Podobnie jak wiele innych wynalazków, lasery znajdują coraz więcej zastosowań w rozmaitych dziedzinach techniki. Jednym z przykładów jest grawerowanie laserowe. 

 

To jeszcze rzadko spotykana technika i zagadnienia grawerowania za jego pomocą w szkle, czy innym materiale znane są na razie nielicznym. Spróbujemy tutaj w dużym skrócie przedstawić najważniejsze zagadniena związane z tym nowym i mało znanym działem techniki.

 

 

Czy to jeszcze „grawerowanie”?
    Tradycyjne grawerowanie mechaniczne polega na wybieraniu materiału za pomocą narzędzi skrawających, rylców lub frezów. Materiał zostaje usunięty, a powstałe zagłębienie tworzy rysunek.


    W przypadku grawerowania laserowego rolę mechanicznych narzędzi przejmuje wiązka światła. Światło laserowe (w przeciwieństwie do słonecznego) jest uporządkowane i można je skupić w punkcie o bardzo małej średnicy, co powoduje koncentrację energii na mikroskopijnym obszarze. Energia ta powoduje miejscowe nagrzanie materiału do takiej temperatury, że następuje jego odparowanie, wypalenie lub zmiana struktury.


    W urządzeniu do grawerowania światłem lasera muszą więc występować takie elementy, jak źródło tego światła czyli tuba laserowa, układ soczewek skupiających promień lasera i układ sterujący ruchem tego promienia.


    W ciągu wielu lat badań próbowano rozmaitych źródeł świała laserowego. W praktyce okazało się że do grawerowania najlepiej nadają się lasery w których promień generowany jest w metalowych tubach zawierających dwutlenek węgla (zwane  laserami CO2) oraz w diodach półprzewodnikowych Nd-YAG, czyli materiale stałym, złożonym z arsenku galu, itru i domieszkowanym neodymem (lub nowszej generacji YVO-YAG, domieszkowanym itrem i wanadem).


    Te dwa rodzaje laserów (CO2 i YAG) różnią się długością generowanej fali świetlnej, zastosowaniami i ceną.


    Lasery YAG wykorzystują światło o długości fali 1,064 mikronów, które można skupić do plamki o średnicy 30 mikrometrów (a więc kilka razy mniej niż średnica włosa). Tak mała średnica plamki powoduję olbrzymią koncentrację energii. Laser o mocy wyjściowej 20 W daje na powierzchni materiału energię odpowiadającą 120 kW!

 

Ponieważ ta długość fali jest dobrze absorbowana przez metale i materiały nieorganiczne, lasery YAG stosowane są przede wszystkim do grawerowania metali, ceramiki i niektórych tworzyw sztucznych. Słowo „grawerowanie” jest jednak w tym wypadku niezbyt precyzyjnym określeniem.

 

Promień lasera zagłębia się w metal w najlepszym wypadku tylko na głębokość rzędu setnej części milimetra, a najczęściej tylko zmienia strukturę metalu bez zagłębiania się w materiał Praktycznie nie powstaje żadne zagłębienie! Ale wskutek punktowego nagrzania zostaje zmieniona struktura metalu, dając ciemny ślad na powierzchni. Ten czarny znak tworzy rysunek.

 

Z tego powodu często nazywa się ten proces nie grawerowaniem, ale znakowaniem laserowym. W przeciwieństwie do rysunków nadrukowanych, ślad po laserze jest nieusuwalny. Oczywiście, gdyby kilkaset, czy kilka tysięcy razy powtórzyć takie znakowanie, powstanie w końcu wgłębienie materiału. Można więc wykorzystywać tego typu lasery do wykonywania bardzo precyzyjnych prac w metalu. W ten sposób wykonuje się superdokładne matryce w jubilerstwie, medalierstwie, w mennicach itp.


