Jak działa znakowanie laserowe i co się podczas niego dzieje?
Podczas znakowania laserowego wiązka lasera pada na materiał i wywołuje reakcję, która pozostawia trwały ślad. Szybkość, moc i skupienie wiązki laserowej na powierzchni elementu prowadzą do różnych procesów laserowych, takich jak usunięcie materiału, jego spalenie lub zmiana koloru. Te procesy znakowania nazywane są grawerowaniem laserowym, trawieniem laserowym, wyżarzaniem laserowym, karbonizacją laserową, ablacją laserową lub spienianiem laserowym.
Wybór odpowiedniej technologii laserowej i jej konfiguracja są kluczowe dla uzyskania wysokiej jakości znakowania. Najpierw należy określić wymagania aplikacji (materiał, rozmiar i geometria elementu, dostępny czas na znakowanie, proces produkcji). Te wymagania pomogą dobrać system laserowy, moc i proces odpowiedni do znakowania danego materiału.
Długości fal i materiały
Różne materiały reagują na różne długości fal w odmienny sposób. Każdy materiał ma unikalny skład, który absorbuje określone długości fal, a inne nie. Ponieważ lasery generują jedną długość fali, są to wysoce wyspecjalizowane narzędzia do znakowania określonych materiałów. Różne materiały mają więc różne wymagania dotyczące lasera. W zależności od materiału najlepiej sprawdzi się system laserowy fibrowy lub CO₂.
Systemy laserowe fibrowe są najlepsze do znakowania metali, ponieważ większość metali dobrze reaguje na znakowanie długością fali 1 mikrometra (1064 nm), która jest najczęściej stosowana w laserach fibrowych.
Systemy laserowe gazowe są najlepsze do znakowania materiałów organicznych. Najbardziej znane lasery gazowe to lasery CO₂. Ich długości fal od 9 do 10,6 mikrometra (9000–10600 nm) są dobrze absorbowane przez większość związków organicznych, natomiast metale reagują na nie słabo.
Typy procesów laserowych przy znakowaniu
Docelowa aplikacja określa, jaki proces znakowania laserowego należy zastosować. Na przykład może być konieczne uzyskanie trwałych, wysoce odpornych oznaczeń lub dostosowanie procesu znakowania do określonego cyklu produkcyjnego.
Grawerowanie laserowe
Grawerowanie laserowe to szeroko stosowana metoda znakowania laserowego, używana do tworzenia numerów identyfikacyjnych, schematów, logotypów czy kodów QR.
Podczas grawerowania laserowego materiał jest usuwany z powierzchni, co tworzy wyczuwalną teksturę i głębokość. W wyniku tej techniki powstaje efekt 3D widoczny pod określonymi kątami oraz wyczuwalny dotykiem.
Podczas grawerowania wiązka laserowa podnosi temperaturę powierzchni do punktu wrzenia materiału, powodując jego topnienie, a w końcu odparowanie. W niektórych przypadkach materiał może ulec spaleniu i przekształcić się w pył lub drobiny.
Grawerowanie laserowe jest szczególnie odpowiednie dla materiałów takich jak drewno, tworzywa sztuczne, ceramika i niektóre metale. W przypadku grawerowania metali kluczowe jest zastosowanie lasera fibrowego o odpowiedniej mocy, aby uzyskać pożądaną głębokość i efekt 3D. Zbyt niska moc może prowadzić do płytkich oznaczeń, które nie mają odpowiedniej głębokości i struktury.
Maszyny do grawerowania laserowego można stosować do znakowania odpornego na podrabianie lub agresywne procesy dalszej obróbki, takie jak piaskowanie.
Trawienie laserowe (etching)
Trawienie laserowe to technologia znakowania przeznaczona do szybkiego i kontrastowego oznaczania. Stosuje się ją zwłaszcza tam, gdzie powierzchnia znakowanego elementu jest pokryta grubą warstwą lub gdy proces znakowania musi być szybki, aby nadawał się do integracji z linią produkcyjną.
