Was kann mit einem Laser markiert werden und wie geht das?

Es wäre großartig, wenn jemand ein „Rezeptbuch“ erstellen könnte, das spezifische Einstellungen für die Lasermarkierung jeder Art von Material auf jeder Art oder Marke von Lasermarkierungssystemen enthält. Viel Glück beim Finden. Verschiedene Laserbeschriftungssysteme von verschiedenen Herstellern können aus mehreren Gründen unterschiedliche Ergebnisse auf demselben Material liefern. Zu diesen Gründen können die Laserwellenlänge, die Laserstrahlqualität, die Größe des fokussierten Laserflecks, die Laserimpulsbreite, der Impulsfrequenzbereich, die Laserkalibrierungseinheiten und die Funktionen der Markierungssoftware gehören.

 

Anstatt zu versuchen, spezifische Lasereinstellungen für bestimmte Materialtypen zu definieren, ist es möglicherweise besser zu versuchen und zu verstehen, welche Auswirkungen unterschiedliche Lasereinstellungen auf diese Materialien haben.

 

Vor einigen Jahren habe ich einige Artikel über Lasermarkierung geschrieben, die von Photonics Online veröffentlicht wurden. Wenn Sie neu in der Lasermarkierung sind, ist das Lesen dieser Artikel möglicherweise ein guter Anfang: https://www.photonicsonline.com/doc/introduction-to-fiber-laser-marking-0001

 

Lasermarkiersysteme sind bis auf wenige Ausnahmen entweder 1064-nm-Faserlaser oder 10.600-nm-CO2-Laser. Faserlaser funktionieren auf allen Metallen, plattiert, lackiert oder blank, und auf einer Handvoll Nichtmetallen, wie z. B. einigen Arten von Kunststoffen. CO2-Laser funktionieren auf Holz, Glas, organischen Materialien, den meisten Kunststoffen und lackierten Oberflächen. Es gibt einige Überschneidungen zwischen Lasertyp und Material, aber im Allgemeinen ist ein Lasertyp für ein bestimmtes Material dem anderen weit überlegen.

 

CO2-Laseranwendungen sind etwas einfacher zu diskutieren, also fangen wir damit an. Die meisten CO2-Markierungssysteme verwenden HF-angeregte CO2-Laser mit versiegeltem Strahl. Diese Laser sind im Allgemeinen für eine Pulsfrequenz von 5 KHz optimiert und die meisten Benutzer weichen nie davon ab. Bei Jimani weichen wir manchmal von dieser 5-kHz-CO2-Impulsfrequenz ab, insbesondere für die Glasmarkierung, aber die meisten Benutzer tun dies nicht. Das Anpassen der Laserausgangsleistung und der Scangeschwindigkeit über die Arbeit sind die primären Einstellungen, die für die CO2-Markierung geändert werden. Die Größe des fokussierten Laserflecks ist eine Funktion der Brennweite der Linse und davon, ob ein Strahlaufweitungsteleskop verwendet wird oder nicht. Ein Objektiv mit längerer Brennweite führt zu einem größeren fokussierten Punkt.

 

Faserlaseranwendungen können etwas komplexer sein, da es mehr Variablen gibt, mit denen gearbeitet werden muss. Zu den typischen variablen Einstellungen gehören Pulsfrequenz, Laserausgangsleistung, Markiergeschwindigkeit und, falls Ihr Faserlaser über variable Pulsbreiten verfügt, die Pulsbreite. Die Einstellungen für ein Objektiv mit einer Brennweite funktionieren möglicherweise überhaupt nicht mit einem Objektiv mit einer anderen Brennweite. Anstatt zu versuchen, dieses nicht vorhandene Rezeptbuch für Lasereinstellungen zu finden, sollten Benutzer besser verstehen, was die verschiedenen Lasereinstellungen bewirken und wie sie sich auf die Markierung auswirken.

