Grawerowanie laserowe materiałów przezroczystych za pomocą laserów CNC

Glass Laser Engraving - Laser Engraving Transparent Acrylic

Materiały półprzezroczyste i przezroczyste


Gdy światło lasera dociera do obiektu, może oddziaływać z nim na kilka różnych sposobów. Interakcja ta zależy od wewnętrznych właściwości materiału oraz długości fali lasera. Każdy obiekt oddziałuje z fotonami poprzez kombinację transmisji, odbicia i absorpcji.

Przezroczystość jest fizyczną właściwością materiałów, która oznacza, że światło może przechodzić przez obiekt bez rozpraszania (w skali makroskopowej). Materiał przezroczysty to materiał, który wydaje się przejrzysty i jednobarwny. Przykładami materiałów przezroczystych są płyty szklane i tworzywa sztuczne amorficzne (np. akryl, PEI, PC, ABS, PS itp.). Folie z niektórych polimerów krystalicznych, takich jak PET i PP, są również przezroczyste, ponieważ są rozciągane w dwóch kierunkach (a więc zorientowane dwuosiowo), co powoduje ułożenie cząsteczek polimeru w płaszczyźnie folii. Z tego powodu nie występuje załamanie światła.

Z drugiej strony materiały półprzezroczyste przepuszczają tylko część światła. Fotony przechodzące przez półprzezroczysty obiekt są wielokrotnie rozpraszane i wielokrotnie zmieniają swój kierunek. W rezultacie przez taki obiekt nie widać wyraźnie, a przedmiot umieszczony po przeciwnej stronie półprzezroczystej kartki wydaje się niewyraźny i niewyraźny. Przykładami obiektów półprzezroczystych są przyciemniane szyby samochodowe, szkło matowe i wiele tworzyw sztucznych. Ogólnie rzecz biorąc, w przypadku tworzyw sztucznych wraz ze wzrostem procentowej zawartości krystaliczności wytworzony arkusz tworzywa sztucznego staje się stopniowo mniej przezroczysty. Krystaliczność tworzyw sztucznych może wynosić od 0% (całkowicie amorficzne) do 100% (całkowicie krystaliczne), ale polimer krystaliczny nigdy nie jest w 100% krystaliczny i zamiast tego tworzy sąsiadujące ze sobą obszary amorficzne i krystaliczne. Polimery półkrystaliczne lub krystaliczne mogą być półprzezroczyste lub nieprzezroczyste, co wynika z różnic we współczynnikach załamania światła między obszarami amorficznymi i krystalicznymi (np. nylon, PE, PET, PBT, PP itp.). Półprzezroczyste płyty akrylowe są popularne w produkcji znaków, ponieważ doskonale nadają się do podświetlania.

Ogólnie rzecz biorąc, przezroczystość produkowanego tworzywa może być różna dla poszczególnych polimerów, w zależności od metody produkcji (np. polimeryzacja losowa daje tworzywa o większej przezroczystości) lub jej modyfikacji poprzez zastosowanie dodatków (klaryfikatorów i nukleatorów), które wpływają na wielkość i wzrost struktury krystalicznej. Na właściwości optyczne danego tworzywa wpływają również etapy produkcji, takie jak obróbka cieplna, obróbka mechaniczna i barwienie. Na przykład niebieski odcień powoduje odbicie niebieskiego światła laserowego od powierzchni tworzywa sztucznego, ale ogólny efekt zależy od odcienia lub tonacji danego koloru. Co więcej, tworzywa sztuczne o błyszczących powierzchniach są na ogół trudne do grawerowania laserowego. Przepuszczalność światła zależy także od grubości materiału. Dlatego wiele polimerów w postaci cienkich folii może charakteryzować się dobrą przepuszczalnością optyczną. Ponadto, brak pęknięć, pustek i innych defektów strukturalnych zapewnia doskonałą transmisję optyczną. Niemniej jednak wszelkie zmiany chemiczne związane z utlenianiem, degradacją lub dyfuzją tworzywa sztucznego mogą negatywnie wpływać na przezroczystość materiału.

