Laserové technológie sa v súčasnosti vo výrobe objavujú čoraz častejšie. Nahrádzajú staré priemyselné procesy vo viacerých oblastiach a používajú sa napríklad na značenie, čistenie alebo textúrovanie materiálov. Aj atramentovú tlač a tlačené etikety je v súčasnosti možné takmer kompletne vymeniť za popisovanie laserom. Podobne aj chemické ošetrenie, abrazívne tryskanie a iné metódy čistenia postupne zase nahrádza laserové čistenie a textúrovanie. Tento trend však neprišiel náhodou a má svoje opodstatnenie – laser poskytuje v rámci výrobného procesu podstatné výhody oproti iným alternatívam. Na trhu dokonca existuje mnoho firiem, ktoré sa špeciálne zameriavajú na spomínané práce. Priemyselné spoločnosti tak môžu delegovať časť ich výrobného procesu na tieto špecializované podniky, čo v konečnom dôsledku podstatne znižuje ich náklady na prevádzkovanie výroby, zatiaľ čo výsledky ostávajú konzistentné a kvalitné. Okrem iného to zvyšuje aj produktivitu, a zároveň zjednodušuje aj celé fungovanie výrobnej haly. Jedným z najpodstatnejších spôsobov využitia laserov vo výrobnom procese je laserové značenie. Poďme sa pozrieť na to, ako sa v praxi využíva, aké odlišné metódy značenia máme k dispozícii a na čo sa zvyknú používať.
Čo je laserové značenie?
Laserové značenie je proces označovania dielov alebo výrobkov pomocou laseru. Táto technológia využíva energiu laserového lúča na vytváranie kvalitných značiek priamo na povrchu predmetu. Lúč dopadá na materiál a táto energia mení jeho vlastnosti tak, že po prechode laserom na ňom zostáva trvalá, nezmazateľná značka.
Rôzne kombinácie parametrov laseru ako jeho rýchlosť, výkon a zaostrenie lúča na predmet vedú k rozličným laserovým procesom. Najrozšírenejšími metódami sú leptanie, gravírovanie a žíhanie.
Každá z týchto metód má svoje špecifické výhody a spôsoby použitia. Napríklad laserové leptanie je rýchlejšie, zatiaľ čo laserové gravírovanie je odolnejšie.
Laserové leptanie a laserové gravírovanie však nie sú jedinými metódami popisovania, ktoré sa používajú v priemysle. Tretia metóda, laserové žíhanie, hoci je menej rozšírená, je jediným riešením na označovanie pochrómovaných výrobkov a predmetov z nehrdzavejúcej ocele.
Ako určiť, ktorá metóda je najvhodnejšia?
Pri výbere správneho spôsobu popisovania laserom by ste mali zohľadniť najmä tri faktory:
- Odolnosť výsledných značiek – ich schopnosť zostať čitateľnými aj za drsných podmienok.
- Rýchlosť popisovania laserom – čas potrebný na spracovanie výrobkov.
- Označovaný materiál – či je kompatibilný s metódou značenia.
Technológia laserového gravírovania sa zvyčajne používa na gravírovanie kovových predmetov, ktoré môžu neskôr podliehať rôznym formám opotrebenia alebo povrchovej úprave. Preto musia byť tieto značky skutočne trvalé a maximálne odolné voči poškodeniu.
Pokiaľ však najvyššia miera odolnosti nie je prioritou, vo všeobecnosti sa v rámci výroby uprednostňuje laserové leptanie, nakoľko ide o veľmi rýchlu metódu, ktorá stále dokáže vytvárať na povrchu trvalé značky.
Leptaním môžete spracovať široké spektrum materiálov vrátane ocele, hliníka, eloxovaného hliníka, olova, horčíka a zinku.
V prípade špecifických kovov, ktoré si vyžadujú najšetrnejší prístup, je uprednostňovanou metódou značenia laserové žíhanie, napríklad pokiaľ ide o popisovanie výrobkov z antikoru – nehrdzavejúcej ocele.
Poďme bližšie preskúmať jednotlivé spôsoby značenia a ich špecifické vlastnosti a výhody.
Laserové gravírovanie
Laserové gravírovanie sa používa na dosiahnutie čo najodolnejších značiek
Je to proces, pri ktorom sa materiál pôsobením laserového lúča odparuje a tým sa na ňom vytvárajú hlboké a trvalé značky.
