Введение
Гравировка объектов с помощью лазеров
Лазерная гравировка – это процесс использования лазеров для нанесения изображения на объект. Лазерная маркировка, в свою очередь, представляет собой более широкую категорию методов для нанесения отметок на объект, которая в некоторых случаях также включает изменение цвета вследствие химических или молекулярных изменений, обугливание, вспенивание, плавление, абляцию и другие эффекты. В данной технике не используются чернила и не применяются инструменты, контактирующие с поверхностью и подверженные износу, что дает ей преимущество перед альтернативными технологиями гравировки или маркировки, требующими регулярной замены чернил или рабочих головок. Эффект от лазерной маркировки наиболее заметен при использовании специально разработанных "лазерных" материалов, а также некоторых красок, включая лазерночувствительные полимеры и новые металлические сплавы. Термин "лазерная маркировка" также используется как обобщающий для широкого спектра технологий обработки поверхности, таких как печать, горячее тиснение и лазерная сварка. Оборудование для лазерной гравировки и лазерной маркировки идентично, поэтому эти два термина часто путают люди, не имеющие специальных знаний или опыта в этой области.
Лазерные гравировщики
Лазерная гравировка – это процесс выборочного удаления микроскопических слоев материала, создающий видимые метки на обработанной поверхности. В зависимости от материала, характер взаимодействия лазера с материалом может различаться. На более твердых поверхностях основным механизмом является абляция, при которой сфокусированный лазерный луч выбивает микроскопические частицы из подложки. Гравировка может достигать глубины 100 мкм и более, в то время как лазерная маркировка обычно менее глубокая. Выбор лазера имеет важное значение для качества метки. Для получения четкой метки предпочтительнее использовать короткие импульсы высококачественного лазерного излучения, поскольку они способны передавать большое количество энергии без существенного нагрева и плавления материала. Например, гравировка с использованием фемтосекундных лазеров повышает точность, так как эти лазеры генерируют чрезвычайно короткие импульсы, создающие метки высокого разрешения без значительного нагрева, предотвращая деформацию или изменение материала. Эта технология особенно ценна для материалов, где необходимо минимизировать термическое воздействие, таких как металлы, пластмассы и чувствительная электроника.
Лазерные гравировщики
Лазерная гравировальная машина состоит из трех основных частей: лазера, контроллера и обрабатываемой поверхности. CO2-лазеры не подходят для гравировки многих металлов из-за их высокой отражающей способности на этой длине волны. Лазеры Yb:Fiber и Nd:YVO, излучающие свет с длиной волны около 1000 нм, а также Nd:YAG лазеры на длине волны 1064 нм или их гармоники на 532 и 355 нм, излучают свет, который лучше поглощается большинством металлов. Поэтому они более пригодны для лазерной гравировки металлов.
Покрытые металлы
Та же теплопроводность, которая препятствует локальному испарению металла, становится преимуществом, если целью является удаление другого покрытия с поверхности металла. Лазерная гравировка выполняется на тонко отполированном металле, покрытом эмалевой краской, предназначенной для выжигания. При мощности от 10 до 30 ватт получаются превосходные гравюры, поскольку эмаль удаляется достаточно чисто. Значительная часть лазерной гравировки продается в виде открытых латунных или серебряных стальных букв на черном или темно-эмалевом фоне. В настоящее время доступно множество вариантов отделки, включая имитацию мрамора, нанесенную методом трафаретной печати на эмаль. Анодированный алюминий обычно гравируется или травлится с помощью лазерных машин. При мощности менее 40 Вт этот металл легко гравируется с четкой и впечатляющей детализацией. Лазер обесцвечивает покрытие, обнажая белый или серебристый алюминиевый субстрат. Хотя анодированный алюминий доступен в различных цветах, лазерная гравировка черного анодированного алюминия обеспечивает наилучший контраст. В отличие от большинства материалов, гравировка анодированного алюминия не оставляет дыма или остатков. Существуют специальные спрей-покрытия для лазерной гравировки металлов, которые наносятся слоем, видимым для лазерного луча, и сплавляются с подложкой в месте воздействия лазера. Обычно эти спреи также можно использовать для гравировки других оптически невидимых или отражающих материалов, таких как стекло, и они доступны в различных цветах. Помимо спрей-покрытий, некоторые металлы, предназначенные для лазерной маркировки, поставляются с предварительным покрытием для создания изображения. Эти продукты изменяют цвет поверхности металла (часто на черный, коричневый или серый).
