Der Unterschied zwischen einer Glasquelle und einer RF-Quelle

Darum lohnt sich die Investition in eine RF-Quelle

Vor dem Kauf einer Lasermaschine gilt es einiges zu bedenken. So ist häufig nicht nur der Kaufpreis ein entscheidendes Argument. Die Geräte unterscheiden sich teils auch signifikant in ihrer Qualität. Daher lohnt es sich häufig, in ein Premium-Lasersystem zu investieren und von besseren Anwendungsergebnissen und Sicherheitsstandards, einer längeren Haltbarkeit sowie höherer Benutzerfreundlichkeit zu profitieren.

Wir klären Sie auf, welche Qualitätsmerkmale die modernen und effizienten Lasermaschinen von JustLaser aufweisen, was es mit Laserquellen auf sich hat und worin der Unterschied zwischen einer Glasquelle und einer RF-Quelle besteht.

Laserröhren bzw. Laserquellen

Die erhältlichen CO₂-Lasermaschinen unterscheiden sich allem voran in der Art der Laserröhre, die als Laserquelle dient. Sie übt starken Einfluss auf das Ergebnis des Schneide- bzw. Gravurprozesses aus. Dabei wird zwischen einer DC (Direct Current – Gleichstrom) betriebenen, wassergekühlten Glasquelle und einer mit Luft gekühlten RF-Quelle (Radio Frequency – Hochfrequenz) aus Metall differenziert.

Wie funktionieren DC-Laserquellen?

Bei DC-Laserquellen ist der Resonator – also jener Punkt, an dem die Laserstrahlung generiert wird – aus Glas gefertigt. Meist sind Glaslaserröhren in günstigen Geräten aus China verbaut. Ihre Konstruktion ist recht einfach und besteht aus einem Glaszylinder, Spiegel, Anode und Kathode. Energie, die durch die Glasquelle geschickt wird, regt das in der Glasröhre befindliche Gasgemisch an. Die dadurch ausgelöste elektrische Entladung erzeugt einen gepulsten Laserstrahl, der im Inneren der Laserquelle so lange gespiegelt und damit verstärkt wird, bis er ein bestimmtes Energieniveau erreicht hat und als Laserstrahl aus der Quelle austritt.

Günstiges Preis-Leistungs-Verhältnis

Wassergekühlte Glaslaserröhren zeichnen sich durch ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis aus. Sie sind nicht nur in ihrer Produktion günstiger, sondern auch beim Erzeugen des Laserstrahls mittels Gleichstrom. Da DC-Laserquellen höhere Leistungen kostengünstiger als eine RF-Quelle aufbringen können, erweisen sie sich bei Schneidprozessen im hohen Leistungsbereich mitunter als wirtschaftlicher.

Schwachstelle Durchführung

Um mittels der Zuführung von Energie das Gasgemisch im Inneren der Glasquelle anregen zu können, müssen Elektroden durch den gläsernen Resonator geführt werden. Allerdings ist die Durchführung eines metallischen Leiters durch Glas immer ein heikles Unterfangen, da sich die Ausdehnungskoeffizienten der beiden Materialien stark unterscheiden. So weist Glas wenig Dimensionsänderung bei Temperaturänderung auf, Metall hingegen deutlich mehr. Die beiden Materialien arbeiten also bei thermischen Zyklen (kalt – warm – kalt – warm etc.) gegeneinander. Trotz Dichtung ist das eine Schwachstelle der DC-Laserquellen. Das Gasgemisch im Resonator hat mit seinen ca. 150 mbar in jedem Fall deutlich weniger Druck als die Umgebungsluft. Sollte in der Glaslaserröhre eine Undichtheit auftreten und sei diese noch so klein, gelangt Umgebungsluft in den Resonator.

Niedrige Pulsfrequenz

Bei Glaslaserröhren fallen aufgrund des Erregungsprozesses über Gleichstrom die Anregzeiten (rise- und fall-time) deutlich höher und die Pulsfrequenz damit deutlich geringer aus als bei einer RF-Quelle. Eine DC-Laserquelle erreicht eine Geschwindigkeit von bis zu 1m/s und 1 g. Das hat zur Folge, dass bei hohen Geschwindigkeiten nicht mehr scharf graviert werden kann und die Qualität der Gravur deutlich abnimmt.

Wasserkühlung als Risikofaktor

Da Glas kein guter Wärmeleiter ist, ist bei DC-Laserquellen zum Ableiten der entstehenden Wärme eine Wasserkühlung mit Wassermantel um den Resonator erforderlich. Eine Wasserkühlung ist zwar geräuscharm, erhöht jedoch Platzbedarf sowie Kosten und birgt zusätzliche potenzielle Fehlerquellen: Zwischen der maximalen Leistung des Lasers und der Kühlung (Durchflussmenge/Zeit, Temperatur) muss eine empfindliche Abstimmung vorgenommen werden, da es bei Fehlabstimmung aufgrund starker thermischer Spannungen ansonsten zum Bruch der Glaslaserröhre kommen kann.

