لیزر فایبر (Fiber Laser) شرکت IPG: برش فلزات با دقت میکرونی

لیزر فایبر که از دهه ۱۹۹۰ میلادی به طور گسترده تجاری شد، نوعی لیزر حالت جامد است که محیط تقویت‌کننده نور در آن فیبر نوری دوپ‌شده با عناصر نادر خاکی مانند ایتربیوم یا اربیوم می‌باشد. پرتو لیزر درون هسته فیبر تولید و تقویت می‌شود و نور پمپ از دیودهای لیزری پرقدرت به فیبر تزریق می‌گردد. این لیزرها معمولاً در طول موج‌های نزدیک به مادون قرمز، مانند ۱۰۶۴ تا ۱۰۸۰ نانومتر، کار می‌کنند و کارایی تبدیل الکترو-اپتیکی بیش از ۴۰ درصد ارائه می‌دهند.

شرکت آی‌پی‌جی فوتونیکس که پیشگام این فناوری است، لیزرهای فایبر را در قدرت‌هایی از چند وات تا بیش از ۱۰۰ کیلووات تولید می‌کند. این لیزرها در حالت پیوسته یا پالسی عمل می‌کنند و کیفیت پرتو نزدیک به حد پراش دارند که تمرکز فوق‌العاده‌ای فراهم می‌کند. لیزر فایبر با اندازه کوچک، مصرف انرژی پایین و نیاز به نگهداری بسیار کم، جایگزین برتر لیزرهای سنتی در صنایع پیشرفته شده و کاربردهای گسترده‌ای در برش، جوشکاری و پردازش مواد یافته است.

مشخصات فنی درباره لیزر فایبر (Fiber Laser) شرکت IPG

مشخصه	اطلاعات
نام فناوری	لیزر فایبر (Fiber Laser)
تولیدکننده	IPG Photonics
نوع لیزر	لیزر فیبر صنعتی
طول موج کاری	حدود 1060 تا 1080 نانومتر
حالت عملکرد	پیوسته (CW)، پالسی (Pulsed)، QCW
توان خروجی	از چند وات تا بیش از 100 کیلووات (بسته به مدل)
کیفیت پرتو	بسیار بالا با مقدار M² پایین
راندمان الکترو نوری	بالا، معمولاً تا حدود 30 تا 50 درصد
سیستم خنک کاری	هواخنک یا آب خنک (بسته به توان)
کاربردهای صنعتی	برش فلزات، جوشکاری، حکاکی، مارکینگ، ساخت افزایشی

معرفی لیزر فایبر

لیزر فایبر از دهه ۱۹۶۰ میلادی شناخته شد، اما کاربرد تجاری آن از دهه ۱۹۹۰ آغاز گردید. نخستین لیزر فایبر توسط الیاس اسنیتزر در ۱۹۶۱ ساخته شد، اما محدودیت‌های پمپاژ مانع پیشرفت بود. با توسعه دیودهای لیزری پرقدرت، پمپاژ کارآمد ممکن شد.

در لیزر فایبر، نور پمپ از دیودها به فیبر دوپ‌شده تزریق می‌شود و یون‌های نادر خاکی نور را تقویت می‌کنند. رزوناتور معمولاً با شبکه‌های براگ فیبری ساخته می‌شود که بازتابنده‌های دقیق هستند. این طراحی تمام‌فیبری، بدون نیاز به اپتیک آزاد، پایداری بالا و مقاومت در برابر آلودگی فراهم می‌کند.

لیزرهای فایبر مدرن قدرت بالا، کیفیت پرتو عالی و کارایی انرژی بالا دارند. شرکت‌های پیشرو مانند آی‌پی‌جی فوتونیکس این فناوری را تجاری کرده‌اند و کاربردها در برش، جوشکاری، مارکینگ و پردازش مواد گسترش یافته است.

معرفی شرکت IPG Photonics

شرکت آی‌پی‌جی فوتونیکس در سال ۱۹۹۰ توسط والنتین گاپونتسف در روسیه تاسیس شد. گاپونتسف پیشگام لیزرهای فایبر قدرت بالا بود و در ۱۹۹۸ مقر اصلی به ماساچوست ایالات متحده منتقل گردید. شرکت بر تولید لیزرهای فایبر صنعتی تمرکز دارد و تمام اجزای کلیدی مانند دیودهای پمپ و فیبرهای فعال را خود می‌سازد.

