Лазерный мир

Обработка лазерных материалов с использованием сканирующих систем исключает износ механического инструмента и обеспечивает гибкость без переоборудования
За последние 30 лет системы лазерной обработки нашли свой путь в бесчисленных промышленных применениях, таких как сварка, резка, скрайбирование, гравировка, сверление и маркировка. Системы гальванометрического сканирования часто используются для быстрого и точного позиционирования лазерного пятна на заготовке. Такие системы управляют двумя координатами парой вращающихся зеркал. Лазерный луч может быть позиционирован с высокой точностью, и требуемые изображения могут быть получены перемещением луча при определенных скоростях. Контур, сформировнный лазерным пятном, определяется исключительно контроллером сканирующей головки.
Обработка лазерных материалов с помощью сканирующих систем дает ряд преимуществ по сравнению с обычными решениями:

• Высокая динамическая производительность и скорость обработки
• Устранение износа механического инструмента
• Бесконтактная обработка
• Небольшие, точно определенные зоны, подверженные воздействию тепла
• Исключительная гибкость без переоборудования

Приложения
Лазерная маркировка является ключевым приложением для гальванометрических систем сканирования. Маркированный лазером текст является долговечным, имеет хорошую читаемость и не требует расходных материалов. Это приложение идеально подходит для кодов срока годности на упаковке продуктов или для текста на карточках банкоматов и личных идентификаторах.
Системы сканирования также используются во многих других приложениях, таких как высокоточная обработка материалов, в электронной промышленности (обработка кремния, сверление на печатной плате), медицинские технологии (Lasik eye surgery), быстрое прототипирование (стереолитография, лазерное спекание / плавление ), А также резка или сварка лазерным излучением с мощностями в киловатт-диапазоне.

Из-за различных требований, касающихся мощности лазерного источника, точности и скорости, на рынке представлены многочисленные конфигурации систем сканирования. На Рисунке 1 показан обзор различных приложений, их требований и соответствующих головок сканирования.
Независимо от применения, системы обработки лазерных материалов в основном полагаются на следующие компоненты: лазерный источник, формирование луча, позиционирование луча и контроллер. Могут также использоваться дополнительные компоненты для конкретных приложений, такие как системы обработки, процессоры изображений или оборудование для управления технологическим процессом. Базовая установка системы сканирующей головки показана на Рисунке 2, а различные варианты фокусирующей оптики показаны на Рисунке 3.

РИСУНОК 2. Настройка лазерной системы на основе сканирующей головки. Фокусировка обеспечивается объектвом плоского поля целью F-Theta; Блок varioSCAN позволяет позиционировать фокус вдоль оси Z.

Для фокусировки специальная оптика плоского поля, объектив F-Theta, обычно используется и монтируется на выходе луча сканирующей головки. Этот объектив фокусирует коллимированный лазерный луч независимо от положения отражающего зеркала и всегда находится внутри плоскости. Такие объективы F-Theta доступны для широкого спектра длин волн и фокусных расстояний. Длина стороны результирующего поля изображения обычно составляет 50-70% от фокусного расстояния объектива. Объективы Telecentric F-Theta, доступные для обработки микроматериалов, фокусируют лазерный луч перпендикулярно к полю изображения, как правило, с длиной стороны до 50 мм.

РИСУНОК 3. Фокусировка лазерного луча через системы сканирования (слева): объектив предварительной фокусировки, объектив F-Theta, динамическая предварительная фокусировка и комбинирование динамической предварительной фокусировки с объективом F-Theta.

Диаметр фокусировки определяется фокусным расстоянием объектива ƒ и, следовательно, обрабатываемой площадью поверхности вместе с лазерным типом и апертурой сканирующей головки. Для профиля гауссова пучка диаметр фокуса s может быть рассчитан по следующей формуле:

S = λ ƒ M2 k / d

Где λ — длина волны лазера, M2 — качество луча, d — диаметр пучка перед входом в фокусирующую оптику. Фактор k учитывает дифракцию лазерного луча на апертурах или в объективе. Чтобы максимизировать плотность мощности в фокусе и, таким образом, скорость обработки, ширина луча должна быть увеличена до почти равной апертуре сканирующей головки. В этом случае k = 1,83. Типичные конфигурации и их достижимые размеры пятен указаны в таблице.

В некоторых приложениях быстро движущиеся системы линз располагаются перед сканерами для фокусировки лазерного луча путем адаптации фокусного расстояния к расстоянию между отражающим зеркалом и точкой назначения лазерного луча на заготовке. Такая оптика varioSCAN особенно полезна, когда нет подходящих объективов F-Theta. Для больших диаметров пучка или полей изображений, высокой мощности лазера или экзотических длинах волн лазера. Кроме того, эти оптические переменные varioSCAN позволяют выполнять 3D-обработку в объемах сканирования и могут использоваться в одиночку или вместе с объективами F-Theta.

РИСУНОК 4. Удобное программное обеспечение GUI (Alase Technologies Inc. и American LaserWare Inc.) обеспечивает интерфейс между пользователем и контроллером сканера.

Платы управления DSP с встроенной памятью функционируют как аппаратный интерфейс между прикладным программным обеспечением, сканирующей головкой и лазером. Эти платы синхронизируют лазерное управление с движениями сканера и осуществляют коррекцию изображения, чтобы обеспечить точное размещение текста без подушкобразных искажений подушечки и маркировку с постоянной скоростью. Программные пакеты сторонних производителей доступны для многих стандартных приложений для лазерной маркировки.
Для микрообработки материалов имеются специальные головки сканирования с оптимизированной по точности динамикой и активно охлажденными двигателями и / или электроникой для минимизации долгосрочного дрейфа. Сканирующие головки с диафрагмой 14 мм могут быть оснащены дополнительными высокоточными позиционными датчиками для автоматической самокалибровки.

Инновации
Новые материалы, лазерные источники и производственные достижения приведут к значительному росту систем сканирования для обработки материалов.
В сканирующих системах следующего поколения будет представлена полностью цифровая управляющая электроника для двигателей сканера (см. Рис. 5). Эта технология увеличивает скорость обработки и позволяет динамике сканера адаптироваться к конкретным приложениям. Оптимизированные наборы параметров для определенных продуктов или этапы обработки могут быть сохранены и изменены с помощью программного обеспечения, когда это необходимо.

РИСУНОК 5. Полностью цифровой intelliSCAN 10 для требовательных приложений.

Дополнительным преимуществом является возможность отслеживать параметры состояния системы сканирования с помощью программного обеспечения, открывая новые возможности в таких областях, как дистанционная диагностика и поддержка клиентов. Положение и скорость сканера можно запросить в цифровой форме и использовать для дальнейшей обработки. Это облегчает инновационные решения, такие как ускоряющееся лазерное управление для более быстрой обработки и более высокого качества.

Источник: www.scanlab.de.