Στις αρχές του 2009, οι άνθρωποι στη βιομηχανία επεξεργασίας υλικών άρχισαν να εξετάζουν παλμικά λέιζερ που μπορούν να παρέχουν υψηλή ισχύ αιχμής και συνεχή λέιζερ με υψηλότερα επίπεδα ισχύος. Η μέγιστη ισχύς αυτών των λέιζερ μπορεί γενικά να φτάσει τα 3 kW και η μέση ισχύς είναι 300 W. Τα άλματα στην τεχνολογία έχουν οδηγήσει σε υψηλότερη κορυφή και μέση ισχύ. Σήμερα έχουν εισαχθεί μέγιστες ισχύς έως 20kW, μέσες ισχύς 2kW και συνεχόμενα λέιζερ εξαιρετικά υψηλής ισχύος. Η συνεχής ενημέρωση της ισχύος ώθησε το λέιζερ ινών στο στάδιο της επεξεργασίας της αεροδιαστημικής συσκευής.
Σε σύγκριση με τα παραδοσιακά λέιζερ Nd: YAG, τα laser λέιζερ έχουν βελτιώσει σημαντικά την απόδοση της ηλεκτρο-οπτικής μετατροπής και τη φωτεινότητα της δέσμης (λειτουργία μονής ή χαμηλής μάζας) και δεν απαιτούν προθέρμανση. Όταν αλλάζει η ισχύς, είτε πρόκειται για τη λειτουργία επίπεδης κορυφής (όπως φαίνεται στο σχήμα) (1)), είτε για λειτουργία Gaussian, η διάμετρος του σημείου παραμένει πάντα σταθερή, ενώ ταυτόχρονα η συχνότητα των παλμών είναι υψηλότερη και η η προσαρμογή των παραμέτρων σε πραγματικό χρόνο είναι ισχυρότερη. Επειδή το λέιζερ ινών χρησιμοποιεί έναν μόνο πομπό για να διεγείρει, έχει ένα ποιοτικό άλμα όσον αφορά την αξιοπιστία, τη σταθερότητα ισχύος και την ευελιξία σε σύγκριση με τα λάμπες αντλίας φλας.
Λόγω των ευέλικτων και ποικίλων μεθόδων εφαρμογής των λέιζερ ινών, όχι μόνο μπορούν να εγκατασταθούν ως καινούριες μηχανές, αλλά μπορούν επίσης να αναβαθμιστούν οι υπάρχουσες γραμμές παραγωγής, ώστε να καταλαμβάνουν όλο και περισσότερα μερίδια αγοράς. Όλα τα προηγούμενα συστήματα παραγωγής που χρησιμοποιούν λέιζερ Nd: YAG μπορούν να μετατραπούν σε λέιζερ ινών.
Απαιτήσεις γεωτρήσεων στην αεροπορία
Η βιομηχανία της αεροδιαστημικής είναι αναμφίβολα ένας άλλος κλάδος που έχει ωφεληθεί σε μεγάλο βαθμό από τα λέιζερ ινών. Στην τρέχουσα αεροπορική βιομηχανία, ένας κινητήρας στροβίλου μπορεί να έχει έως και εκατομμύρια οπές, οι οποίες χρησιμοποιούνται κυρίως για να βοηθήσουν τη συσκευή να απορροφήσει θερμότητα εγκαίρως κατά τη λειτουργία. Το πάχος, η γωνία, η διάμετρος και το σχήμα των οπών ποικίλλουν. Στον τομέα των εφαρμογών γεώτρησης αεροδιαστημικής, το νέο laser με ίνες είναι μια ταχύτερη, πιο ευέλικτη, πιο σταθερή και οικονομικότερη επιλογή.
