Как работает лазерная резка?
Лазерная резка — это повседневный метод производства металлических и неметаллических деталей. Эта отрасль, оцениваемая в 4 миллиарда долларов, ответственна за…
Лазеры подходят для выполнения различных операций. Лазерная маркировка — одна из них. Это процесс нанесения меток или гравировки на различные поверхности с помощью лазерного луча. Сегодня эта технология находит множество применений.
Лазерная маркировка — чрезвычайно универсальный процесс. Это общий термин, который применяется к различным технологиям, таким как абляция, гравировка, вспенивание, окрашивание, травление, карбонизация и др. Выбор метода зависит от материала и требований к качеству.
Основные моменты
Лазер имеет ряд преимуществ по сравнению с другими возможными методами. Мы выделим основные из них.
Лазерная маркировка — бесконтактный процесс. Оборудование не вступает в физический контакт с материалом, а воздействует только на участки, выбранные лазерным лучом. В результате отсутствует повреждение материала от трения.
Процесс лазерной маркировки отличается исключительной точностью. С его помощью можно наносить метки даже на очень мелкие объекты с высокой степенью детализации. Например, лазеры используются для маркировки печатных плат. Качество маркировки — чёткое и разборчивое.
Лазерная маркировка — экологически безопасный способ нанесения гравировки, поскольку не образует токсичных побочных продуктов. То же самое нельзя сказать, например, об травлении кислотой.
По сравнению с другими методами лазерная маркировка значительно быстрее. Это сокращает время выполнения операций и, соответственно, расходы. Подбор оптимального метода для разных задач может ещё больше снизить временные затраты.
Помимо затрат на электроэнергию для оборудования, у лазерной маркировки практически отсутствуют ежедневные эксплуатационные расходы. Для работы системы требуется минимум персонала — операторы лишь настраивают оборудование, которое далее работает автоматически.
Одна и та же система лазерной маркировки подходит для различных материалов. Это обеспечивает гибкость, ведь большинство производств используют разные материалы. К ним относятся различные металлы, такие как конструкционные стали, нержавеющие стали, разные сплавы алюминия и другие.
На одной и той же установке можно выполнять лазерную гравировку и другие процессы с минимальными доработками. Это большое преимущество, так как не требуется дополнительное оборудование для разных технологий и применений.
В сравнении с другими методами гравировки и маркировки лазерная маркировка считается более безопасной. В процессе не образуются токсичные газы и отходы. Поэтому он безопасен для оператора.
Кроме того, итоговое качество гарантирует безопасность использования продукции в различных областях. Например, лазерную маркировку применяют для гравировки стоматологического оборудования — поверхность изделий остаётся гладкой и пригодной для использования в ротовой полости пациента.
Лазерные метки долговечны и имеют высокий контраст. Они устойчивы к нагреву, истиранию и даже воздействию кислот. Эти маркировки не выцветают и не смываются водой.
Поэтому лазерная маркировка идеально подходит для отслеживания продукции, поскольку риск потери информации со временем отсутствует.
Лазерная маркировка позволяет эффективно наносить одинаковые метки на большое количество изделий при массовом производстве. Систему легко интегрировать в производственную линию.
Такая повторяемость обеспечивает быстрое выполнение проектов и привлекательный внешний вид продукции.
Поначалу, с появлением первых лазерных машин в 1965 году, сфера применения ограничивалась резкой. Со временем, с развитием технологий, открылся широкий спектр новых возможностей.
Сегодня лазерная маркировка применяется во множестве отраслей. Одна из них — маркировка продукции.
QR-код на металле
Для нанесения QR-кодов, серийных номеров, штрих-кодов, дат и артикулов также применяются лазеры. То же касается маркировки сроков годности, дат обслуживания и логотипов компаний.
Лазерная маркировка используется также при изготовлении ID-карт и смарт-карт, поскольку она защищает от подделки. Технология востребована в пищевой, автомобильной, авиационной, медицинской, электронной, рекламной и полупроводниковой промышленности и во многих других сферах.
Лазерная маркировка подходит для большинства металлов. Лазеры также могут наносить метки на пластики, керамику, стекло, кремний. Маркировке поддаются композиты, графит, резина и светодиоды — в зависимости от материала возможны чёрные или цветные метки. Лазер используется даже для гравировки драгоценных камней — рубинов, сапфиров и алмазов.
В зависимости от задачи существует несколько технологий лазерной маркировки. Рассмотрим некоторые из них.
В этом процессе лазерный луч локально нагревает металлическую поверхность, вызывая структурные изменения и изменение цвета. Обычно марка получается чёрной, но также может быть красной, зелёной или жёлтой — в зависимости от температуры слоёв.
Лазер проникает в металл на глубину 20–30 мкм, оставляя поверхность ровной. Такой отжиг обычно применяют на черных металлах и титане.
Маркировка отжигом долговечна и устойчива к истиранию. Её используют в медицинской, стоматологической, автомобильной промышленности и производстве оборудования. Пример — таблички со спецификацией оборудования.
