Kolik energie spotřebují lasery?

Vysoké náklady na energie představují jeden z rozhodujících aspektů konkurenceschopnosti podniku.

Energetická účinnost strojů a zařízení je proto z pohledu výrobního podniku naprosto klíčová. Nižší spotřeba elektrické energie snižuje provozní náklady výrobního závodu. Jak je na tom z tohoto pohledu laserové řezání kovových materiálů?

• CO₂ lasery se vyznačují relativně nízkou energetickou účinností
• Vláknové lasery spotřebují až 4krát méně energie než CO₂ lasery
• Spotřebu energie ovlivňuje nejen laserový zdroj, ale také pohon os řezacího laseru
• Ozubené pohony jsou levnější, ale spotřebují více energie na překonání odporu
• Lineární pohony mají více výhod - jsou rychlejší, přesnější a umožňují rekuperaci energie při brzdění

Obecně rozšířeným názorem je, že řezací lasery jsou velmi náročné na spotřebu energie během provozu. V minulosti tomu tak skutečně bývalo. K napájení CO₂ laseru o výkonu 6 kW bylo potřeba až 100 kW napájení. To bylo způsobeno především nízkou energetickou účinností CO₂ laserů (7 %), která vyplývá z fyzikálních omezení tohoto typu rezonátoru a ze ztrát ve vysokofrekvenčním generátoru, který se používá k jeho napájení. Při takto vysokých ztrátách je navíc potřeba velmi účinný chladicí systém - který také spotřebuje hodně energie.

Nejekologičtější vláknové lasery

Poté přišly na trh pevnolátkové lasery. Nejoblíbenější z nich jsou diskové a vláknové lasery. Oba tyto typy laserových zdrojů využívají k napájení hlavního rezonátoru laserové diody a nabízejí mnohem vyšší účinnost.

V případě diskových laserů si řezací stroj o výkonu 6 kW vystačí již s polovičním výkonem CO₂ laseru. Stále se však jedná o úroveň kolem 50 kW. Teprve vývoj vláknových laserů přinesl obrovský skok v účinnosti a umožnil snížit spotřebu energie až čtyřikrát.

Diskové lasery jsou lasery s otevřenou dutinou. To znamená, že světlo v rezonátoru, opouštějící aktivní médium (v tomto případě disk ze speciálního aktivního skla), prochází hranicí prostředí - nejprve ze skla do vzduchu, poté po odrazu od zrcadla zpět přes hranici prostředí ze vzduchu do skla.

Tento proces probíhá opakovaně. Pokaždé, když projde hranicí média se část světla rozptýlí a část se odrazí, což mimo jiné vede ke ztrátám, které omezují účinnost takového rezonátoru.

Nejnovější generace vláknových laserů využívá technologii all-in-glass. U tohoto typu laseru světlo rezonuje uvnitř aktivního vlákna a neopustí sklo, dokud paprsek nedosáhne hlavy. Díky tomu, že médium neprochází přes hranici, jsou eliminovány ztráty, což výrazně zvyšuje účinnost, která dosahuje 50 %.

Hospodárnější magnetické lineární pohony

Energii však během provozu nespotřebovává pouze laserový zdroj. Důležité jsou v tomto ohledu také pohony os CNC laseru. I v této oblasti došlo v posledních letech k velkému pokroku, protože staré převodové pohony jsou stále častěji nahrazovány moderními, magnetickými lineárními pohony.

Standardní pohony os laserů na řezání plechu jsou obvykle ozubené tyče s ozubeným kolem poháněným planetovým převodem. Toto řešení je nejlevnější, ale vzhledem ke kontaktní podstatě takového pohonu se styčné plochy ozubení opotřebovávají a vytvářejí odpor v důsledku tření.

Kromě opotřebení styčných ploch - což vede ke stále větší vůli - spotřebovávají tyto pohony také velké množství energie, která je nezbytná k překonání odporu při pohybu.

Lineární pohony s řadou výhod

Moderní magnetické lineární pohony jsou novou generací pohonů, které mají oproti převodovým pohonům významné výhody. Především jsou výrazně rychlejší. Je to proto, že motor, který pohání ozubené převody, nemá omezené otáčky.

Navíc jsou mnohem přesnější, protože nemají žádnou vůli. U ozubených převodů  mohou dosahovat hodnoty vůle až 0,1 mm. Lineární pohony mají mikrometrickou přesnost díky rozlišení až 1 nm.

Lineární pohony se neopotřebovávají, protože pracují bezkontaktně. Kromě toho jsou bezúdržbové, nevyžadují kalibraci ani přenastavování vůle. K jejich nesporným výhodám patří i schopnost rekuperace energie při brzdění, což umožňuje dosáhnout dalších energetických úspor.

Až dosud měly lineární pohony jednu zásadní nevýhodu. Byly velmi drahé - především kvůli malému podílu na trhu a omezené výrobě. Protože jsou lasery vybavené lineárním pohonem pro masový prodej příliš drahé, používá stále mnoho výrobců řezacích laserů ozubené převody.

Společnost KIMLA je prvním výrobcem vláknových laserů na světě, která začala vyrábět vlastní magnetické lineární pohony. Zkrácením řetězce zprostředkovatelů a optimalizací výrobních procesů se společnosti podařilo dosáhnout svého cíle poskytovat stroje vybavené špičkovými pohony již ve standardu, bez jakýchkoli příplatků. I nejjednodušší a nejlevnější modely laserů KIMLA jsou dnes vybaveny lineárními pohony ve všech osách.

Díky použití nejnovější generace vláknových laserů a pohonům, které umožňují rekuperaci energie při brzdění, si řezací lasery KIMLA s výkonem 6 kW vystačí s příkonem 25 kW. Naproti tomu průměrná spotřeba energie během provozu je 16 kW - což je pravděpodobně světový rekord v úsporách.