Υπάρχουν δύο κύριοι τρόποι για την παραγωγή οπών ψύξης για συσκευές αεροπορίας: ο ένας είναι η χρήση πολλαπλών παλμών για τη διαμόρφωση οπών διάτρησης ανάλογα με το απαιτούμενο άνοιγμα (διάτρηση με παλμούς). το άλλο είναι να χρησιμοποιήσετε μικρές κηλίδες για να μετακινήσετε τη δέσμη σε κυκλική περιοχή για να σχηματίσετε μια τρύπα (Socket). Συνολικά, η υποδοχή είναι πιο αργή, αλλά το σχήμα είναι πιο τέλεια. Σε ορισμένες εφαρμογές, μπορούν να επιλεγούν μόνο τρύπες για μανίκια. Αυτές οι τρύπες συνήθως έχουν διάμετρο 0,015-0,030in. Υπάρχει επίσης μια ειδική απαίτηση γεωτρήσεων στον τομέα της αεροπορίας, η οποία είναι μια ανεμιστήρα σχήματος τρύπα που συνδέει την τρύπα που περιορίζει το ρεύμα. Αυτές οι οπές με σχήμα ανεμιστήρα είναι η έξοδος του αέρα ψύξης, ο σκοπός είναι να εκτρέψει την ίδια ροή αέρα σε μια μεγαλύτερη περιοχή για να επιτύχει καλύτερο αποτέλεσμα ψύξης. Επί του παρόντος, υπάρχουν κυρίως οι ακόλουθες διαδικασίες για την παραγωγή οπών με σχήμα ανεμιστήρα: το πρώτο είναι ένα μικρό σημείο Q-switched laser + σαρωτής. Ο σαρωτής χρησιμοποιείται για τη σάρωση του σχήματος στην έξοδο του στομίου. Η χρήση αυτής της μεθόδου για την επεξεργασία μιας οπής σε σχήμα ανεμιστήρα απαιτεί τη λειτουργία δύο μηχανών ξεχωριστά. Η δεύτερη μέθοδος είναι να μειώσετε το μέγεθος κηλίδας για να δημιουργήσετε μια κωνικότητα και, στη συνέχεια, να χρησιμοποιήσετε το CNC εμφύτευμα, αλλά αυτή η μέθοδος είναι πολύ πιο αργή από τη μέθοδο "δύο βημάτων" εξοπλισμένη με σαρωτή. Η τρίτη μέθοδος είναι η χρήση της τεχνολογίας διάτρησης EDM και η προσθήκη μιας οπής σε σχήμα ανεμιστήρα μετά τη δημιουργία της οπής περιορισμού. Είναι πολύ σημαντικό να αποφευχθεί το ξεφλούδισμα της επίστρωσης θερμικού φράγματος κατά τη διάνοιξη μιας τρύπας σε σχήμα ανεμιστήρα και οι περισσότερες συσκευές έχουν τώρα μια θερμική επικάλυψη.
Εφαρμογές εναέριων γεωτρήσεων-λέιζερ ινών
Σε σύγκριση με τα παλμικά λέιζερ Nd: YAG, τα πλεονεκτήματα των λέιζερ ινών είναι προφανή. Πρώτον, η πηγή της αντλίας του λέιζερ ινών είναι μια δίοδος και όχι ένα φλας, ώστε να μπορεί να σχηματίσει ένα τέλειο τετραγωνικό κύμα. Δεύτερον, το λέιζερ Nd: YAG που χρησιμοποιεί μια αντλία λάμψης επιβραδύνει, έτσι ένα μέρος της ενέργειας του λέιζερ είναι πάντα κάτω από το κατώφλι εξάτμισης της περιοχής στόχου Αυτό το μέρος της ενέργειας θα λιώσει το υλικό και θα προκαλέσει την αποκόλληση της επικάλυψης θερμικού φραγμού. Για να πληροί τις προδιαγραφές του στρώματος αναδιατύπωσης, η περίοδος παλμού πρέπει να είναι μικρότερη από 1 ms. Από την άποψη αυτή, τα λέιζερ ινών έχουν ένα απόλυτο πλεονέκτημα, διότι μπορούν να παράγουν κυματομορφές τετραγωνικών κυμάτων, οπότε η χρήση παλμών 10ms μπορεί να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις του αεροναυτικού εξοπλισμού για αναδιατύπωση και ρωγμές προδιαγραφών.
Χρησιμοποιούμε θάλαμο καύσης ως παράδειγμα. Όταν χρησιμοποιείται η διάτρηση με παλμούς, ο θάλαμος καύσης περιστρέφεται πολλές φορές ταυτόχρονα κατά τη διάρκεια της διαδικασίας γεώτρησης. Σε αυτή την περίπτωση, χρειάζονται 5 παλμοί για τη διάνοιξη και χρησιμοποιούνται 2 παλμοί για να σχηματίσουν μια τρύπα σε σχήμα ανεμιστήρα. Συνήθως η μέγιστη συχνότητα επανάληψης αυτού του λέιζερ είναι 10 παλμοί ανά δευτερόλεπτο. Το λέιζερ ινών μπορεί να σχηματίσει μια οπή ανεμιστήρα με μακρύ παλμό. Εάν χρησιμοποιείται η ίδια περίοδος παλμού και η παλμική ενέργεια με το λέιζερ Nd: YAG, η ταχύτητα μπορεί να φθάσει το 10 φορές το αρχικό. Είτε μεμονωμένους είτε δύο μεγάλους παλμούς ή πολλούς παλμούς, μπορεί να επιτευχθεί η ίδια ποιότητα γεώτρησης. Επιπλέον, το λέιζερ ινών μπορεί επίσης να ρυθμίσει την περίοδο παλμών κατά τη διάρκεια και μετά τη διάτρηση, αντί να χρησιμοποιεί πολλαπλούς παλμούς όλη την ώρα, πράγμα που είναι ευεργετικό για την αποφυγή βλάβης στο σώμα.
