دستگاه حکاکی لیزری چه موادی را می‌تواند پردازش کند؟

تعامل دستگاه‌های حکاکی لیزری با مواد چگونه است؟

علم پشت تعامل لیزر با مواد

حکاکی لیزری با حذف مواد از طریق پرتوهای متمرکز انرژی که لایه سطحی را با دقت بسیار بالا ذوب یا تبخیر می‌کنند، عمل می‌کند. موفقیت این روش به شدت به سه عامل اصلی مربوط به مواد بستگی دارد: میزان جذب نور توسط ماده، توانایی هدایت حرارت و دمایی که در آن شروع به ذوب شدن می‌کند. به عنوان مثال، آکریلیک تقریباً ۹۵٪ از انرژی لیزرهای CO2 که در حدود ۱۰٫۶ میکرون کار می‌کنند را جذب می‌کند، که این امر منجر به حکاکی‌های بسیار تمیزی می‌شود. آلومینیوم متفاوت است، زیرا حدود ۶۰٪ نور مادون قرمز را منعکس می‌کند، بدین معنا که برای ایجاد علامت‌گذاری مناسب روی آن، نیاز به لیزرهای فیبری بسیار قوی‌تری داریم. این موضوع توضیح می‌دهد که چرا چوب‌های نرم‌تر معمولاً سریع‌تر از چوب‌های سخت‌تر حکاکی می‌شوند و همچنین چرا سطوح آلومینیوم آندایز شده نسبت به سطوح فلزی معمولی و بدون پوشش، نتایج بسیار واضح‌تری ایجاد می‌کنند.

طول موج و جذب ماده: چرا مهم است

طول موج لیزر تأثیر زیادی بر موادی دارد که می‌تواند به‌طور مؤثر با آنها کار کند. لیزرهای CO2 که در محدوده ۹٫۳ تا ۱۰٫۶ میکرومتر کار می‌کنند، عملکرد بسیار خوبی روی مواد آلی مانند الیاف چوب و سطوح آکریلیک دارند، زیرا این مواد نور مادون قرمز میانی را بسیار کارآمد جذب می‌کنند. با این حال، هنگام کار با قطعات فلزی، لیزرهای فیبری با طول موج حدود ۱٫۰۶ میکرومتر انتخاب اصلی هستند، زیرا طیف نزدیک به مادون قرمز آنها به‌خوبی با رفتار الکترون‌ها در آلیاژهای فولادی و تیتانیوم هماهنگ است. بسیاری از کارگاه‌ها متوجه شده‌اند که تنظیم دقیق طول موج لیزر می‌تواند سرعت حکاکی را در قطعات پیچیده‌ای که از مواد متعددی مانند پوسته‌های پوشش‌دارِ پیچیده مورد استفاده در دستگاه‌های الکترونیکی ساخته شده‌اند، تقریباً ۳۰ درصد افزایش دهد. رعایت این هماهنگی طیفی در انتخاب تجهیزات برای تولید انبوه که در آن کارایی اهمیت دارد، واقعاً حائز اهمیت است.

لیزر فیبری در مقابل لیزر CO2: تطبیق فناوری با مواد

لیزرهای فیبر به‌طور گسترده در کاربردهای صنعتی علامت‌گذاری فلزات مسلط هستند و دقت و دوام بالاتری ارائه می‌دهند. لیزرهای CO2 همچنان استاندارد مواد غیرفلزی مانند مهرهای لاستیکی و ماکت‌های معماری محسوب می‌شوند. پروژه‌هایی که ترکیبی از مواد را شامل می‌شوند، مانند تخته‌های فلزی حکاکی‌شده روی پایه‌های چوبی، اغلب نیازمند تنظیمات دو سیستمی هستند تا نتایج بهینه‌ای در سطوح مختلف مواد حاصل شود.

