WSTĘP: SZKŁO
Szkło to materiał pochodzenia naturalnego, składający się głównie z krzemionki (SiO2). Jest to ciało stałe o strukturze amorfnej: jego atomy są tak sztywne jak w krysztale, ale jednocześnie tak nieuporządkowane jak w cieczy. Dlatego można je porównać do wysoko lepkich cieczy schłodzonych poniżej temperatury topnienia.
Większość szkła dostępnego na rynku nie składa się jedynie z krzemionki. Do krzemionki dodawane są inne składniki, które zmieniają właściwości materiału, dostosowując go do różnych zastosowań.
Jednakże dodanie substancji do szkła zmienia jego właściwości związane z „laserowalnością”. Ze względu na bardziej jednorodną strukturę, szkło przemysłowe jest lepszym wyborem do zastosowań laserowych. Z kolei szkło artystyczne jest trudniejsze w obróbce przy użyciu lasera. W tym przypadku proces rzemieślniczy może prowadzić do zmian w składzie i strukturze, w tym mikropęknięć. Pod wpływem ciepła lasera, te mikropęknięcia mogą spowodować pęknięcie szkła.
Szkło wytworzone wyłącznie z naturalnych substancji posiada wyjątkowe cechy wewnętrzne, takie jak przezroczystość, gęstość, jednorodność strukturalną, odporność chemiczną i biologiczną, nieprzepuszczalność dla cieczy, gazów, par oraz mikroorganizmów, trwałość, możliwość sterylizacji oraz kompatybilność ekologiczną, ponieważ może być poddawane recyklingowi nieskończoną liczbę razy.
Jednak szkło ma niską tolerancję na rozszerzalność cieplną. Zastosowanie lasera na szkle generuje mikroskopijne pęknięcia, które skutkują powstawaniem znaków lub cięć.
W zależności od rodzaju szkła, znakowanie może być wykonywane na różne sposoby.
Szkło Sodowe
Szkło sodowe jest najczęściej spotykanym rodzajem szkła, stosowanym głównie do produkcji okien, butelek, szkła stołowego i innych przedmiotów codziennego użytku. Jest preferowane w zastosowaniach technologii laserowej.
Na tym rodzaju szkła oznaczenia wykonywane są poprzez tworzenie tysięcy mikropęknięć na jego powierzchni. Szok termiczny powoduje rozszerzanie się szkła sodowego, co prowadzi do powstawania mikroskopijnych pęknięć, wynikających z jego wrodzonej sztywności. Efektem końcowym jest nieprzezroczysty znak o satynowym wykończeniu, przypominający te uzyskiwane tradycyjnymi metodami, ale w znacznie bardziej przystępnej cenie.
Proces ten znajduje szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach, w tym w dekoracyjnym zdobieniu szkła użytkowego i sztućców, a także w produkcji okien i szafek. Jest również wykorzystywany w przemyśle motoryzacyjnym do nanoszenia kodów identyfikacyjnych na szybach i oknach, a także w produkcji szkła laboratoryjnego z oznaczeniami miar.
Szkło Kwarcowe
Szkło Borokrzemowe
ZALETY TECHNOLOGII LASEROWEJ W OBRÓBCE SZKŁA W PORÓWNANIU Z INNYMI METODAMI:
Grawerowanie szkła za pomocą lasera to proces wysoce efektywny i ekonomicznie opłacalny zarówno w produkcji małoskalowej, jak i masowej.
Ten rodzaj grawerowania:
Opiera się na zużyciu, korozji oraz działaniu agresywnych substancji, takich jak skoncentrowane lub kwasowe detergenty.
Gwarantuje niskie koszty, ponieważ nie wymaga użycia materiałów eksploatacyjnych (takich jak spreje, tusze czy pasty).
Zapewnia dużą szybkość, nawet przy zmianie formatu: możliwe jest oznaczanie różnych produktów bez przestojów.
Umożliwia uzyskanie wysokiej definicji, nawet przy bardzo drobnych oznaczeniach.
W porównaniu do piaskowania szkła czy grawerowania mechanicznego:
Technologia grawerowania laserowego nie ma ograniczeń projektowych. Piaskowanie nie jest tak precyzyjne jak grawerowanie laserowe i nie pozwala na uzyskanie cienkich detali.
Jest szybszym procesem: piaskowanie trwa dłużej niż grawerowanie laserowe.
RODZAJE LASERÓW: UV, CO2 I PIKOSEKUNDOWE
Interakcja między laserem a szkłem jest zależna od długości fali lasera oraz czasu trwania impulsu. Laser pikosekundowy jest idealny do zastosowań wymagających wysokiej precyzji.