آی‌پی‌جی فوتونیکس رهبر جهانی لیزرهای فایبر است و محصولات آن در صنایع خودروسازی، هوافضا، الکترونیک و پزشکی استفاده می‌شود. شرکت نوآوری‌هایی مانند پمپاژ جانبی و دیودهای تک‌امیتر معرفی کرده که قابلیت اطمینان و کارایی را افزایش می‌دهد. تا سال ۲۰۲۵، آی‌پی‌جی فوتونیکس هزاران لیزر قدرت بالا فروخته و ارزش بازار آن میلیاردها دلار است.

ساختار کلی لیزر فایبر IPG

لیزرهای فایبر آی‌پی‌جی از معماری مدولار استفاده می‌کنند. اجزای اصلی شامل دیودهای پمپ تک‌امیتر، کوپلرهای پمپ، فیبر فعال دوپ‌شده و شبکه‌های براگ هستند. نور پمپ از دیودها به فیبر پمپ تزریق می‌شود و در فیبر فعال، پرتو لیزر تولید و تقویت می‌گردد.

در مدل‌های قدرت بالا، چندین ماژول فیبری ترکیب می‌شوند تا قدرت افزایش یابد بدون کاهش کیفیت پرتو. خروجی از فیبر تحویل پرتو خارج می‌شود که انعطاف‌پذیر است. سیستم خنک‌کننده آبی یا هوایی گرما را مدیریت می‌کند. این ساختار مدولار افزونگی ایجاد می‌کند و اگر یک دیود خراب شود، عملکرد کلی حفظ می‌شود. لیزرهای آی‌پی‌جی بدون اپتیک آزاد هستند که پایداری مکانیکی بالا فراهم می‌کند.

نقش فیبر نوری در تولید پرتو لیزر

فیبر نوری نقش اصلی در تولید و تقویت پرتو دارد. هسته فیبر با یون‌های نادر خاکی دوپ‌شده محیط تقویت‌کننده است. نور پمپ در پوشش داخلی چندحالته منتشر می‌شود و بارها هسته را قطع می‌کند تا جذب شود. این مکانیسم پمپاژ پوششی کارایی بالا فراهم می‌کند و پرتو لیزر در هسته تک‌حالته تقویت می‌شود که کیفیت پرتو عالی (M² نزدیک به ۱) ایجاد می‌کند. نسبت سطح به حجم فیبر بالا، دفع گرما را آسان می‌کند و قدرت بالا بدون آسیب حرارتی ممکن است. فیبر همچنین رزوناتور و مسیر تحویل پرتو است که سیستم را ساده و پایدار می‌سازد.

فناوری دیود پمپ در لیزرهای IPG

آی‌پی‌جی از دیودهای تک‌امیتر توزیع‌شده استفاده می‌کند نه بارهای دیودی سنتی. هر دیود مستقل است و خرابی یکی دیگران را تحت تاثیر قرار نمی‌دهد. این دیودها بر پایه فناوری مخابراتی ساخته شده‌اند و عمر طولانی (بیش از ۱۰۰ هزار ساعت) دارند.

پمپاژ جانبی اجازه می‌دهد چندین دیود به یک فیبر پمپ کنند بدون کاهش کیفیت. این فناوری کارایی بیش از ۵۰ درصد در برخی مدل‌ها فراهم می‌کند و خنک‌کننده ساده نیاز دارد. دیودهای آی‌پی‌جی روشنایی بالا و قابلیت اطمینان برتر دارند.

کیفیت پرتو لیزر (Beam Quality)

کیفیت پرتو در لیزرهای فایبر آی‌پی‌جی نزدیک به حد پراش است، با M² کمتر از ۱.۱ برای حالت تک‌حالته. این به معنای تمرکز عالی و عمق میدان زیاد است که برای برش دقیق و جوشکاری عمیق ایده‌آل است. حتی در قدرت‌های چند کیلوواتی، کیفیت حفظ می‌شود زیرا پرتو در هسته تک‌حالته محدود است. در مقایسه با لیزرهای سنتی، لیزرهای فایبر آی‌پی‌جی پرتو پایدارتر و یکنواخت‌تری ارائه می‌دهند که دقت پردازش را افزایش می‌دهد.

