532nm High power green laser engraving glass and ceramic

Glass and ceramic materials are inorganic and non-metallic. They share many physical properties including being hard, rigid, and brittle. The key difference between these two types of material is that glass is complete amorphous, while ceramics are crystalline. The most common type of glass is soda-lime glass, which is composed mostly of silica (sand), with added sodium carbonate (soda) and calcium oxide (lime). The soda and lime additives make it easy to shape the glass at high temperature to form tableware, windows, etc. There are also technical glasses that have different additives to provide certain properties like high temperature compatibility or high strength.

 

Ceramics are formed by creating a thick liquefied mixture of crystalline oxides, nitrides or carbides. The mixture is formed into the desired shape and then fired at high temperature to create a solid ceramic piece. The earliest ceramics were formed by firing clay to form vessels and tiles. Modern ceramics such as alumina (aluminum oxide) and tungsten carbide are highly engineered to provide properties such as electrical insulation and wear resistance. The most common laser processing methods for glass and ceramic materials are marking and engraving.

 

 

Types of Laser Processes

 

Lasers are playing an ever expanding role in material processing, from new product development to high volume manufacturing. For all laser processes, the energy of a laser beam interacts with a material to transform it in some way. Each transformation (or laser process) is controlled by precisely regulating the wavelength, power, duty cycle and repetition rate of the laser beam. These laser processes include the following:

Laser Annealing

Laser Cutting

Laser Drilling

Laser Engraving

Laser Etching

Laser Machining

Laser Marking

Laser Micromachining

Laser Perforating

Laser Photo Engraving

Laser Photo Marking

Laser Scoring

Laser Sintering

Laser Surface Modification

Selective Laser Ablation

All materials have unique characteristics that dictate how the laser beam interacts and consequently modifies the material. The most common processes for glass and ceramics are the following:

 

 

Laser Engraving of Glass and Ceramics

The energy of a high power green  laser beam heats glass and ceramic materials locally, causing micro-cracks to form on the surface of the material. Repeated laser processing passes cause the cracks to grow until small chips break loose. After several laser passes, a deep and well defined laser engraving is created in the material surface. The usual depth for laser engraving glass and ceramic materials is 0.012 to 0.015” (300 to 375 microns). Multiple passes are used for glass and ceramic material engraving to avoid excessive heat build-up, which can cause the material to crack. After engraving, the surface should be cleaned with a stiff brush to remove loose chips of material.

Laser Marking of Glass and Ceramics

Bei Glas erhitzt die Energie eines hochenergetischen grünen Laserstrahls die Oberfläche lokal, wodurch sich Mikrorisse bilden. Die Risse brechen das Licht und erzeugen ein helles, mattiertes Aussehen im lasermarkierten Bereich. Bei bestimmten Keramiken kann entweder ein grüner Hochleistungslaser oder ein Faserlaser verwendet werden, um eine sichtbare Markierung zu erzeugen, ohne eine erhebliche Menge an Material zu entfernen. Die Laserenergie verdunkelt die Keramik und erzeugt eine scharfe, gut definierte Markierung. Mittels Laserbeschriftung können Informationen wie eine Seriennummer oder ein Logo übermittelt werden.

grüner Nanosekundenlaser 532nm Gravurglas

Kombinierter Prozess

Die oben beschriebenen Lasergravur- und Markierungsverfahren können kombiniert werden, ohne dass das Teil bewegt oder neu befestigt werden muss.

 

Allgemeine Überlegungen zu Glas- und Keramiklasersystemen

 

Plattformgröße – Muss groß genug sein, um die größten Glas- oder Keramikstücke aufzunehmen, die laserbearbeitet werden, oder mit Klasse-4-Fähigkeit für die Bearbeitung größerer Stücke ausgestattet sein.

 

Wellenlänge – Die Wellenlänge von 10,6 Mikron des grünen Hochleistungslasers wird für die Glas- und Keramiklasergravur und für die Glasmarkierung sowie für die Markierung bestimmter keramischer Materialien wie Zirkonoxid empfohlen. Die Wellenlänge von 1,06 Mikron des Faserlasers wird für die Lasermarkierung bestimmter keramischer Materialien wie Aluminiumsilikat empfohlen.

 

Laserleistung – Mindestens 40 Watt grüne Hochleistungslaserleistung werden für die Lasergravur von Glas und Keramik und für die Glasmarkierung sowie für die Markierung bestimmter keramischer Materialien wie Zirkonoxid empfohlen. Für die Lasermarkierung bestimmter keramischer Materialien wie Aluminiumsilikat wird eine Faserlaserleistung von mindestens 40 Watt empfohlen.

Linse – Eine Linse mit kleiner Punktgröße (weniger als 0,005 Zoll oder 125 Mikrometer) ist am besten für die Lasergravur und Lasermarkierung von Glas- und Keramikmaterialien geeignet.

 

Abluft – Muss einen ausreichenden Durchfluss haben, um die Gase und Partikel zu entfernen, die von den Glas- und Keramik-Lasergravur- und Markierungsgeräten erzeugt werden.

 

Air Assist – Stellt einen Luftstrahl in der Nähe des Brennpunkts des Lasers bereit, um Glas- und Keramikspäne während der Laserbearbeitung zu entfernen

 

Umwelt-, Gesundheits- und Sicherheitsaspekte für die Glas- und Keramik-Lasermaterialbearbeitung

 

Laser-Material-Wechselwirkungen erzeugen fast immer gasförmigen Ausfluss