Systém vektorového vychyľovacia lúča bol prvý krát použitý u Nd:YAG laseru v roku 1969. Pre CO2 lasery sa predstavil uvedený systém na začiatku 80. rokov.
Vychyľovací systém je tvorený sústavou dvoch zrkadiel umiestnených tak, aby dochádzalo k vychyľovaniu v oboch osách (XY). Tomuto spôsobu sa hovorí PEN TYPE. Je to ako kreslenie perom. Laser značí presne, ako keď kreslíme perom, pri premiestnení na inú polohu pero zdvihneme a laser vypneme a zapneme ho až s „dotykom pera“ povrchu. Za vychyľovaciu sústavou zrkadiel je optika, ktorá sústreďuje laserový lúč do ohniska. Voľbou typu optiky meníme veľkosť značeného povrchu a tiež i vlastnosti značenia (hrúbka čiary a krok, čiže vzdialenosť medzi ďalšou čiarou – niečo ako rozlíšenie).
Legenda: 1- laserový zdroj, 2- beam expander, optika rozširujúca lúč, 3 a 4 - galvo motory pre X a Y osu so zrkadlami smerujúcimi na lúč 5 - výstupná optika laseru
Princíp značenia SOLARIS laseru
Vlastné značenie na povrch predmetu je pôsobenie laserového lúča na povrch predmetu. Pôsobíme teda značnou energiou na malú plochu povrchu. Vlastný laserový lúč je sústavou optiky sústredený do ohniska optiky.
Výsledná tlač je sústavou kriviek, teda ide o spojitý obrazec, bez vybodkovania alebo bez použitia masky. Nádherné krivky. Spojitý presný tvar kriviek, ktorý je možné získať z textu, grafiky, pričom je podporovaný formát CAD, alebo CorelDraw! Výsledkom je nadštandardne presné značenie na väčšinu povrchov. Dáta k tlači môžu mať meniacu hodnotu s časom, preto je možná tlač z databázy, dáta, času, čísla smeny, počtu výrobkov.
Predmet môže byť staticky alebo dynamicky sa pohybujúci, pre oba systémy je možné použiť jeden typ nášho SOLARIS laseru.
Značenie do predmetu je teda deštruktívne nevratná zmena jeho povrchu. Dokáže teda vypariť látku. Používa sa to ku značeniu na lakované, eloxované, farbené povrchy, keď odparíme povrch laku, farby... a vytvoríme viditeľný nápis. Rôzne povrchy majú rôzne vlastnosti svojich zmien, niektoré menia farebné vlastnosti (niektoré plasty), iné sa odparujú. Sklenený povrch je možné značiť na povrchu, alebo zaostriť optiku dovnútra skleneného povrchu a značiť vo vnútri skla, tým meníme vlastnosti materiálu. Vždy majme na pamäti mechanické poškodenie povrchu, ktoré môže mat vplyv na výsledné vlastnosti predmetu, príkladom sú PET fľaše, keď znížime tlakovú pevnosť fľaše. Naviac ide o nevratnú zmenu, preto pozor, kde značíme, keď ide o vratné fľaše.
Nejde značiť úspešne s CO2 laserom kovy (v podstate majú vysokú tepelnú vodivosť a je potreba vysoký výkon – alebo použiť YAG laser, vláknové lasery, ktoré pracujú na inej vlnovej dĺžke IR).
Ďalšou kapitolou sú YAG lasery a vláknové lasery. Základom je kryštál yttrio granátu s prímesou neodymu alebo chrómu. Ide často o Nd:YAG označované lasery, čo je Neodymium: Ytterium Aluminium Garnet, ale sú i ďalšie lasery nazývané napríklad Vanádiové, teda NdYVO4 alebo Lithium Fluoridové teda Nd:YLF. K inicializácií stačí obyčajná žiarovka a konštantný výkon je i okolo 300 W. Na inicializáciu sa v priemysle používa výkonná výbojka alebo blok LED laserových diód. Oproti vláknovým laserom majú veľmi malú životnosť, ale zase málinko iné vlastnosti pri značení do plastov (robia často kontrastnejšie značenie ako vláknové lasery).
