Laser on küll kallis, aga teeb veatu töö

Ajakirja Laser Focus World andmetel müüdi mullu tööstuslikke dioodivabu lasereid kokku üle kolme miljardi USA dollari eest. Valdava osa neist moodustasid materjalitöötlemiseks mõeldud seadmed, teine lai laserite kasutamise valdkond on meditsiin. Dioodlaserite kasutajana on turuliider telekommunikatsioon ja optika. Kokkuvõtvalt kasvab laserseadmete, sh tööstuses kasutatavate laserite turg maailmas kuni 30% aastas.

Metallide lõikamisega tegeleva ja selleks ka lasereid kasutava ASi FinEst Steel Kristjan Kiil iseloomustab laserit kui kõrge kasuteguriga täpseid ja tootlikke seadmeid, mis seejuures töötavad ka ökonoomselt - materjali on tootmisjääkideta võimalik kasutada otstarbekalt.

"Laserite miinusena tuleb siiski märkida nende suhteliselt kallist soetamismaksumust ning ega hooldusele minevad kulutused ka just väikeste killast ole," tunnistab Kiil, et laserite sädeleval medalil on ka teine, tuhmim pool.

ASi Laser Diagnostic Instruments mehaanika osakonna juhataja Leino Vint märgib, et leidub ka alasid, kus laseri kasutamisele ei olegi alternatiivi, näiteks objektide kontaktivaba automaatmõõtmine. Laserseadme miinusena nimetab ta asjaolu, et laserkiire loomine nõuab tohutult elektrienergiat, kusjuures enamik sellest energiast on mõeldud keskkonna ergastamiseks ja hajub soojusena.

Tartu Ülikooli füüsikainstituudi vanemteadur Raivo Jaaniso hinnangul kasutatakse lasereid tööstuses ennekõike materjalide töötlemiseks, mõõdistamise ja toodangu kontrollimise osakaal on suhteliselt väike.

Jaaniso lisab, et levinuimad on kombineeritud süsteemid, milles lasereid kasutatakse osa parameetrite kindlakstegemisel, masinnägemist kaamerate abil aga teiste parameetrite jaoks. Näiteks kontrollitakse tootmisliinil detailide läbimõõtu või pinnakaredust lasermõõdikutega, detaili värvust aga kaameraga.

"On olemas ka in-line-optilised meetodid, mis lubavad vaadata asjade sisse - näiteks teha kindlaks sisemiste defektide olemasolu või toodete keemilise koostise õigsust või sobivust," iseloomustab Jaaniso.

Jaaniso hinnangul peab laias laastus paika tõdemus, et laserseadmele kuluv alginvesteering on suurem kui traditsiooniliste seadmete korral, kuid samas on hilisemad hoolduskulud väiksemad ja garanteeritud on suurem tööjõudlus.

UPM-Kymmene Otepää vineeritehases on kasutusel lasermõõteseade, mille laserkiired kompavad sissetuleva aeglaselt pöörleva kasepalgi põhjalikult läbi, tuvastamaks võimalikult täpselt selle ristlõike keskpunkti. Laser läkitab andmed arvutisse, kus raalitakse välja optimaalne tsenter ning saadud andmete põhjal kinnitab järgmine seade palgi treimismasinasse. Ettevõtte juhataja Ando Jukk selgitab, et kasepakkude lasermõõtmine on tehases kasutusel eelkõige selleks, et toorainet kokku hoida.

"Sarnast seadet võib kasutada ka mitmetes teistes valdkondades, meil töötab ta nõnda, et laserkiired mõõdavad palki paljudest erinevatest punktidest, et leida kõige õigem koht selle treipinki kinnitamiseks," märgib Jukk. "Kui laserit poleks, tuleks palke n-ö silma järgi mõõdistada. Laseri puhul ei räägi me paariprotsendilisest kokkuhoiust, see on ikka suurem."

Laserite kasutamisel on omad eelised, mis tulenevad kitsalt suunatud valguskiirest ja teatud juhtudel selle monokromaatsusest.

Lihtsaid mehhaaniliste suuruste mõõtmisi (pikkus, laius, läbimõõt jne) lubavad lasersüsteemid teha kümneid tuhandeid kordi sekundis, keerulisemate kolmemõõtmeliste kujutistega läheb aega kauem - tüüpiliselt minuteid.

Optilised seiresüsteemid sisaldavad vähe (ja kui, siis väikeseid) või sisalda üldse liikuvaid osi. Sellest tuleneb nende oluliselt suurem kiirus ja väiksem hooldusvajadus, võrreldes näiteks mehhaaniliste süsteemidega. Võrreldes elektriliste (mahtuvuslike, induktiivsete) mittekontaktsete seiremeetoditega on optiliste süsteemide eeliseks asjaolu, et mõõteseadmed ei pea objekti vahetus läheduses olema. Elektriliste meetodite korral on sama infohulga saamiseks vajalik suurem sensorite arv või nende liigutamine, mis vastavalt suurendab kas süsteemi keerukust või vähendab töökiirust.

Alles selle aasta alguses viis kosmosesüstiku Atlantis meeskond avakosmoses läbi süstiku tiibade laserkontrolli veendumaks, et üleslennul nendele kahjustusi ei olnud tekkinud.

