دستگاه حکاکی لیزری چگونه کار می‌کند؟

علم پشت حکاکی لیزری: از تبدیل نور به حرارت

درک تبدیل انرژی در حکاکی لیزری

دستگاه‌های حکاکی لیزری با تبدیل انرژی نور به گرما از طریق پدیده‌ای به نام گسیل القایی کار می‌کنند، که همین امر دلیل وجود «SE» در نام لیزرها است. درون این دستگاه‌ها، یک دیود لیزری امواج نوری تولید می‌کند که دقیقاً در یک راستا قرار می‌گیرند و انرژی را در سطحی حدود ۱۰۰٬۰۰۰ برابر قوی‌تر از نور خورشید عادی متمرکز می‌کنند. وقتی این پرتوی شدید به مواد برخورد می‌کند، دمای آن‌ها را تقریباً بلافاصله بین ۵۰۰ تا ۳۰۰۰ درجه سانتی‌گراد افزایش می‌دهد و باعث تغییر حالت مواد پیش روی چشمان ما می‌شود. میزان کارایی این فرآیند بسته به نوع لیزر متفاوت است و معمولاً بین ۱۰ تا ۳۰ درصد است. برخی از مدل‌های جدیدتر حتی موفق می‌شوند گرمای اتلافی را از طریق سیستم‌های خنک‌کنندگی مایع خاص جمع‌آوری کنند و بدین ترتیب نسبت به مدل‌های قدیمی‌تر کمی پایدارتر و دوستدار محیط زیست‌تر باشند.

تولید پرتو لیزر، فوکوس کردن و برهمکنش با ماده

سه مؤلفه نوری فرآیند حکاکی را شکل می‌دهند:

1. رزوناتور : نور را با بازتاب فوتون‌ها بین آینه‌ها تقویت می‌کند
2. گسترش‌دهنده پرتو : قطر پرتو را افزایش می‌دهد تا فوکوس دقیق‌تری حاصل شود
3. لنز اف تتا : پرتو را به یک نقطه با اندازه 0.05-0.2 میلی‌متر فوکوس می‌کند

در نقطه فوکوس، چگالی توان به 10 تا 10¹¹ وات بر متر مربع می‌رسد — معادل تمرکز نور تمام یک ورزشگاه روی سر یک سوزن. این شدت باعث ایجاد تعاملات خاص مواد می‌شود:

واکنش مواد به گرمای لیزر: تبخیر، ذوب و جدایش

مقدار انرژی مورد نیاز برای پردازش فلزات بسیار قابل توجه است، زیرا فلزات هدایت حرارتی خوبی دارند. به عنوان مثال آلومینیوم در دمای حدود ۲۳۲۷ درجه سانتی‌گراد به حالت بخار تبدیل می‌شود، در حالی که روی تنها به حدود ۹۰۶ درجه برای همین امر نیاز دارد. وقتی به پلیمرها نگاه می‌کنیم، موضوع جالب‌تر می‌شود. این مواد زمانی شروع به تجزیه می‌کنند که دما به بین ۳۰۰ تا ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد برسد و این امر باعث ایجاد لکه‌های تیره‌ای می‌شود که اغلب به دلیل احتراق محلی روی سطوح دیده می‌شوند. برای مواد حساس به حرارت مانند چرم، تولیدکنندگان به فناوری لیزر پالسی روی آورده‌اند. این لیزرها پالس‌های کوتاهی از انرژی را در مدت زمانی بین ۵۰ تا ۲۰۰ نانوثانیه تحویل می‌دهند و تأثیر حرارتی را بسیار محدود، تقریباً به گسترش نیم میلی‌متری، نگه می‌دارند. برخی از تجهیزات پیشرفته امروزه دو طول موج لیزر متفاوت را ترکیب می‌کنند، به طور خاص ۱۰۶۴ نانومتر و ۳۵۵ نانومتر، که این امر امکان همزمان انجام حکاکی و پرداخت سطحی فولاد ضدزنگ را فراهم می‌آورد. این روش تغییرات رنگی زیبایی را روی سطح فلز ایجاد می‌کند بدون آنکه هیچ آسیب واقعی به آن وارد شود و این ویژگی از نظر بسیاری از کاربران صنعتی از اهمیت بالایی در اهداف کنترل کیفیت برخوردار است.