Erhöhtes Sicherheitsrisiko

Eine DC-Laserquelle wird mit 20 – 35 kV Entladungsspannung, also Hochspannung betrieben. Es ist bedeutend aufwändiger, solche Lasermaschinen sicher zu gestalten. Gerade in Asien produzierte Geräte entsprechen häufig nicht den europäischen Sicherheitsstandards und sind damit nicht CE-konform. Bei Fehlfunktion der Glasquelle kann es zur Bogenentladung von bis zu 35 000 Volt ins (metallische) Laser-Gehäuse kommen. Auch die erforderliche Wasserkühlung der unter Hochspannung betriebenen Glaslaserröhre kann im Falle eines Defekts oder Unfalls tödlich sein.

Geringe Lebensdauer

Die Lebensdauer von DC-Glaslaserquellen ist nicht ideal. Im Gegensatz zur RF-Quelle aus Metall ist Glas zerbrechlich. Da bei der Anregung mittels Gleichstrom sowohl Optik als auch Elektroden mit Ionen beschossen werden, kann Verschleiß mitunter beschleunigt werden. Die durchschnittliche Garantiezeit für Glaslaserröhren liegt bei ca. einem Jahr, danach muss bei Defekt eine neue Laserquelle gekauft werden.

Wie funktioniert eine RF-Quelle?

Eine RF-Quelle, wie sie in einer Lasermaschine von JustLaser verbaut ist, besteht aus einem massiven Metallgehäuse, der das darin enthaltene Gas (N₂, CO₂, He) hermetisch versiegelt. Im Unterschied zur Glaslaserröhre ist hierbei keine Durchführung nötig, da eine Antenne in den Resonator strahlt und das Gas durch hochfrequenten Wechselstrom angeregt wird. Die Spannung fällt hier deutlich niedriger aus und liegt bei wenigen hundert Volt.

Hohe Pulsfrequenz

Mit einer RF-Quelle können geringe rise- and fall-times bis 60µs bei 400W mittlerer Leistung erreicht werden. Dadurch wird ein gepulster Laserstrahl mit einer extrem schnellen Wiederholbarkeit erzeugt. Selbst filigrane Linien und kleine Schriften lassen sich bei hohen Geschwindigkeiten qualitativ hochwertig und einwandfrei lesbar umsetzen.

Kompakte Bauweise

Sowohl die optischen Komponenten als auch die Elektronik zur Anregung des Gases und die Luftkühlung sind bei RF-Laserquellen in ihr massives Metallgehäuse integriert. Dadurch ergeben sich durchaus kompakte Abmessungen, die sowohl Platz als auch Kosten einsparen.

Nachteile der RF-Quelle

Der Nachteil einer RF-Quelle besteht in ihrem höheren Preis. Der Antennentreiber ist teuer, da die hohe elektrische Leistung häufig und rasch geschaltet werden muss. Allerdings muss die abgestrahlte Frequenz hier relativ exakt auf die Anregungsfrequenz des Lasers getunt sein. Getunt wird dabei auf Stickstoff (N₂), der die Energie an CO₂ weitergibt. Weicht die Frequenz aufgrund von Alterung oder starker Temperaturveränderung ab, so sinkt auch der Wirkungsgrad.

Die Dämpfung der elektromagnetischen Wellen der Antennen (meist 48 MHz oder 86 MHz) fällt bei der Transmission in den Resonator meist sehr gering aus. (Am geringsten bei Keramik, da Aluminiumoxid (Al₂O₃) einen vernachlässigbaren Wellenwiderstand bei diesen beiden
(Radio-)Frequenzen hat)

Längere Lebensdauer

Eine RF-Quelle weist eine relativ hohe Lebensdauer auf, sofern der Resonator nach seinem Befüllen mit dem Gasgemisch gut abgedichtet wurde und die Leistungselektronik effektiv gekühlt wird. So liefern die Laserröhren im Schnitt bis zu fünf, sechs Jahre gleichbleibend hohe Ergebnisse. Bei einem Leistungsabfall können die RF-Laserquellen mit CO₂ erneut befüllt und so bis zu zehn Jahre genutzt werden.

Fazit zum Unterschied zwischen einer Glasquelle und einer RF-Quelle

Laserröhren aus Glas wirken aufgrund ihres günstigen Preis-Leistungs-Verhältnisses durchaus attraktiv und bieten viel Laserleistung für ein limitiertes Budget. Schneidprozesse im hohen Leistungsbereich können mit Glasquellen mitunter am wirtschaftlichsten umgesetzt werden. Aufgrund ihrer niedrigen Pulsfrequenz sind sie für Gravurarbeiten mit hohem Detailreichtum jedoch ungeeignet. Zudem weisen sie eine niedrige Lebensdauer und höhere Sicherheitsrisiken auf.

Eine RF-Quelle aus Metall ist teurer in der Anschaffung. Dafür ermöglicht sie schnelle Gravurgeschwindigkeiten von höchster Qualität und bietet eine hohe Lebensdauer und bessere Arbeitssicherheit.

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