Technologia etchingu niemal natychmiast topi powierzchnię materiału, tworząc wypukłe i wklęsłe struktury, które powodują wysoki kontrast oznaczeń (czarne i białe).
Wyżarzanie laserowe (annealing)
Wyżarzanie laserowe to technika, w której metal jest powoli podgrzewany wiązką lasera. Powoduje to dyfuzję tlenu pod powierzchnię metalu i jego utlenienie od wewnątrz. Po ostygnięciu metalu zmienia się jego kolor. Proces ten nazywany jest także znakowaniem termicznym i polega na tym, że wiązka lasera podgrzewa powierzchnię elementu do określonej temperatury, powodując reakcję termochemiczną.
Najczęściej powstaje kolor czarny, ale dostosowując moc lasera, można uzyskać również inne kolory, takie jak czerwony, żółty czy zielony. W przeciwieństwie do grawerowania laserowego wyżarzanie laserowe nie usuwa materiału ani nie tworzy głębokich śladów, lecz zachowuje gładką powierzchnię.
Wyżarzanie laserowe jest stosowane głównie do metali, zwłaszcza tytanu, stali, żelaza i innych materiałów żelaznych. Jest szeroko wykorzystywane w różnych gałęziach przemysłu, w tym w przemyśle medycznym, motoryzacyjnym i lotniczym. Nadaje się do materiałów, które nie mogą zostać uszkodzone. Jest to jedno z nielicznych rozwiązań umożliwiających znakowanie stali nierdzewnej, której powierzchnia musi pozostać nienaruszona.
Wyżarzanie laserowe znajduje również zastosowanie w celach estetycznych, takich jak znakowanie logotypów. Proces ten jest wprawdzie wolniejszy niż inne metody znakowania laserowego, ale pozwala uzyskać najwyższej jakości wykończenie powierzchni.
Karbonizacja laserowa
Karbonizacja laserowa to proces stosowany w przypadku niektórych metali i stopów zawierających węgiel. Pod wpływem działania wiązki laserowej, wysokie temperatury powodują migrację cząsteczek węgla na powierzchnię, gdzie wchodzą w reakcję z cząsteczkami powierzchniowymi. W wyniku tej reakcji na powierzchni pojawiają się ciemne ślady.
Ta specyficzna technika znakowania laserowego znajduje zastosowanie wyłącznie w przypadku metali zawierających węgiel, takich jak stal, stal nierdzewna, tytan oraz inne metale i stopy. Może być częściowo stosowana także w przypadku polimerów zawierających węgiel lub specjalnych domieszek kompozytowych. Wykorzystując unikalne właściwości migracji węgla, można tworzyć trwałe, ciemne oznaczenia na jasnych materiałach.
Ablacja laserowa
Ablacja laserowa polega na tworzeniu oznaczenia poprzez usunięcie z powierzchni innej warstwy niż sam materiał (zazwyczaj farby). Może to być np. usunięcie powłoki w celu naniesienia identyfikatora, takiego jak kod kreskowy. Ablacja laserowa jest identyczna z procesem czyszczenia laserowego, przy czym jej celem jest znakowanie, a nie oczyszczanie powierzchni. W niektórych przypadkach ablacją laserową można osiągnąć najszybsze rozwiązanie znakowania laserowego. Na przykład usunięcie farby jest znacznie szybsze niż znakowanie stali.
Spienianie laserowe (foaming)
Podczas spieniania laserowego laser znakujący topi powierzchnię materiału i tworzy w niej mikroskopijne pęcherzyki gazu, co prowadzi do zmiany koloru i tekstury powierzchni (zwykle na jaśniejszy odcień). Pęcherzyki gazu próbując wydostać się na powierzchnię, ulegają utlenieniu, co nadaje materiałowi atrakcyjny wygląd poprzez załamanie światła i efekt połysku.
Spienianie laserowe jest powszechnie stosowane do znakowania tworzyw sztucznych, zwłaszcza ciemnych polimerów, gdzie konieczne jest uzyskanie kontrastowego białego oznaczenia. Nie jest natomiast kompatybilne z materiałami takimi jak metale i drewno.