Камень и стекло
Камень и стекло не испаряются и не плавятся легко. В результате, это делает их, как правило, более подходящими для других методов гравировки, в частности, пескоструйной обработки или резки алмазами с использованием воды. Однако, когда лазер воздействует на стекло или камень, происходит их разрушение (растрескивание). Поры на поверхности обнажают естественные зерна и кристаллические выступы, которые при очень быстром нагревании могут отколоть микроскопический фрагмент от поверхности, поскольку нагретая область расширяется относительно окружающей среды. Следует избегать больших заполненных участков при гравировке стекла, так как результаты на большой площади, как правило, неравномерны; абляция стекла не обеспечивает достаточной визуальной однородности, что может быть как недостатком, так и преимуществом в зависимости от обстоятельств и желаемого эффекта. По состоянию на 2021 год, последние достижения в технологии ультрафиолетовых лазеров обеспечивают мощность 10 Вт (и более) и дают значительно лучшие результаты гравировки на стекле, чем предыдущие, менее мощные модели систем УФ-маркировки (например, 3 Вт) или классические лазерные системы маркировки. Новые УФ-системы гравируют чисто и четко, с минимальным микрорастрескиванием на поверхности маркировки. Поскольку современные 10-ваттные УФ-лазерные системы меньше нагревают окружающий материал, стеклянные подложки значительно менее подвержены растрескиванию в процессе лазерной маркировки. Высококачественная заполненная гравировка на тонких стеклянных и хрустальных подложках теперь регулярно воспроизводится в больших объемах в производственных условиях.
Ювелирные изделия
Растущий спрос на персонализированные украшения заставил ювелиров обратить внимание на преимущества лазерной гравировки. Ювелиры обнаружили, что лазер позволяет выполнять гравировку с большей точностью. Фактически, они выяснили, что лазерная гравировка обеспечивает более высокую точность, чем другие методы гравировки. Одновременно ювелиры оценили и другие достоинства лазерной гравировки, такие как возможность кастомизации, персонализации и просто эстетическая привлекательность. Раньше для лазерной гравировки требовалось громоздкое оборудование, но теперь существуют компактные устройства. Некоторые предприниматели даже размещают такие устройства в торговых центрах, что значительно расширило доступность лазерной гравировки ювелирных изделий. Производители оборудования для лазерной гравировки разработали специализированные машины, способные гравировать внутреннюю поверхность кольца и наносить гравировку на заднюю крышку часов. Лазер может обрабатывать как плоские, так и изогнутые поверхности, в том числе и на ювелирных изделиях. Это объясняет, почему ювелиры с энтузиазмом восприняли все усовершенствования, связанные с созданием ювелирных изделий с лазерной гравировкой.
Изобразительное искусство
Лазерная гравировка также может использоваться для создания произведений изобразительного искусства. Обычно это предполагает гравировку на плоских поверхностях для обнажения нижних слоев материала или создания канавок и штрихов, которые можно заполнить красками, глазурями или другими материалами. Некоторые лазерные граверы оснащены вращающимися насадками, позволяющими гравировать по окружности объекта. Художники могут оцифровывать рисунки, сканировать или создавать изображения на компьютере и затем гравировать их на любом из материалов, упомянутых в этой статье.
