Introduktion

Teknologien til lasergravering består af en kontrolleret generering af en fokuseret lysstråle, hvis energi opvarmer nedslagspunktet på et uigennemsigtigt materiale ved en bestemt bølgelængde. Afhængigt af stråleprofilen, den tilførte energimængde, eksponeringstiden og grundmaterialet ændres materialets overflade med forskellige gradienter og intensiteter (1). Laserstrålens effekt på materialets overflade er kun tydelig over et vist effektniveau og er generelt irreversibel (2). De vigtigste ændringer i materialet under gravering er tabet af materiale under brændingen (dybden) og ændringen i overfladelagets kemiske sammensætning (farven - kulstof).

Evnen til at bestemme intensiteten af disse ændringer på forhånd er et af nøgleområderne for kvalitetskontrol i lasergravering. Den nuance, som laserstrålen frembringer på træ, afhænger ikke kun af intensiteten (effekten) og laserstrålens profil (tværsnittet). Selve materialet bruges i kombination med omgivelserne (luften) til at frembringe den ønskede pigmentering (farvetone) af materialet. Så det afhænger også af træsorten, dens temperatur, fugtighed, hårdhed og den aktuelle kemiske sammensætning af de indgraverede lag (træets alder og overfladebehandling).

Derudover er træ en naturlig komposit (3) og et levende materiale, og selv efter bearbejdningen ændrer det sig konstant (nedbrydes - nedbrydes - optager eller mister vand) (4). Træets dimensioner kan også ændre sig (5).

Brug af halvlederemittere i lasergravering

Til et system, der er i stand til at finjustere laserstrålens intensitet afhængigt af grundmaterialets aktuelle egenskaber og dets miljø, er det hensigtsmæssigt at bruge en følsom og hurtig (pulsfrekvens) sender. I dag graverer man hovedsageligt fotos i træ med en CO2-laser. CO2-lasere har høj effekt, hvilket giver mulighed for høje produktionshastigheder og materialeskæringer (6). De producerer dog længere bølgelængder (10600 nm), så de er ikke så nøjagtige som diodelasere med synligt spektrum (455 nm) (7). Brugen af halvlederlasere har oplevet en enorm stigning med brugen af CD (8; 9).

De finder deres anvendelse her hovedsageligt på grund af deres fysiske dimensioner, købspris og højere sikkerhed givet af bølgelængden og udgangseffekten. Takket være den dramatiske stigning i laserdioders effekt i de senere år er denne emitter ved at blive en vigtig del af teknologien (10; 11). Diodelasere dukker i stigende grad op i industrielle applikationer (12; 13). Desuden forstærkes dette potentiale yderligere af den hurtige produktion på grund af den høje købspris. Diodelasere kan styres i effekt, og deres stråler kan fokuseres relativt præcist (14).

Det gør det muligt at give en træoverflade meget finere detaljer og potentielt kalibrere små ændringer i materialet, miljøet og den allestedsnærværende slitage på emitteren. Diodelasere har dog stadig op til to størrelsesordener mindre optisk effekt, så produktionen er betydeligt langsommere. En stor fordel er deres størrelse, som er op til tre størrelsesordener mindre. Det gør det nemmere og billigere at samle halvlederlasere i flerstrålesystemer, der kan styres samtidigt (øge effekten) eller separat (gravering af flere linjer på én gang) (11).

Lasermodul med kombinerede emittere

Halvlederlasere har således potentiale til at udkonkurrere CO2-lasere, ikke kun med hensyn til nøjagtighed, men også med hensyn til hastighed og produktionsøkonomi ved anvendelse af fotogravering på træ. Den faktor, der i sidste ende gør dem til en mere egnet emitter til fremstilling af indgraverede fotos på træ, er deres højere effektivitet og effektivitet (15) i kalibreringen af strålen baseret på de aktuelle egenskaber ved et materiale og dets miljø.

Brugen af halvlederlasere stiger år for år, og i dag er de den mest udbredte type laseremitter. Det skyldes den brede vifte af anvendelsesmuligheder og den betydelige stigning i deres maksimale effekt i løbet af de sidste par årtier. Den samlede globale omsætning fra salg af laseremittere var på 10,4 milliarder dollars i 2016 (16). Heraf kom 45 % alene fra salg af halvlederlasere (17). Den nuværende tendens, som er vist i figur 1, tyder på, at denne teknologi i øjeblikket har en mere lovende fremtid med hensyn til at tiltrække investeringer i forskning og udvikling.

