Laserverwarming
Hoe werkt laserverwarming?
Bij laserverwarming wordt een product verwarmd door het te bestralen met licht van een hoge stralingsintensiteit, geproduceerd door een laser. Het product absorbeert een deel van de stralingsenergie; dit deel van de stralingsenergie wordt omgezet in warmte. De naam laser is een afkorting van de Engelse benaming: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation; ofwel lichtversterking door gestimuleerde emissie van straling.
De techniek van verwarmen met lasers lijkt op de techniek van verwarmen met infrarood. Echter het licht wat een laser produceert verschilt op een aantal punten van infraroodlicht. Een infrarood lamp produceert licht in een heel frequentiegebied. Een laser produceert licht van één frequentie, ofwel van één kleur. Een laser produceert licht in een zeer smalle bundel, die op grotere afstand weinig breder wordt, de lichtstralen lopen vrijwel parallel aan elkaar. De bundel heeft een relatief klein oppervlak, kleiner dan een vierkante millimeter. Daardoor is de energie-intensiteit per oppervlakte-eenheid hoog, hoger dan bij infrarood.
De laser
De opbouw van een laser wordt beschreven aan de hand van een gaslaser.
Het hoofdonderdeel van een gaslaser is een gasontladingsbuis. Over de buis wordt een hoge elektrische spanning gezet. Daardoor treden er elektrische ontladingen in deze buis op. Door deze ontladingen raken de atomen van het gas in een aangeslagen toestand, deze toestand is instabiel. Uiteindelijk vallen deze atomen weer terug naar de grondtoestand, waarbij ze licht uitzenden. In gewone gasontladingsbuizen, bijvoorbeeld bij TL-verlichting, wordt dit licht naar alle richtingen uitgezonden. Bij een laserbuis worden twee spiegels aan het uiteinden van de buis geplaatst die precies loodrecht op de as van de buis staan. Als het licht deze spiegel loodrecht raakt wordt het weer terug het gas in gekaatst en kan op zijn beurt weer een atoom aanslaan.
Normaal valt een aangeslagen atoom, na een bepaalde tijd, spontaan terug naar zijn grondtoestand. Treft het licht toevallig een atoom wat aangeslagen is, en bij terugvallen hetzelfde kleur licht zou produceren, dan wordt het aangeslagen atoom gestimuleerd om eerder terug te vallen. Dit is het proces van gestimuleerde emissie wat essentieel is voor de werking van de laser. Het resultaat is een lichtbron die in een richting parallel aan de as van de buis straalt. Om over dit licht te beschikken wordt een van de twee spiegels enigszins lichtdoorlatend gemaakt. Deze spiegel wordt zo uitgevoerd dat het grootste deel van het licht wordt teruggekaatst en maar een klein deel, door de spiegel heen, de buis verlaat. Op deze manier wordt dan een lichtbron verkregen die coherent, monochromatisch licht uitzendt, in een smalle bundel.
De methode om energie in het lasersysteem te brengen wordt het pompmechanisme genoemd. Bij de gaslaser was dat de gasontlading als gevolg van de elektrische spanning over de gasontladingsbuis. Het pompmechanisme kan bestaan uit een elektrische gasontlading, een boogontlading, een elektrische stroom of een sterke lichtflits.
Bij een robijnlaser wordt een flitslamp als pompmechanisme gebruikt. De robijnlaser en de flitslamp staan in de middelpunten van een ellips. Het licht wat de flitslamp uitzendt wordt dan geconcentreerd in het robijn en veroorzaakt daar aangeslagen atomen die uiteindelijk het laserlicht produceren.
Installatie
Voor industriële toepassingen worden verschillende typen lasers gebruikt. Voor het bewerken van materialen die om hoogvermogen lasers vragen, worden CO2- en Nd-YAG-lasers gebruikt. Vastestoflasers als diode- en glasvezellasers zijn in opkomst. De Nd-glas-, de robijn- en de excimeerlaser worden minder toegepast.
