Introducere

Tehnologia de gravare cu laser constă în generarea controlată a unui fascicul de lumină focalizat a cărui energie încălzește punctul de impact pe un material opac la o anumită lungime de undă. În funcție de profilul fasciculului, de cantitatea de energie aplicată, de timpul de expunere și de materialul de bază, suprafața materialului se modifică cu diferite gradiente și intensități (1). Efectele fasciculului laser asupra suprafeței materialului sunt evidente numai peste un anumit nivel de putere și sunt, în general, ireversibile (2). Cele mai importante modificări ale materialului în timpul gravurii sunt pierderea de material în timpul arderii (adâncimea) și modificarea compoziției chimice a stratului superficial (nuanța - carbon).

Capacitatea de a determina în avans intensitatea acestor modificări este unul dintre domeniile-cheie ale controlului calității în gravura cu laser. Nuanța produsă de fasciculul laser pe lemn depinde nu numai de intensitatea (puterea) și de profilul fasciculului laser (secțiunea transversală). Materialul în sine este utilizat în combinație cu mediul său (aerul) pentru a produce pigmentarea dorită (nuanța) a materialului. Astfel, depinde, de asemenea, de tipul de lemn, de temperatura, umiditatea, duritatea și compoziția chimică actuală a straturilor gravate (vârsta lemnului și tratamentul său de suprafață).

În plus, lemnul este un compozit natural (3) și un material viu și, chiar și după prelucrare, acesta se modifică în mod constant (se degradează - se descompune - absoarbe sau pierde apă) (4). Dimensiunile lemnului se pot modifica și ele (5).

Utilizarea emițătorilor semiconductori în gravura cu laser

Pentru un sistem capabil să regleze fin intensitatea fasciculului laser în funcție de proprietățile actuale ale materialului de bază și ale mediului său, este indicat să se utilizeze un emițător sensibil și rapid (frecvența impulsurilor). În prezent, gravarea fotografiilor în lemn se realizează în principal cu un laser CO2. Laserele CO2 au o putere mare, permițând viteze de producție și tăieri de material ridicate (6). Cu toate acestea, acestea produc lungimi de undă mai mari (10600 nm), astfel încât nu sunt la fel de precise ca laserele cu diode din spectrul vizibil (455 nm) (7). Utilizarea laserelor semiconductoare a cunoscut o creștere uriașă odată cu utilizarea CD (8; 9).

Acestea își găsesc aplicarea aici în principal datorită dimensiunilor lor fizice, prețului de achiziție și siguranței mai mari date de lungimea de undă și puterea de ieșire. Datorită creșterii spectaculoase a puterii diodelor laser în ultimii ani, acest emițător devine o parte importantă a tehnologiei (10; 11). Diodele laser apar din ce în ce mai des în aplicațiile industriale (12; 13). În plus, acest potențial este sporit de producția rapidă datorită prețului ridicat de achiziție. Puterea laserelor cu diodă poate fi controlată, iar fasciculele lor pot fi focalizate relativ precis (14).

Acest lucru permite imprimarea unor detalii mult mai fine pe o suprafață de lemn și poate calibra modificările minime ale materialului, mediului și uzura omniprezentă a emițătorului. Cu toate acestea, laserele cu diode au în continuare o putere optică cu până la două ordine de mărime mai mică, astfel încât producția este încetinită semnificativ. Un mare avantaj este dimensiunea lor, care este cu până la trei ordine de mărime mai mică. Acest lucru face mai ușoară și mai ieftină asamblarea laserelor semiconductoare în sisteme cu fascicule multiple care pot fi controlate simultan (creșterea puterii) sau separat (gravarea mai multor linii simultan) (11).

Modul laser cu emițători combinați

Astfel, laserele cu semiconductori au potențialul de a surclasa laserele CO2 nu numai în ceea ce privește precizia, ci și în ceea ce privește viteza și economia de producție în aplicația de fotogravare pe lemn. Factorul care le face, în cele din urmă, un emițător mai potrivit pentru producerea de fotografii gravate pe lemn este eficiența și eficacitatea lor mai mare (15) în calibrarea fasciculului pe baza proprietăților actuale ale unui material și ale mediului său.

Utilizarea laserelor semiconductoare crește de la an la an, iar în prezent acestea sunt cel mai utilizat tip de emițător laser. Acest lucru se datorează gamei largi de aplicații și creșterii semnificative a puterii lor maxime în ultimele decenii. Veniturile globale totale din vânzarea emițătorilor laser au fost de 10,4 miliarde de dolari în 2016 (16). Din această sumă, 45% a provenit numai din vânzările de lasere semiconductoare (17). Tendința actuală, prezentată în figura 1, sugerează că această tehnologie are în prezent un viitor mai promițător în ceea ce privește atragerea investițiilor în cercetare și dezvoltare.

