چه موادی برای دستگاه حکاکی دی اکسید کربن ایده‌آل هستند؟

علم پشت تعامل لیزر CO2 با مواد غیرفلزی

لیزرهای CO2 در حدود ۱۰٫۶ میکرون طول موج کار می‌کنند، و حدس بزنید چه اتفاقی می‌افتد؟ مواد غیر فلزی مانند چوب، آکریلیک و چرم تقریباً ۱۵ تا ۳۰ برابر بهتر از فلزها این نور لیزر را جذب می‌کنند. دلیل این امر چیست؟ در واقع مواد آلی و پلاستیک‌ها با فرکانس‌هایی نوسان می‌کنند که به خوبی با نور مادون قرمز این لیزرها هماهنگی دارند. به عنوان مثال چوب را در نظر بگیرید. بر اساس تحقیقات پونمون در سال ۲۰۲۳، سلولز موجود در چوب حدود ۹۲ درصد از فوتون‌های ۱۰٫۶ میکرونی را جذب می‌کند. بعد از آن اتفاق جالبی می‌افتد: انرژی لیزر دقیقاً در نقطه تماس به گرما تبدیل می‌شود و امکان برش یا حکاکی بسیار دقیق را فراهم می‌آورد. همچنین موادی که گرما را به خوبی هدایت نمی‌کنند، مثل تخته‌های MDF، این گرما را در یک نقطه متمرکز نگه می‌دارند. این بدین معناست که حکاکی‌ها تمیزتری انجام شده و از پخش شدن گرما و آسیب به مناطق مجاور جلوگیری می‌شود.

چرا فلزات عموماً برای دستگاه‌های حکاکی دی‌اکسید کربن مناسب نیستند

اکثر فلزات حدود ۷۰ درصد از آن طول‌موج‌های ۱۰٫۶ میکرومتری را به دلیل وجود الکترون‌های آزاد فراوان در ساختارشان بازمی‌تابند، که این امر باعث می‌شود وقتی نور لیزر CO2 به آنها بتابد بسیار بازتابنده باشند. برای رسیدن به آن نرخ جذب ۸۰ درصدی معجزه‌آسا که برای کارهای مناسب حکاکی لازم است؟ صحبت از سطوح توانی است که امروزه برای اکثر کارگاه‌ها عملی نیست، یعنی جایی بین ۵ تا ۱۰ کیلووات. به همین دلیل افرادی که نیاز به کار با فلزات دارند معمولاً به لیزرهای فیبری روی می‌آورند. این لیزرها در اطراف ۱٫۰۶ میکرومتر کار می‌کنند و از ابتدا برای پردازش فلزات طراحی شده‌اند. اگر سعی کنید چیزی مثل آلومینیوم یا فولاد ضدزنگ را با لیزر CO2 علامت‌گذاری کنید، احتمالاً به کنتراست ضعیفی در حکاکی دست خواهید یافت، شاید کمی تغییر شکل سطحی ایجاد شود، یا بدتر از آن، آسیب واقعی به خود دستگاه به دلیل بازتاب معکوس پرتوهای نور که در داخل دستگاه به دور می‌چرخند.

نقش نرخ جذب و هدایت حرارتی در پاسخ مواد

بازده جذب و هدایت حرارتی عوامل کلیدی در تعیین نحوه پاسخ یک ماده به انرژی لیزر CO2 هستند:

موادی مانند آکریلیک و چوب بیشتر انرژی لیزر را جذب کرده و گرما را به آرامی انتشار می‌دهند، که امکان فرسایش کنترل‌شده را فراهم می‌آورد. فلزات، در مقابل، بخش زیادی از پرتو را منعکس کرده و هر انرژی جذب‌شده‌ای را به سرعت انتقال می‌دهند و از علامت‌گذاری کارآمد تحت شرایط معمولی جلوگیری می‌کنند.

برترین مواد غیرفلزی: چوب، آکریلیک و چرم

دستگاه‌های حکاکی دی‌اکسید کربن با مواد آلی و غیرفلزی‌های مصنوعی عملکرد عالی دارند و نتایج دقیقی در چوب، آکریلیک و چرم به دست می‌آورند. این مواد طول موج 10.6 میکرومتر را به خوبی جذب کرده و امکان تبخیر تمیز بدون انتشار بیش‌ازحد گرما را فراهم می‌کنند.