 

Impulsbreite

 

Wenn ein Faserlaser auf eine Pulsfrequenz von 50 KHz eingestellt ist und eine 1 Zoll lange Linie mit einer Geschwindigkeit von 1 Zoll pro Sekunde gezogen wird, wendet der Laser 50.000 einzelne Laserpulse an, wenn diese Linie gezogen wird. Faserlaser haben alle eine maximal zulässige Impulsenergiebegrenzung, um eine innere Beschädigung des Lasers zu verhindern, typischerweise etwa 1 mJ Energie pro einzelnem Impuls. Ein 50-Watt-Faserlaser erreicht beispielsweise diese 1 mj Energie bei einer Impulsfrequenz von etwa 50 KHz. Wenn die Markierungssteuerungssoftware und die Laserfirmware im obigen Laserbeispiel Pulsfrequenzen von weniger als 50 kHz zulassen, bleibt die Energie pro Puls immer noch bei 1 mJ pro Einzelpuls, aber die durchschnittliche Leistung nimmt ab, weil es weniger Pulse pro Sekunde gibt. Wenn die Impulsfrequenz über 50 KHz erhöht wird, nimmt die Energie pro Impuls pro einzelnem Impuls ab, obwohl, Es werden mehr Laserpulse pro Sekunde auf das zu markierende Teil angewendet, was normalerweise dazu führt, dass dem Teil mehr Wärme zugeführt wird. Der maximale Materialabtrag erfolgt, wenn die Pulsfrequenz so eingestellt ist, dass der Laser die maximale (1 mj) Energie pro Puls erzeugt. Die folgende Tabelle kann je nach Lasermodell von verschiedenen Herstellern etwas variieren, ist aber im Allgemeinen korrekt.

 

Laserleistung Maximale Impulsfrequenz zur Erzeugung einer maximalen Energie von 1 mJ pro Impuls

 

20 Watt 20 KHz

 

30 Watt 30 KHz

 

50 Watt 50 KHz

 

100 Watt 100 KHz

 

Es ist wichtig zu verstehen, dass alle unabhängig von der Nennleistung des Lasers auf 1 mJ Energie pro Impuls begrenzt sind. Ein 100-Watt-Laser gibt nur fünfmal mehr 1-mJ-Impulse pro Sekunde aus als ein 20-Watt-Laser.

 

Die obige Tabelle gilt für Laser mit fester Pulsbreite mit einer Pulsbreite von etwa 100 ns pro Puls. Laser mit variabler Impulsbreite werden alle mit einem Diagramm geliefert, das die optimale Frequenz für maximale Impulsenergie für jede einzelne Impulsbreite angibt.

 

Laser-Ausgangsleistung

 

Die Steuerung der Laserausgangsleistung ist eine Frage der Steuerung, wie stark der Laser „gepumpt“ wird. Weniger Pumpen bedeutet weniger Ausgangsenergie pro einzelnem Laserpuls. Höheres Pumpen führt zu mehr Ausgangsenergie pro einzelnem Laserimpuls, bis die maximal zulässige Impulsenergie von 1 mj erreicht ist.

 

Markierungsgeschwindigkeit

 

Die Geschwindigkeit, mit der die Spiegel der Scangalvanometer den Laserstrahl über das Werkstück bewegen, ist die Markiergeschwindigkeit. Höhere Markierungsgeschwindigkeiten geben dem Laserlicht weniger Zeit, um das Teil zu bearbeiten, und langsamere Markierungsgeschwindigkeiten geben dem Laser mehr Zeit, um das Teil zu bearbeiten. Es gibt einige praktische Grenzen für nützliche Markierungsgeschwindigkeiten. Auch wenn die Galvanometer in der Lage sind, sich beim Markieren einer langen, geraden Linie mit sehr hohen Geschwindigkeiten zu bewegen, bestehen die meisten Markierungsanwendungen nicht aus langen, geraden Linien. Die meisten Markierungen bestehen wirklich aus vielen kurzen Linien, wie z. B. den Fülllinien in einem 0,25 Zoll hohen Buchstaben. Für jede Linie, die markiert werden soll, müssen die Galvos den Laserstrahl am Startpunkt der Linie positionieren, anhalten und eine gewisse Einschwingzeit einplanen, beginnen zu beschleunigen und die Linie zu ziehen, Fangen Sie an, am Ende der Linie langsamer zu werden, und halten Sie dann am Ende der Linie an und positionieren Sie sich zum Anfang der nächsten Linie. Da die meisten dieser Linien sehr kurz sein werden, egal wie schnell die Galvos sich bewegen sollen, können sie nur so schnell beschleunigen, bevor sie wieder langsamer werden müssen. Die nützliche Markierungsgeschwindigkeit auf den meisten Galvo-Systemen wird auf etwa 40 IPS begrenzt sein und darüber hinaus wird die Markierungszeit nicht abnehmen.