    W wypadku znakowania laserem YAG tworzyw czy ceramiki również następuje zmiana struktury materiału, widoczna jako rysunek czy napis. Oczywiście, nie wykorzystuje się wtedy pełnej mocy lasera. Zaletą tego typu znakowania jest brak kontaktu narzędzia z materiałem. Można więc w sterylny i bezpieczny sposób znakować np. narzędzia chirurgiczne i delikatne części.


    Laser YAG nie jest jednak doskonały – słabo sprawdza się przy miękkich materiałach, jak np. drewno, skóra, tekstylia, papier. Szkło jest dla niego przeźroczyste, nie zostawia na nim żadnego śladu. Ponadto źródło laserowe jest stosunkowo bardzo drogie.


    Z tych powodów o wiele bardziej rozpowszechnione są lasery CO2. Używają one fali światła podczerwonego o długości 10,64 mikronów, czyli dokładnie 10 razy większej niż lasery YAG.

 

Światło o tej długości prawie nie oddziałuje z metalami – odbija się od ich powierzchni nie zostawiając właściwie żadnego śladu, ale doskonale sprawdza się przy obróbce drewna, szkła, tworzyw sztucznych, gumy, tekstyliów, kartonu i papieru i  innych materiałów – głównie organicznych.

 

Laser CO2 daje plamkę o średnicy kilkadziesiąt razy większej niż laser YAG (zależy to również od stosowanych soczewek). Nie da się więc wykonać nim tak bardzo precyzyjnych prac, ale i tak jest to urządzenie o niezwykłych możliwościach.



Sterowanie promieniem lasera
    Aby na materiale powstał rysunek, promień lasera musi być kierowany w odpowiednie miejsce materiału. Najszybszą metodą jest zastosowanie tzw. głowic GALVO, których schemat pokazano na rysunku poniżej.


    Promień lasera wychodząc ze źrodła trafia na lusterko, odbija się od niego i przez soczewkę skupiającą pada na materiał. Niewielkie ruchy, a właściwie nawet drgania lusterka w dwóch płaszczyznach wystarczają do sporego przemieszczenia światła na powierzchni materiału. Można więc bardzo szybko przesuwać promień lasera, a tym samym szybko grawerować.

 

Do wprawienia w ruch lusterka nie trzeba nawet silniczka, wystarczy odchylać je za pomocą elektromagnesu lub galwanicznie (za pomocą zmian napięcia elektrycznego). Głowice laserowe oparte na technice GALVO są niezwykle szybkie, wydajne i bezawaryjne. Stosowane są w urządzeniach do masowej produkcji, do niedawna głównie w przemyśle, a ostatnio w mniejszych urządzeniach, np. do znakowania gadżetów reklamowych.


     Pomimo niezwykłej szybkości i bezawaryjności nie są to urządzenia bez wad. Największą jest ograniczone pole robocze. W najczęściej spotykanych maszynach GALVO jest to obszar ok. 100x100 mm, który można powiększyć do maks. 160-250 mm ale tylko w niektórych urządzeniach.

 

Powiększenia dokonuje się przez wymianę optyki, co jest bardzo kosztownym rozwiązaniem. Niesie to za sobą dodatkowy, nieporządany efekt, a mianowicie powiększenie plamki. Mając duże pole robocze nie można uzyskać drobnych szczegółów. Dlaczego obszar działania jest tak mały? Na rysunku wyżej widać, że promień oznaczony nr 1 biegnie przez środek soczewki. W miejscu jego padania na materiał ustawiona jest ostrość lasera. Im dalej od środka soczewki, tym większa staje się odległość między materiałem a soczewką.

 

Promień oznaczony nr 2 jeszcze pada na materiał w zakresie ostrości, ale promień nr 3 docierając do materiału jest zbyt rozproszony. Gdyby rzeczywiście pozwolić laserowi grawerować tak daleko od środka soczewki, w miejscach bardziej oddalonych od jej osi rysunek byłby nieostry i nieczytelny. Trzeba więc ograniczyć pole robocze do obszaru, gdzie na pewno powstanie rysunek dobrej jakości.