При гравировке лазерный луч удаляет часть материала с поверхности, образуя углубления. Множество материалов подходят для этого процесса: металлы, пластики, камень, керамика.
В процессе гравировки материал нагревается, плавится, испаряется и вступает в реакцию с воздухом, что приводит к изменению цвета и делает метку более заметной. Отсутствие расходных материалов делает данный метод дешевле по сравнению с технологиями, использующими сверла или специальные чернила.
Лазерная маркировка кожи
Для маркировки органических материалов и синтетических полимеров применяется карбонизация. Лазер разрушает молекулярные связи, высвобождая водород и кислород, что приводит к потемнению обработанного участка.
Поскольку метка получается серой или синевато-серой, этот метод не всегда подходит для тёмных объектов — контраст будет низким. Карбонизация используется для маркировки дерева, бумаги, кожи, упаковочных материалов и др.
Для получения светлых меток карбонизация не подходит. В таких случаях применяется вспенивание: лазер нагревает поверхность материала, который плавится, и на нём образуются газовые пузырьки.
Окисленные пузырьки вспенивают и отражают свет, создавая яркую метку. Процесс подходит для тёмных объектов.
Метка выступает над поверхностью и имеет высокий контраст с остальной частью изделия. Такое изменение цвета характерно только для полимеров.
Этот метод особенно эффективен для покрытых материалов. Лазер удаляет верхний слой, обнажая подложку. Если слои различаются по цвету, создаётся контрастная метка.
Отличные результаты достигаются на анодированном алюминии, а также для маркировки этикеток, упаковки, фурнитуры. Обычно применяют для металлов с покрытиями, ламинатов, фольги, плёнок.
Металл, поддающийся удалению, поглощает тепло и испаряется в зоне воздействия лазера. Этот метод также востребован в автомобильной промышленности для создания “день/ночь” дизайна. Важно, чтобы верхний слой отличался по цвету от основы. Другой термин — абляция.
В некоторых случаях химический состав материала используется для получения метки при лазерной гравировке. Локальный нагрев вызывает химическую реакцию, продукты которой имеют иной цвет и создают контраст там, где прошёл лазер.
Окрашивание не требует проникновения в материал — метка образуется за счёт толщины оксидного слоя.
Для пластика чаще всего применяется метод окрашивания. Локальный нагрев приводит к осаждению сажи на поверхности, придавая ей тёмную окраску.
Для лазерной маркировки применяются различные лазерные технологии. У каждой свои плюсы и минусы, выбор зависит от задачи, бюджета и требований к качеству. В целом, различают твёрдотельные и газовые лазеры. Рассмотрим доступные варианты.
В CO2-лазерах в качестве источника используется газ CO2 в герметичной камере.
Суть работы — электрический ток возбуждает газ, который начинает излучать. Излучение усиливается зеркалами и фокусируется на материале для маркировки. CO2-лазеры обладают высоким качеством луча и хорошей эффективностью.
Они подходят для дерева, металла, акрила, стекла, бумаги и др. Это один из самых ранних методов лазерной обработки, который до сих пор востребован. Используется для нанесения маркировок, дат, логотипов и др.
CO2-лазеры отлично подходят и для неметаллов: лазерная гравировка одежды, маркировка медицинской упаковки, этикеток для напитков, резины, пластика, кожи и прочего.
Сегодня самой популярной технологией является волоконный лазер. Это твёрдотельный лазер: в качестве источника излучения используется оптоволокно, легированное редкоземельными элементами.
Такая система более эффективна, универсальна, компактна и отличается высокой скоростью маркировки. Она практически не требует обслуживания и не использует расходных материалов.
Стоимость владения ниже, чем у других систем, а надёжность выше. Волоконный лазер справляется даже со сложными материалами — например, с печатными платами, пластиками, никелевым и золотым покрытием. Он может применяться для деликатных слоёв и чувствительных материалов.
Волоконные лазеры идеально подходят для отпуска, гравировки и маркировки пластика. Срок службы — минимум 25 000 часов.
MOPA-лазер — особый тип волоконного лазера с регулируемой длительностью импульса, что позволяет работать с большим числом различных материалов.
В этом методе используется технология DPSS (диодный накачиваемый твёрдотельный лазер), где кристалл YAG, легированный неодимом или рубином, накачивается лазерным диодом. Длина волны в 10 раз меньше, чем у CO2-лазера, что ограничивает её использование некоторыми материалами.
В отличие от волоконных лазеров, для этой системы требуются дорогие диодные насосы, срок службы которых составляет 8 000–15 000 часов. Nd:YAG-лазер служит меньше, чем волоконный.
Он подходит для гравировки и маркировки большинства металлов. При использовании в галво-системе скорость выше, чем у CO2-лазера, однако настройка занимает больше времени и стоит дороже. Требует большего обслуживания и не подходит для многих неметаллических материалов, таких как дерево, акрил и др.
Тем не менее, система обеспечивает отличную стабильность и качество луча, а также высокую эффективность. Подходит для работы с покрытыми металлами, керамикой и пластиками.
