4 Lasertypes Vergeleken: CO2, Fiber, Diode & UV

Waarom het lasertype de eerste keuze is bij een lasermachine

Ken je het basisprincipe van een laser - licht versterkt door gestimuleerde emissie - nog niet? Lees dan eerst: Wat is een Laser en Hoe Werkt Het?. Vanuit dat gedeelde uitgangspunt lopen lasermachines sterk uiteen, afhankelijk van de gebruikte laserbron.

De bron bepaalt drie praktische zaken: met welke materialen de bundel reageert, hoe de machine is opgebouwd en onderhouden wordt, en wat het gebruik op termijn kost. Een CO2-buis, een fibermodule, een diode-array en een UV-bron op basis van een kristal zijn vier verschillende technologieën, elk met een eigen golflengte, een eigen manier van lichtopwekking en - in sommige gevallen - een eigen bedrijfsmodus, zoals continu of gepulseerd.

De gebruikskosten volgen een vergelijkbaar patroon. CO2-buizen en diodemodules zijn doorgaans goedkoper om afzonderlijk te vervangen, maar fiberlaserbronnen gaan bij continu gebruik aanzienlijk langer mee. De totale eigendomskosten hangen minstens zoveel af van het gebruikspatroon als van de aanschafprijs.

Een machine met de ene bron is geen sterkere of zwakkere versie van een machine met een andere bron - de bron bepaalt wat de machine wel en niet kan, ongeacht het vermogen dat wordt toegevoegd.

CO2-lasers

CO2-lasers zijn al decennia de standaard voor het bewerken van organische materialen. De werking, de sterke punten en de grenzen van deze technologie worden hieronder uitgelegd.

Hoe werkt een CO2-laser?

Een CO2-laser wekt zijn bundel op in een verzegelde buis gevuld met een gasmengsel - meestal koolstofdioxide, stikstof en helium. Een elektrische ontlading brengt de gasmoleculen in een aangeslagen toestand, waardoor licht ontstaat met een golflengte van 10,6 µm, in het verre infrarood.

Deze golflengte wordt efficiënt geabsorbeerd door organische materialen: de moleculaire bindingen in hout, acryl en vergelijkbare materialen reageren goed op infraroodenergie bij deze frequentie. Metalen reflecteren deze golflengte grotendeels in plaats van hem te absorberen, wat beperkt wat een CO2-laser bij gangbare machinevermogens kan bewerken. De bundel loopt via een reeks spiegels naar de focuslens; de uitlijning van deze spiegels beïnvloedt de snijkwaliteit en maakt deel uit van het reguliere onderhoud.

Waar is een CO2-laser het meest geschikt voor?

CO2-lasers zijn de standaardbron voor cnc-lasersnijders en -graveermachines voor niet-metalen materialen: hout, acryl, textiel, leer, papier en rubber. Tafelmodellen en CO2-kleine werkplaatsmachines hebben doorgaans een vermogen tussen de 40 W en 150 W, terwijl industriële CO2-systemen voor niet-metalen materialen enkele honderden watt kunnen bereiken. Met een buis van 150 W of meer en een gespecialiseerde snijkop kunnen sommige CO2-machines ook dun staal snijden - tot circa 1,5 mm met een goed resultaat, en tot 2-3 mm met enig kwaliteitsverlies aan de snijrand.

Krachtige CO2-lasers - doorgaans vanaf 1,5-2 kW, oplopend tot 6 kW of meer voor dikkere platen - worden in de zware industrie wel ingezet voor metaalbewerking. Bij 40-150 W blijft CO2 echter een technologie voor niet-metalen materialen: dat vermogen volstaat niet om onbewerkt metaal te snijden, ongeacht de machine-instellingen.

Een volledige uitleg van de bundelopwekking en de verschillende CO2-buistypen staat in "Wat is een CO2-Laser: Hoe CO2-Lasertechnologie Werkt".

Fiberlasers

Fiberlasers (ook wel vezellasers genoemd) vormen de belangrijkste technologie voor het bewerken van metaal. De onderstaande secties leggen uit hoe deze bron werkt en waarvoor hij wordt ingezet.

Hoe werkt een fiberlaser?

Een fiberlaser is een solid-state laser die een met ytterbium gedoteerde optische vezel als versterkingsmedium gebruikt. Diodelasers pompen energie in deze vezel, die het licht versterkt en uitzendt bij ongeveer 1,06 µm (1064 nm) - een golflengte in het nabij-infrarood.

