Lasergravur transparenter Materialien mit CNC-Lasern
Transluzente und transparente Materialien
Trifft Laserlicht auf einen Festkörper, kann es auf verschiedene Arten mit diesem interagieren. Die Wechselwirkung hängt von den intrinsischen Eigenschaften des Materials sowie von der Wellenlänge des Lasers ab. Jeder Festkörper interagiert mit Photonen durch eine Kombination aus Transmission, Reflexion und Absorption.
Transparenz ist eine physikalische Eigenschaft von Materialien, was bedeutet, dass Licht durch einen Festkörper ohne Streuung (auf makroskopischer Ebene) hindurchtreten kann. Ein transparentes Material erscheint klar und einfarbig. Beispiele für transparente Materialien sind Floatglas und amorphe Kunststoffe (z. B. Acryl, PEI, PC, ABS, PS usw.). Folien aus bestimmten teilkristallinen Polymeren wie PET und PP werden ebenfalls durch Biaxialorientierung (Streckung in zwei Richtungen) transparent, da die Polymerketten dabei im Verlauf der Foliendicke ausgerichtet werden. Dadurch tritt bei dieser Ausrichtung keine Lichtbrechung auf.
Transluzente Materialien hingegen lassen nur einen Teil des Lichtes hindurchtreten. Photonen, die durch einen transluzenten Festkörper dringen, werden wiederholt gestreut und ändern mehrfach ihre Richtung. Daher ist die Durchsicht durch solch ein Material nicht klar - ein Gegenstand auf der gegenüberliegenden Seite erscheint unscharf und verschwommen. Beispiele für transluzente Objekte sind getöntes Autoglas, satiniertes Glas sowie viele Kunststoffe. Generell gilt für Kunststoffe: Mit steigendem Kristallinitätsgrad nimmt die optische Klarheit des Materials ab. Die Kristallinität bei Kunststoffen kann von 0 % (völlig amorph) bis zu 100 % (vollständig kristallin) reichen, wobei ein kristallines Polymer jedoch nie zu 100 % kristallin ist, sondern benachbarte amorphe und kristalline Bereiche aufweist. Halb- oder vollkristalline Polymere können transluzent oder opak sein – dies resultiert aus Unterschieden der Brechungsindizes zwischen den amorphen und kristallinen Bereichen (z. B. PA/Nylon, PE, PET, PBT, PP usw.). Transluzente Acrylplatten werden häufig für Leuchtwerbung eingesetzt, da sie sich ideal für Hinterleuchtungen eignen.
Insgesamt kann die optische Klarheit eines Kunststoffs für einen bestimmten Polymerwerkstoff variieren, abhängig vom Produktionsverfahren (z. B. führt statistische Polymerisation zu mehr Klarheit) oder durch Modifikation mit Additiven (Klarstoffen und Nukleierungsmitteln), welche auf Kristallstruktur und Kristallwachstum einwirken. So beeinflussen Fertigungsschritte wie Wärmebehandlung, mechanische Bearbeitung und Einfärbung die optischen Eigenschaften eines Kunststoffs. Eine blaue Tönung beispielsweise führt dazu, dass blaues Laserlicht an der Oberfläche reflektiert wird – der Gesamteffekt ist aber von der spezifischen Farbtönung abhängig. Darüber hinaus sind Kunststoffe mit glänzenden Oberflächen meist schwer laserbar zu gravieren. Auch die Transmission ist von der Materialdicke abhängig, weshalb viele Polymere als Dünnschicht eine hohe optische Transmission besitzen können. Abwesenheit von Rissen, Einschlüssen oder anderen strukturellen Defekten sorgt zusätzlich für eine ausgezeichnete optische Transmission. Gleichwohl können chemische Veränderungen wie Oxidation, Alterung oder Diffusion der Kunststoffeigenschaften die Transparenz negativ beeinflussen.
Zusammengefasst gilt: Ein Material mit hoher Transparenz zeichnet sich durch einen geringen Haze- und einen hohen Transmissionswert aus. Haze (Dunstigkeit) ist der Anteil des einfallenden Lichtes, der beim Durchtritt durch ein Objekt um mehr als 2,5° gestreut wird. Je niedriger der Haze-Wert, desto besser die optische Klarheit des Materials.
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Lasergravur transluzenter und transparenter Materialien
Sie können transluzente und transparente Materialien lasergravieren, wobei das Ergebnis von Reflexion (Glanz), Lichtdurchlässigkeit und Haze eines bestimmten Materials abhängt. Materialien mit hoher Lichtdurchlässigkeit lassen das blaue Laserlicht einfach durchtreten. Dieses Problem kann jedoch umgangen werden, indem eine Schicht hinzugefügt wird, die das Laserlicht stoppt und die Energie an der gewünschten Gravurposition konzentriert. Es gibt allerdings keine universelle Lösung und jede Lasergravur erfordert Tests, um die optimale Methode für Ihre Anwendung zu ermitteln.