اجزای کلیدی دستگاه حکاکی لیزری

سیستم نوری: عدسی‌ها، آینه‌ها و انتقال پرتو

سیستم‌های لیزری با هدایت و متمرکز کردن انرژی نور به مناطق بسیار کوچک، اغلب در سطح میکرون، کار می‌کنند. عدسی‌های ژرمانیومی با خلوص استثنایی این پرتوهای بسیار ریز را هدایت می‌کنند که گاهی قطری کمتر از یک دهم میلی‌متر دارند. آینه‌های مورد استفاده با لایه‌ای از طلا پوشانده شده‌اند که بیش از ۹۹٪ از نور فرودی را بازتاب می‌دهند و از اتلاف انرژی در حین کار جلوگیری می‌کنند. این اجزا با هم ترکیب می‌شوند تا برش‌های تمیز و حکاکی‌های دقیقی روی موادی مانند ورق‌های آکریلیک یا سطوحی که با فرآیند آندایز شده‌اند، ایجاد کنند. در سال‌های اخیر پیشرفتی نیز در نحوه انتقال توان لیزر رخ داده است. سازندگان حدود ۱۸ درصد کاهش در اتلاف برق را از زمان نسخه‌های قدیمی‌تر این سیستم‌ها که اوایل دهه ۲۰۰۰ معرفی شدند، گزارش کرده‌اند.

سیستم کنترل حرکت: دقت سی‌ان‌سی و محورهای XYZ

سیستم‌های مدرن CNC با استفاده از محورهای XYZ محرک با سروو، سر لیزر را با دقت موقعیت‌یابی درون ۵ میکرومتر هدایت می‌کنند. این امر امکان تولید بی‌عیب و نقص طرح‌های برداری پیچیده را فراهم می‌کند—از متن‌های ریز روی ابزارهای جراحی تا علائم بزرگ‌مقیاس. ماشین‌آلات صنعتی اغلب دارای انکودرهای خطی برای بازخورد لحظه‌ای هستند که خطاهای موقعیتی را در سرعت‌های تا ۱۰۰۰۰ میلی‌متر بر دقیقه اصلاح می‌کنند.

منبع لیزر و مکانیسم‌های خنک‌کنندگی برای عملکرد پایدار

نوع لیزری که در مورد آن صحبت می‌کنیم، واقعاً تعیین‌کنندهٔ کارایی آن است. لیزرهای CO2 به دلیل طول موج حدود ۱۰٫۶ میکرون، بر روی موادی مانند چوب، پلاستیک و سایر مواد آلی عملکرد بسیار خوبی دارند. لیزرهای فیبری که طول موج کوتاه‌تری در حدود ۱٫۰۶ میکرون دارند، انتخاب اول برای کار با فلزات هستند، به‌ویژه در کارهای حکاکی. در مجموعه‌های صنعتی، اکثر سیستم‌ها برای انجام مناسب حک‌کاری روی فولاد ضدزنگ به حداقل ۱۰۰ وات توان نیاز دارند. مدل‌های رومیزی معمولاً در حدود ۳۰ وات کار می‌کنند و بدون مشکل مواد سبک‌تری مانند آکریلیک و چوب‌های نرم را پردازش می‌کنند. برای کارکرد روان این ماشین‌آلات، نیاز به راه‌حل‌های خنک‌کنندگی فعال است. بسیاری از کارگاه‌ها در خنک‌کننده‌های حلقه‌بسته سرمایه‌گذاری می‌کنند که دما را در محدودهٔ تنها مثبت یا منفی یک درجه سانتی‌گراد ثابت نگه می‌دارند. این نوع کنترل دما از کاهش‌های مزاحم توان جلوگیری می‌کند که کیفیت علامت‌ها و حکاکی‌ها را خراب می‌کنند. تفاوت در روش‌های خنک‌کاری در طول زمان نیز تأثیر بزرگی دارد. لیزرها با خنک‌کاری مناسب حدود ۴۰ درصد عمر بیشتری نسبت به لیزرها دارند که فقط به روش‌های خنک‌کاری غیرفعال متکی هستند؛ این بدین معناست که تعویض کمتری انجام می‌شود و هزینه‌های بلندمدت برای تولیدکنندگان کاهش می‌یابد.