In tegenstelling tot de 10,6 µm van CO2 wordt deze golflengte effectief geabsorbeerd door metalen, waaronder staal, aluminium, messing en koper. Dat maakt fiber de dominante bron voor lasermachines die metaal bewerken.

Fiberlasers werken in twee hoofdmodi: continuous wave (CW), waarbij de bundel op constant vermogen werkt - gangbaar bij snijden en lassen - en gepulseerde of MOPA-configuraties (Master Oscillator Power Amplifier), waarmee pulsduur en piekvermogen onafhankelijk van elkaar te regelen zijn. MOPA-fiberbronnen worden veel gebruikt bij markeren en graveren, waar precieze controle over de pulsenergie de kleur, diepte en oppervlaktekwaliteit bepaalt.

Waar is een fiberlaser het meest geschikt voor?

De combinatie van een op metaal gerichte golflengte en flexibele CW/gepulseerde werking maakt fiberlasers geschikt voor meerdere machinecategorieën: snijmachines voor plaatmetaal, markeersystemen voor serienummers en barcodes, lassystemen en reinigingssystemen die roest, verf of coatings van metalen oppervlakken verwijderen.

Doordat de door de vezel geleide bundel over een klein oppervlak scherp gefocust blijft, behalen fiberlasers een fijne detaillering en hoge verwerkingssnelheden op metaal, vergeleken met oudere solid-state lasers bij vergelijkbaar vermogen. Fiber heeft technologieën zoals Nd:YAG grotendeels verdrongen: hogere elektrische efficiëntie, langere levensduur en minder onderhoud, omdat er geen flitslamp of laserkristal te vervangen is.

De meeste kleine en middelgrote productiebedrijven gebruiken fiber-snijmachines in het bereik van 1-6 kW. Machines onder 1 kW verwerken doorgaans dunne plaat tot circa 3 mm, terwijl systemen boven 12 kW worden ingezet voor het snijden van dikke plaat in de zware industrie.

De levensduur van de fiberbron is een praktisch voordeel ten opzichte van CO2. Fabrikanten zoals IPG Photonics noemen levensduren van meer dan 100.000 uur voor pompdiodes op basis van telecom-grade single emitters. Andere bronnen in de sector noemen vaker een praktisch bereik van 80.000-100.000 uur voor de bekendere merken (IPG, Raycus, MAX Photonics), met middensegment-bronnen meestal in het bereik van 60.000-90.000 uur - in beide gevallen aanzienlijk langer dan een glazen CO2-buis, wat samenhangt met het ontbreken van gas of optische onderdelen die slijten binnen in de bron.

Een fiberlasermachine is geen eenduidig producttype. Een fiber-snijmachine, een fiber-markeermachine en een fiberlasser zijn verschillende machines die op dezelfde brontechnologie zijn gebaseerd. Elk daarvan wordt verder uitgewerkt in "Wat is een Fiberlaser: Hoe Fiberlasertechnologie Werkt".

Diodelasers

Diodelasers vormen de instapcategorie voor lasermachines. Hieronder staat hoe deze bron werkt en op welke punten hij verschilt van de andere drie types.

Hoe werkt een diodelaser?

Een diodelaser zet elektrische stroom rechtstreeks om in licht bij een halfgeleider p-n-overgang - er is geen gas, vezel of kristal als versterkingsmedium nodig. In lasermachines zoals graveermachines en snijders zenden diodelasers meestal licht uit bij 445-450 nm, een blauwe golflengte.

Dit is een andere toepassing van diodetechnologie dan de pompdiodes in fiber- en DPSS-lasers, die op ongeveer 800-980 nm werken - een onderscheid dat in productbeschrijvingen regelmatig door elkaar wordt gehaald.

Diodelasers produceren ook een groter gefocust puntoppervlak dan gas- of fiberlasers bij vergelijkbaar vermogen. Dat beïnvloedt de precisie en snijdiepte: een diodelaser kan fijne details graveren op dunne materialen, maar snijdt langzamer en minder diep dan een fiber- of CO2-laser bij hetzelfde opgegeven vermogen. Bij gedetailleerde ontwerpen kan dit verschil in bundelkwaliteit ook invloed hebben op hoe scherp erg fijne lijnen worden weergegeven, al valt dat verschil bij de meeste hobbyprojecten nauwelijks op.

Waar is een diodelaser het meest geschikt voor?

Diodelasers zijn de standaardbron voor instap- en desktopgraveermachines en -snijders voor dunne organische materialen - plywood, lindehout, leer, karton en sommige kunststoffen (met de nodige voorzichtigheid, want bepaalde kunststoffen geven bij elk lasertype schadelijke dampen af tijdens het snijden).