Koncentruje obrovské množstvo energie na malej ploche, čím dosahuje dostatočne vysokú teplotu na to, aby sa materiál začal odparovať. Laserový lúč v tomto prípade funguje podobným spôsobom ako dláto, ktoré vyrezáva do výrobku odtlačky odstraňovaním vrstiev materiálu z jeho povrchu.
Zatiaľ čo laserové leptanie roztaví povrch materiálu a tým zmení jeho štruktúru, laserové gravírovanie povrch materiálu sublimuje, čiže premení priamo na plyn, a tým v ňom vytvorí relatívne hlboké trhliny viditeľné voľným okom. Na dosiahnutie sublimácie však musí stroj vyprodukovať dostatočne veľa energie na to, aby sa povrch materiálu mohol dostať na teplotu odparovania už v priebehu milisekúnd. Materiál sa tak premení z pevnej látky na plyn bez toho, aby medzitým prešiel kvapalným skupenstvom.
Vláknové lasery sú na tento účel ideálnym nástrojom, keďže generujú takú vlnovú dĺžku, ktorá dobre reaguje s kovmi.
Technológia laserového gravírovania sa zvyčajne používa na gravírovanie kovových predmetov, ktoré budú vystavené rôznym typom opotrebovania alebo povrchových úprav.
Najvýznamnejšou vlastnosťou tohto procesu je totiž jeho schopnosť gravírovať 2D kódy, ktoré si zachovávajú vysokú mieru čitateľnosti aj po následnom spracovaní. Gravírovaním dokážeme vytvárať dostatočne hlboké značky, aby odolali oderu a väčšine typov povrchových úprav. Tieto úpravy môžu zahŕňať napríklad pieskovanie alebo tepelné úpravy.
Pri gravírovaní kovov týmto procesom je možné zabezpečiť sledovateľnosť už v počiatočnej fáze výrobného procesu.
Gravírovanie sa zvykne použiť napríklad na značenie vstrekovacích foriem alebo VIN kódov na sklách aut. VIN kódy si typicky vyžadujú odolné značky, čím sa zaručí trvanlivosť a ochrana proti falzifikácii.
Laserové leptanie
Laserové leptanie je určené na rýchle a vysokokontrastné značenie
Laserové leptanie je proces, ktorý vytvára značky na dieloch a výrobkoch tavením ich povrchu. Na vytvorenie reliéfnej stopy laserový lúč vyžaruje vysoké množstvo energie na malú plochu. Výsledkom je to, že povrch materiálu sa taví a rozširuje. Takto môžeme materiál zafarbiť na čiernu, bielu alebo sivú farbu.
Je to veľmi flexibilná metóda – dá sa použiť pri práci s väčšinou kovov. Leptanie sa najčastejšie používa na tvorbu trvalých značiek, ako sú dátové matice, sériové čísla, čiarové kódy a logá.
Ako laserové leptanie funguje?
Všetky metódy laserového značenia majú jednu spoločnú vlastnosť: laserový lúč pulzuje a v určitých intervaloch uvoľňuje prudké výboje energie. Počas 1 sekundy môže 100W pulzujúci laser uvoľniť 100 000 výbojov. Každý z nich obsahuje 1 mJ energie a môže dosiahnuť špičkový výkon 10 000 W.
Keďže laserové leptanie kovu si vyžaduje menej energie v prepočte na jednotku plochy ako gravírovanie, sú impulzy od seba navzájom vzdialenejšie, ako je vidieť na obrázku nižšie.
Keď lúč dorazí na povrch, materiál pohltí jeho energiu a zmení sa na teplo. Hoci povrch materiálu odrazí veľkú časť energie lúča, časť tejto energie tiež absorbuje a premení na teplo. Aby došlo k laserovému leptaniu, materiál musí absorbovať len toľko energie, aby sa jeho povrch ledva začal taviť a rozpínať.
Keď sa materiál v priebehu milisekúnd roztaví a ochladí, na povrchu sa objavia lokalizované zmeny. Mení sa drsnosť povrchu a vznikajú tak na ňom trvalé stopy.