Ogólnie rzecz biorąc, materiał o dobrej przezroczystości będzie charakteryzował się niskim zamgleniem i wysoką przepuszczalnością. Zamglenie definiuje się jako procent światła padającego na obiekt, które jest rozpraszane pod kątem większym niż 2,5°. Im niższa wartość zamglenia, tym większa przejrzystość obiektu.


Grawerowanie laserowe materiałów półprzezroczystych i przezroczystych


Można grawerować laserowo materiały półprzezroczyste i przezroczyste, ale wynik zależy od odbicia (połysku), przepuszczalności światła i zamglenia danego materiału. Materiały o wysokiej przepuszczalności światła powodują, że niebieskie światło lasera po prostu przez nie przechodzi. Można jednak obejść ten problem, dodając warstwę, która zatrzymuje światło lasera i koncentruje energię w punkcie, w którym chcemy wygrawerować powierzchnię. Niemniej jednak, nie ma niezawodnego rozwiązania i grawerowanie laserem wymaga przeprowadzenia kilku prób, zanim znajdzie się odpowiednią metodę, która spełni oczekiwania użytkownika.


Laser Propagating Through Transparent Materials (Glass)

Uzyskany wynik zależy od kilku parametrów:

  • Materiał, który ma być grawerowany laserem. Różne materiały półprzezroczyste i przezroczyste wymagają różnych ustawień.

  • Wybór warstwy powierzchniowej zatrzymującej światło. Może to być na przykład marker permanentny, farba lub taśma.

  • Ustawienie ostrości lasera.

  • Soczewka lasera.

  • Szybkość grawerowania

  • Moc lasera.



Metoda 1 - Dodanie ciemnej/czarnej warstwy pod przezroczystym materiałem, który ma być grawerowany laserowo


Można dodać ciemną lub czarną warstwę bezpośrednio pod obiektem, a następnie skalibrować odległość roboczą tak, aby wiązka lasera skupiała się na ich styku. Skoncentrowana moc lasera graweruje przezroczysty materiał na tym styku. Uzyskane wyniki zależą od grubości obiektu, jego czystości i zamglenia, a także od mocy i szybkości głowicy laserowej. Metoda ta działa najlepiej, gdy używany jest płaski, przezroczysty przedmiot.

Metoda ta nie jest odpowiednia do grawerowania laserowego przezroczystych, niepłaskich przedmiotów, takich jak butelki lub szklanki do napojów, w połączeniu z osią obrotową.


Transparent Materials - Glass Laser Engraving (Method 1)

Odległość robocza powinna być skalibrowana w taki sposób, aby położenie ogniska lasera pokrywało się z granicą między ciemną warstwą a szkłem.

Informacje na temat kalibracji odległości roboczej można znaleźć w instrukcji obsługi głowic laserowych serii PLH3D-6W oraz na poniższym filmie:


PLH3D-15W



Metoda 2 - dodanie ciemnej/czarnej warstwy wierzchniej na przezroczystym materiale, który ma być grawerowany laserowo


Jest to najczęściej stosowane rozwiązanie. W tym przypadku, ciemna warstwa powierzchniowa koncentruje energię lasera na górnej powierzchni przezroczystego materiału, który ma być grawerowany laserowo. Istnieją różne rodzaje warstw powierzchniowych, z których wszystkie dają różne wyniki. Przykładami są taśma, marker permanentny lub farba. Nie ma idealnego rozwiązania, ponieważ wybór warstwy zależy od tego, jakie rezultaty są pożądane. W przypadku stosowania tej metody należy skalibrować odległość roboczą w taki sposób, aby laser skupiał się na ciemnej warstwie powierzchni. Właściwa kalibracja odległości roboczej ma kluczowe znaczenie. Uzyskane wyniki różnią się w zależności od wyboru przezroczystego materiału, który ma być grawerowany laserowo, wyboru ciemnej warstwy, a także szybkości i mocy głowicy laserowej.