De CO2-laser is een gasgevulde laser. Het pompmechanisme voor de laser is een gasontlading. De laser zendt langgolvig infrarood licht uit. De Nd-YAG-laser is een vaste stof laser, deze laser zendt kortgolvig infrarood licht uit. Het pompmechanisme is een flitslamp of een andere lichtbron met een hoge lichtintensiteit. De Nd-YAG-laser wordt ook toegepast met hoge vermogens, het vermogen is wat lager dan van de CO2-laser.
De diodelaser is een vastestoflaser gebaseerd op een halfgeleider in de vorm van een diode. Het pompmechanisme is een elektrische stroom door de diode. De diodelaser wekt kortgolvig infraroodlicht op. Een glasvezellaser of fiberlaser is een vastestoflaser waarvan het licht via een glasvezel naar het te bewerken product wordt gevoerd.
De robijnlaser is eveneens een vaste stof laser gebaseerd op synthetisch robijn. De robijnlaser produceert zichtbaar rood licht. De robijnlaser is niet geschikt voor hoge vermogens en heeft een relatief laag rendement. De excimeerlaser is weer een gaslaser, in dit geval gevuld met een edelgas (argon, krypton of xenon) en een halogeengas (chloor, fluor, broom of jodium). De werking verschilt van de CO2-laser. Het licht wordt hier opgewekt met behulp van een chemische reactie tussen het edelgas en het halogeengas. Daarbij wordt een excimeerverbinding (ArF, XeF, XeCl e.d.) gevormd. De excimeerlaser zendt ultraviolet licht uit. Ook de excimeerlaser heeft een relatief laag continue vermogen en wordt in industriële processen met hoge vermogens alleen gepulst toegepast.
Voor- en nadelen
| Voordelen | Nadelen |
|---|---|
| nauwkeurig werken op kleine schaal | hoge investeringskosten |
| hoge vermogensdichtheden op een klein oppervlak | |
| hoge temperaturen kunnen worden bereikt | |
| bewerkingen worden aanrakingsvrij uitgevoerd | |
| geen mechanische krachten op het product tijdens een bewerking | |
| hoge bewerkingssnelheid | |
| na snijden geen nabewerking nodig | |
| na lassen geen nabewerking zoals gloeien nodig | |
| proces goed regelbaar | |
| proces eenvoudig te automatiseren | |
| geen rookgassen |
Toepassingen
Lasers worden veel in de industrie toegepast voor snijden, lassen en boren, vooral in metalen zoals aluminium en roestvrij staal. Daarnaast wordt de laser toegepast voor oppervlaktebewerkingen waaronder polijsten en markeren. De CO2-laser en de Nd-YAG-laser worden vooral gebruikt voor snijden en lassen. Vermogens van industriële CO2-lasers gaan tot rond de 20 kW.
Vastestoflasers zijn er tot vermogens van rond de 16 kW. Ze worden gebruikt voor snijden, lassen en microbewerkingen. Glasvezellasers, met vermogens tot 10 kW, zijn vooral geschikt voor het snijden van plaatdiktes tot ongeveer 30 mm. Vastestoflasers kunnen hun vermogen ook gepulst afgeven. Deze gepulste lasers worden gebruikt voor snijden, punt- en naadlassen en boren. De pulsduur ligt rond de 0,2 tot 50 milliseconde. Daarnaast zijn er ultrakortepulslasers met pulsduren van in de pico- (10-12) of femtoseconde (10-15). Deze worden ook gebruikt voor onder andere boren, snijden, oppervlaktebehandelingen en microbewerkingen. De vermogensdichtheden kunnen oplopen tot 1014 W/cm2.
De excimeerlaser wordt behalve voor boren en snijden ook toegepast voor speciale toepassingen, in het bijzonder voor oppervlaktebewerkingen. Enkele van deze toepassingen zijn het markeren van producten, het reinigen van schilderijen, het polijsten van metalen oppervlakken, het omzetten van chemische verbindingen en het verwijderen van dunne toplagen.
Bepaalde materialen zoals glas zijn transparant voor laserstralen. Dit biedt mogelijkheden om bepaalde bewerkingen binnen in een gesloten glazen omhulling uit te voeren zonder dat de ruimte van buiten toegankelijk hoeft te zijn.