Optiliste kontrollsüsteemide kasutamine ei piirdu nimetatud aladega, seda kasutavad üha enam traditsioonilised tööstusharud, nagu puidutööstus, paberitööstus, toiduainetööstus, laevaehitus jne. Põhiline põhjus on optiliste süsteemide suurem töökiirus.

Lidarsüsteem on mõeldud veekeskkonna distants- (online-) monitooringu teostamiseks ning veepinnal või maismaal leiduva naftareostuse (toorõli, määrdeõli, kütus jms) kindlakstegemiseks. Lidarit võib kasutada keskkonnaseisundi uurimiseks lennumasina pardalt.

Lidarsüsteem võimaldab anda kiiret ning kvalitatiivset ja kvantitatiivset hinnangut uuritava objekti reostuse kohta ilma, et oleks vajadust võtta proove ning neid laboratooriumis uurida. Lidar tagab diagnostika ja analüüsi täpsuse.

Lidarsüsteemi töötamine põhineb mitmekanalilisel LIF (Laser Induced Fluorescence) diagnostikal. Intensiivne laserimpulss suunatakse uuritavale vee- või maapinnale. Sõltuvalt pinna optilistest omadustest toimub teatud sügavuseni erineva päritoluga orgaaniliste ainete ergastamine. Pinnalt tagasipeegelduv laserkiirgus ja ainete fluorestsentsikiirgus satuvad vastuvõtu teleskoopi.

Teleskoobis koondatud kiirgus muundatakse polükromaatoris lineaarseks spektriks, mis omakorda muundatakse kaameras numbriliseks signaaliks. Iga mõõdetud fluorestsentsispekter varustatakse GPS-koordinaatidega, mõõteajaga ja salvestatakse. Reostuse avastamisel pildistatakse vastavat regiooni. Laserimpulssidega koos salvestatava fluorestsentsspektrite alusel teostatakse reostuse detailne analüüs.

Lidar töötab spetsiaalse tarkvara abil automaatrežiimil.

Puidutööstuses kõige laiemalt levinud ja kõige tuntumad on joonlaserid. Nende kasutusala on väga lai materjali saagimisel, kus on vaja kiiresti positsioneerida ehk näha, kus hakkab toimuma lõige kui toorik masinasse pannakse.

Suures piires jagunevad Eesti puidutööstuses kasutatavad laserid kolmeks:

1) laserid joone projekteerimiseks, mille järgi teostatakse mingi lõikamise operatsioon (joonlaserid);

2) mõõte-, kontroll-, tuvastus- ja positsioneerimise seadmed;

3) laser, kui tööinstrument (2D lõikamiseks).

10-15 aastat tagasi kasutati enamasti gaaslasereid. Nende puuduseks olid gabariidid. Sellel ajal dioodlaserid olid tunduvalt lühema elueaga. Nüüdseks pole ma ammu selliseid näinud. Dioodlaserite eluiga on jõudnud 100 000 töötunni piirimaile.

Laserseadmete arengusuund on optika täiustamine ja vastupidavuse suurendamine väliskeskkonna mõjudele. Laserid muutuvad vibratsioonikindlamaks, kannatavad välja pinge- ja temperatuuri kõikumisi.

Meil ei ole mõõte-, kontroll-, tuvastus- ja positsioneerimisseadmed nii laialt levinud kui joonlaserid. Paljude laserseadmete hinnad muutuvad järjest odavamaks ja sellepärast hakkavad ka seadmete tootjad neid oma riistadele peale panema. Näiteks servapealistusmasina väljundpoolele saab seada servapealistuse kvaliteedi kontrollimiseks lasermõõturi, mis lisab kogu masina hinnale vaid 20 000 eurot.

Puidutööstuses kasutatakse ka laseritel põhinevaid tuvastusseadmeid (skannereid), millega tuvastatakse näiteks toorikul asuv oksakoht, mis on vaja välja lõigata. Need muutuvad järjest targemaks ja jätavad alles vähem eksimisvõimalusi.

Põhiline argument laserite kasutamise poolt on see, et laser teeb enam-vähem igas olukorras täpsuses ja kiiruses inimesele silmad ette. Oksakoha skanner tuvastab ühe millisekundi jooksul oksakoha ja annab info saele edasi. Ja nõnda väsimatult kogu päeva jooksul, samas, kui inimene võib-olla alguses märgib küll täpsemini ja targemalt, aga kindlasti mitte nii kiiresti. Seega on tööviljakuse tõus kindel pluss laserite kasuks.

Energia kokkuhoid laseritel pole eriti tuntav, pigem vastupidi. Näiteks joonlaserite võimsused ulatuvad 30 mWni. Mitmekettaline saag, mille juurde selline laser käib, võib olla vaid 30 kW (100 000 kordne vahe sae kasuks). Kokkuhoid saab sellises olukorras tekkida sellest, et tooriku saab pinki positsioneerida kiiremini ja masin ei tööta tühikäigul.

Laser kui instrument puidu lõikamiseks on aga energeetiliselt suhteliselt suur raiskaja. Näiteks 1 kW laseri töötamiseks on vaja 5-6 kW peeglite jahutamiseks.