Eén punt verdient aandacht bij het vergelijken van specificaties: fabrikanten geven het vermogen van diodelasers vaak op als elektrisch ingangsvermogen, niet als optisch uitgangsvermogen. Een module die als "40 W" wordt verkocht, kan een aanzienlijk lager werkelijk optisch vermogen hebben dan het label suggereert - soms met een groot verschil, afhankelijk van de fabrikant. Het optisch uitgangsvermogen controleren, in plaats van alleen op het genoemde getal af te gaan, geeft een betrouwbaardere basis om machines te vergelijken.

Diodemodules verliezen bovendien geleidelijk optisch vermogen gedurende hun levensduur en vragen periodiek reinigen van de lens, maar hebben verder geen optische onderdelen die vervangen moeten worden. Fabrikanten geven voor diodemodules in lasermachines meestal een levensduur op van 10.000-20.000 uur, al kunnen goed onderhouden modules in een koelere werkomgeving dit overschrijden.

Het volledige onderscheid tussen graveerdiodelasers en pompdiodes staat uitgelegd in "Wat is een Diodelaser: Hoe Diodelasertechnologie Werkt".

UV-lasers

UV-lasers zijn de meest gespecialiseerde categorie van de vier, gericht op materialen die niet tegen warmte kunnen. Hieronder volgt de werking en de belangrijkste toepassingen.

Hoe werkt een UV-laser?

Een UV-laser in een lasermachine is een diode-gepompte solid-state laser (DPSS). De kern is een met neodymium gedoteerd kristal, dat een eerste bundel produceert in het nabij-infrarood.

Deze bundel gaat vervolgens door niet-lineaire kristallen die hem omzetten naar de derde harmonische, met een uitgangsgolflengte van ongeveer 355 nm, in het ultraviolet. Omdat deze omzetting via niet-lineaire kristallen verloopt en niet via een ander versterkingsmedium, delen UV-laserbronnen onderdelen met andere DPSS-lasers, al zijn de optiek en de kristallen specifiek afgestemd op ultraviolette output. UV-lasers werken met korte pulsen in plaats van continu licht, waarbij elke puls in de orde van nanoseconden duurt.

De combinatie van een korte golflengte en een korte pulsduur levert wat bekendstaat als koude bewerking op: de laserenergie wordt aan het materiaaloppervlak geabsorbeerd en veroorzaakt een fotochemische reactie in plaats van een thermische. Het resultaat is een aanzienlijk kleinere warmte-beïnvloede zone dan bij CO2-, fiber- of diodelasers op hetzelfde materiaal.

Waar is een UV-laser het meest geschikt voor?

Koude bewerking maakt UV-lasers geschikt voor materialen die al bij korte blootstelling aan warmte beschadigd raken. Bij warmtegevoelige kunststoffen kan een CO2- of fiberlaser het omliggende materiaal laten smelten of verkleuren; een UV-laser markeert het oppervlak zonder die effecten. Bij glas geldt hetzelfde principe - UV voorkomt de microscheurtjes die thermische lasers rond de markering kunnen veroorzaken.

Deze eigenschappen maken UV-lasers gangbaar bij het markeren van voedsel- en farmaceutische verpakkingen, waar het proces de chemische samenstelling of structurele integriteit van het verpakkingsmateriaal bij de markering niet mag aantasten.

UV-bronnen (DPSS) vragen over het algemeen het meeste onderhoud van de vier types - de niet-lineaire kristallen voor frequentieomzetting zijn gevoelig voor vervuiling en degraderen sneller dan een fiberlaserbron. Foto-schade en vervuiling van de niet-lineaire kristallen op het focuspunt zijn een bekend degradatiemechanisme; sommige commerciële UV-lasers verhelpen dit door de bundel periodiek naar een onbeschadigd deel van het kristal te verschuiven. Fabrikanten geven voor UV-DPSS-bronnen meestal een levensduur op van 10.000-20.000 uur, wat zowel de levensduur van de pompdiode als de degradatiesnelheid van het kristal weerspiegelt.

UV-lasers zijn niet simpelweg "duurdere fiberlasers". Een fiberlaser met meer vermogen levert meer thermische energie; een UV-laser verandert de aard van de interactie tussen bundel en materiaal. Dat verschil komt voort uit golflengte en pulskarakteristieken, niet alleen uit vermogen. Meer detail staat in "Wat is een UV-Laser: Hoe UV-Lasertechnologie Werkt".

