Duty Cycle (Einschaltdauer bei gepulsten Lasern)
Duty Cycle (Einschaltdauer bei gepulsten Lasern)
Was bedeutet Duty Cycle?
Der Duty Cycle (deutsch: Einschaltdauer) gibt an, wie lange ein Laser im Verhältnis zu seiner Gesamtzeit tatsächlich eingeschaltet ist. Er wird in Prozent angegeben und ist vor allem bei gepulsten Lasern wie Faser- oder MOPA-Lasern wichtig.
Ein Duty Cycle von 50 % bedeutet: Der Laser ist die Hälfte der Zeit aktiv und die andere Hälfte aus. So kann er Energie „in Ruhephasen“ wieder abbauen und kühlen, während er in den aktiven Phasen kurze, energiereiche Pulse erzeugt.
Die Formel für den Duty Cycle
Mathematisch berechnet sich der Duty Cycle so:
Duty Cycle (%) = (Pulsdauer / Periodendauer) × 100
Beispiel:
Ein Laser hat eine Pulsdauer von 100 ns und arbeitet mit einer Frequenz von 100 kHz.
Die Periodendauer ist 1 / 100.000 = 10 µs = 10.000 ns.
Duty Cycle = 100 ns / 10.000 ns × 100 = 1 %.
Das bedeutet: Der Laser ist 1 % der Zeit aktiv und 99 % der Zeit aus.
Wie hängt der Duty Cycle mit Pulsdauer und Frequenz zusammen?
Der Duty Cycle verbindet Pulsdauer und Frequenz miteinander. Wird einer dieser Werte geändert, verändert sich automatisch der Duty Cycle:
- Längere Pulse → höherer Duty Cycle → mehr durchschnittliche Leistung.
- Kürzere Pulse → niedrigerer Duty Cycle → geringere Wärmeentwicklung, aber höhere Spitzenleistung.
- Höhere Frequenz → kürzere Pausen → höherer Duty Cycle (wenn Pulsdauer gleich bleibt).
Diese Zusammenhänge sind entscheidend, um Material gezielt zu gravieren oder zu schneiden, ohne es zu überhitzen.
Duty Cycle in der Praxis (CO₂-, Faser- und MOPA-Laser)
| Laserart | Typischer Duty Cycle | Einfluss |
|---|---|---|
| CO₂-Laser (gepulst) | 30–90 % | Je höher, desto stärker die Wärme – gut zum Schneiden, weniger für feine Gravuren. |
| Faserlaser (Q-Switch) | 1–10 % | Niedriger Duty Cycle → hohe Spitzenleistung, ideal für Markierung und Gravur. |
| MOPA-Faserlaser | 0,1–90 % | Weit einstellbar: kurze Pulse für Farben, lange Pulse für Tiefengravur. |
Warum der Duty Cycle so wichtig ist
- Materialabtrag: Ein hoher Duty Cycle liefert mehr durchschnittliche Energie → schnellerer Abtrag, aber gröbere Gravur.
- Wärmeeinfluss: Niedriger Duty Cycle → weniger Wärme → sauberere, feinere Gravuren (z. B. Black Marking (Schwarzmarkierung mit dem Laser)).
- Oberflächenqualität: Durch Anpassen des Duty Cycle kann man zwischen glänzender, matter oder schwarzer Oberfläche wechseln.
- Systemschutz: Zu hoher Duty Cycle kann Laserquelle oder Optiken überhitzen.
Duty Cycle und Durchschnittsleistung
Die mittlere Leistung eines gepulsten Lasers ergibt sich aus der Pulsenergie × Frequenz. Der Duty Cycle beeinflusst also, wie viel Energie pro Sekunde tatsächlich abgegeben wird.
Durchschnittsleistung (W) = Pulsenergie (J) × Frequenz (Hz)
Ein Laser mit 1 mJ Pulsenergie bei 100 kHz hat z. B. eine Durchschnittsleistung von 100 W. Wenn der Duty Cycle gesenkt wird (z. B. durch kürzere Pulse), sinkt die mittlere Leistung, aber die Spitzenleistung steigt deutlich.
Beispiel: Einfluss auf Gravurergebnis
Beispiel 1: 60 W Faserlaser, 100 kHz, Pulsdauer 100 ns → Duty Cycle = 1 % → sehr kurze Pulse, hohe Spitzenleistung → feine, dunkle Gravur.
Beispiel 2: Gleicher Laser, 200 kHz, Pulsdauer 200 ns → Duty Cycle = 4 % → längere Pulse, mehr Wärme → hellere, flachere Gravur.
Fazit: Mit einem niedrigen Duty Cycle erzielt man kontrastreiche Markierungen, mit einem hohen Duty Cycle tieferen Abtrag.
Duty Cycle und Cut-Off-Frequenz
Jeder Laser hat eine Cut-Off-Frequenz – die höchste Frequenz, bei der er noch mit voller Leistung arbeitet. Wird diese überschritten, kann die Pulsenergie nicht mehr vollständig aufgebaut werden. Der Duty Cycle steigt zwar rechnerisch, aber die tatsächliche Energie sinkt.
Ein Beispiel: Ein JPT YDFLP-E2-60-M7-M-R arbeitet bis ca. 150 kHz im Volllastbereich. Darüber hinaus steigt der Duty Cycle rechnerisch, aber die Laserleistung fällt messbar ab.
Duty Cycle und MOPA-Farbgravur
Beim MOPA-Faserlaser spielt der Duty Cycle eine Schlüsselrolle bei der Farberzeugung. In Kombination mit Frequenz und Pulsdauer kann man so gezielt Oberflächenschichten oxidieren, ohne das Material zu schmelzen:
- Niedriger Duty Cycle + kurze Pulse → hohe Spitzenleistung → Oxidfarbschichten (Black/Blue Marking).
- Hoher Duty Cycle + längere Pulse → gleichmäßigere Erwärmung → Anlassfarben.
Sicherheitsaspekte
- Zu hoher Duty Cycle kann zu Überhitzung der Optiken führen.
- Bei CO₂-Lasern: Dauerhaft hoher Duty Cycle = Gefahr für Laserröhre durch thermische Belastung.
- Bei Faserlasern: Hoher Duty Cycle → mehr Durchschnittsleistung → eventuell Überschreitung der Spezifikation.
- Immer innerhalb der Herstellerangaben für Duty Cycle und Cut-Off-Frequenz bleiben!
Kurz zusammengefasst
Der Duty Cycle beschreibt, wie lange ein Laser während eines Zyklus aktiv ist. Er verbindet Pulsdauer, Frequenz und Energie und bestimmt damit das Gravurverhalten, die Wärmeentwicklung und die Lebensdauer des Lasers. Ein niedriger Duty Cycle erzeugt hohe Spitzenleistungen und feine Gravuren, während ein hoher Duty Cycle zu stärkeren thermischen Effekten und tieferem Materialabtrag führt. Wer den Duty Cycle versteht, kann präzise zwischen sauberer Markierung und tiefem Abtrag steuern.