Impulsbreite

 

Die Impulsbreite kann ziemlich einfach beschrieben werden. Kurze Impulsbreiten lassen den Laser sich wie ein Skalpell verhalten und lange Impulsbreiten lassen den Laser sich wie ein Fleischerbeil verhalten. Sie werden nicht viel Erfolg haben, wenn Sie mit einer sehr kurzen Impulsbreite 0,005 Zoll tief in eine Schusswaffe markieren, noch werden Sie viel Erfolg haben, wenn Sie mit einer langen Impulsbreite empfindliche Markierungen auf dünnem Filmmaterial vornehmen.

 

Markierungstechniken

 

Im Allgemeinen gibt es drei primäre Markierungstechniken, die mit einem Faserlaser durchgeführt werden können:

 

Abtragung

 

Gravur

 

Fleckenmarkierung (häufig als Glühen bezeichnet)

 

Laserablation ist das Entfernen oder Verdampfen von Material von der Oberfläche eines Materials oder Substrats. Idealerweise wird das Laserlicht an der Oberfläche des Teils absorbiert und es tritt nur ein minimales Eindringen in das Teil auf. Einige Beispiele für Ablationsmarkierungen wären das Entfernen von Eloxal von der Oberfläche eines Aluminiumsubstrats oder das Entfernen des Metallfilms auf der Außenseite eines beschichteten Kunststoffstücks. In beiden Beispielen besteht das Ziel darin, eine kontrastierende Markierung auf der Oberfläche des Teils zu erzielen, ohne darin einzugravieren (wie unten zu sehen).

 

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Die Lasereinstellungen, die man für die Ablationsmarkierung verwenden könnte, sind nicht die gleichen, die man für die Gravur verwenden würde. Eine höhere Markierungsgeschwindigkeit (Geschwindigkeit, mit der die Scanspiegel den Laserstrahl über die Oberfläche des Teils bewegen) und eine niedrigere Laserausgangsleistung werden typischerweise für die Ablationsmarkierung verwendet. Wird zu lange mit zu viel Laserleistung gearbeitet, führt dies zu einem Materialabtrag von Metallsubstraten und einem Einschmelzen in Kunststoffsubstrate. Manche Materialien sind so empfindlich, dass kürzere Laserpulsbreiten notwendig sind. Die Impulsbreite ist die Zeitdauer, die der Laser für jeden Laserimpuls eingeschaltet ist. Denken Sie daran, dass der Laser Linien markiert, indem er eine Reihe überlappender Impulse erzeugt, anstatt einen kontinuierlichen Lichtstrahl auszusenden. Faserlaser mit variabler Impulsbreite ermöglichen die Steuerung der Zeit jedes Laserimpulses und sind in der Lage, sehr kurze Laserimpulse zu erzeugen. Da Leistung gleich Energie/Zeit ist, kann das Verkürzen der Zeit jedes Laserpulses die durch den Laser auf die Oberfläche des Materials aufgebrachte Spitzenleistung erhöhen, während die Zeit verkürzt wird, in der die Energie von dem Laser auf das Material aufgebracht wird. Die Kombination aus hoher Spitzenleistung und kurzer Impulsbreite ist ideal für Markierungen vom Ablationstyp.

 

Ich will damit nicht sagen, dass Faserlaser mit variabler Impulsbreite für die Ablationsmarkierung auf allen Materialien notwendig sind. Ein Faserlaser mit fester Impulsbreite liefert eine Laserimpulsbreite von 100–120 Nanosekunden, die die große Mehrheit der Ablationsanwendungen handhaben wird, sowie eine ausreichend lange Laserimpulsbreite für andere Markierungsarten.