    Ponieważ większość prac grawerowanych usługowo laserami wymaga o wiele większej powierzchni roboczej niż mogą udostępnić głowice GALVO, powszechnie stosowane jest inne rozwiązanie sterowania światłem lasera. Lasery takie nazywane  są tablicowymi lub ploterowymi (ploterami laserowymi).


    W małych laserach rozmiar stołu wynosi 18x12” (457x305 mm), duże lasery grawerujące mają stoły dochodzące do 1000x600 mm. Produkowane są jeszcze większe maszyny o stołach 2000x3000 mm, ale nie stosuje się ich do grawerowana, a tylko do cięcia laserem.


    W wypadku ploterów laserowych nie ma problemu z zapewnieniem ostrości wiązki światła na całej powierzchni. W wypadku płaskich przedmiotów wystarczy ustawić stół na właściwej wysokości. W wypadku przedmiotów o zmiennej grubości można zmieniać położenie stołu w osi Z nawet w czasie pracy lasera.

 

Do ustawiania właściwego położenia w osi Z służą czujniki optyczne lub mechaniczne, automatycznie ustawiające wysokość stołu. We wszystkich maszynach można przejść na ręczne ustawianie wysokości, ponieważ automatyka nie zawsze jest bezbłędna.


    W laserach wszystkich firm (nie licząc chińskich, bo te są na ogół pozbawione wyświetlaczy) sterowanie pracą możliwe jest z panelu sterowania umieszczonego na przodzie maszyny. Przykładowe rozwiązania widać na poniższych zdjęciach


    Wyświetlacz pokazuje kilka ważnych parametrów: prędkość, moc, rozdzielczość dpi, rozdzielczość ppi, nazwy wykonywanych prac (plików), licznik powtórzeń danej pracy. Nowsze maszyny mają bardzo rozbudowane funkcje panelu, pozwalające np. łączenie prac w automatycznie wykonywane kolejki.

 

Przyciski znajdujące się obok wyświetlacza służą do uruchamiania maszyny, zatrzymywania lub chwilowego przerywania pracy, zmiany wysokości stołu, zmiany prametrów pracy, przesuwania karetki, odczytu  współrzędnych pozycji karetki.


    Najczęściej wykonuje się rysunek w programach graficznych typu CorelDraw, Illustrator czy AutoCad i wysyła na laser tak samo, jak na drukarkę. Laser bowiem jest widziany przez komputer tak, jak każda inna drukarka. Można więc z dowolnego programu wysłać plik do grawerowania.



Parametry pracy lasera grawerującego
    Sposób „drukowania” na laserze pokażę w skrócie na przykładzie sterownika lasera Explorer firmy GCC. W laserach innych firm możliwości są podobne, różnice polegają raczej na inym wyglądzie i sposobie obsługi. Jak widać powyżej, dostępne jest kilka trybów, rysunek czarno-biały, ręczne ustawianie parametrów dla poszczególnych kolorów, tryb grawerownia trójwymiarowego, tryb „pieczątek”.

 

Można tu wybrać żądaną rozdzielczość dpi, lustrzane odbicie rysunku, inwersję (czyli zamianę czarnego na biały i vice versa). Parametry pracy można zapisywać w plikach „historii” i w razie potrzeby szybko odtwarzać.


    Po wybraniu rozdzielczości i trybu pracy przechodzi się do kolejnej zakładki, aby ustalić moc i prędkość pracy urządzenia.


    Moc lasera jest to moc wiązki światła dawanego przez tubę laserową. W laserach używanych do usługowego grawerowania moc wynosi od 25 do 100 W. Najczęściej spotyka się urządzenia o mocy 30-35 W. Taka moc jest całkowicie wystarczająca do normalnej pracy z typowymi materiałami. Większa przydaje się raczej w urządzeniach służących do masowej produkcji.


    W sterowniku (driverze) lasera nie ustaw ia się bezpośrednio mocy w Watach, lecz ustawia się procent maksymalnej mocy – dowolną wartość pomiędzy 0 a 100%. Tak więc nie wiadomo jaka faktycznie moc oddawana jest materiałowi. Tym bardziej, że zależy to również od zanieczyszczeń układu optycznego i zużycia tuby laserowej.