بهترین انواع چوب برای کاربردهای دستگاه حکاکی دی‌اکسید کربن

در کارهای حکاکی دقیق، درختان افرا، گیلاس و بید به دلیل الگوی تقریباً یکنواخت الیافشان عالی عمل می‌کنند. هنگام کار با رنگ یا پوشش‌ها، تخته‌های MDF معمولاً گزینه مناسبی هستند. این ماده از نظر ساختاری یکدست است و بنابراین احتمال ظهور لکه‌های سوختگی ناخوشایند به صورت نامنظم کمتر می‌شود. چوب کاج؟ واقعاً بهتر است از آن استفاده نکنید. چربی (صمغ) موجود در آن تمایل به آتش گرفتن دارد، خصوصاً وقتی از توان لیزری معمولی حدود ۴۰ تا ۶۰ وات استفاده می‌شود. از تجربه شخصی می‌گویم، طرح‌های پیچیده به تنظیمات وضوح بالاتری در محدوده ۳۰۰ تا ۶۰۰ نقطه در اینچ (DPI) نیاز دارند. استفاده از هوای کمکی (Air Assist) نیز تفاوت بزرگی ایجاد می‌کند و ضمن کاهش تجمع دود، لبه‌ها را تمیزتر می‌کند.

حکاکی روی آکریلیک ریخته‌گری شده در مقابل آکریلیک اکسترود شده: شفافیت، کنتراست و کاربرد تجاری

اکریلیک ریخته‌گری به دلیل الگوهای تنش داخلی که در طول سرد شدن آهسته ایجاد می‌شود، خطوط مات روشن‌تری ایجاد می‌کند که نور لیزر را به‌طور مؤثری پراکنده می‌کند. اکریلیک اکسترود شده به راحتی بیشتری ذوب می‌شود و ۲۵ تا ۳۵ درصد انرژی کمتری مصرف می‌کند، اما در برش ورق‌های ضخیم‌تر (>۳ میلی‌متر) خطر تاب‌خوردگی لبه بیشتر است.

درجه‌های مناسب چرم و تکنیک‌های بهبود بافت

در مورد چرم دباغی‌شده با روغن گیاهی با ضخامت بین ۱٫۲ تا ۳٫۰ میلی‌متر، لیزر CO2 برای حکاکی بسیار مناسب عمل می‌کند. نتایج اغلب رنگ‌های قهوه‌ای تیره و زیبایی را نشان می‌دهد، به‌ویژه هنگامی که سرعت لیزر را به حدود ۱۵ تا ۲۰ درصد کاهش دهیم. اگر ابتدا سطح چرم را کمی مرطوب کنیم، اتفاق جالبی رخ می‌دهد — آزمایش‌های انجام‌شده توسط پونمن در سال ۲۰۲۳ نشان داد که این کار ساده باعث کاهش حدود ۶۰ درصدی لکه‌های سوختگی می‌شود. انواع چرم بافت‌دار به شیوه‌های متفاوتی واکنش نشان می‌دهند. با استفاده از دستگاه ۵۰ واتی که با سرعت ۲۰۰ میلی‌متر در ثانیه حرکت می‌کند، هنرمندان می‌توانند الگوهای برجسته ایجاد کنند بدون اینکه سوراخی در ماده ایجاد شود. اما در مورد چرم‌های دباغی‌شده با کروم، مسئله ایمنی مهمی وجود دارد. این مواد هنگام پردازش، بخارات بسیار نامطبوعی تولید می‌کنند، بنابراین تهویه مناسب کاملاً ضروری است و در غیر این صورت باید در تجهیزات استخراج بخارات مناسب برای فضاهای کارگاهی سرمایه‌گذاری کرد.