Een nieuwe ontwikkeling is het toepassen van lasers in 3D-printers. Voor het vervaardigen van metalen onderdelen wordt een dun laagje metaalpoeder met een laser gesmolten in de vorm van het gewenste onderdeel. Het ongesmolten, resterende metaalpoeder wordt daarna verwijderd.
| Industriesector | Processen met laserverwarming |
|---|---|
| Metaal industrie | Snijden van metalen, boren van gaten in metalen, harden, coaten, reinigen en polijsten van oppervlakken, aanbrengen van markeringen |
| Meubelindustrie | snijden in hout |
| Rubber en kunststofindustrie | snijden en boren van gaten in rubber en kunststoffen; aanbrengen van markeringen |
| Textielindustrie | snijden van textiel |
| Glasindustrie | snijden van glas, aanbrengen van markeringen |
| Keramische industrie | boren van gaten in keramiek, aanbrengen van markeringen |
| Elektronische industrie | solderen van verbindingen op printplaten |
Voorbeelden toepassingen
Snijden van materialen
Het snijden van materialen met een laser gebeurt door het materiaal, zeer plaatselijk, sterk te verhitten. Dit is mogelijk door de zeer hoge vermogensintensiteit van de straling (tot 1000 kW/mm2), op een klein oppervlak (minder dan enkele mm2). Met een 4 kW CO2-laser kan bijvoorbeeld aluminium tot een dikte van 6 mm worden gesneden. De figuur geeft een beeld van het snijden met een CO2-laser. Het snijden met lasers wordt toegepast als het snijden, ponsen of stansen met conventionele middelen niet mogelijk is, of nadelen heeft. Het materiaal kan bijvoorbeeld te hard of te taai zijn. Het materiaal kan ook te zacht en te flexibel zijn zoals bij rubber, plastic en textiel.
Lassen en snijden met Nd-YAG-laser
Lassen met een laser is te vergelijken met het snijden van materialen. Alleen moeten metalen delen nu met elkaar worden verbonden. Er is minder energie nodig dan bij snijden omdat het materiaal niet verdampt maar alleen gesmolten hoeft te worden. De figuur geeft een beeld van een Nd-YAG-laser die behalve voor lassen ook voor snijden kan worden gebruikt. Met een laser kunnen ook zeer kleine soldeerverbindingen worden gemaakt zoals die voorkomen in elektronische apparatuur als computers, printers en dergelijke.
Boren van zeer kleine gaten in materialen
Met een laser kunnen gaten in een materiaal worden geboord op dezelfde manier als dat bij lasersnijden gebeurd. De techniek wordt vooral gebruikt voor het boren van gaten van kleine diameter en voor het boren van gaten in zeer harde of juist zachte materialen. Met lasers worden onder andere gaatjes geboord in diamant, keramische materialen, kunststoffolies, babyspenen, ventielen van spuitbussen en medicijncapsules. De figuur geeft een voorbeeld van het resultaat van het boren van een groot aantal kleine gaatjes tegelijk, in een polyamide folie. De diameter van de gaatjes is 8 micrometer, de afstand tussen de gaatjes is 25 micrometer. Door een masker voor de laser aan te brengen kunnen de gaatjes in één bewerking worden geboord. De gaatjes hoeven niet rond te zijn maar kunnen elke vorm aannemen.
Merken van producten met een laser
Lasers worden ook gebruikt voor lithografische bewerkingen. Producten worden gemerkt door er, met een laser, een kenmerk in te markeren. Zeer harde maar ook zachte materialen kunnen worden gemerkt, bijvoorbeeld glas, kunststof, staal en diamant. De merkjes kunnen heel klein zijn, bijvoorbeeld bij het merken van computerchips. De figuur geeft een voorbeeld van het merken van het hologram van een creditcard. De creditcard in de figuur bevat twee hologrammen op elkaar. In deze hologrammen is het rekeningnummer gemarkeerd in het bovenste hologram door de zeer dunne laag van het bovenste hologram te verwijderen. Door de cijfers is het onderste hologram weer zichtbaar. Dit vraagt een grote nauwkeurigheid van de bewerking in de diepte, de hologramlaag is maar enkele microns dik.
Links voor aanvullende informatie
| Onderwerp | Link |
|---|---|
| Verwarmen met een laser | lasersnijden |
| Laser licht | laserlicht |