    Od mocy dostarczanej przez laser zależy głębokość grawerowania. Im większa moc, tym głębsze grawerowanie. Jeżeli pracujemy już z maksymalną mocą, głębokość grawerowania można zwiększyć poprzez obniżenie prędkości.


    Prędkość grawerowania to prędkość, z jaką przemieszcza się głowica grawerująca lasera wzdłuż materiału. W sterowniku podawana jest nie w jednostkach prędkości, ale w procentach maksymalnej prędkości. Nie mamy kontroli nad tym, jaka jest rzeczywista prędkość. W praktyce nie ma to jednak żadnego znaczenia.


    Wyższa prędkość daje oczywiście szybszą pracę urządzenia. Ale od prędkości zależy też głębokość grawerowania. Jeżeli laser będzie zbyt szybko pracował, możemy nie otrzymać pożądanego rysunku, bo będzie zbyt słabo wygrawerowany. Przy tej samej mocy lasera większą głębokość grawerowania uzyskuje się zmniejszając prędkość pracy.


    W przypadu lasera 30 W i materiałów takich, jak drewno, szkło, laminaty, aluminium, skóra, papier – najczęściej pracować trzeba ze 100% mocą, a odpowiedni rezultat uzyskuje się zmniejszając prędkość, nawet do 10-30% maksymalnej.

 

Rozdzielczość dpi (dots per inch) Podobnie jak w drukarkach, od rozdzielczości zależy jakość grawerowanego obrazu. Podawana jest ona w ilości kropek wypalanych przez laser na cal odległości pokonanej przez głowicę. Im większa rozdzielczość, tym dokładniej oddawane są drobne szczegóły rysunku.

 

Ale też dłuższy czas grawerowania. W zależności od producenta maszyny możliwe do ustawienia są rozdzielczości od 150 do 1250 dpi. Często producenci podają szereg np 300, 380, 500, 600, 750, 1000.

 

Trzeba jednak wiedzieć, że zawsze część z tych wartości jest interpolowana i w rzeczywistości wartości te są zaokrąglane do możliwych do uzyskania przez układ mechaniczny lasera. Zwiększanie rozdzielczości do takiej interpolowanej wartości wydłuża jedynie czas pracy, a nie wpływa na jakość. W skrajnych wypadkach może nawet ją pogarszać.

  

  W większości maszyn standardowo pracuje się z rozdzielczością 500 dpi. Przy bardzo dokładnych pracach na niektórych materiałach warto zwiększyć dpi do 1000, np. przy grawerowaniu fotografii lub delikatnych przejść tonalnych (w rastrach).

 

Z kolei przy mniej dokładnych pracach rozdzielczość można obniżyć, np. przy grawerowniu dużych liter można zejść nawet do 200 dpi. Nie spowoduje to dużej utraty jakości, a bardzo przyśpieszy pracę. Rozdzielczość ta ma wpływ na czas wykonywania pracy, ponieważ przy niższej rozdzielczości laser musi wykonać mniej ruchów wzdłuz osi Y.

 

 

    Rozdzielczość dpi nie odpowiada dokładnie temu, co rozumie się jako rozdzielczość w drukarkach laserowych czy atramentowych. Raczej jest to dokładność pozycjonowania promienia laserowego. Dlaczego? Bo laser wypala materiał. I wypaleniu ulega nie tylko dokładnie to, na co padnie promień, ale też materiał obok (ciepło się rozprzestrzenia).

A każdy materiał pali się inaczej, więc i efekty na każdym materiale są inne - na drewnie, papierze, skórze, pleksi, szkle, aluminium itp. Najdokładniej graweruje się aluminium (są specjalne blachy do grawerowania laserowego), pleksi (przy bardzo płytkim grawerowaniu). Gorzej jest z miękkim drewnem, a najgorzej wypada szkło i niektóre gatunki skóry.