Odległość roboczą należy skalibrować w taki sposób, aby położenie ogniska lasera pokrywało się z interfejsem między ciemną warstwą a szkłem.


Testowanie różnych metod


Wszystkie testy, pokazujące laserowe grawerowanie przezroczystych materiałów, zostały przeprowadzone przy użyciu głowicy laserowej Opt Lasers PLH3D-6W-XF z rozszerzeniem uSpot Lens.



Metoda 1: Laserowe grawerowanie szkła poprzez umieszczenie tafli szkła na czarnym materiale


W tym teście przezroczysta tafla szkła, która ma być grawerowana laserowo, została umieszczona na czarnej blasze metalowej. Należy pamiętać, że należy skalibrować odległość roboczą lasera w taki sposób, aby plamka ogniskowa lasera znajdowała się na styku czarnej blachy i przezroczystego szkła. Ważne jest, aby odpowiednio skalibrować odległość roboczą. Uzyskane wyniki pokazano poniżej.


Laser Engraving Glass with Black Metal Sheet
Laser Engraving Glass on Metal Sheet Results

Jak widać powyżej, metoda ta daje zadowalające wyniki. Należy zwrócić uwagę, że grawerunek znajduje się na tylnej stronie szkła. Poniższe zdjęcia przedstawiają szkło wygrawerowane laserowo przy użyciu mikroskopu z kamerą USB.


Laser Engraving Glass under USB Camera Microscope
Laser Engraving Glass under USB Camera Microscope 2


Metoda 1: Laserowe grawerowanie akrylu przy użyciu białej kartki papieru jako warstwy spodniej


Pierwszym krokiem jest położenie białej kartki papieru na płaskiej powierzchni. Odległość robocza powinna być skalibrowana w taki sposób, aby położenie ogniska lasera pokrywało się z interfejsem między papierem a szkłem. Następnie na białej kartce papieru należy umieścić arkusz przezroczystego akrylu. Należy wybrać odpowiednie parametry grawerowania. Zadowalające wyniki można uzyskać przy 100% mocy lasera przy prędkości 1000 mm/min.


Laser Engraving Transparent Acrylic
Laser Engraving Transparent Plexiglass

Laser Engraving Acrylic Results

Wygrawerowane napisy na spodniej stronie można oczyścić izopropanolem lub innym alkoholem.


Laser Engraving Transparent Acrylic Results after Cleansing
Laser Engraved Transparent Acrylic


Metoda 2: Grawerowanie laserowe szkła przy użyciu markera permanentnego jako warstwy wierzchniej


Laser Engraving Glass Using A Permanent Marker

To szkło zostało wygrawerowane laserem przy mocy 80% i prędkości 40 mm/s. Warto zauważyć, że uzyskanie równomiernej warstwy przy użyciu markera permanentnego jest trudne. Wyniki mogą się jednak różnić w zależności od rodzaju markera.


Laser Engraving Glass Using a Marker Results

Po wygrawerowaniu laserem przezroczystego szkła, tusz markera można usunąć za pomocą acetonu lub zmywacza do paznokci. Część tuszu może jednak pozostać w grawerunku.



Metoda 2: Grawerowanie laserowe szkła przy użyciu farby akrylowej w sprayu jako warstwy wierzchniej


Glass Laser Engraving - Laser Engraving Glass Using Acrylic Spray Paint

Cienka warstwa farby akrylowej w sprayu została rozpylona na górnej powierzchni szkła. Przed przystąpieniem do grawerowania laserowego upłynęło 30 minut, aby spray mógł wyschnąć. Następnie szkło zostało wygrawerowane laserem o mocy 100% i prędkości 30 mm/s. Uzyskane wyniki przedstawiono poniżej.