Το χαρακτηριστικό γνώρισμα του λέιζερ λέιζερ είναι ότι μπορεί να εκπέμπει σε κατάσταση επίπεδης κορυφής, ενώ το λέιζερ Nd: YAG είναι κατά προσέγγιση Gaussian. Επομένως, χάρη στον τρόπο λειτουργίας επίπεδης κορυφής, όλη η ενέργεια του πρώτου υπερβαίνει το κατώτατο όριο εξάτμισης, ενώ ένα σημαντικό μέρος του τελευταίου βρίσκεται κάτω από το όριο. Μελέτες έχουν δείξει ότι για να επιτευχθεί το ίδιο αποτέλεσμα γεώτρησης υπό τις ίδιες συνθήκες, τα λέιζερ ινών χρειάζονται λιγότερη ενέργεια. Ο λόγος είναι η λειτουργία τετράγωνου κύματος + επίπεδης κορυφής. Ακριβώς λόγω αυτού του χαρακτηριστικού τα λέιζερ ινών είναι πιο αποτελεσματικά στη διάτρηση και λιγότερο θερμικά κατεστραμμένα. Με λιγότερες θερμικές βλάβες, τόσο το ξεφλούδισμα όσο και η αναμόρφωση θα βελτιωθούν.
Ένας από τους λόγους για τους οποίους τα λέιζερ Nd: YAG έχουν προσελκύσει μεγάλη προσοχή είναι οι μοναδικές ιδιότητες απόκλισης δέσμης. Το μέγεθος του σημείου μπορεί να αλλάξει με την αύξηση ή τη μείωση της ισχύος. Όσο η εστίαση επαναπροσδιορίζεται, μπορεί να επιτευχθεί το επιθυμητό διάφραγμα. Ορισμένα λέιζερ Nd: YAG ενσωματώνουν ένα εσωτερικό τηλεσκόπιο εστίασης για να αλλάξουν τη γωνία απόκλισης της δέσμης, αλλά αυτή η ρύθμιση απαιτεί υψηλό βαθμό επαγγελματισμού του χειριστή, χρονοβόρα και σωστές παραμέτρους, έτσι πολλοί άνθρωποι δεν είναι αισιόδοξοι. Σε αυτό το σημείο, το λέιζερ ινών είναι ακριβώς το αντίθετο. Επειδή το σχήμα εστίασης είναι τελείως κυκλικό, δεν θα αλλάξει όταν αυξάνεται ή μειώνεται η ισχύς και αν τοποθετηθεί στο σύστημα ένα κλιμακωτό τηλεσκόπιο, θα είναι σε θέση να αλλάξει άμεσα το μέγεθος του εστιακού σημείου κατά τη διάρκεια της γεώτρησης. Το εύρος είναι συνήθως 3-1.
Η ευελιξία των λέιζερ ινών είναι πολύ μεγαλύτερη από εκείνη των λέιζερ Nd: YAG. Αυτό οφείλεται κυρίως στο γεγονός ότι οι δίοδοι υψηλής απόκρισης του πρώτου μπορούν να αλλάξουν την περίοδο παλμού και τη στάθμη ισχύος κατά τη διάρκεια της γεώτρησης, επιτρέποντας στους χειριστές να χρησιμοποιούν διαφορετικά επίπεδα ισχύος και περιόδους παλμών για να δημιουργήσουν την επιθυμητή ακολουθία παλμών. Για παράδειγμα, ξεκινήστε με χαμηλή ισχύ, σύντομο παλμό και στη συνέχεια αυξήστε την ισχύ και τον παλμό σε μια ακολουθία που βασίζεται σε συγκεκριμένες απαιτήσεις γεώτρησης. Επειδή τα λέιζερ ίνας μπορούν να παράσχουν υψηλή ισχύ αιχμής στην κλίμακα kW ενώ προσαρμόζουν το μέγεθος των σημείων και την περίοδο παλμού (έως 10 μs), αρκεί μόνο ένα μηχάνημα.
Όταν χρησιμοποιείτε την τεχνολογία μανικιών, η ταχύτητα επεξεργασίας του λέιζερ ινών μπορεί να φτάσει 10 φορές εκείνη του λέιζερ παλμού Nd: YAG με αντλία λαμπτήρα. Όχι μόνο αυτό, το λέιζερ ινών μπορεί επίσης να μετατραπεί σε συνεχή παραγωγή έως και 2kW κατά τη διάτρηση κατά την πτήση για την επίτευξη κοπής υψηλής ταχύτητας. Για ορισμένα σχέδια καυστήρα, ο αριθμός αυτός μπορεί να ενισχυθεί περαιτέρω. Εν ολίγοις, τα λέιζερ παλμικής ίνας είναι ιδανικά για κοπή παχύτερων πλακών και εφαρμογών γεώτρησης υψηλής ταχύτητας.