Трофеи, памятные знаки и награды
Относительно низкая стоимость лазерной гравировки, обусловленная автоматизацией и недорогими материалами, делает ее идеальным решением для персонализации трофеев и наград. В то время как ручная гравировка может быть подходящим вариантом для более дорогих трофеев чемпионов, лазерная кастомизация лучше всего подходит для командных и памятных трофеев, которые часто заказывают большими партиями и имеют относительно небольшую маржу прибыли. Многие также предпочитают четкость, обеспечиваемую лазерной гравировкой, которая зачастую дает более резкий и четкий результат, чем другие методы, при значительно меньших затратах. Лазерные материалы, такие как пластик или FlexiBrass, доступны в широком спектре цветов, что повышает популярность лазерной персонализации трофеев и табличек. Наиболее популярными комбинациями являются золотые буквы на черном фоне и черные буквы на золотом фоне. Хотя те же цветовые сочетания часто используются и для табличек, разнообразие цветов при гравировке на табличках гораздо шире.
Зеркала, гравированные лазером
Как и в случае с обычными гравированными зеркалами, первоначальной задачей лазерных гравировальных машин было нанесение изображения на стеклянную поверхность зеркала. При оптимальной настройке мощности, фокусировки и скорости можно добиться результатов, сопоставимых с пескоструйной обработкой или химическим травлением. В новой технологии гравировки зеркал лазер пробивает импульсы сквозь отражающий серебряный слой на задней стороне зеркала. В результате, стеклянная сторона лазерно-гравированного зеркала остается неповрежденной, сохраняя полную отражающую способность исходного зеркала. После завершения процесса гравировки заднюю часть зеркала необходимо покрыть новым слоем, чтобы проявить выгравированные детали. При лазерной гравировке фотографий или текста, сплошное черное покрытие на задней стороне обеспечит максимальную четкость монохромных изображений. Цветные покрытия могут придать изображению цветность.
Прямая лазерная гравировка флексографических пластин и цилиндров
Прямая лазерная гравировка флексографических цилиндров и пластин является устоявшимся процессом с 1970-х годов. Она началась с использования углекислотного лазера для селективной абляции или испарения различных резиновых пластин и материалов втулок, чтобы создать готовую к печати поверхность без использования фотографии или химикатов. В этом процессе отсутствует встроенная абляционная маска, как при прямой фотополимерной лазерной визуализации. Вместо этого мощная углекислотная лазерная головка выжигает или аблярует нежелательный материал. Цель состоит в том, чтобы сформировать четкие рельефные изображения с крутым первичным рельефом и контурными поддерживающими краями для обеспечения высокого качества цветопередачи. За этим следует короткий цикл промывки и сушки, который менее сложен, чем этапы последующей обработки при прямой лазерной визуализации или традиционном изготовлении флексоформ с использованием фотополимерных пластин. После гравировки фотополимер экспонируется через черное изображение и вымывается в традиционном фотополимерном процессе, требующем фотографии и химических веществ. До 2000 года лазеры давали результаты более низкого качества при работе с резиноподобными материалами из-за их грубой структуры. В 2000-х годах были внедрены волоконные лазеры, обеспечивающие значительно более высокое качество гравировки непосредственно в черные полимерные материалы. На выставке Drupa 2004 была представлена прямая гравировка полимерных пластин. Это также повлияло на производителей резины, которые, чтобы оставаться конкурентоспособными, разработали новые высококачественные резиноподобные материалы. Разработка подходящих полимерных составов также позволила реализовать качество гравировки, достижимое с помощью волоконных лазеров, в печати. С тех пор прямая лазерная гравировка флексографических печатных форм многими рассматривается как современный способ изготовления печатных форм, поскольку это первый по-настоящему цифровой метод. В качестве конкурентного процесса были внедрены более современные лазерные системы для селективной гравировки тонкого непрозрачного черного слоя специально изготовленной фотополимерной пластины или втулки.