Vânzări de LASER cu semiconductor

Creșterea calității gravurii cu laser

Două procese chimice de bază care au loc în materialul lemnos în timpul gravării cu laser sunt arderea și carbonizarea. Aceste procese au loc simultan și, cu un control adecvat, se poate obține un număr considerabil de nuanțe diferite. Pot fi utilizate mai multe abordări pentru a obține un control adecvat. Una dintre opțiuni este focalizarea diferită a fasciculului laser.

Rezultatele LASER-ului focalizat și defocalizat

La gravarea cu un fascicul focalizat, materialul este tăiat, iar paleta de nuanțe se schimbă de la maro deschis la maro închis. Pentru gravarea cu un fascicul defocalizat, obținem până la nuanțe bogate de negru. În acest fel, putem obține palete diferite de nuanțe și putem obține un număr mai mare de culori atunci când gravăm cu o combinație adecvată. Acest lucru duce la o profunzime grafică mai mare și la transferuri îmbunătățite ale fotografiilor și graficelor pe lemn. Cu reglajul corect, este posibil să se obțină calități similare cu cele ale imprimării standard. Acest lucru face gravura cu laser în lemn foarte interesantă din punctul de vedere al calității și ecologiei întregului proces. Nu există cerneală, nu există chimie. Astfel de produse pot fi descrise ca fiind ecologice și au un impact negativ mult mai redus asupra mediului. Singurele componente negative sunt lumina laser, care este miniaturală și durează zeci de mii de ore, și energia necesară.

Rezultate diferite ale fotografiei sursei (mijloc) cu raza laser focalizată (stânga) și defocalizată (dreapta)

În imaginea de mai sus, putem vedea palete diferite de nuanțe care au fost obținute doar prin focalizarea diferită a fasciculului. Codul de producție, unitatea de control și setările puterii laserului au fost identice. Trebuie menționat faptul că neclaritatea fasciculului conduce, de asemenea, la dimensiuni ușor mai mari ale punctului gravat, datorită cărora se pot obține, teoretic, detalii mai mici. Aceasta depinde întotdeauna de performanța și de optica capului de gravură. Este necesar să se focalizeze fasciculul ținând cont de rezoluția dorită. Cu toate acestea, atunci când realizați fotografii și grafică în lemn, punctul gravat va avea o dimensiune minimă limitată (în funcție de putere și optică), deoarece lemnul arde ușor și în jurul punctului gravat. Acest lucru oferă un anumit spațiu liber pentru ajustarea clarității în raport cu punctul gravat.

Fasciculul neclar asigură o creștere a întunericului graficelor rezultate, așa cum se arată în graficul de mai jos. În același timp, curba de umbrire este mai ascuțită, astfel încât întunecarea rezultată are loc mai rapid. Prin urmare, puterea maximă a emițătorului trebuie ajustată în mod corespunzător, astfel încât întreaga adâncime a nuanțelor să fie distribuită uniform pe întreaga histogramă a graficii de intrare. Trebuie menționat faptul că un fascicul estompat are nevoie de mai multă putere pentru a modifica materialul decât un fascicul focalizat. Acest lucru se datorează densității mai mici de energie a fasciculului neclar și poate fi observat în graficul următor pentru valorile puterii laser de 0-20%.

Adâncimea de umbră a gravurii laser cu suprafață arsă și carbonizată

Suprafețele rezultate au compoziții diferite. Diferența dintre acestea și procesele chimice poate fi observată cu ușurință pe scanarea la microscopul electronic de mai jos. Cantitatea de carbon negru rămasă pe suprafețele de lemn se modifică rapid odată cu creșterea gradului de carbonizare a suprafeței. Acest lucru este de așteptat, deoarece carbonul negru este responsabil pentru nuanța neagră a suprafeței. Adâncimea unei suprafețe se modifică foarte puțin, deoarece energia principală a laserului este utilizată pentru carbonizarea lemnului mai degrabă decât pentru sublimarea lemnului.

Diferențe în cantitățile de carbon negru sub microscopul electronic pentru fasciculul laser focalizat (stânga) și fasciculul laser defocalizat (dreapta)

Cum să alegeți un kit de upgrade CNC adecvat pentru o anumită mașină CNC?

Special pentru dumneavoastră, am pregătit un site web care ghidează utilizatorul prin procesul de selectare a unui cap laser și apoi îl conduce la setul adecvat pentru mașina dumneavoastră CNC. Faceți clic pe butonul de mai jos pentru a vizita acest site web.