چوب و مواد مبتنی بر چوب: پردازش تخته‌های طبیعی و مهندسی‌شده

حکاکی روی چوب طبیعی: ملاحظات بافت، چگالی و پرداخت نهایی

دستیابی به نتایج خوب از حکاکی روی چوب در واقع به سه عامل اصلی بستگی دارد: جهت الیاف چوب، تراکم آن و نوع پرداخت نهایی که دارد. هنگامی که حکاکی در جهت عرضی الیاف چوب انجام شود نه در راستای آن، بیشتر حکاکان متوجه می‌شوند که حدود ۱۵ درصد انرژی بیشتری لازم است، زیرا گرما به طور یکنواخت در ماده منتقل نمی‌شود. تراکم چوب‌های مختلف نیز تأثیر زیادی بر تنظیمات دستگاه دارد. به عنوان مثال، چوب توت آبی با وزنی در حدود ۱۲ تا ۱۵ پوند در فوت مکعب، اگر سطح توان روی این چوب نرم بیش از ۶۵ درصد باشد، تمایل به سوختن دارد نه برش تمیز. چوب بلوط داستانی کاملاً متفاوت است، زیرا تراکم آن بین ۴۵ تا ۵۰ پوند در فوت مکعب است. این چوب‌های سخت‌تر برای حکاکی مناسب، به انرژی بسیار بیشتری نیاز دارند. پرداخت سطح چوب نیز به همان اندازه مهم است. چوب گردوی بدون پوشش حدود ۲۳ درصد انرژی بیشتری نسبت به حالتی که با پلی‌اورتان پوشانده شده جذب می‌کند، مصرف می‌کند. برای جلوگیری از سوختن سطوح بدون پوشش، بسیاری از حکاکان با تجربه در حین فرآیند، سرعت خود را بین ۱۰ تا ۲۰ درصد افزایش می‌دهند.

کار با تخته MDF، فنر و سایر ترکیبات

اگرچه چوب‌های مهندسی شده ثبات بهتری را فراهم می‌کنند، اما برای صاحبان کارگاه‌ها چالش‌های خاص خود را نیز به همراه دارند. به عنوان مثال، MDF انرژی لیزر را بسیار بهتر از چوب معمولی جذب می‌کند، زیرا الیاف آن به‌صورت یکنواخت و متراکم در کنار هم قرار گرفته‌اند. نتیجه چیست؟ لبه‌های تمیزتر و تیزتر در کارهای حکاکی پیچیده. اما نکته منفی هم وجود دارد. مواد چسبنده رزینی داخل MDF ذرات بسیار ریزی از گرد و غبار تولید می‌کنند که برای مدیریت ایمن آنها در عملیات برش، نیاز به سیستم‌های فیلتراسیون HEPA مناسب است. و سپس فناوری فنر در میان است که کیفیت در آن اهمیت زیادی دارد. فنرهای درجه پایین تمایل دارند زمانی که توان لیزر از حدود ۵۵٪ عبور کند، از هم پاشیده شوند؛ به‌ویژه اگر بخواهید برش عمیق را در یک مرحله و بدون چندین عبور انجام دهید. مدیران کارگاه‌ها این موضوع را از طریق شکایات مشتریان درباره محصولات نهایی که پس از ارسال از هم پاشیده می‌شوند، به خوبی می‌دانند.

تنظیمات بهینه لیزر برای مواد مبتنی بر چوب (توان، سرعت، فرکانس)

هنگام استفاده از پالس‌های فرکانس بالا در محدوده تقریباً ۲۰ هزار تا ۵۰ هزار هرتز، تجمع حرارتی در آن دسته از مواد کامپوزیتی غنی از رزین به میزان حدود ۴۰ درصد نسبت به روش‌های موج پیوسته کاهش می‌یابد. به عنوان مثال، تخته سه‌لایه بیرچ بالتیک به ضخامت ۳ میلی‌متر را در نظر بگیرید. تنظیم دستگاه روی توان ۸۰ وات همراه با سرعت حرکت ۳۵۰ میلی‌متر بر ثانیه و فرکانس حدود ۳۰ کیلوهرتز، برش‌های تمیز و دقیقی از عرض ماده ایجاد می‌کند بدون آن‌که اتصالات چسبی آسیب ببینند. نکته اینجاست که انواع چوب طبیعی معمولاً با توان خروجی حدود ۵ تا ۱۵ درصد کمتر و سرعت پیشروی ۲۰ تا ۳۰ درصد بیشتر نسبت به چوب‌های مهندسی عملکرد بهتری دارند. این امر به جلوگیری از ظاهر کربونیزه زده شده ناخوشایند روی لبه‌های برش کمک می‌کند.

مدیریت دود، کربنیزاسیون و تهویه در فرآوری چوب

بر اساس مطالعه کیفیت هوای داخلی در سال 2023، سیستم‌های تخلیه کمکی هوا، ذرات معلق در حین حکاکی چوب را حدود 74٪ کاهش می‌دهند. هنگام کار با چوب‌های نرم‌تر، ما دریافته‌ایم که کاهش حدود 10٪ در تنظیمات توان و افزایش تقریباً 15٪ در سرعت، به حفظ عمق مطلوب حکاکی بدون ظهور آن علائم سوختگی آزاردهنده کمک می‌کند. همچنین برای مواد ضخیم‌تر، هر چیزی بالاتر از 12 میلی‌متر، اکثر متخصصان توصیه می‌کنند که از چندین عبور با حداقل 30 ثانیه زمان خنک‌سازی بین هر عبور استفاده شود. این کار از داغ شدن لبه‌ها و کربونیزه شدن جلوگیری می‌کند که می‌تواند کاملاً روکش نهایی را خراب کند.