انواع لیزرها در حکاکی: CO2، فیبر، UV و MOPA

لیزرهای CO2، فیبر و دیود: کاربردها و تفاوتها

لیزرهای دی اکسید کربن که در حدود ۱۰٫۶ میکرون کار می‌کنند، به خوبی روی موادی مانند چوب، صفحات آکریلیک و محصولات چرمی عمل می‌کنند که اغلب برای تابلوها و پروژه‌های مختلف هنری نیاز به برش یا حکاکی دارند. سپس لیزرهای فیبری با طول موج ۱٬۰۶۴ نانومتر وجود دارند که علامت‌هایی با کنتراست بالا را دقیقاً روی سطوح فلزی مانند فولاد ضدزنگ و آلومینیوم ایجاد می‌کنند، بدون اینکه به خود ماده آسیبی وارد شود. برای افرادی که تازه شروع کرده‌اند یا در مقیاس کوچک‌تری کار می‌کنند، لیزرهای دیودی معمولاً گزینهٔ مورد استفاده هستند، زیرا بیشتر پلاستیک‌ها و برخی فلزات روکش‌دار را پردازش می‌کنند و در عین حال مصرف برق کمتری دارند. بر اساس یک تحلیل بازار اخیر از شرکت تلزیس در سال ۲۰۲۵، این سیستم‌های لیزر فیبری اکنون حدود دو سوم تمام تجهیزات صنعتی علامت‌گذاری نصب‌شده در کارخانه‌های سراسر جهان را تشکیل می‌دهند، زیرا عمر طولانی‌ای دارند — معمولاً بیش از ۱۰۰ هزار ساعت قبل از نیاز به تعویض.

لیزرهای فیبری برای حکاکی فلز و کاربردهای صنعتی

سیستم‌های حکاکی فیبر لیزر از طریق واکنش‌های فوتون-حرارتی به عملکرد بیشینه روی فلزات دست می‌یابند. طراحی حالت جامد آن‌ها امکان پردازش سریع‌تر (تا 7 متر/ثانیه) و جزئیات دقیق‌تر (عرض خط کمتر از 20 میکرومتر) را نسبت به سیستم‌های CO2 فراهم می‌کند. کاربردهای کلیدی شامل:

• سریال‌سازی قطعات خودرو
• علامت‌گذاری مطابق با UDI دستگاه‌های پزشکی
• ردیابی قطعات هوافضا

لیزر UV و MOPA برای مواد دقیق و حساس به حرارت

لیزر UV (355 نانومتر) با تغییر شیمیایی سطوح شیشه، پلیمرها و نیمهرساناها بدون اعوجاج حرارتی، امکان علامت‌گذاری سرد را فراهم می‌کند — که برای الکترونیک ریز و بسته‌بندی مواد غذایی ضروری است. لیزر فیبری MOPA (آمپلیفایر تقویت‌کننده نوسان‌گر اصلی) دارای 16.7 میلیون تنوع پالس قابل برنامه‌ریزی است و امکان علامت‌گذاری رنگی دقیق روی آلومینیوم آندایز و تیتانیوم را فراهم می‌کند.

طول موج و سازگاری مواد در انواع لیزرها

داده‌های یک مطالعه سازگاری مواد در سال 2025 (Omtech) تأیید می‌کنند که طول موج به طور مستقیم بر نرخ جذب تأثیر می‌گذارد — سیستم‌های CO2 به جذب 98٪ در مواد مبتنی بر سلولز دست می‌یابند، در حالی که لیزر UV نسبت به گزینه‌های مادون قرمز، 85٪ عمیق‌تر در پلی‌کربنات نفوذ می‌کند.