مقایسه لیزر فایبر IPG با لیزر CO₂

لیزرهای فایبر آی‌پی‌جی که از سال‌های ۲۰۰۰ میلادی به بازار آمدند، در مقایسه با لیزرهای CO₂ که دهه‌ها سلطه داشتند، برتری‌های چشمگیری نشان می‌دهند. کارایی انرژی لیزرهای فایبر بیش از ۴۰ تا ۵۰ درصد است، در حالی که لیزرهای CO₂ معمولاً تنها حدود ۱۰ درصد کارایی دارند. این تفاوت مصرف برق را تا ۹۰ درصد کاهش می‌دهد و هزینه‌های عملیاتی را به شدت پایین می‌آورد.

طول موج کوتاه‌تر لیزرهای فایبر (حدود ۱ میکرومتر) جذب بسیار بهتری در فلزات ایجاد می‌کند، به ویژه در مواد بازتابنده مانند مس، برنج و آلومینیوم که لیزر CO₂ در آن‌ها مشکل جدی دارد. سرعت برش در ورق‌های نازک با لیزر فایبر چندین برابر بیشتر است و لبه برش صاف‌تر و بدون اکسیداسیون سنگین می‌باشد. لیزرهای فایبر آی‌پی‌جی نیاز به تنظیم آینه و تعویض گاز ندارند، در حالی که لیزرهای CO₂ به نگهداری مداوم اپتیک و گاز نیاز دارند. حتی در ضخامت‌های بالا، مدل‌های جدید آی‌پی‌جی کیفیت نزدیک به CO₂ ارائه می‌دهند و در مجموع، لیزر فایبر آی‌پی‌جی گزینه اقتصادی‌تر و کارآمدتر برای اکثر کارگاه‌های مدرن است.

راندمان انرژی در Fiber Laser های IPG

لیزرهای فایبر آی‌پی‌جی که سری YLS-ECO آن‌ها در سال‌های اخیر معرفی شد، بالاترین راندمان انرژی را در میان لیزرهای صنعتی دارند. این سری کارایی بیش از ۵۰ درصد ارائه می‌دهد که دو برابر بسیاری از لیزرهای فایبر رقبا است. این راندمان به دلیل فناوری منحصربه‌فرد دیودهای تک‌امیتر و پمپاژ جانبی آی‌پی‌جی حاصل می‌شود.

در مقایسه با لیزرهای سنتی که بخش عمده انرژی را به گرما تبدیل می‌کنند، لیزرهای آی‌پی‌جی انرژی بسیار کمتری مصرف می‌کنند و نیاز به سیستم‌های خنک‌کننده بزرگ ندارند. این ویژگی نه تنها هزینه برق را به طور چشمگیری کاهش می‌دهد، بلکه صرفه‌جویی در طول عمر دستگاه معادل چندین برابر هزینه خرید آن است. لیزرهای فایبر آی‌پی‌جی با مصرف بهینه، کارگاه‌ها را قادر می‌سازند تا تولید را افزایش دهند بدون اینکه بار شبکه برق سنگین شود.

سیستم خنک‌کاری و مدیریت حرارتی

لیزرهای فایبر آی‌پی‌جی که از فیبرهای با نسبت سطح به حجم بسیار بالا بهره می‌برند، مدیریت حرارتی استثنایی دارند. گرمای تولیدشده به طور کارآمد در طول فیبر دفع می‌شود و اجازه می‌دهد قدرت‌های بسیار بالا بدون آسیب حرارتی تولید گردد. سیستم خنک‌کاری معمولاً آبی است و برای مدل‌های پرقدرت از چیلرهای خارجی استفاده می‌شود.