سطوح تخصصی: حکاکی روی شیشه، سنگ و پارچه

تکنیک‌های علامت‌گذاری دائمی روی شیشه و سنگ با لیزر CO2

لیزرهای دی‌اکسید کربن می‌توانند سطوح موادی مانند شیشه و سنگ را به‌طور دائمی تغییر دهند، بدین‌وسیله که انرژی را در طول‌موج حدود ۱۰٫۶ میکرومتر جذب می‌کنند. هنگام کار با شیشه، اپراتورها معمولاً توان لیزر را بین ۱۵ تا ۳۰ وات تنظیم می‌کنند. این امر باعث ایجاد ترک‌های بسیار ریزی در زیر سطح می‌شود که ظاهر مات مشخصی به آن می‌دهد، در حالی که سطح واقعی دست‌نخورده باقی می‌ماند. سنگ‌های طبیعی چالش‌های کاملاً متفاوتی ایجاد می‌کنند. گرانیت و مرمر برای تبخیر مناسب عناصر معدنی در سراسر سطح، نیاز به پرتوهای قوی‌تری دارند که معمولاً در محدوده ۸۰ تا ۱۰۰ وات قرار می‌گیرند. فرآیند زمانی جالب‌تر می‌شود که چندین بار روی ماده عبور انجام شود. با استفاده از این تکنیک‌ها، تولیدکنندگان می‌توانند به دقتی در حدود مثبت یا منفی ۰٫۰۵ میلی‌متر دست یابند. این سطح از دقت، لیزرهای CO2 را به‌ویژه برای ساخت اشیاء دقیقی مانند مجسمه‌های لیتوفران یا حکاکی‌های پیچیده روی نمای ساختمان‌ها مفید می‌سازد.

بریدن دقیق لاستیک، فوم و پارچه‌ها با استفاده از دستگاه‌های حکاکی کربن دی‌اکسید

لیزر CO2 برش‌های بسیار تمیزی روی انواع مواد انعطاف‌پذیر ایجاد می‌کند، بخاطر توانایی آن در تنظیم دقیق نقاط فوکوس و جریان هوا در اطراف ناحیه کار. هنگام کار با موادی مانند نئوپرن به ضخامت 2 میلی‌متر، بیشتر اپراتورها تشخیص داده‌اند که استفاده از دهانه نازل حدود 0.1 میلی‌متری همراه با توانی در حدود 25 وات، لبه‌ها را تیز و حرفه‌ای نگه می‌دارد. در کاربردهای مربوط به پارچه، سرعت نیز بسیار مهم است. برش با سرعتی نزدیک به 300 میلی‌متر در ثانیه و با افزودن گاز نیتروژن، از سوختگی پارچه در طول فرآیند جلوگیری می‌کند. و البته نباید از آن شکل‌های منحنی پیچیده فراموش کرد. با استفاده از قطعات چرخان خاص که به سر لیزر متصل می‌شوند، حتی منحنی‌های پیچیده نیز به‌طور نسبتاً دقیقی قابل پردازش هستند. بیشتر کارگاه‌ها گزارش می‌دهند که در ساخت اقلامی مانند واشرهای گرد یا طرح‌های تزئینی چرمی که نیاز به انحناهای دقیق در سرتاسر سطح دارند، در محدوده تقریبی ±0.2 میلی‌متر تحمل دقت باقی می‌مانند.

نگرانی‌های مربوط به ایمنی و قابلیت اشتعال هنگام پردازش مواد انعطاف‌پذیر

موادی که ضخامتی کمتر از نیم میلی‌متر دارند، مانند برخی پارچه‌ها و فوم‌ها، می‌توانند خطر آتش‌سوزی جدی ایجاد کنند؛ به همین دلیل باید الزامات تعیین‌شده در استاندارد NFPA 701 را رعایت کنند. هنگام کار با مواد خاصی مانند پارچه‌های پوشش‌دار با آکریلیک یا محصولات فوم پلی‌اتیلن، بهتر است از مواد ضد شعله به عنوان لایه پایه استفاده شود و سیستم خاموش‌کننده خودکار حریق نیز نصب گردد تا در صورت بروز حادثه آماده باشد. یافته‌های جالب توجهی از تحقیقات اخیر نشان می‌دهد که اگر این مواد را در حدود ۸ تا ۱۲ درصد رطوبت نگه داریم، به جای اینکه کاملاً خشک شوند، تولید دود حدود ۴۰ درصد کاهش می‌یابد، همان‌طور که در سال ۲۰۲۳ در مجله Journal of Laser Applications منتشر شده است. این امر نه تنها ایمنی کارگاه‌ها را به طور کلی افزایش می‌دهد، بلکه کیفیت هوای داخلی را نیز بهبود می‌بخشد.