Najpodstatnejšou výhodou leptania je rýchlosť, s ktorou vďaka nemu dokážeme spracovať výrobky. Laserové leptanie je viac než dvojnásobne rýchlejšie ako gravírovanie a žíhanie. Preto sa zvyčajne používa vtedy, keď musí byť proces laserového značenia čo najrýchlejší, za účelom zvýšenia produktivity danej výrobnej linky. Táto technológia dokáže takmer v okamihu roztaviť povrch materiálu a vytvoriť na jeho povrchu vysoké a nízke nerovnosti. Tým sa dajú docieliť vysokokontrastné čierne a biele značky.
Čím je výkon lasera vyšší, tým zvykne byť rýchlejší. Pre väčšinu spôsobov aplikácie značenia maximálny výkon lasera, ktorý budete potrebovať je okolo 100 W. Existujú však aj stroje s vyšším výkonom.
Systém s rovnakým výkonom však môže leptať rýchlejšie ako iný, pokiaľ má lepšie optické komponenty a optimalizované parametre lasera. Okrem toho rýchlosť značenia závisí aj od typu materiálu, veľkosti identifikátora a jeho farby (leptanie bielych značiek je rýchlejšie ako v prípade čiernych).
Výsledné značenie je trvalé. Značka vyleptaná laserom zostane čitateľná počas celej životnosti výrobku s výrazne vyššou kvalitou čitateľnosti ako pri iných technológiách priameho značenia dielov. Laserové leptanie je dokonca odolné voči neabrazívnym úpravám vrátane PVD a CVD povlakovania a tepelného spracovania.
Je však nutné poznamenať, že laserové leptanie má aj určité obmedzenia. Abrazívne úpravy, ako napríklad tryskanie, typicky odstraňujú laserom vyleptané značky. Za účelom zachovania čitateľnosti po abrazívnych úpravách v tomto prípade treba na popisovanie dielov použiť laserové gravírovanie.
Ide o to, že jamky vytvorené gravírovaním poskytujú lepšiu ochranu proti oderu ako vystúpené stopy vzniknuté pri leptaní. Vyvýšenie pri laserovom leptaní môže totiž v praxi dosahovať okolo 80 mikrónov, zatiaľ čo hĺbka laserového gravírovania až 500 mikrónov.
Touto metódou môžeme pracovať s väčšinou materiálov a kovov ako napríklad olovo, horčík, zinok, oceľ, hliník či eloxovaný hliník.
Vďaka svojej rýchlosti je leptanie spravidla výhodnejšou voľbou ako gravírovanie, pokiaľ nepotrebujete vysokú mieru odolnosti značky voči oderu.
Laserové žíhanie
Laserové žíhanie sa používa na úpravu materiálov, ktoré sa nesmú poškodiť.
Základným princípom tohto procesu je pomalé zahrievanie kovov laserovým lúčom a následná premena jeho chemických vlastností. Pri zahrievaní kovu dochádza k difúzii kyslíka pod jeho povrchom. Kov začne vnútri oxidovať. Po ochladení môžeme pozorovať zmenu farby kovu.
Hrúbka vnútornej vrstvy oxidu závisí od najvyššej teploty, ktorú povrch kovu dosiahne počas jeho zahrievania. Vo väčšine prípadov hrúbka nedosahuje viac ako 300 nm. Teplota sa reguluje intenzitou laserových výbojov, rýchlosťou, akou laserový lúč prechádza povrchom, a vzdialenosťou medzi jednotlivými prechodmi laserového lúča.
Je to jedno z mála riešení na značenie nehrdzavejúcej ocele, ktorej povrch musí zostať značením nedotknutý. Dôvod je jednoduchý. Žíhanie je jediným procesom, ktorý vytvára trvalé značky a zároveň zachováva prirodzenú odolnosť súčiastky voči korózii. Kov iba ohrieva namiesto toho, aby do neho gravírovalo, takže nedochádza k roztaveniu povrchu materiálu. Namiesto toho spôsobuje chemickú zmenu pod jeho povrchom. Materiál sa tak neštiepi, netaví a nepoškodzuje sa jeho povrch.
Táto metóda je užitočná pre značenie takých dielov ako sú výfukové potrubia z nehrdzavejúcej ocele, ktoré si musia zachovať vysokú odolnosť voči korózii. Používa sa aj na estetické aplikácie, ako sú firemné logá. Hoci je žíhanie pomalšie ako iné procesy laserového popisovania, vytvára z nich všetkých najkrajšiu povrchovú úpravu.