Прямая фотополимерная лазерная визуализация
Взаимосвязанным с этим является прямое изображение цифровых флексоформ или рукавов "в круг" на быстро вращающемся барабане или цилиндре. Это выполняется на плитном процессоре, интегрированном в цифровой рабочий процесс допечатной подготовки, который также поддерживает цифровую цветопробу. Опять же, это безынтервальный процесс, исключающий один из факторов, влияющих на получение мелких и четких точек для растровых эффектов, включая полноцветную печать. В этом процессе электронно сгенерированное изображение с высокой скоростью сканируется на фотополимерный материал, имеющий тонкий черный маскирующий слой на поверхности. Инфракрасная лазерная головка, движущаяся параллельно оси барабана, удаляет маску, обнажая неэкспонированный полимер. Затем следует основная УФ-экспозиция, формирующая изображение через маску. Оставшийся черный слой поглощает УФ-излучение, полимеризуя лежащий под ним фотополимер в местах удаления черного слоя. Полученную цифровую форму необходимо обрабатывать как традиционную флексоформу, то есть промывать растворителем с применением соответствующих технологий утилизации отходов, хотя разрабатываются и водорастворимые цифровые формы. Эта технология используется с 1995 года и только сейчас получает более широкое распространение по всему миру по мере появления более доступного оборудования. По данным отраслевых источников, около 650 цифровых плитных процессоров установлены на предприятиях по производству этикетки, упаковки и торговых флексоформ.
Лазерная гравировка анилоксных рулонов
До 1980 года анилоксные валы производились различными механическими способами. Эти металлические анилоксные валы иногда покрывали керамическим напылением для увеличения срока их службы в флексографской печатной машине. В 1980-х годах были разработаны системы лазерной гравировки, использующие углекислотный лазер для создания необходимого рисунка ячеек непосредственно на полированной керамической поверхности. Впоследствии некоторое время использовались импульсные YAG-лазеры, поскольку они обеспечивали более сфокусированный лазерный луч и повышенную частоту импульсов, что позволяло гравировать более мелкую структуру ячеек, востребованную в постоянно развивающемся процессе флексографской печати. Примерно с 2000 года процесс прямой лазерной гравировки анилоксных валов стал доминировать использование волоконных лазеров, сочетающих высокую мощность углекислотных лазеров с возможностью тонкой фокусировки луча YAG-лазеров. Оптические системы, обеспечивающие быстрое переключение множества лучей, позволили волоконным лазерным системам занять лидирующие позиции на этом рынке. Эта технология получила название Multi Beam Anilox или MBA.
Лазерная гравировка под поверхностью (SSLE)
Подповерхностная лазерная гравировка – это процесс создания изображения в прозрачном твердом материале путем фокусировки лазера под поверхностью для образования микротрещин. Такие гравированные материалы обладают высоким оптическим качеством (подходят для изготовления линз с низкой дисперсией), что минимизирует искажение луча. Стекло BK7 является распространенным материалом для этой цели. Пластики также используются, но результаты гравировки в них значительно уступают качеству гравировки в оптическом кристалле. С момента коммерческого внедрения в конце 1990-х годов, SSLE (подповерхностная лазерная гравировка) стала более экономически выгодной благодаря появлению машин различных размеров – от небольших (~35 000–60 000 долларов США) до крупногабаритных производственных установок (>250 000 долларов США). Несмотря на растущую доступность этих машин, по оценкам, во всем мире эксплуатируется лишь несколько сотен единиц. Многие из них требуют дорогостоящего охлаждения, обслуживания и калибровки для обеспечения правильной работы. Наиболее распространенные машины для SSLE используют диодно-накачиваемый твердотельный лазер (DPSS). Лазерный диод – основной компонент, возбуждающий импульсный твердотельный лазер – может стоить до трети стоимости всей машины и имеет ограниченный срок службы, хотя качественные диоды могут работать тысячи часов. С 2009 года SSLE стала более доступной для создания 3D-изображений в сувенирных "кристаллах" или рекламных изделиях, при этом лишь небольшое число дизайнеров специализируется на разработке дизайнов, включающих крупные или монолитные кристаллы. Ряд компаний предлагают изготовление сувениров по индивидуальному заказу, известных как "бабблграммы" или лазерные кристаллы, путем гравировки в кристалле 3D-изображений или фотографий.