دیودهای تک‌امیتر آی‌پی‌جی گرمای کمتری تولید می‌کنند و با سیستم‌های خنک‌کننده ساده آب یا هوا کار می‌کنند. این طراحی پایداری پرتو را در طولانی‌مدت حفظ می‌کند و تغییرات دما تاثیر کمی بر کیفیت خروجی دارد. در لیزرهای چند کیلوواتی، سیستم‌های دو مدار خنک‌کاری جداگانه برای منبع لیزر و هد اپتیک وجود دارد که کنترل دقیق دما را تضمین می‌کند و عمر دستگاه را افزایش می‌دهد.

طول عمر منبع لیزر IPG

منبع لیزرهای آی‌پی‌جی که بر پایه دیودهای تک‌امیتر ساخته شده، طول عمر فوق‌العاده‌ای دارد. این دیودها بیش از ۱۰۰ هزار ساعت کار مداوم دوام می‌آورند که چندین برابر دیودهای بار یا استک سنتی است. طراحی افزونه، خرابی یک دیود را جبران می‌کند و عملکرد کلی را حفظ می‌نماید.

لیزرهای فایبر آی‌پی‌جی اغلب بیش از ده سال بدون کاهش قابل توجه قدرت کار می‌کنند، حتی در محیط‌های صنعتی سخت با گرد و غبار و لرزش. عدم نیاز به تعویض گاز، آینه یا قطعات مصرفی، زمان توقف تولید را تقریباً به صفر می‌رساند و قابلیت اطمینان را به سطحی بی‌نظیر می‌رساند.

کاربرد لیزر فایبر IPG

لیزرهای فایبر آی‌پی‌جی که در صنایع خودروسازی، هوافضا، الکترونیک و ساخت فلزات گسترده استفاده می‌شوند، کاربردهای متنوعی دارند. اصلی‌ترین آن‌ها برش دقیق ورق‌های فلزی، جوشکاری بدنه خودرو و باتری‌های الکتریکی، و مارکینگ قطعات است. در هوافضا برای برش تیتانیوم و کامپوزیت‌ها، در پزشکی برای ابزارهای دقیق و در انرژی برای پردازش پنل‌های خورشیدی به کار می‌روند.

قدرت بالا و کیفیت پرتو اجازه می‌دهد فرآیندهای سریع و بدون نقص انجام شود و بهره‌وری خطوط تولید را چندین برابر کند. این لیزرها همچنین در پاک‌سازی سطوح، پوشش‌دهی و حکاکی عمیق کاربرد دارند و صنایع را قادر می‌سازند تا محصولات با کیفیت بالاتر و هزینه کمتر تولید کنند.

عملکرد لیزر IPG در فولاد، آلومینیوم و مس

لیزرهای آی‌پی‌جی در پردازش فولاد کربنی و ضدزنگ عملکرد بی‌نظیری دارند و برش سریع با لبه صاف و بدون حرارت زیاد ایجاد می‌کنند. ضخامت تا ۵۰ میلی‌متر با کیفیت عالی ممکن است. در آلومینیوم، جذب بالای طول موج ۱ میکرومتر سرعت را بالا می‌برد و اکسیداسیون را به حداقل می‌رساند.

در مس و برنج که مواد بسیار بازتابنده هستند، لیزرهای فایبر آی‌پی‌جی برتری مطلق دارند و برش تمیز و تولیدمحور فراهم می‌کنند، در حالی که لیزرهای قدیمی در این مواد انرژی زیادی هدر می‌دهند. مدل‌های پرقدرت آی‌پی‌جی حتی در ضخامت‌های بالا کیفیت ثابت نگه می‌دارند.

دقت و تلرانس برش با لیزر فایبر

لیزرهای فایبر آی‌پی‌جی که کیفیت پرتو M² نزدیک به ۱ دارند، دقت برش در حد چند میکرومتر ارائه می‌دهند. تلرانس معمولاً کمتر از ±۰.۰۵ میلی‌متر است و لبه برش کاملاً عمود و بدون burr می‌باشد. تمرکز پرتو در نقطه بسیار کوچک، حرارت ورودی را کم می‌کند و تغییر شکل قطعه را به حداقل می‌رساند. دقت برای قطعات پیچیده خودرو، هوافضا و الکترونیک ایده‌آل است و نیاز به پردازش ثانویه را حذف می‌کند. سیستم‌های کنترل پیشرفته آی‌پی‌جی تکرارپذیری بالا تضمین می‌کنند.

