9
0,3
4kW-os (IHE) szállézer
WW: Beépített víz/víz/kompresszor hűtő IHE: Beépített hőcserélő (az energiafogyasztás a belépő vízhőmérséklettől függ, pl. Tin < 10 C esetén a hőcserélő energiafogyasztása < 2,3kW) o
Nyalábminőség [mm x mrad]
10
5
0 Szállézer 4kW
Tárcsalézer 4kW
2
Nyalábminőség [mm x mr ad]
8
Rel. teljesítménysűrűség
20
10
0 Szállézer 4kW Rel. teljesítménysűrűség
16
Tárcsalézer 4kW 1
Rel. helyigény
2,00
1,00
0,00 Szállézer 4kW Rel. helyigény [m2]
1,00
Tárcsalézer 4kW 1,70
Rel. súly [kg]
10,00
5,00
0,00 Szállézer 4kW Rel. súly [ kg]
1,00
Tárcsalézer 4kW 5,50
Új generációs (IPG) és korábbi generációs fiber lézer összehasonlítás.
Energiafogyasztás [kW]
3 2 1 0 300W IPG szállézer
300W Trufiber (hűtő nélkül)
1
2,8
Energiafogyasztás [kW]
Súly [kg]
200 150 100 50 0 Súly [kg]
300W IPG szállézer
300W Trufiber (hűtő nélkül)
30
160
Beruházás
2 1,5 1 0,5 0 Rel. ár
300W IPG szállézer
300W Trufiber (hűtő nélkül)
1
2
Optika hegesztéshez és vágáshoz
Nyalábelcsúszás, 8kW-os szállézer, szál: 200µm
Nyalábelcsúszás, 8kW-os szállézer, szál: 600µm
Távvezérelt vágás — új kihívás előtt az egyfrekvenciás lézer
Szkenner távvágás (FiberCut) 1 kW-os egyfrekvenciás lézerrel
Egyfrekvenciás távvágás (80 mm x 30 mm x 0,5 mm), Forrás: Dr. Himmer, Fraunhofer IWS, Dresden, Fraunhofer 2007-es éves jelentés
Ipari szállézer alkalmazások
2D-s vágás
3D-s vágás
Hegesztés
Hegesztés
Ipari szállézer alkalmazások
Tompa illesztés, kb. 5 cm-es rozsdamentes acél 1.4301 Kétoldali tompavarrat, 20kW (200 µm-es feldolgozószál)
Átlapolt illesztés, 2x 15mm rozsdamentes acél 1.4301 20kW (200 µm-es feldolgozószál)
Welding
Behatolás rozsdamentes acélba Anyag: Rozsdamentes acél 1.4301 Szállézer: 8kW Foltátmérő: 330µm