Salg af halvlederlasere

Stigende kvalitet af lasergravering

To grundlæggende kemiske processer, der finder sted i træmateriale under lasergravering, er forbrænding og karbonisering. Disse processer finder sted samtidigt, og med korrekt kontrol kan der opnås et betydeligt antal forskellige farvetoner. Der kan bruges flere tilgange til at opnå korrekt kontrol. En mulighed er forskelligt fokus på laserstrålen.

Resultater af fokuseret og defokuseret LASER

Ved gravering med en fokuseret stråle skæres materialet af, og paletten af nuancer skifter fra lysebrun til mørkebrun. Ved gravering med en de-fokuseret stråle får vi op til rige sorte nuancer. På denne måde kan vi få forskellige paletter af nuancer og få et større antal farver, når vi graverer med en passende kombination. Det giver større grafisk dybde og bedre overførsel af fotos og grafik til træ. Med den rette indstilling er det muligt at opnå lignende kvaliteter som ved standardtryk. Det gør lasergravering i træ meget interessant med hensyn til kvaliteten og økologien i hele processen. Der er ingen blæk, ingen kemi. Sådanne produkter kan beskrives som miljøvenlige og har en meget lavere negativ indvirkning på miljøet. De eneste negative komponenter er laserlyset, som er en miniature og holder i titusindvis af timer, og den energi, der er nødvendig.

Forskellige resultater af kildefoto (midten) med fokuseret (venstre) og defokuseret (højre) laserstråle

På billedet ovenfor kan vi se forskellige paletter af nuancer, der kun blev opnået ved forskellig fokusering af strålen. Produktionskoden, kontrolenheden og lasereffektindstillingerne var identiske. Det skal nævnes, at sløringen af strålen også fører til lidt højere dimensioner af det indgraverede punkt, takket være hvilket lavere detaljer teoretisk kan opnås. Det afhænger altid af graveringshovedets ydeevne og optik. Det er nødvendigt at fokusere strålen i forhold til den ønskede opløsning. Men når man laver fotos og grafik i træ, vil det indgraverede punkt have en begrænset minimumsstørrelse (afhængigt af effekt og optik), da træet også brænder lidt omkring det indgraverede punkt. Det giver et vist spillerum til at justere skarpheden i forhold til det indgraverede punkt.

Den slørede stråle giver en forøgelse af mørket i den resulterende grafik, som vist i grafen nedenfor. Samtidig er skyggekurven skarpere, så den resulterende mørkfarvning sker hurtigere. Derfor skal den maksimale emittereffekt justeres korrekt, så hele dybden af nuancerne er jævnt fordelt i hele inputgrafikkens histogram. Det skal nævnes, at en sløret stråle har brug for mere effekt for at ændre materialet end en fokuseret stråle. Det skyldes den lavere energitæthed i den slørede stråle og kan ses i følgende graf for lasereffektværdier på 0-20 %.

Skyggedybde ved lasergravering med brændt og karboniseret overflade

De resulterende overflader har forskellige sammensætninger. Forskellen mellem disse og kemiske processer kan let ses på elektronmikroskop-scanningen nedenfor. Mængden af sort kulstof, der er tilbage på træoverflader, ændrer sig hurtigt med stigende karbonisering af overfladen. Dette er forventet, da det sorte kulstof er ansvarlig for den sorte overfladefarve. Dybden af en overflade ændres kun lidt, da den største laserenergi bruges til karbonisering af træet i stedet for sublimering af træet.

Forskelle i mængden af sort kulstof under elektronmikroskop for fokuseret laserstråle (venstre) og defokuseret laserstråle (højre)

Hvordan vælger man et passende opgraderingssæt til en bestemt CNC-maskine ?

Specielt til dig har vi udarbejdet et websted, der guider brugeren gennem processen med at vælge et laserhoved og derefter fører til det passende sæt til din CNC-maskine. Klik på knappen nedenfor for at besøge dette websted.