بهینه‌سازی نتایج: تنظیمات، چالش‌ها و کنترل کیفیت

دستیابی به کنترل عمق و جزئیات دقیق در حکاکی چوب و آکریلیک

دستیابی به نتایج خوب از حکاکی در واقع به یافتن تعادل مناسب بین سه عامل اصلی بستگی دارد: تنظیمات توان که معمولاً برای مواد آلی بین ۴۰ تا ۷۰ درصد است، سرعت اسکن که بین حدود ۳۰۰ تا ۸۰۰ میلی‌متر در ثانیه متغیر است، و محل دقیق فوکوس لیزر روی سطح ماده. هنگام کار با چوب‌های سخت مانند جلبک، حکاک‌ها اغلب متوجه می‌شوند که به دلیل چگالی بیشتر این چوب‌ها، برای رسیدن به عمق مشابه باید توان را حدود ۱۵ تا ۲۵ درصد نسبت به چوب‌های نرم‌تر افزایش دهند. در مورد مواد آکریلیک، بیشتر متخصصان توصیه می‌کنند از تکنیک‌های حکاکی وکتوری با سرعت‌های بین ۸۰ تا ۱۲۰ میلی‌متر بر ثانیه استفاده شود تا لبه‌های تمیز و دقیقی که همه به آن علاقه دارند به دست آید. اما در کارهای رستری روی آکریلیک، حرکت آهسته‌تر از ۴۰۰ میلی‌متر بر ثانیه به جلوگیری از لکه‌های ذوب ناخواسته که پروژه‌های در غیر این صورت بی‌نقص را خراب می‌کنند، کمک می‌کند. از تجربه شخصی بگویم، انجام چندین آزمایش کوچک با تغییرات تدریجی در تنظیمات می‌تواند به طور قابل توجهی از هدررفت مواد بکاهد. بر اساس داده‌های صنعتی سال گذشته، این روش در مقایسه با امتحان کردن تنها یک تنظیم و امیدوار بودن به نتیجه، حدود ۱۸ درصد بیشتر از مواد را صرفه‌جویی می‌کند.

کاهش زغالی شدن، ذوب و تغییر شکل سطح

هر ماده دارای محدوده‌های حرارتی خاصی است که راهبردهای بهینه پردازش را تعیین می‌کند:

پایش دمایی بلادرنگ به حفظ دما در سطح پایین‌تر از آستانه تجزیه کمک می‌کند. استفاده از آب‌بند پلی‌اورتان روی مواد متخلخل مانند MDF قبل از حکاکی، بقایای دود را تا ۴۰٪ کاهش می‌دهد.

تنظیمات توصیه‌شده توان، سرعت و فوکوس بر اساس نوع ماده

پارامترهای بهینه به‌طور قابل توجهی بسته به زیرلایه متفاوت هستند:

هنگامی که این تنظیمات با وضوح 300 تا 600 نقطه در اینچ ترکیب شوند، نرخ موفقیت در اولین مرحله به 92٪ می‌رسد. پس از تغییر مواد، همیشه طول کانونی را دوباره بررسی کنید—انحرافی تنها به میزان 0.5 میلی‌متر می‌تواند وضوح لبه‌ها را تا 30٪ کاهش دهد.