Lasertypes vergeleken

De tabel hieronder zet golflengte, werkingsprincipe, typisch vermogensbereik, elektrisch rendement, geschatte levensduur van de bron, hoofdmaterialen en gangbare machinetypes voor de vier besproken lasertypes naast elkaar.

Deze cijfers zijn typische bereiken, geen vaste grenzen - de exacte specificaties verschillen per fabrikant en model. Het diodebereik in de tabel geeft het optisch vermogen weer; zoals de sectie over diodelasers uitlegt, verwijst het opgegeven wattage vaak naar het elektrisch ingangsvermogen, dat aanzienlijk hoger kan liggen dan het werkelijke optisch vermogen.

Welk lasertype past bij jouw project?

Materiaalcompatibiliteit is het eerste selectiecriterium; vermogen en budget komen daarna. Bij lasermachines op het vermogensniveau van een werkplaats of kleine onderneming bepaalt de golflengte van elk lasertype welke materialen het kan bewerken - ongeacht het machinevermogen.

• Snijden of graveren van hout, acryl, leer of textiel: CO2 is de gevestigde keuze voor werkplaatsen en kleine bedrijven; diodelasers zijn geschikt voor hobbymatig graveren van dunnere materialen bij een lagere instapprijs.
• Snijden, markeren, lassen of reinigen van metaal: fiber is van de vier types de enige praktische optie - de golflengtes van CO2, diode en UV worden niet effectief geabsorbeerd door de meeste metalen.
• Warmtegevoelige kunststoffen, glas, markering van voedsel-/farmaceutische verpakkingen, of sterk reflecterende metalen (koper, goud en vergelijkbare metalen): UV voorkomt de verkleuring en microscheurtjes die thermische lasers bij warmtegevoelige materialen kunnen veroorzaken, en de korte golflengte wordt goed geabsorbeerd door reflecterende metalen die fiberlaserenergie juist verstrooien.

Sommige machines combineren opzetstukken rond één bron, maar in de regel vormt elk hier genoemd lasertype een eigen productcategorie, geen toevoegoptie. Budget speelt pas een rol nadat materiaalcompatibiliteit het aanbod heeft ingeperkt - kiezen op prijs alleen, voordat is vastgesteld of het lasertype het beoogde materiaal kan bewerken, is de meest gemaakte en kostbare fout.

Laserclassificatie en veiligheidseisen (behuizingen, interlocks, veiligheidsbrillen) verschillen eveneens sterk tussen deze lasertypes - zie "4 Laserklassen: De Complete Gids" voor meer informatie voordat je apparatuur kiest.

Veelgestelde Vragen

Kan een CO2-laser metaal snijden?

Met een standaard desktopbuis (40-150 W) niet - dat vermogen volstaat niet om onbewerkt metaal te snijden. Met een buis van 150 W of meer en een gespecialiseerde snijkop kunnen CO2-machines wel dun staal snijden: tot circa 1,5 mm met een goed resultaat en tot 2-3 mm met enig kwaliteitsverlies aan de rand. Boven die dikte is een fiberlaser de praktischere keuze, omdat deze bij vergelijkbaar vermogen efficiënter snijdt en een betere kwaliteit behoudt op dikkere plaat.

Is een diodelaser net zo krachtig als het opgegeven wattage suggereert?

Vaak niet. Fabrikanten geven het wattage van diodelasers doorgaans op als elektrisch ingangsvermogen, niet als optisch uitgangsvermogen - de daadwerkelijke lichtenergie die het materiaal bereikt, kan aanzienlijk lager liggen dan het opgegeven getal, soms met een groot verschil. Het optisch vermogen controleren geeft een betrouwbaardere vergelijking tussen machines.

Waarom zou ik een UV-laser gebruiken in plaats van een fiberlaser?

UV-lasers werken met koude bewerking - korte pulsen bij 355 nm die oppervlakken markeren met minimale warmteoverdracht. Dat is relevant bij warmtegevoelige kunststoffen, glas en voedsel- of farmaceutische verpakkingen, waar de thermische energie van een fiberlaser het materiaal rond de markering zou kunnen laten smelten, verkleuren of microscheurtjes veroorzaken.

Welk lasertype past bij een startende onderneming?

Dat hangt af van de materialen die het vaakst worden bewerkt. Bedrijven die voornamelijk met hout, acryl of leer werken, beginnen doorgaans met een CO2- of diodelaser. Bedrijven die zich richten op het markeren of snijden van metaal hebben, ongeacht het budget, een fiberlaser nodig, omdat de andere types geen metaal kunnen bewerken.