لیزرهای آی‌پی‌جی با سیستم‌های کنترلی پیشرفته عرضه می‌شوند که یکپارچه‌سازی آسان با ماشین‌های تراش CNC را فراهم می‌کنند. نرم‌افزارهای اختصاصی آی‌پی‌جی پارامترها را به طور خودکار تنظیم می‌کنند و فرآیند را بهینه می‌نمایند. رابط‌های استاندارد مانند EtherCAT و Profinet ارتباط سریع با کنترلرهای صنعتی را ممکن می‌سازند. سیستم‌های نظارت زنده قدرت، کیفیت پرتو و وضعیت دیودها را گزارش می‌دهند و خطاها را پیش‌بینی می‌کنند. این یکپارچه‌سازی تولید هوشمند و Industry 4.0 را پشتیبانی می‌کند.

سوالات متداول درباره لیزر فایبر (Fiber Laser) شرکت IPG

لیزر فایبر IPG چیست و چه کاربردهایی دارد؟

لیزر فایبر IPG نوعی منبع لیزری صنعتی است که با استفاده از فیبر نوری تقویت‌شده، پرتو لیزر با توان بالا و کیفیت بسیار یکنواخت تولید می‌کند. این لیزرها به طور گسترده در برش فلزات، جوشکاری دقیق، حکاکی صنعتی، سوراخ‌کاری و حتی برخی کاربردهای پزشکی و تحقیقاتی استفاده می‌شوند. کیفیت بالای پرتو و پایداری توان، آن را به گزینه‌ای ایده‌آل برای خطوط تولید مدرن تبدیل کرده است.

مزیت اصلی لیزر فایبر IPG نسبت به لیزرهای CO2 چیست؟

مهم‌ترین مزیت لیزر فایبر IPG راندمان انرژی بسیار بالاتر آن است. این لیزرها مصرف برق کمتری دارند، نیاز به نگهداری پیچیده ندارند و عمر مفید قطعات آن‌ها بیشتر است. همچنین به دلیل طول موج کوتاه‌تر، جذب انرژی توسط فلزات بهتر انجام می‌شود که نتیجه آن سرعت و دقت بالاتر در فرآیند برش و جوشکاری است.

لیزرهای فایبر IPG در چه توان‌هایی تولید می‌شوند؟

شرکت IPG لیزرهای فایبر را در بازه وسیعی از توان‌ها، از چند ده وات برای کاربردهای ظریف و آزمایشگاهی تا چندین ده کیلووات برای برش و جوشکاری سنگین صنعتی تولید می‌کند. این تنوع توان باعث می‌شود صنایع مختلف، از کارگاه‌های کوچک تا کارخانه‌های بزرگ فولاد، بتوانند مدل مناسب نیاز خود را انتخاب کنند.

آیا نگهداری لیزر فایبر IPG دشوار است؟

در مقایسه با بسیاری از فناوری‌های لیزری دیگر، نگهداری لیزر فایبر IPG ساده‌تر است. این سیستم‌ها فاقد آینه‌های پیچیده و گاز مصرفی هستند و به همین دلیل نیاز کمتری به تنظیمات دوره‌ای دارند. در عمل، هزینه‌های تعمیر و توقف خط تولید به طور محسوسی کاهش پیدا می‌کند.

لیزر فایبر IPG چه تفاوتی با لیزر CO2 دارد؟

مهم‌ترین تفاوت در راندمان و طول موج است. لیزرهای فایبر IPG راندمان الکتریکی بسیار بالاتری نسبت به لیزرهای CO2 دارند و انرژی کمتری را به گرما و تلفات تبدیل می‌کنند. همچنین طول موج کوتاه‌تر لیزر فایبر باعث جذب بهتر انرژی توسط فلزات می‌شود و در نتیجه، سرعت برش افزایش یافته و کیفیت لبه‌ها به شکل محسوسی بهبود پیدا می‌کند.