Princíp skenovacej hlavy a vektorová tlač
Vektorové značenie znamená, že laserový lúč začína v bode danom súradnicami a prechádza na ďalšie súradnice tak, ako je zobrazené na obrázku. Skenovacie zrkadlá majú istú hmotnosť a z toho plynie i dynamická zotrvačnosť, to znamená, že keď sa rozbehnú zrkadlá na nejakú rýchlosť, tak ich zastavenie vyžaduje nejaký čas a zrkadlá prekmitnú cez bod, kde by mali zastaviť a vrátia sa na ďalší východiskový bod. Z toho vyplýva jednoduchá rovnica, čím vyššia rýchlosť laserového žiarenia, tým musí byť menšia hmotnosť zrkadiel na galvu. Každý laser má nastavenie niekoľkými oneskoreniami, ktoré práve eliminujú prekmity a zlepšujú dokresľovanie znakov. Správne pochopenie oneskorenia (Delays) u nastavenia skenovacej hlavy má za následok zrýchlenie značenia a skvalitnenie značenia. Naopak nesprávne nastavenie nedokresľuje vektory a zostávajú otvorené písmenka napr. O alebo nuly.
Vektorový laser funguje ako pero, keď kreslí na papier. Položíte ho a pohybujete ním, tak kreslí, zdvihnete ho, tak prestane kresliť.
Presnejšie je to vtedy, keď je pero atramentové a píšete na sací materiál – ako s perom stojíte, tečie atrament a rozpíja sa po papieri. Podobne to je s laserom, položíte lúč a nehýbete s ním, prenáša sa energia a prepaľujú sa miesta, alebo laser robí bodky v mieste položení lúču. Toto sa nastavuje v parametroch laseru funkciou Oneskorenie (Delay) s indexom Pero dole. Rovnako ako rozbehnete lúč a na konci krivky ho musíte zdvihnúť, toto sa nastaví funkciou Oneskorenie (Delay) s indexom Lúč hore. Laser má viac nastavení oneskorenia, ako je oneskorenie medzi vektormi, oneskorenie medzi vrstvami atď. Správnym nastavením sa eliminuje mimo iné zotrvačná hmotnosť zrkadiel skenovania – vychyľovacie hlavy a prepaľovanie laserovým lúčom pri začiatku vektoru a tiež nedokresľovanie koncu vektoru.
Vlastná výkonová elektronika skenovacej hlavy ovládajúca galvomotory je najčastejšie analógová. Používajú sa analógové galvomotory. Skôr by bolo lepšie napísať galvoservo, pretože vlastný galvoaktuátor má na svojej ose rotoru ešte pripevnený kapacitný enkodér, teda snímač polohy vychýlení galva, teda zrkadla. Vychýlenie je niekoľko málo desiatkach stupňov, väčšinou napríklad okolo 40°.
Veľkosť galva udáva jeho točivý moment a teda i veľkosť zrkadla, s ktorým dokáže hýbať. Prechádzajúcim prúdom sa galvo zahrieva a jeho maximálna teplota môže byť až 110°C, z toho vyplýva tiež tepelná stabilita celého systému a následná presnosť značenia. Pre predstavu, prúdy do skenovacieho galva používaného v značiacich skenovacích hlavách sú okolo 3 A. Galvo znesie špičky prúdov až 20 A. Platí, že čím je tepelne stabilnejšie galvo, tým je presnosť značenia stabilnejšia. Tepelná odchýlka môže byť typicky 5 μrad/°C (mikroradiánov na stupeň celzia). Rýchlosť galva je napríklad na pohyb a ustálenie o 0,1° približne
100 µs (mikrosekúnd).
Snímač polohy býval kedysi odporový, ale dnes je takmer nepoužívaný a je v ponuke kapacitný snímač polohy. Jeho presnosť, linearita je 99,9% cez 20° a napríklad typicky 99,5% pre 40° mechanických stupňov.
Vzhľadom k analógovému kapacitnému snímaniu polohy galva, je použitá analógová elektronika skenovacej hlavy. Analógová je teda spätná väzba o polohe galva. Ovládanie motoru galva je možné mať analógové alebo digitálne. Analógové je stále rýchlejšie než digitálne, ale stabilita a presnosť závisí na PID regulátore a spätnej väzbe elektroniky. Vyladením PID regulátoru a analógového budiča, sa dá dosiahnuť omnoho vyššia rýchlosť než u digitálnych skenovacích hláv. Existujú varianty digitálnych hláv, kde nie je použitá žiadna spätná väzba o polohe a iba sa budí motor galva a predpokladá sa ustálenie polohy za nejaký čas (empiricky zistený). Hybridné digitálne hlavy obsahujú budiacu časť pre motor a spätnú väzbu a digitálna časť je na vstupe do skenovacej hlavy.