    Rozdzielczość ppi określa ilość błysków lasera na cal linii grawerowania lub cięcia. Ma znaczenie praktycznie tylko przy cięciu materiałów. W zależności od producenta maszyny typowa wielkość ppi wynosi 400 lub 500. Ale dla niektórych materiałów należy ją nieco zwiększyć lub zmniejszyć. Od parametru tego zależy, jak bardzo nakładają się na siebie kolejne błyski lasera. Przy bardzo małym ppi można uzyskać coś w rodzaju perforacji papieru, przy dużym (np. 1000) może następować zapłon materiału – bo kolejne plamki nakładają się na siebie tak gęsto, że ciepło nie jest odprowadzane wystarczająco szybko.

    Tryb rastrowy. Lasery mogą pracować w dwóch trybach: rastrowym i wektorowym. Zasada pracy w trybie rastrowym podobna jest do pracy drukarki igłowej lub atramentowej o wysokiej rozdzielczości. Głowica grawerująca lasera (karetka) przemieszcza się wzdłuż osi X od lewej do prawej strony dając serię błysków światła w miejscach, gdzie ma grawerować. Najczęściej są to czarne miejsca rysunku.

 

Po dojściu do końca osi X, następuje przesunięcie głowicy w dół osi Y o mikroskopijną odległość zależną od ustawionej rozdzielczości. Teraz następuje powrotny ruch głowicy wzdłuż osi X, w czasie którego laser również błyska w zaczernionych miejscach rysunku. Im wyższa rozdzielczość tym błyski częstsze. I tak linia po linii, punkt po punkcie, głowica lasera przemieszcza się nad całą powierzchnią rysunku, wypalając światłem punkty który są na nim czarne. W ten sposób wygrawerować można dowolny napis, zdjęcie, rysunek. Wszystko to, co dałoby się wydrukować. Ten tryb pracy używany jest do grawerowania.

 


     Tryb wektorowy jest przeznaczony zasadniczo do cięcia. W tym trybie głowica przemieszcza się tylko po liniach (konturach rysunku), igorując to, co jest wypełnieniem kształtów.

 

Błyski następują zgodnie z ustawioną wartością ppi. Przy dużych wartościach tego parametru jest to praktycznie ciągły promień

 

Aby linia na rysunku mogła być użyta w trybie wektorowym, musi mieć ustanowioną najcieńszą możliwą grubość. Np w Corelu jest to 0,001 mm – każda linia o tej grubości będzie traktowana jako obiekt do wycięcia a nie do grawerowania. Rozdzielczość dpi nie ma wpływu na efekty pracy w tym trybie. Trybu tego można używać również do rysowania cienkich linii. Jeżeli ustawimy minimalną moc, to zamiast przeciąć materiał, narysujemy na nim cieniutką linię. W wielu wypadkach jest to szybszy sposób na wykonanie prac niż tryb rastrowy.

 
cdn.
Jakub Borowicz
BORO

 

wszystkie części artykułu:

- Tajemnice lasera grawerującego. Część 1 , Jakub Borowicz, Świat Szkła 3/2009

- Tajemnice lasera grawerującego. Część 2 , Jakub Borowicz, Świat Szkła 4/2009

 

 

patrz też:

- Grawerowanie laserowe, Świat Szkła  - portal

- Odkryj swoją kreatywność , Świat Szkła - portal

- Szkło pod działaniem lasera  , Tomasz Florian, Świat Szkla 2/2005 

 

więcej informacji : Świat Szkła 3/2009

inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne

 

 

  • Logo - alu
  • Logo aw
  • Logo - fenzi
  • Logo - glass serwis
  • Logo - lisec
  • Logo - mc diam
  • Logo - polflam
  • Logo - saint gobain
  • Logo termo
  • Logo - swiss
  • Logo - guardian
  • Logo - forel
  • vitrintec wall solutions logo

Copyright © Świat Szkła - Wszelkie prawa zastrzeżone.