Find ud af mere

Konklusion

Brugen af halvlederlasere vokser hvert år. Takket være den stigende effekt fra halvlederlasere kan de bruges i flere og flere tilfælde. De fysiske dimensioner af emmitatorer gør det muligt at kombinere dem. De kan kombineres til højere effekt eller hurtigere rastergravering (gravering af flere rækker på samme tid). Med defokuseret stråle kan der opnås mørkere nuancer ved gravering af træ. Dette fører til større dybde i den resulterende grafik. Med den rette kombination kan man opnå en bedre kvalitet af billedoverførslen til træoverflader. Det er vigtigt at optimere lasergraveringsprocessen til forskellige træsorter og -tilstande.

Med de samme laser- og effektindstillinger opnås forskellig kvalitet. Strålens fokus er kun én variabel. Fugtighed og træets alder er andre variabler, som spiller en rolle i forbedringen af de graverede resultater.

Artiklens forfatter:

Martin Jurek

Referencer

1. Mishra, Sanjay a Yadava, Vinod. Laserstråle-mikrobearbejdning (LBMM) - en gennemgang. Optics and Lasers in Engineering. 2015, bind 73, side 89-122.
2. Minami, K., og andre. Fjernelse af industriel epoxymørtel ved hjælp af en højeffekts diodelaser. Optics and Lasers in Engineering. 2002, Vol. 38, 6, side 485-498.
3. Bruno, Luigi. Mekanisk karakterisering af kompositmaterialer ved hjælp af optiske teknikker: En gennemgang. Optics and Lasers in Engineering. 2018, bind 104, side 192-203.
4. Chen, Yao og andre. Farve- og overfladekemiske ændringer af udvundet træ. Wood Science and Technology. 2014, bind 48, side 137-150.
5. Kifetew, Grima. Anvendelse af metoden til måling af deformationsfelt på træ under tørring. Wood Science and Technology. 1996, Vol. 30, side 455-462.
6. Martinez-Conde, Alejandro, m.fl. Anmeldelse: Sammenlignende analyse af CO2-laser og konventionel savning til opskæring af tømmer og træbaserede materialer. Wood Science and Technology. 2017, bind 51, side 943-966.
7. Rothenbach, Christian A. a Gupta, Mool C. High resolution, low cost laser lithography using a Blu-ray optical head assembly. Optics and Lasers in Engineering. 2012, Vol. 50, 6, side 900-904.
8. Barletta, Massimiliano, Gisario, Annamaria og Tagliaferri, Vincenzo. Genvinding af genanvendelige materialer: Eksperimentel analyse af CD-R-laserbehandling. Optics and Lasers in Engineering. 2007, Vol. 45, 1, side 208-221.
9. Effekten af fugtindhold i fiberlaserskæring af fyrretræ. Hernández-Castañeda, JuanCarlos, Kursad, Huseyin a Li, Lin. 9-10, 2011, Optics and Lasers in Engineering, Vol. 49, side 1139-1152.
10. Nakamura, S., Pearton, S. a Fasol, G. The blue laser diode - the complete story. 2. Berlin : Springer - Verlag, 2000. str. 368. 978-3-540-66505-2.
11. Rodrigues, G. Costa, m.fl. Teoretiske og eksperimentelle aspekter af laserskæring med en direkte diodelaser. Optics and Lasers in Engineering. 2014, Vol. 61, side 31-38.
12. Hurtig og fleksibel lasermærkning og -gravering af skrå og buede overflader. Diaci, Janez, og andre. 2, 2011, Optics and Lasers in Engineering, Vol. 49, side 195-199.
13. Zeni, Luigi, m.fl. Power semiconductor laser diode arrays characterization. Optics and Lasers in Engineering. 2003, Vol. 39, 2, side 203-217.
14. Wang, S. H., m.fl. Kollimering af divergerende laserdiodestråle ved hjælp af optisk fiber med gradueret indeks. Optics and Lasers in Engineering. 2000, Vol. 34, 2, side 121-127.
15. Fremskridt og egenskaber ved behandling af materialer med højeffektdiodelaser. Li, Lin. 4-6, 2000, Optics and Lasers in Engineering, Vol. 34, side 231-253.
16. Holton, Conrad og andre. Annual Laser Market Review & Forecast: Hvor er alle laserne blevet af? Laser Focus World. [Online] 23. Januar 2017. [Citeret: 20. januar 2019.] https://www.laserfocusworld.com/lasers-sources/article/16548135/annual-laser-market-review-forecast-where-have-all-the-lasers-gone.
17. Unlimited, Strategies. Det verdensomspændende marked for lasere: Markedsgennemgang og prognose 2017. New Hampshire: Strategies Unlimited, 2017.