Laser Engraving Glass Using Acrylic Paint Results

Ciemny spray można usunąć za pomocą gorącej wody. Niezwykle ważne jest jak najszybsze oczyszczenie wygrawerowanego laserowo przezroczystego szkła. Zwlekanie tylko utrudni usunięcie.


Laser Engraving Glass Using Acrylic Spray Paint Results After Cleansing

Ta metoda dała najbardziej zadowalający rezultat. Należy zauważyć, że metoda ta może być wykorzystywana do grawerowania laserowego przedmiotów niepłaskich, takich jak butelka (przy użyciu osi obrotowej). Uzyskany grawerunek jest również wolny od resztek tuszu i ma wrażenie piaskowania.



Metoda 2: Grawerowanie laserowe szkła przy użyciu akrylowej farby w sprayu jako warstwy wierzchniej i osi obrotowej


Laser Engraving Glassware Using Acrylic Spray Paint
Laser Engraving Drinking Glass Using Acrylic Spray Paint

To szkło zostało wygrawerowane laserem przy 100% mocy i prędkości 30 mm/s. Przedstawione wielokrotne grawerowanie laserowe jest wynikiem wielokrotnych prób wykonywanych na tym samym szkle, aż do uzyskania zadowalającego efektu końcowego.


Laser Engraving Glassware Using Acrylic Spray Paint Results
Laser Engraving Drinking Glass Using Acrylic Spray Paint - Results After Cleansing

Laserowe grawerowanie szklanego lustra


Aby wygrawerować laserem szklane lustro, należy wykonać poniższe czynności.

  1. Przygotować konwencjonalne lustro o drugiej powierzchni. Lustro takie ma powierzchnię odbijającą, znajdującą się za przezroczystym podłożem, takim jak akryl lub szkło, a jego tylna strona jest jednobarwna.

  2. Przygotuj obraz, który ma być wygrawerowany laserowo i który ma dobry kontrast. Do grawerowania można użyć na przykład metody skali szarości.

  3. Następnie należy odwrócić (odbić) ten obraz tak, aby po wygrawerowaniu go laserem na tylnej stronie lustra, lustro mogło prawidłowo wyświetlić obraz.

  4. Lustro pokazane w tym przykładzie zostało wygrawerowane z mocą 0-100% przy prędkości 5000 mm/min, ale inny wybór ustawień może działać lepiej. Może się okazać, że nie potrzeba aż tak dużej mocy, chociaż okazało się, że użycie 20% mocy lasera przy 5000 mm/min jest niewystarczające do wygrawerowania tego lustra.

  5. Lustro nie musi być przygotowane w żaden specjalny sposób. Można po prostu umieścić lustro pod laserem, stroną lustrzaną skierowaną w dół. Laser musi być skierowany w stronę strony stałej.

  6. Teraz można wygrawerować lustro laserem.

  7. Po zakończeniu grawerowania użyj ściereczki, aby usunąć pozostały pył.


    Laser Engraving Mirror

  8. Następnie możesz wybrać kolor według własnego uznania i pomalować przezroczyste części grawerunku. Wystarczy do tego marker permanentny, ale można też użyć czarnej farby w sprayu lub lateksowej nakładanej pędzlem.

  9. Pozostaw do wyschnięcia i odwróć lusterko. Lustro jest teraz gotowe do wykorzystania jako dekoracja.


    Laser Engraving Mirror Results

Chcielibyśmy szczególnie podziękować Øyvindowi Sætre Amundsenowi i Peterowi Lydmanowi za przygotowanie tego artykułu, w tym za znalezienie i przetestowanie sposobów grawerowania laserowego materiałów przezroczystych, jak również za napisanie wstępnych tekstów do sekcji "Grawerowanie laserowe materiałów przezroczystych i półprzezroczystych", "Testowanie różnych metod" i "Grawerowanie laserowe luster szklanych", które następnie zostały opracowane i zredagowane przez nasz Zespół ds.