 

Lasergravur – Einige Produkte oder Anwendungen erfordern, dass die Markierung tiefer in das Material eindringt. Dies ist normalerweise auf Metallsubstrate beschränkt, da ein tieferes Gravieren in Kunststoffsubstrate normalerweise zu einer nicht akzeptablen Menge an Schmelzen führt. Eine tiefere Lasergravur ist nützlich, wenn die Oberfläche des Teils Verschleiß oder Abrieb ausgesetzt ist oder wenn die gravierte Markierung eine Farbfüllung erfordert. Einige Anwendungen, wie z. B. die Markierung von Schusswaffen, haben eine Tiefenangabe, um das Entfernen der Markierung zu erschweren.

 

Erhöhte Laserleistung und niedrigere Markiergeschwindigkeiten sind die Markenzeichen der tiefen Lasergravur. Unsere Erfahrung bei Jimani ist, dass eine tiefere Lasergravur am besten mit Markierungsgeschwindigkeiten von etwa 5-10 Zoll/Sekunde in mehreren Durchgängen erreicht wird, um dünne Materialscheiben zu entfernen, bis die gewünschte Tiefe erreicht ist. Die Verwendung sehr langsamer Markierungsgeschwindigkeiten, um viel Material in einem Durchgang zu entfernen, führt zu einem schlammigen Boden in der Rinne der Gravur und zu einer Ansammlung von Schlacke an den Rändern der Gravur. Mehrere Laserdurchgänge mit unterschiedlichen Füllwinkeln bei höheren Geschwindigkeiten ermöglichen mehr Materialabtrag und sauberere Mulden und Kanten. Mehr Laserdurchgänge führen zu tieferen Markierungen, bis der Laserstrahl beginnt, aus dem Fokus zu geraten oder das verdampfte Material nicht mehr aus einer sehr engen Rinne entweichen kann.

 

Ich begann einen früheren Artikel mit der Feststellung, dass die Lasermarkierung wie das Verbrennen von Blättern mit einer Lupe ist. Befindet sich das Blatt nicht im Brennpunkt der Lupe, ist die Konzentration des Sonnenlichts nicht hoch genug, um das Blatt in Brand zu setzen. Das Gleiche gilt für die Lasergravur. Wenn ein Substrat weit genug vom Brennpunkt der Linse eines Lasermarkierungs-/Gravursystems entfernt ist, ist die Konzentration des Laserlichts nicht hoch genug, um Material wegzubrennen oder zu verdampfen. Dieser Abstand definiert die Schärfentiefe des Lasermarkierungssystems und ist eine Kombination aus der Brennweite der Linse und der Qualität des in diese Linse eintretenden Laserstrahls. Gravurtiefen in Metall von beispielsweise 0,010 bis 0,015 Zoll sind mit einer einzigen Linsenpositionierung erreichbar, aber darüber hinaus wäre es am besten, die Linse ein wenig neu zu positionieren. Ich habe graviert. 250 Zoll plus in ein Stahlsubstrat (wie unten zu sehen), aber das wurde erreicht, indem die Linse viele Male neu positioniert wurde, und es dauerte viel Zeit. Aus praktischer Sicht ist ein Faserlasersystem, das für allgemeine Zwecke zum Markieren und Gravieren ausgelegt ist, wahrscheinlich das falsche Werkzeug dafür.

 

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Die Grenze für tiefe Gravuren in Metall ist normalerweise die Breite der Gravur. Stellen Sie sich vor, dass die Gravur aus einer Textzeile mit 0,060 Zoll hohen Zeichen besteht. Die Linienbreite jedes Zeichens wird ziemlich schmal sein (z. B. 0,010 Zoll oder so) und wenn die Gravur tiefer wird, sammelt sich das neu verdampfte Material eher an den Seitenwänden der gravierten Rinne, als dass es aus der Rinne geblasen wird. Laserschneidsysteme gehen dieses Problem an, indem sie Luftstrahlen mit hoher Geschwindigkeit durch Düsen leiten, die nahe der Mitte der Fokussierlinse angeordnet sind, aber diese Technik funktioniert nicht mit den F-Theta-Linsen, die in Lasermarkierungssystemen mit gelenktem Strahl verwendet werden. Die praktische Grenze für die tiefe Gravur schmaler Linienbreiten beträgt etwa 0,020 Zoll.