فرآیند حکاکی با لیزر: از طراحی دیجیتال تا علامت نهایی

آماده‌سازی طراحی و تولید مسیر برداری در نرم‌افزار

اکثر پروژه‌ها روی صفحه نمایش با طرح‌های دیجیتالی که در نرم‌افزارهای برداری مانند کرل‌درا یا ادوبی ایلاستریتور ایجاد شده‌اند، آغاز می‌شوند. کار این برنامه‌ها تبدیل تصاویر به خطوط و منحنی‌های ریاضی است که به لیزر محل حرکت را نشان می‌دهند؛ بدین معنا که می‌توانیم برش‌های بسیار دقیقی با دقت حدود ۰٫۱ میلی‌متر به دست آوریم. به‌طور کلی فایل‌های برداری نسبت به تصاویر معمولی بیت‌مپ ترجیح داده می‌شوند، زیرا هنگام تغییر اندازه کیفیت خود را از دست نمی‌دهند، هرچند گاهی اوقات اگر کاربران مراقب نباشند، نتایج تار و محوی به دست می‌آید. برای مثال در کار با لوگوها، این نمادهای شرکتی پیچیده به‌شدت به منحنی‌های بزیه متکی هستند تا گوشه‌های تیز و انتقال‌های نرم بین عناصر حفظ شود. طبق برخی گزارش‌های صنعتی، تقریباً ۸ از هر ۱۰ مشکل حکاکی در واقع ناشی از بهینه‌سازی ضعیف مسیرهای برداری است؛ بنابراین صرف زمان بیشتر برای تمیز کردن فایل‌ها قبل از ارسال به تولید، تفاوت بزرگی در جلوگیری از اشتباهات پرهزینه در آینده ایجاد می‌کند.

انتقال طرح‌ها به سیستم‌های کنترل CNC

پس از اتمام کار طراحی، بیشتر افراد آثار خود را به صورت فایل‌های .DXF یا .AI خارج می‌کنند و سپس آن‌ها را روی دستگاه CNC بارگذاری می‌کنند. امروزه، معمولاً دستگاه‌ها انتقال داده از طریق فلش‌های USB یا شبکه را قبول می‌کنند، هرچند در عملیات بزرگ‌تر تمایل بر این است که تمام تجهیزات به سیستم‌های CAD/CAM متصل شوند تا بتوانند بیشتر مراحل کار را خودکار کنند. بعد از این مرحله چه اتفاقی می‌افتد؟ کنترل‌کننده CNC این نقاط مختصات و دستورالعمل‌های حرکتی را دریافت کرده و آن‌ها را به حرکت‌های واقعی در راستای محورهای X و Y روی سطح دستگاه تبدیل می‌کند. دقت در این مرحله بسیار مهم است، زیرا اگر نقطه فوکوس لیزر به درستی با سطح ماده هم‌تراز نباشد، حتی انحرافی به اندازه نیم میلی‌متر می‌تواند کار را به شدت مختل کند و شفافیت برش را حدود دو سوم کاهش دهد، همان‌طور که بسیاری از تکنسین‌ها در کارگاه‌های خود مشاهده کرده‌اند.

تنظیم پارامترهای لیزر: سرعت، توان و فرکانس پالس

بهینه‌سازی تنظیمات برای دستیابی به نتایج مناسب با هر ماده بسیار حیاتی است:

وقتی با تنظیمات قدرت بالاتر در حدود 80 تا 150 وات کار می کنید، بیشتر فلزات به جای ذوب شدن به درستی، به سادگی می سوزند. از سوی دیگر، این محدوده های قدرت پایین تر بین ۱۰ تا ۳۰ وات برای پلاستیک و مواد مصنوعی بسیار بهتر کار می کنند، به آنها اجازه می دهد تا با دقت بدون آسیب به مناطق اطرافشان برداشته شوند. حرکت کند در هنگام حکاکی روی سطوح چوبی باعث ایجاد تاثیرات عمیق تر می شود، اما این کار هزینه ای دارد زیرا بسیاری از چوب های سخت اگر برای مدت طولانی در معرض گرما قرار بگیرند، شروع به سوختگی یا حتی آتش گرفتن می کنند. تنظیم فرکانس پالس تعیین می کند که چه طور انرژی در طول کار تحویل داده می شود. برای بهترین نتایج روی سطوح فلزی با پوشش محافظ، اکثر متخصصان به فرکانس هایی بین ۲۰ تا ۵۰ کیلوهرتز پایبند هستند. ماشین های مدرن مجهز به پنل های کنترل پیچیده ای هستند که به تکنسین اجازه می دهد پارامترها را در پرواز تنظیم کند. این تنظیمات در زمان واقعی به یافتن نقطه مناسب کمک می کند که کار دقیق بدون قربانی سرعت تولید انجام می شود، چیزی که هر مدیر کارگاه در تلاش برای رسیدن به مهلت های تنگ قدردانی می کند.

