Grawerowanie, znakowanie i kolorowanie - wszystko w jednym miejscu.

Odróżnianie grawerowania od znakowania: Perspektywy technologiczne

Rozważając aspekty technologiczne, ważne jest, aby rozróżnić procesy grawerowania i znakowania metali. Znakowanie obejmuje zmianę właściwości optycznych metalowej powierzchni bez wpływu na jej ogólny profil. Z drugiej strony, grawerowanie wiąże się z miejscowym usuwaniem materiału z metalowej próbki. Zazwyczaj grawerowanie powoduje powstawanie rowków na powierzchni metalu, podczas gdy znakowanie charakteryzuje się zmianą koloru na zaznaczonym obszarze.

Metody znakowania

Znakowanie metalu poprzez barwienie można osiągnąć za pomocą trzech metod. Jedną z nich jest utlenianie powierzchni metalu. W tej metodzie cienka warstwa tlenku jest tworzona na powierzchni metalu za pomocą promieniowania laserowego. Promieniowanie laserowe podgrzewa powierzchnię metalu, która wchodzi w reakcję z tlenem z otaczającej atmosfery.

Warstwa tlenku tworzy strukturę dyspersyjną, która selektywnie odbija padające światło. Charakterystyka odbicia powierzchni zależy od właściwości optycznych materiału warstwy i jej wysokości h. Zazwyczaj kolor powierzchni, który obserwator może zobaczyć, zależy od warstwy tlenku i właściwości optycznych metalu, a także kąta padania światła.

Druga metoda barwienia metalu opiera się na charakterystyce dyspersyjnej struktury periodycznej utworzonej na powierzchni metalicznej. Struktura ta jest tworzona za pomocą laserów impulsowych o dużej mocy. Impulsowe promieniowanie laserowe wytwarza pole plazmoniczne na powierzchni metalu i jeśli gęstość mocy promieniowania jest wystarczająco wysoka, tworzy okresową strukturę, która rozprasza padające białe światło. Struktury dyfrakcyjne są tworzone za pomocą laserów emitujących impulsy światła w zakresie od ns do ps i fluencji 10-102 J/m2.

Efekt wizualny, który obserwator może zobaczyć, pochodzi z rozszczepienia padającego światła białego na zestaw przestrzennie oddzielonych wielokolorowych wiązek. Kolory wiązek silnie zależą od kąta padania światła białego i kąta obserwacji.

Trzecia metoda barwienia powierzchni metalicznych - nanocząsteczki

Trzecia metoda barwienia metali polega na wykorzystaniu impulsowej wiązki laserowej do tworzenia nanocząstek na powierzchniach metalicznych. Proces ten polega na zastosowaniu promieniowania laserowego, które podnosi temperaturę powierzchni metalu, prowadząc do jej stopienia, a następnie odparowania. W rezultacie indukowany jest pióropusz plazmy. Podczas fazy chłodzenia po zakończeniu impulsu laserowego, pióropusz plazmy ulega transformacji, powodując powstawanie nanocząstek, które są następnie osadzane na powierzchni metalu.

Wynikowy kolor powierzchni metalu zależy od wielkości i kształtu utworzonych nanocząstek. Charakterystykę dyspersyjną powierzchni można kontrolować poprzez zmianę parametrów promieniowania laserowego: mocy szczytowej, fluencji, czasu trwania impulsu i długości fali. Zazwyczaj nanocząstki są tworzone za pomocą laserów emitujących krótkie i bardzo krótkie impulsy [ns - fs] o szczytowej gęstości mocy w zakresie kilku 100 W/cm2.

Grawerowanie laserowe

Grawerowanie metalu polega na usunięciu niewielkiej ilości materiału z metalowej powierzchni. W ten sposób na grawerowanym materiale powstaje trwały ślad. Grawerowanie może być wykonywane za pomocą narzędzia mechanicznego lub promieniowania laserowego. Wiązka laserowa o wysokiej jasności może powodować lokalny wzrost temperatury materiału, ostatecznie prowadząc do powstania rowka na powierzchni. Proces tworzenia rowka rozpoczyna się od stopienia próbki, po czym następuje eskalacja temperatury, która indukuje parowanie, a nawet wrzenie.