Szkło i Laser Pikosekundowy
Laser Pikosekondowy emituje ultra krótkie impulsy o czasie trwania w pikosekundach.
Ma długość fali 1030 nm i okrągłość plamki powyżej 96%. Każdy impuls trwa około 1,9 ps, a maksymalna energia osiąga 26,4 μJ. W trybie "burst" generuje impulsy o wysokiej energii (ponad 230-250 μJ przy 200 kHz).
Kiedy te impulsy trafiają w szkło, energia skoncentrowana w tak krótkim czasie intensywnie oddziałuje z materiałem. Energia lasera jest wystarczająco silna, aby zakłócić wiązania chemiczne w szkle, co prowadzi do powstawania małych kawitacji lub cięć.
W odróżnieniu od laserów o dłuższych długościach fali, lasery pikosekundowe generują minimalne nagrzewanie otaczającego materiału, ponieważ energia jest uwalniana w bardzo krótkim czasie. Dzięki temu ryzyko uszkodzeń termicznych szkła jest znacznie zredukowane. Z tego powodu lasery pikosekundowe są doskonałym rozwiązaniem do precyzyjnego znakowania i obróbki materiałów.
Szkło i Laser CO2
Lasery CO2 emitują promieniowanie o długości fali 10,600 nanometrów, charakteryzujące się okrągłością przekraczającą 90% w regionie dalekiej podczerwieni. Kiedy to promieniowanie trafia na szkło, jest pochłaniane przez materiał, podgrzewając jego powierzchnię. Interakcja między laserem CO2 a szkłem może prowadzić do następujących efektów:
Topnienie i Ablacja:
Ze względu na wysokie temperatury, jakie osiąga laser CO2, szkło może stopnieć lub zostać usunięte z powierzchni (ablacja). Dlatego lasery CO2 są idealne do cięcia i grawerowania szkła. Jednak w porównaniu do laserów pikosekundowych, mogą charakteryzować się mniejszą precyzją, szczególnie w obróbce detali.
Zwiększone rozprzestrzenianie ciepła:
Lasery CO2 powodują większe rozprzestrzenianie ciepła w porównaniu do laserów pikosekundowych, co może zwiększać ryzyko powstawania pęknięć lub uszkodzeń termicznych materiału.
Szkło i Laser UV
Lasery UV charakteryzują się okrągłością przekraczającą 98% i działają na krótszych długościach fali, zazwyczaj w zakresie od 100 do 400 nm. Kiedy to promieniowanie trafia na szkło, może powodować zjawiska fotoablacji, podobne do tych wywoływanych przez lasery pikosekundowe, ale w większej skali.
TESTY EKSPERYMENTALNE PORÓWNAJĄCE LASERY UV, PIKOSEKUNDOWE I CO2
Przeprowadzono testy polegające na znakowaniu logo Lasit na szkle, przy użyciu optymalnych parametrów znakowania dla każdego systemu optycznego lub źródła.
Rodzaje użytych źródeł to: CO2, UV i włóknowe (Pico w trybie burst).
Pomiary i obrazy zostały uzyskane przy użyciu mikroskopu parfokalnego:
Mikroskop 4k umożliwia wizualizację trójwymiarowego profilu oznaczenia, z poziomami powiększenia w zakresie od 20x do 2500x.
CO2
Znakowanie powierzchniowe
Wyniki testów lasera CO2
Źródło CO2 prowadzi do mniej precyzyjnego, ale bardzo chropowatego oznaczenia, o wartościach Ra = 6 μm i Rz = 24 μm. W szczególności mniejsze detale są prawie niewidoczne. Z tego powodu ten typ źródła nie jest zalecany do znakowania małych i miniaturowych detali.
Taki wynik wynika z większego rozmiaru plamki lasera oraz obecności dużych ziaren (około 11 500 μm²) na obrabianej powierzchni. Dlatego znakowanie wewnątrz materiału jest niemożliwe.
Tego typu znakowanie oferuje jednak zalety, takie jak szeroki zakres roboczy, zwiększona głębia ostrości oraz skrócony czas znakowania.
Właściwości | Wynik (1-najgorszy, 3-najlepszy) |
Definicja znakowania | ☆ |
Wykończenie powierzchni | ☆ |
Rozmiar plamki lasera | ☆ |
Wielkość ziaren | ☆ |
Głębia ostrości | ☆ ☆ ☆ |
Rozmiar płaszczyzny znakowania | ☆ ☆ ☆ |
Czas znakowania | ☆ ☆ ☆ |
Białe oznaczenia wewnątrz materiału | NIE |
Ciemne oznaczenia wewnątrz materiału | NIE |
UV
Znakowanie powierzchniowe
Znakowanie wewnętrzne
Wyniki testów lasera UV
Źródło UV prowadzi do dobrze zdefiniowanego, ale bardzo chropowatego oznaczenia, o wartościach Ra = 6 μm i Rz = 26 μm. W szczególności mniejsze detale są bardzo wyraźne. Dlatego ten typ źródła jest odpowiedni do znakowania małych i miniaturowych detali.