سازگاری مواد و کاربردهای دستگاه‌های حکاکی لیزری

سازگاری بین مواد و لیزر نقش مهمی در موفقیت فرآیند حکاکی ایفا می‌کند، زیرا سطوح مختلف به طول موج‌ها و تنظیمات توان متفاوت واکنش نشان می‌دهند. برای مثال، فولاد ضدزنگ انرژی لیزرهای فیبری با طول موج حدود ۱۰۶۴ نانومتر را از طریق فرآیندی به نام اکسیداسیون محلی جذب می‌کند که منجر به ایجاد علائم صنعتی مقاوم و با دوام می‌شود. در مقابل، لیزرهای CO2 که در حدود ۱۰٫۶ میکرومتر کار می‌کنند، سلولز چوب را می‌سوزانند و الگوهای کربنی تیره‌ای را ایجاد می‌کنند که در محصولات چوبی مشاهده می‌شود. در مورد کار روی شیشه، لیزرهای UV می‌توانند دقت بسیار بالایی، گاهی کمتر از نیم میلی‌متر، ایجاد کنند، زیرا باعث ایجاد ترک‌های ریز در زیر سطح می‌شوند. این سطح از دقت در برچسب‌گذاری تجهیزات پزشکی که خوانایی و دوام آن ضروری است، اهمیت بسیار زیادی دارد.

مواد غیرفلزی مانند پلاستیک‌های ABS نیازمند کالیبراسیون دقیق توان هستند تا از آزاد شدن بخارات سمی جلوگیری شود، که یک ملاحظهٔ کلیدی در استانداردهای ایمنی صنعتی محسوب می‌شود. تعامل بین بازتابندگی مواد و هدایت حرارتی، موفقیت کاربرد را تعیین می‌کند و در صورت تنظیم مناسب، امکان استفاده در زمینه‌هایی از جمله شخصی‌سازی جواهرات تا ردیابی در صنعت هوافضا فراهم می‌شود.

‫سوالات متداول‬

حکاکی لیزری چیست و چگونه کار می‌کند؟

حکاکی لیزری فناوری است که از نور متمرکز برای سوزاندن تصاویر یا طرح‌ها روی مواد استفاده می‌کند. این فرآیند با تبدیل انرژی نور به گرما انجام می‌شود که سطح ماده را تغییر می‌دهد.

چه نوع موادی را می‌توان با لیزر حک کرد؟

انواع گسترده‌ای از مواد قابل حکاکی هستند که شامل چوب، فلزات، شیشه، آکریلیک و برخی پلاستیک‌ها می‌شوند.

انواع مختلف لیزرها در حکاکی چیستند؟

انواع رایج شامل لیزر CO2، فیبر، UV و MOPA هستند که هر کدام از نظر طول موج، مواد مناسب و کاربردها متفاوت هستند.

چگونه نوع مناسب لیزر را برای یک ماده خاص انتخاب می‌کنید؟

انتخاب لیزر مناسب به واکنش ماده نسبت به طول موج‌ها و تنظیمات توان مختلف بستگی دارد؛ لیزرهای فیبری برای فلزات ایده‌آل هستند، در حالی که لیزر CO2 برای مواد آلی مناسب عمل می‌کند.

آیا حکاکی با لیزر می‌تواند بر خواص ماده تأثیر بگذارد؟

این فرآیند ممکن است باعث تغییرات محلی مانند تبخیر، ذوب یا تغییر رنگ شود که بستگی به نوع ماده و تنظیمات لیزر مورد استفاده دارد.