فلزات: حکاکی روی فولاد، آلومینیوم و سایر آلیاژهای صنعتی

دلیل برتری لیزر فیبری در حکاکی فلزات

لیزرهای فیبری در حدود 1064 نانومتر کار می‌کنند، که این طول موج به‌گونه‌ای است که فلزات آن را حدود هفت برابر بهتر نسبت به لیزرهای CO2 جذب می‌کنند. تحقیقات انجام‌شده در مورد نحوه جذب مواد از نور، این تفاوت را تأیید می‌کنند. از آنجا که فلزات بخش زیادی از این انرژی را جذب می‌کنند، لیزرهای فیبری قادرند موادی مانند فولاد ضدزنگ، سطوح تیتانیوم و انواع فلزات پوشش‌دار را بدون ایجاد آسیب حرارتی و تغییر شکل علامت‌گذاری کنند. نحوه پالس‌زدن این لیزرها به کنترل حرارت تولیدشده کمک می‌کند و به همین دلیل بسیاری از تولیدکنندگان در حوزه‌هایی مانند تولید قطعات هواپیما و ساخت ابزارهای پزشکی به‌شدت از آنها در کار با قطعاتی که نیاز به دقت اندازه‌گیری در سطح میکرومتر دارند، استفاده می‌کنند.

تکنیک‌های علامت‌گذاری روی فولاد ضدزنگ، آلومینیوم و فلزات بازتابنده

این تکنیک‌ها به چالش‌های خاصی می‌پردازند: پالس‌های با فرکانس پایین، علائم اکسیدی بادوام روی فولاد ضدزنگ ایجاد می‌کنند، در حالی که پوشش اولیه آلومینیوم کنتراست را بهبود می‌بخشد. عدم فوکوس پرتو روی سطوح بازتابنده، انرژی را به‌طور یکنواخت پخش می‌کند، خطر بازتاب را کاهش داده و یکنواختی علامت‌گذاری را افزایش می‌دهد.

تنظیمات لیزری مخصوص مواد برای حکاکی دقیق فلزات

• فولاد ضد زنگ : توان 30 وات، سرعت 800 میلی‌متر بر ثانیه، فرکانس 50 کیلوهرتز برای علائم مقاوم در برابر خوردگی
• آلومینیوم آندایزه شده : توان 20 وات، سرعت 1200 میلی‌متر بر ثانیه، فرکانس 100 کیلوهرتز جهت حفظ یکپارچگی لایه
• چدنگان ابزار : توان پیک 80 وات با مدت زمان پالس 200 نانوثانیه برای سطوح سخت‌شده

این پارامترها تضاد بهینه و یکپارچگی ساختاری را در پروفایل‌های متالورژیکی متنوع تضمین می‌کنند.

غلبه بر چالش‌های سطوح حساس به حرارت و سطوح بسیار بازتابنده

هنگام کار با مواد حساس به حرارت مانند منیزیم، استفاده از گاز کمکی نیتروژن ضروری می‌شود تا از اکسیداسیون در حین فرآیند حکاکی جلوگیری شود. برای فلزات بازتابنده مانند مس و برنج، اپتیک‌های خاص شکل‌دهی پرتو به کار گرفته می‌شوند. این اپتیک‌ها به مدیریت نحوه برخورد انرژی با سطح ماده کمک کرده و بازتاب‌های ناخواسته را به شدت کاهش می‌دهند. طبق تحقیقات منتشر شده توسط NIST در سال گذشته، انتقال به فناوری لیزر فیبری پالسی تفاوت چشمگیری ایجاد می‌کند. آنها کاهش حدود ۹۲ درصدی در بازتاب سطحی را در مقایسه با سیستم‌های موج پیوسته سنتی مشاهده کردند. این بدان معناست که تولیدکنندگان اکنون می‌توانند به‌صورت پیوسته و ایمن روی سطوح ظریفی مانند اتصالات روکش‌شده با طلا و قطعات الکتریکی مختلف حکاکی کنند، بدون اینکه نگران آسیب دیدن قطعه از طریق بازتاب باشند.