انتخاب مواد به‌روز و آینده‌نگر برای کاربردهای لیزر CO2

نوآوری‌ها در مواد ترکیبی و پایدار برای حکاکی لیزری

ما شاهد حرکت بزرگی در صنعت به سمت کامپوزیت‌های پایدار و با عملکرد بالا هستیم که به خوبی با لیزر CO2 کار می‌کنند. نگاهی به برخی از مواد مبتنی بر زیست‌توده که امروزه در دسترس هستند بیندازید - چیزهایی مثل آکریلیک‌های غنی‌شده با جلبک یا پلیمرهای تقویت‌شده با مایسلیوم. طبق داده‌های ابتکار نوآوری مواد از سال گذشته، این مواد جدید در واقع حدود ۱۷ درصد سریع‌تر از پلاستیک‌های معمولی حکاکی می‌شوند. علاوه بر این، جایگزین‌های چرم بازیافتی جدیدی وجود دارند که از ضایعات کشاورزی تولید می‌شوند. این مواد می‌توانند دقتی زیر ۰٫۲ میلی‌متر داشته باشند و در عین حال انتشارات تولید را حدود ۳۴ درصد کاهش دهند. پیش‌بینی می‌شود که طبق گزارش MarketsandMarkets، بازار این کامپوزیت‌های سازگار با لیزر تا سال ۲۰۲۷ به حدود ۷۴۰ میلیون دلار برسد. به نظر می‌رسد این رشد توسط افراد فعال در حوزه‌های خلاقانه و همچنین کاربردهای صنعتی جدی که به دنبال گزینه‌های بهتری هستند، تغذیه شود.

تحلیل روند: محصولات شخصی‌سازی‌شده و تغییرات تقاضای صنعتی

میل به سمت محصولات شخصی‌سازی‌شده واقعاً نیاز به مواد مختلف را افزایش داده است که از سال 2020 تاکنون حدود 41 درصد رشد داشته است. امروزه مردم علاقه‌ی زیادی به اقلامی مانند کاورهای تلفن بامبو با حکاکی شده و لوازم جانبی پنبه‌ای نشان می‌دهند. در همین حال، در محیط‌های صنعتی تمایل به مشخص کردن سیلیکون‌های خاصی افزایش یافته که در برابر آتش مقاوم هستند و می‌توانند طبق استانداردهای ASTM برای برچسب‌های هواپیما علامت‌گذاری لیزری شوند. تولیدکنندگان تجهیزات فضای باز هم به دنبال پلیمرهایی هستند که در برابر تابش ماوراء بنفش مقاوم باشند. آنچه اکنون شاهد آن هستیم، بازاری است که موادی را ترجیح می‌دهد که بتوانند جزئیات پیچیده تا حدود 50 میکرون را تحمل کنند و در عین حال عملکرد خوبی داشته باشند، چه در دمای بسیار سرد منفیر 40 درجه سانتی‌گراد و چه در دمای بسیار داغ تا 120 درجه سانتی‌گراد. این ترکیب از نیازها، نوآوری در آنچه ما آن را بسترهای قابل پردازش با لیزر برای آینده می‌نامیم، را پیش می‌راند.

‫سوالات متداول‬

لیزرهای CO2 در چه طول موجی کار می‌کنند؟

لیزرهای CO2 در طول موجی حدود 10.6 میکرون کار می‌کنند.

چرا فلزات عموماً برای حکاکی با لیزر CO2 مناسب نیستند؟

فلزات نامناسب هستند زیرا حدود 70٪ از طول موج‌های لیزر CO2 را منعکس می‌کنند، که این امر جذب را ناکارآمد کرده و سطوح توان بسیار بالا و غیرعملی برای حکاکی مؤثر را ضروری می‌سازد.

بهترین مواد غیرفلزی برای حکاکی با لیزر CO2 چیست؟

بهترین مواد غیرفلزی شامل چوب، آکریلیک و چرم می‌شوند، زیرا به‌خوبی طول موج 10.6 میکرونی را جذب می‌کنند.

چه تنظیماتی برای حکاکی روی چوب با لیزر CO2 توصیه می‌شود؟

تنظیمات توصیه‌شده برای حکاکی روی چوب شامل توانی بین 40 تا 70 درصد، سرعت اسکن از 300 تا 800 میلی‌متر بر ثانیه و فوکوس دقیق روی سطح ماده است.

چگونه می‌توان از سوختگی و ذوب شدن در حین حکاکی لیزری جلوگیری کرد؟

سوختگی و ذوب شدن را می‌توان با استفاده از استراتژی‌های مناسب پردازشی مانند دمیدن هوای کمکی، عبورهای متعدد و کم‌عمق، و نظارت حرارتی لحظه‌ای کاهش داد.