Digitálna skenovacia hlava má obvykle 12bit slovo (rozlíšenie 4096 bodov na hranu značiacej plochy) alebo i väčšiu hodnotu 16bit. Rýchle prevodníky sú drahé a vysoká rýchlosť u prevodníkov je tiež drahá, takže tu je kompromis medzi cenou a parametrami rýchlosti. Niekedy je riadiaca jednotka so 16bit prevodníkom a skenovacia hlava je 12bit, potom sa stavové slovo doplní o nuly na rozsah pre 12bit prevodník (z 16bit slova sa urobí 12bit).
Skenovacia hlava má vďaka PID regulátoru časovú závislosť na ustálenie polohy, PID regulátor je naopak veľmi presný a rýchly. Parametre ustálenia sa nastavujú softwarovo, povieme nastavujeme práve charakteristiku PID regulátoru a optimalizujeme značenie. Je možnosť nastaviť oneskorenie:
Before Down
Zapálenie laseru ešte skôr a potom sú bodky pred vlastním započatím pálenia písmenka, galvo nedošlo na polohu, ale laser je už zapálený).
Before down delay:
Typická hodnota 350 µs (malé zrkadlá menšia hodnota napr.. 250 µs, väčšie zrkadlá, väčšia hodnota).
After down delay:
Pre vláknový laser sa nepoužíva tak často, väčšinou je 0 (niekedy sa dá 50 µs). Galvo tak čaká na laser, než sa zapáli (prepálenie produktu na začiatku pálení).
Between vector delay:
Zmena vektoru na iný smer a čakanie na tejto polohe pred rozbehnutím na inú polohu. To sa často nepoužíva, ale niekedy je dobré nastaviť okolo 20 µs.
Before up delay:
Keď nedopisuje vektor, dáva sa napríklad 150 µm.
Jump Delay:
Je pre značenie za pohybu na dopravníku (nepoužíva sa pri statickom značení).
Power step
Iba pre CO2 lasery - hodnota sa pohybuje od 1 do 9. Jedná sa o parametre, ktoré definujú radu krokov, v ktorom výkon laseru dosahuje požadované hodnoty. Typická je hodnota 1.
Power delay:
Hodnota sa pohybuje od 0 do 255. Je to doba oneskorenia štartu laserovej emisie vo vzťahu ku snímacej hlave. Typická hodnota je 0 až 50. Tento typ oneskorenia môže nahradiť doby omeškania.
Before layer delay:
Niekedy sa používa v ms, napríklad 500 ms.
Passes:
Opakovanie značenia do rovnakého miesta.
Wobbling:
Hodnota sa pohybuje v rozmedzí 0 až 15. Jedná sa o parameter vytvárajúci chvenie čiar a textu. Pomocou parametru sa dá získať široká linka. Typická hodnota je 0.
Optika laseru
Optika laseru má AR coating, čo je povrchová úprava optiky, aplikovaná na šošovky, ktorá zabraňuje, respektíve obmedzuje odrazivosť svetla od povrchu, čo zlepšuje transmitanci – prenos laserového lúču. Pre CO2 lasery sa používa optika ZnFe, preto majú nažltnutý nádych. Existuje tu termín Feeding light – laserové svetlo, ktoré ide späť do laserového oscilátoru, po tom čo sa laserový lúč dostane na produkt a odrazí sa späť cez optiku do oscilátoru. Tento odrazený lúč nie je vhodný pre správny chod laseru, preto sa používa optický izolátor.
Optický izolátor je súčiastka rozdielne polarizovaných sklíčok, ktoré zabránia odrazenému laserovému lúču prejsť spať do laserového zdroja. Je tu predpoklad, že laserový lúč je smerovo polarizovaný. Niektorí výrobcovia laserov veľmi riskujú na úkor ceny laseru a nedávajú do svojich systémov Optický izolátor, čo môže veľmi rýchlo poškodiť laserový zdroj, alebo v lepšom prípade odrazený lúč iba zníži výkon laseru.