Descoperiți mai multe

Concluzii

Utilizarea laserelor semiconductoare crește în fiecare an. Datorită creșterii puterii de ieșire a laserelor semiconductoare, acestea pot fi utilizate în din ce în ce mai multe cazuri. Dimensiunile fizice ale emițătoarelor permit combinarea lor. Acestea pot fi combinate pentru puteri mai mari sau pentru o gravură raster mai rapidă (gravarea mai multor rânduri în același timp). Cu fasciculul defocalizat se pot obține nuanțe mai întunecate pentru gravarea lemnului. Acest lucru duce la o profunzime mai mare a graficii rezultate. Cu o combinație adecvată se poate obține o calitate mai bună a transferului imaginii pe suprafețele din lemn. Este important să se optimizeze procesul de gravare cu laser pentru diferite specii și stări ale lemnului.

Cu aceleași setări ale laserului și ale puterii de ieșire se obține o calitate diferită. Focalizarea fasciculului este doar una dintre variabile. Umiditatea și vârsta lemnului în sine sunt alte variabile care joacă un rol în îmbunătățirea rezultatelor gravurii.

Autorul articolului:

Martin Jurek

Referințe

1. Mishra, Sanjay a Yadava, Vinod. Laser Beam MicroMachining (LBMM) - O analiză. Optică și lasere în inginerie. 2015, Vol. 73, paginile 89-122.
2. Minami, K., și alții. Îndepărtarea chitului epoxidic industrial utilizând un laser cu diodă de mare putere. Optică și lasere în inginerie. 2002, Vol. 38, 6, paginile 485-498.
3. Bruno, Luigi. Caracterizarea mecanică a materialelor compozite prin tehnici optice: O revizuire. Optică și lasere în inginerie. 2018, Vol. 104, paginile 192-203.
4. Chen, Yao și alții. Modificări de culoare și chimie de suprafață ale lemnului extras. Știința și tehnologia lemnului. 2014, Vol. 48, paginile 137-150.
5. Kifetew, Grima. Aplicarea metodei de măsurare a câmpului de deformare la lemn în timpul uscării. Știința și tehnologia lemnului. 1996, Vol. 30, paginile 455-462.
6. Martinez-Conde, Alejandro, și alții. Revizuire: Analiza comparativă a laserului CO2 și a ferăstrăului convențional pentru tăierea cherestelei și a materialelor pe bază de lemn. Știința și tehnologia lemnului. 2017, Vol. 51, paginile 943-966.
7. Rothenbach, Christian A. a Gupta, Mool C. Litografie laser de înaltă rezoluție și costuri reduse utilizând un ansamblu de cap optic Blu-ray. Optică și lasere în inginerie. 2012, Vol. 50, 6, paginile 900-904.
8. Barletta, Massimiliano, Gisario, Annamaria a Tagliaferri, Vincenzo. Recuperarea materialelor reciclabile: Analiza experimentală a prelucrării cu laser a CD-R. Optică și lasere în inginerie. 2007, Vol. 45, 1, paginile 208-221.
9. Efectul conținutului de umiditate în tăierea cu laser cu fibră a lemnului de pin. Hernández-Castañeda, JuanCarlos, Kursad, Huseyin a Li, Lin. 9-10, 2011, Optics and Lasers in Engineering, Vol. 49, paginile 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, și alții. Aspecte teoretice și experimentale ale tăierii laser cu un laser direct cu diode. Optică și lasere în inginerie. 2014, Vol. 61, paginile 31-38.
12. Marcarea și gravarea rapidă și flexibilă cu laser a suprafețelor înclinate și curbe. Diaci, Janez și alții. 2, 2011, Optics and Lasers in Engineering, Vol. 49, paginile 195-199.
13. Zeni, Luigi și alții. Caracterizarea rețelelor de diode laser semiconductoare de putere. Optică și lasere în inginerie. 2003, Vol. 39, 2, paginile 203-217.
14. Wang, S. H. și alții. Colimarea fasciculului divergent al diodei laser cu ajutorul fibrei optice cu indice gradat. Optică și lasere în inginerie. 2000, Vol. 34, 2, paginile 121-127.
15. Progresele și caracteristicile prelucrării materialelor cu diode laser de mare putere. Li, Lin. 4-6, 2000, Optics and Lasers in Engineering, Vol. 34, paginile 231-253.
16. Holton, Conrad și alții. Annual Laser Market Review & Forecast: Unde s-au dus toate laserele? Laser Focus World. [Online] 23. ianuarie 2017. [Citate: 20. ianuarie 2019.] https://www.laserfocusworld.com/lasers-sources/article/16548135/annual-laser-market-review-forecast-where-have-all-the-lasers-gone.
17. Ilimitat, Strategii. The Worldwide Market for Lasers: Market Review and Forecast 2017. New Hampshire : Strategies Unlimited, 2017.