 

Fleckenmarkierung – Wenn die Punktgröße des fokussierten Laserstrahls auf bestimmten Materialtypen groß genug gemacht wird, erwärmt der Laser das Material, anstatt es abzutragen oder wegzugravieren. Bei Materialien wie Edelstahl, Titan und Hartchrom bildet sich durch die Hitze des Laserstrahls eine Oxidschicht. Mehrere Durchgänge des Lasers über das Material machen die Oxidschicht dunkler oder ermöglichen subtile Farbvariationen. Wenn ein Faserlaser mit variabler Impulsbreite verwendet wird, kann das Experimentieren mit Laserimpulsbreite, Leistung, Markierungsgeschwindigkeit, Fülldichte und Impulsfrequenz eine Vielzahl von Farbschattierungen erzeugen, die von Schwarz, Blau, Rot und Grün reichen. Die Farbmarkierung klingt faszinierend, bringt aber auch ihre ganz eigenen Herausforderungen mit sich. Unterschiedliche Materialien können zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen führen und es gibt endlose Kombinationseinstellungen, die angepasst werden können.

 

Die meisten Fleckmarkierungen werden einfach durchgeführt, um eine nicht durchdringende dunkle Markierung auf den oben erwähnten geeigneten Materialien zu erhalten. Die Fleckenmarkierung ist attraktiv, dauerhaft und nicht kontaminierend. Es ist eine Technik, die häufig bei der Identifizierung von medizinischen Instrumenten oder Werkzeugen verwendet wird, da keine Tinten, Farben oder Chemikalien verwendet werden. Flecken dringen Mikrometer in die Oberfläche des Substrats ein, und obwohl sich die Markierung mit der Zeit oder der Handhabung nicht löst, kann sie abgeschliffen oder abgerieben werden. Es ist keine gute Technik für Teile, die auf „Verschleiß“-Oberflächen markiert sind.

 

Das Geheimnis einer guten Fleckmarkierung liegt in der richtigen fokussierten Punktgröße des Lasers. Die meisten Faserlaser-Markierungssysteme verfügen über Strahlführungsoptiken, die den Laser auf einen sehr kleinen Punkt fokussieren; zu klein für Fleckmarkierung. Eine Technik zum Erhöhen der Laserfleckgröße besteht darin, das Substrat einfach geringfügig vom Brennpunkt der Linse wegzubewegen. Diese Technik funktioniert gut für flache Oberflächen, obwohl „unscharf“ etwas subjektiv sein kann. Die Unschärfe-Technik funktioniert nicht gut mit runden oder abgerundeten Teilen. Wenn sich der defokussierte Strahl um den Radius bewegt, beginnt er entweder wieder in den Fokus zu kommen oder gerät weiter aus dem Fokus. Die ideale Lösung besteht darin, den Laserstrahl auf die richtige Punktgröße im Brennpunkt der Linse zu fokussieren. Mit dieser Technik, Der Laser behält die richtige Punktgröße über die gesamte Schärfentiefe des Objektivs bei. Bei Jimani erreichen wir dies optisch, indem wir den Laserstrahl durch einen reversiblen Strahlaufweiter leiten, bevor er zur Fokussierlinse gelangt. Durch „Dekollimieren“ des Laserstrahls können wir die Größe des fokussierten Flecks sowie die Schärfentiefe durch die Linse erhöhen. Dadurch wird das System etwas kostspieliger, aber diese Kosten werden durch die verbesserte Fleckmarkierungsleistung vollkommen gerechtfertigt.

 

Farbmarkierung – Farbmarkierung ist eine Frage der Steuerung der Dicke einer Farbmarkierungs-Oxidschicht und wird am besten mit einem MOPA-Laser mit variabler Impulsbreite erreicht. Es gibt viele schöne Bilder von farblich markierten Teilen im Internet, aber es gibt keine Informationen über die 5 oder 6 Stunden Einrichtungszeit, die für das Einwählen der Einstellungen für dieses Teil aufgewendet wurden, und die 5 oder 6 Stunden, die für das nächste Teil erforderlich sind . Die Farbmarkierung ist ein temperamentvoller und mühsamer Prozess. Wir führen keine Farbmarkierungen im Bereich der Lohnfertigung unseres Geschäfts durch, da niemand bereit ist, die gesamte Einrichtungszeit zu bezahlen, die mit der Erstellung einer Farbmarkierung auf einem Teil verbunden ist.