Wykres przedstawiony poniżej pokazuje różne obszary reżimu interakcji między promieniowaniem laserowym a materią w obróbce laserowej. Linie dla topnienia, spallacji i eksplozji fazowej odpowiadają stosunkowo ostrym progom dla rozpoczęcia odpowiednich procesów, podczas gdy linie dla parowania i tworzenia plazmy są zdefiniowane na poziomie jakościowym i odpowiadają warunkom, w których parowanie ma znaczący udział w wyrzucaniu materiału, a znaczny stopień jonizacji jest osiągany w pióropuszu ablacyjnym.

Głównymi czynnikami wpływającymi na proces grawerowania laserowego są ekspozycja promieniowania na powierzchnię materiału i czas trwania impulsu laserowego. Im dłuższy jest impuls lasera, tym większa ekspozycja na promieniowanie jest potrzebna do uzyskania odparowania materiału. Czas trwania impulsu wpływa na procesy tworzenia fal uderzeniowych w obrabianych materiałach. Bardzo krótkie impulsy laserowe w zakresie od femtosekund do nanosekund są w stanie wywołać nie tylko odparowanie materiału, ale także eksplozję fazową (ablację) i tworzenie plazmy. Procesy te są trudne do osiągnięcia przy użyciu laserów o fali ciągłej (CW).

Jak wybrać odpowiednią grawerkę laserową?

---

Głównym czynnikiem między rodzajami materiałów, który decyduje o tym, czy dany rodzaj materiału można łatwo grawerować laserowo, czy nie, jest to, czy materiał jest metaliczny, czy nie. Niektóre materiały metaliczne nie mogą być w ogóle grawerowane. Aby grawerować metale, tj. usunąć warstwę obrabianego metalu, zaleca się rozpoczęcie od niebieskiej głowicy laserowej o mocy optycznej 15 W lub wyższej. Na chwilę obecną grawerka laserowa PLH3D-15W jest najlepszą kompaktową głowicą laserową na rynku zdolną do grawerowania stali, a także jej nierdzewnych, węglowych, narzędziowych i szybkotnących podgatunków. Nadal nie jest wystarczająco mocna do grawerowania na gołym aluminium, miedzi lub mosiądzu, ponieważ materiały te albo zbyt dobrze przewodzą ciepło, albo odbijają zbyt dużo światła laserowego. Możliwe jest grawerowanie miedzi za pomocą niebieskich głowic laserowych o mocy 30 W (moc optyczna). XT-50 to kolejna grawerka laserowa, która umożliwia pracę z metalami i robi to z wyjątkową precyzją (ponieważ jej skupiona wiązka o szerokości 50 µm odpowiada >500 rzeczywistym DPI). Te dwie głowice laserowe do grawerowania umożliwiają grawerowanie laserowe (a nie tylko znakowanie) metali wymienionych powyżej.

Jeśli jesteś zadowolony z prostego znakowania laserowego metalu, możesz to osiągnąć na stali nierdzewnej i tytanie (ale nie na innych metalach) za pomocą grawerek laserowych o mocy 6 W. Znakowanie laserowe definiuje się tutaj jako zmianę koloru powierzchni metalu w wyniku przegrzania. Znakowanie laserowe jest jednak mniej trwałe niż grawerowanie laserowe, ponieważ głębokość zmiany koloru jest znacznie mniejsza. Powierzchnie znakowane laserowo mogą wytrzymać zaledwie kilka szorowań drobnym papierem ściernym. Do tego celu służy grawerka laserowa XF+ z soczewkami o wysokiej rozdzielczości.

Niemniej jednak, jeśli chcesz to zrobić naprawdę szybko (>30 mm/s), będziesz potrzebować lasera o mocy optycznej 15 W lub grawerki i wycinarki laserowej XT-50. W zależności od składu chemicznego i rodzaju stali nierdzewnej można przyjąć prędkości 0,5 - 2 mm/s, 8 - 15 mm/s lub 20-40 mm/s odpowiednio dla XF+ High Resolution Lens, PLH3D-15W.

Przykłady obróbki laserowej metali