Pomocou laserového žíhania je možné zafarbiť povrch takých kovov ako oceľ, antikor a titán.
Ktoré odvetvia používajú laserové leptanie a gravírovanie?
Potreba sledovania a identifikácie výrobkov vo výrobnom priemysle neustále rastie. Výrobcovia hľadajú stále účinnejšie a spoľahlivejšie spôsoby označovania svojich výrobkov a dielov.
Chcú udržiavať vysoké štandardy výrobkov, zabrániť falšovaniu a zároveň dodržiavať normy kvality zo strany dodávateľov.
Tieto laserové metódy používajú na popisovanie všetkých typov kódov vrátane čiarových a QR kódov, ale aj sériových čísel a alfanumerických znakov. Veľakrát tiež vyznačujú na súčiastky logo svojej spoločnosti v rámci brandingu.
„Mnohí naši klienti značia svoje výrobky kvôli tomu, aby zaručili ich sledovateľnosť“, uvádza Roman Janek, majiteľ firmy JANTECH SK, s. r. o., ktorá sa zaoberá laserovým značením a gravírovaním. „Získané informácie využívajú aj na optimalizáciu svojich výrobných procesov.“
Poďme sa pozrieť na to, v akých oblastiach sa popisovanie laserom využíva.
Automobilový priemysel
Výrobcovia automobilov už dlho vyžadujú sledovateľnosť od svojich dodávateľov. Ako prví začali používať dátový maticový kód ako spôsob jednoznačnej identifikácie dielov, ktoré idú do finálnej zostavy. Diely sa skenujú v rozhodujúcich krokoch celého reťazca výroby, aby sa zabezpečila zhoda a presadenie zodpovednosti. V súčasnosti vyžadujú, aby sa identifikácia dielov vykonávala čo najskôr.
Laserové značenie sa široko používa najmä v automobilovom priemysle. Tento priemyselný odbor bol jedným z prvých, ktorý začal označovať diely. Tým zaručujú sledovateľnosť a identifikáciu dielov a dodržiavanie medzinárodných noriem.
Značenie v automobilovom priemysle sa musí vykonávať spôsobom neohrozujúcim spoľahlivosť a kvalitu jednotlivých dielov, ktoré prispievajú k celkovej bezpečnosti automobilu.
Značky musia byť trvalé a čitateľné, pretože väčšina týchto dielov je vystavená vysokým teplotám a tlaku. Najlepšou technológiou na tento typ značenia je laserové leptanie.
Výroba batérií
V batériovom akumulátore nájdeme stovky článkov, modulov a iných častí, ktoré treba v rámci sledovateľnosti identifikovať a popisovanie laserom je vďaka svojej rýchlosti a odolnosti na tento účel najvhodnejšou technológiou. Na rozdiel od iných tradičných metód značenia, identifikátory vytvorené laserom dokážu odolať ťažkým podmienkam ako napríklad teplo a prítomnosť chemikálií (elektrolyty, chladiace kvapaliny, lepidlá, silikóny).
Pomocou laseru tak výrobcovia batérii vytvárajú trvalé značky na článkoch, elektródach, a batériových moduloch. V týchto značkách dokážu zakódovať sériové údaje pomocou strojovo čitateľných dátových matíc.
Gravírovanie v leteckom priemysle
Letecký a kozmický priemysel je jedným z najvýznamnejších odvetví na svete. Zahŕňa mnoho odborov, napríklad súkromnú a nákladnú dopravu, vojenské lietadlá a dokonca aj vesmírny výskum.
Nie je absolútne žiadny priestor na chybu, pretože vo veľkých výškach lietadla podstupujú obrovskej zaťaží a tlaku. Z tohto dôvodu sú aj v tomto odvetví na gravírovanie najvhodnejšie lasery.
Lietadlá sa skladajú z tisícov presných dielcov. Tie tvoria hlavné časti lietadla, akými sú napríklad jeho rámová konštrukcia, turbína, brzdy, prevodovky a palivové systémy
Všetky tieto komponenty si vyžadujú sériové čísla, identifikačné štítky a čiarové kódy. Leptanie sa používa, keď je potrebné značenie na úrovni povrchu. Niekedy však môže byť potrebné, aby značka bola trochu hlbšia a v takom prípade sa použije laserové gravírovanie.