Das erzielte Ergebnis ist von einigen Parametern abhängig:
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Das zu gravierende Material. Verschiedene transluzente und transparente Materialien erfordern jeweils eigene Einstellungen.
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Die Auswahl der lichtblockierenden Deckschicht. Diese kann zum Beispiel ein Permanentmarker, Lack oder Klebeband sein.
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Die Einstellung des Laserfokus
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Die verwendete Laseroptik/Laserlinse
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Graviergeschwindigkeit
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Laserleistung
Methode 1 – Aufbringen einer dunklen/schwarzen Schicht unter das zu gravierende transparente Material
Sie können eine dunkle oder schwarze Schicht direkt unter das Objekt legen und dann den Arbeitsabstand so kalibrieren, dass der Laserfokus an der Grenzfläche von Material und Unterschicht liegt. Die konzentrierte Laserenergie graviert das transparente Material an dieser Grenzschicht. Die Ergebnisse variieren je nach Objektdicke, Materialreinheit, Haze sowie Laserleistung und -geschwindigkeit. Diese Methode funktioniert am besten bei planen transparenten Objekten.
Diese Methode ist nicht geeignet für die Gravur transparenter nicht-planarer Objekte wie Flaschen oder Gläser in Verbindung mit einer Drehachse.
Der Arbeitsabstand sollte so eingestellt werden, dass der Laserfokus mit der Grenzschicht zwischen dunkler Schicht und Glas zusammenfällt.
Für die Kalibrierung des Arbeitsabstands konsultieren Sie bitte das Laserhandbuch der PLH3D-6W-Serie sowie das folgende Video:
Methode 2 – Aufbringen einer dunklen/schwarzen Deckschicht auf das zu gravierende transparente Material
Dies ist die am häufigsten verwendete Lösung. In diesem Fall konzentriert die dunkle Deckschicht die Laserenergie auf die obere Oberfläche des zu gravierenden transparenten Materials. Es gibt verschiedene Arten von Deckschichten, die jeweils andere Resultate liefern. Beispiele hierfür sind Klebeband, Permanentmarker oder Lack. Eine Ideallösung gibt es nicht, da die Auswahl der Deckschicht vom gewünschten Gravurergebnis abhängt. Wenn Sie diese Methode anwenden, sollte der Arbeitsabstand so kalibriert werden, dass der Laserfokus auf der dunklen Oberfläche liegt. Die richtige Kalibrierung des Arbeitsabstands ist entscheidend. Die Resultate hängen ab von der Auswahl des transparenten Gravurmaterials, der Art der dunklen Deckschicht sowie von Geschwindigkeit und Leistung des Laserkopfs.
Der Arbeitsabstand sollte so kalibriert werden, dass der Laserschwerpunkt mit der Grenzschicht zwischen dunkler Schicht und Glas zusammenfällt.
Tests verschiedener Methoden
Alle Tests zur Lasergravur transparenter Materialien wurden mit dem Opt Lasers PLH3D-6W-XF Laserkopf und uSpot-Linsenupgrade durchgeführt.
Methode 1: Lasergravur von Glas durch Platzieren einer Glasscheibe auf einer schwarzen Unterlage
Für diesen Test wurde die zu gravierende transparente Glasscheibe auf eine schwarze Metallplatte gelegt. Bitte beachten Sie, dass der Arbeitsabstand Ihres Lasers so kalibriert werden muss, dass der Laserfokus genau auf der Grenzfläche zwischen schwarzer Metallplatte und Glas liegt. Eine präzise Einstellung des Arbeitsabstands ist wichtig. Die erzielten Ergebnisse sind nachfolgend abgebildet.
Wie oben gezeigt, liefert diese Methode zufriedenstellende Ergebnisse. Bitte beachten Sie, dass die Gravur sich auf der Rückseite des Glases befindet. Die folgenden Aufnahmen zeigen das lasergravierte Glas unter einem digitalen USB-Kameramikroskop.
Methode 1: Lasergravur von Acryl unter Verwendung eines weißen Papiers als Unterlage
Zuerst wird ein weißes Papier auf eine ebene Fläche gelegt. Der Arbeitsabstand sollte so eingestellt werden, dass der Laserfokus auf die Grenzschicht zwischen Papier und Glas fällt. Anschließend wird eine transparente Acrylplatte auf das Papier gelegt. Die Gravurparameter sind entsprechend zu wählen. Mit 100 % Laserleistung und 1000 mm/min können sehr gute Gravurergebnisse erzielt werden.