Ten wynik jest możliwy dzięki mniejszemu rozmiarowi plamki lasera oraz jednolitej wielkości ziaren na obrabianej powierzchni.
Zwykle obserwuje się głębiej wyrażony profil (w testach do 66 μm) z powodu wysokiej reaktywności materiału z tego rodzaju źródłem.
Ponadto, ten typ źródła umożliwia uzyskiwanie dobrze zdefiniowanych i równych oznaczeń wewnątrz materiału.
Tego rodzaju znakowanie oferuje zalety szerokiego zakresu roboczego oraz zwiększoną głębię ostrości.
Właściwości | Wynik (1-najgorszy, 3-najlepszy) |
Definicja znakowania | ☆☆ |
Wykończenie powierzchni | ☆ |
Rozmiar plamki lasera | ☆ |
Wielkośc ziaren | ☆☆ |
Głębia ostrości | ☆ ☆ ☆ |
Rozmiar płaszczyzny znakowania | ☆ ☆ ☆ |
Czas znakowania | ☆ ☆ |
Białe oznaczenia wewnątrz materiału | ☆ ☆ |
Ciemne oznaczenia wewnątrz materiału | NIE |
PICO – ZNAKOWANIE POWIERZCHNIOWE
Wyniki testów lasera Pico Burst
Źródło światłowodowe z impulsami pikosekundowymi daje wysoce precyzyjne i gładkie oznaczenia o niskiej chropowatości, z wartościami Ra = 6 μm i Rz = 26 μm. Szczególnie dobrze widoczne są drobne detale, dlatego ten typ źródła jest idealny do znakowania małych i miniaturowych elementów.
Taki efekt osiąga się dzięki mniejszemu rozmiarowi plamki lasera, krótkiemu czasowi kontaktu z materiałem oraz jednorodnej wielkości ziaren (60 μm²) na obrabianej powierzchni.
Ze względu na krótki czas impulsów (pikosekundy), cała energia jest skoncentrowana na obróbce powierzchni, co minimalizuje rozpraszanie ciepła w materiale. W rezultacie głębokość profilu jest niewielka (10 μm), ograniczona do samej powierzchni materiału.
Dodatkowo, funkcja burst umożliwia tworzenie wyraźnych, spójnych oznaczeń w dwóch kolorach (jasnym i ciemnym) wewnątrz materiału.
Jednakże, wadą tej technologii jest ograniczony zakres roboczy oraz płytka głębia ostrości.
Właściwości | Wynik (1-najgorszy, 3-najlepszy) |
Definicja znakowania | ☆ ☆ ☆ |
Wykończenie powierzchni | ☆ ☆ ☆ |
Rozmiar plamki lasera | ☆ ☆ ☆ |
Wielkośc ziaren | ☆ ☆ ☆ |
Głębia ostrości | ☆ |
Rozmiar płaszczyzny znakowania | ☆ |
Czas znakowania | ☆ ☆ |
Białe oznaczenia wewnątrz materiału | ☆ ☆ ☆ |
Ciemne oznaczenia wewnątrz materiału | ☆ ☆ ☆ |
PORÓWNANIE WYNIKÓW:
Właściwości | Wyniki CO2 | Wyniki UV | Wyniki PICO |
Jakość znakowania | ☆ | ☆☆ | ☆ ☆ ☆ |
Wykończenie powierzchni | ☆ | ☆ | ☆ ☆ ☆ |
Rozmiar plamki lasera | ☆ | ☆ ☆ | ☆ ☆ ☆ |
Wielkośc ziaren | ☆ | ☆ ☆ | ☆ ☆ ☆ |
Głębia ostrości | ☆ ☆ | ☆ ☆ ☆ | ☆ |
Rozmiar płaszczyzny znakowania | ☆ ☆ | ☆ ☆ ☆ | ☆ |
Czas znakowania | ☆ ☆ ☆ | ☆ ☆ | ☆ ☆ |
Białe oznaczenia wewnątrz materiału | NIE | ☆ ☆ | ☆ ☆ ☆ |
Ciemne oznaczenia wewnątrz materiału | NIE | NIE | ☆ ☆ ☆ |