Die gravierten Schriftzüge auf der Unterseite können mit Isopropanol oder einem anderen Alkohol gereinigt werden.
Methode 2: Lasergravur von Glas unter Verwendung eines Permanentmarkers als Deckschicht
Dieses Glas wurde mit 80 % Leistung und 40 mm/s lasergraviert. Es ist zu beachten, dass es schwierig ist, eine gleichmäßige Schicht mit einem Permanentmarker aufzutragen. Die Ergebnisse können jedoch je nach verwendetem Markertyp variieren.
Nach der Lasergravur des transparenten Glases kann die Markertinte mit Aceton oder Nagellackentferner abgelöst werden. Ein Teil der Tinte kann jedoch in der Gravur verbleiben.
Methode 2: Lasergravur von Glas mit Acryllackspray als Deckschicht
Eine dünne Schicht Acryllackspray wurde auf die obere Glasoberfläche aufgetragen. Vor der Lasergravur wurde eine Wartezeit von 30 Minuten eingehalten, damit der Lack trocknen konnte. Anschließend wurde das Glas mit 100 % Leistung und 30 mm/s graviert. Die erzielten Ergebnisse sind unten dargestellt.
Der dunkle Lackspray kann mit heißem Wasser entfernt werden. Es ist entscheidend, das lasergravierte transparente Glas so schnell wie möglich zu reinigen. Längeres Warten erschwert das Entfernen.
Diese Methode lieferte das überzeugendste Ergebnis. Zu beachten ist, dass dieses Verfahren auch für die Lasergravur nicht-planarer Objekte – wie etwa Flaschen durch den Einsatz einer Rundachse – genutzt werden kann. Das Gravurergebnis ist frei von verbleibender Tinte und weist eine sandgestrahlte Haptik auf.
Methode 2: Lasergravur von Glas mit Acryllackspray als Deckschicht und einer Drehachse
Dieses Glas wurde mit 100 % Leistung und 30 mm/s lasergraviert. Die abgebildeten mehrfachen Gravuren sind auf das Durchführen mehrerer Testläufe auf demselben Glas bis zur Erzielung eines zufriedenstellenden Endergebnisses zurückzuführen.
Lasergravur von Glasspiegeln
Zur Lasergravur eines Glasspiegels sind folgende Schritte zu beachten.
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Bereiten Sie einen herkömmlichen Spiegel mit zweiter Oberfläche vor. Ein solcher Spiegel besitzt eine reflektierende Schicht hinter einem transparenten Substrat – wie Acryl oder Glas – und ist auf der Rückseite einfarbig beschichtet.
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Bereiten Sie eine kontrastreiche Bildvorlage für die Gravur vor. Sie können beispielsweise die Graustufenmethode für die Gravur verwenden.
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Anschließend muss das Bild gespiegelt werden, damit es nach der Gravur auf der Rückseite des Spiegels korrekt dargestellt werden kann.
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Der hier gezeigte Spiegel wurde mit 0–100 % Leistung und 5000 mm/min graviert, eine andere Parameterwahl kann jedoch bessere Resultate liefern. Es kann sich herausstellen, dass weniger Leistung ausreicht, allerdings zeigte sich, dass 20 % Laserleistung bei 5000 mm/min für eine Gravur dieses Spiegels unzureichend sind.
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Der Spiegel muss nicht speziell vorbereitet werden. Platzieren Sie ihn einfach mit der Spiegelseite nach unten unter dem Laser. Der Laserstrahl richtet sich auf die massive Rückseite.
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Nun können Sie den Spiegel lasergravieren.
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Nach Abschluss der Gravur entfernen Sie entstandene Staubablagerungen mit einem Wischtuch.
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Danach können Sie nach Wunsch die transparenten Bereiche der Gravur einfärben. Ein Permanentmarker reicht aus, Sie können aber auch schwarzen Sprühlack oder Latex-Farbe mit dem Pinsel auftragen.
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Lassen Sie nun alles trocknen und drehen Sie den Spiegel um. Der Spiegel ist nun als Dekoration einsatzbereit.
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Unser besonderer Dank gilt Øyvind Sætre Amundsen und Peter Lydman für die Grundlagenarbeit zu diesem Artikel, die unter anderem die Recherche und Erprobung der Lasergravur transparenter Materialien sowie den Erstentwurf der Abschnitte „Lasergravur von transparenten und transluzenten Materialien“, „Testen verschiedener Methoden“ und „Lasergravur von Glasspiegeln“ umfasste. Diese wurden im Anschluss von unserem Web Development Team bearbeitet und überarbeitet.