پلاستیک‌ها، آکریلیک‌ها و پلی‌کربنات‌ها: انتخاب و ایمنی

پردازش لیزری آکریلیک، ABS و پلاستیک‌های شبه شیشه‌ای

در مورد مواد مورد استفاده در کارهای حکاکی لیزری، آکریلیک (PMMA)، پلاستیک ABS و پلی‌کربنات به دلیل عملکرد عالی‌شان در پروژه‌های مختلف برجسته هستند. آکریلیک ریخته‌گری‌شده لبه‌های بسیار صاف و شفافی پس از برش ایجاد می‌کند که برای تابلوها و جعبه‌های نمایش فوق‌العاده مناسب است. پلی‌کربنات نیز ماده بسیار مقاومی است و می‌تواند ضربه‌های شدیدی را بدون شکستن تحمل کند؛ بنابراین برای قطعاتی مانند محافظ‌های ایمنی یا سپر ماشین‌آلات که دوام بالا مهم است، انتخاب بسیار مناسبی است. پلاستیک ABS در فرآیند پردازش نیاز به دقت بیشتری دارد، زیرا لبه‌های آن در صورت عدم مدیریت صحیح تمایل به ذوب شدن دارند، اما با تسلط بر فرآیند، عملکرد بسیار خوبی در ساخت برچسب‌های صنعتی و قطعات مختلف دارد. همچنین ماده PETG توانایی حفظ همزمان شفافیت و مقاومت در برابر حرارت را دارد و به همین دلیل در همه جا از پنل‌های تزئینی تا قطعات کاربردی در صنایع مختلف دیده می‌شود.

بخارهای سمی و خطرات: کدام پلاستیک‌ها را در حکاکی لیزری باید اجتناب کرد

هنگامی که پی‌وی‌سی و وینیل با انرژی لیزر در تماس قرار می‌گیرند، تمایل دارند گاز کلر آزاد کنند که می‌تواند باعث تحریک ریه‌ها شده و به مرور زمان به تجهیزات آسیب برساند. مواد حاوی ترکیبات فلوئور یا بروم حتی بدتر هستند، زیرا در حین فرآیند برش، بخارات بسیار خورنده‌ای آزاد می‌کنند. در همین حال، پلی‌استایرن تمایل دارد دود سیاه غلیظ تولید کند و بقایای چسبناکی بر روی سطح کار پس از پردازش باقی بگذارد. ایمنی اولویت اصلی است! قبل از شروع هر عملیات لیزری، ضروری است که دوباره بررسی کنیم با چه نوع ماده‌ای سروکار داریم. یک اشتباه ساده در اینجا می‌تواند منجر به واکنش‌های شیمیایی خطرناکی شود که هیچ‌کس نمی‌خواهد در محیط کارگاهش رخ دهد.

پلاستیک‌های توصیه‌شده سازگار با دستگاه‌های حکاکی لیزری

• اکریلیک ریخته‌گری‌شده : تغییر شکل حداقلی و شفافیت نوری عالی
• پلی‌پروپیلن : گسیل گاز کم، مناسب برای حکاکی ورق‌های نازک
• پلی‌اتیلن ترفتالات (PET) مناسب مصارف غذایی : ایمن برای دستگاه‌های پزشکی و محصولات مرتبط با مواد غذایی

این مواد عملکرد قابل اعتمادی را با حداقل نگرانی‌های بهداشتی یا نگهداری ماشین فراهم می‌کنند.

تنظیم توان و سرعت بر اساس ضخامت و ترکیب پلاستیک

برای پلاستیک‌های تیره، قدرت را ۱۰٪ کاهش دهید تا از سوختگی جلوگیری شود. افزایش فرکانس پالس کنترل بافت سطحی را بهبود می‌بخشد و به‌ویژه برای سطوح مات یا کدر بسیار مفید است.

مواد تخصصی و شکننده: شیشه، سرامیک، سنگ و فوم

حکاکی روی شیشه و سرامیک: دستیابی به جزئیات بدون ترک خوردن

کار با مواد شکننده مانند شیشه و سرامیک واقعاً نیازمند کنترل دقیق پارامترهای فرآیند است، اگر بخواهیم از ترک خوردن آنها در حین تولید جلوگیری کنیم. هنگامی که به حک‌کاری روی شیشه بروسیلیکات می‌رسد، بر اساس تحقیقات منتشرشده در اسپرینگر در سال ۲۰۲۱، سیستم‌های لیزری پالسی تنش حرارتی را حدود ۶۰٪ نسبت به روش‌های قدیمی موج پیوسته کاهش می‌دهند. تولیدکنندگان کاشی سرامیکی دریافته‌اند که تنظیم مدت زمان پالس در محدوده ۳۰ تا ۱۵۰ میکروثانیه بهترین نتیجه را برای نیازهای آنها فراهم می‌کند. این کار به جلوگیری از تشکیل ترک‌های ریز کمک می‌کند و در عین حال رزولوشن قابل قبولی تا حدود ۰٫۱ میلی‌متر فراهم می‌کند. و البته نباید از مواد شفاف نیز غافل شد. این مواد عموماً نیازمند سطوح توانی هستند که حدود ۲۰ تا ۳۰٪ پایین‌تر از تنظیمات استاندارد باشد تا از ایجاد آسیب پنهان در زیر سطح که بعداً کسی تمایلی به روبرو شدن با آن ندارد، جلوگیری شود.

مدیریت تنش حرارتی در مواد شکننده با استفاده از لیزر پالسی

مدیریت صحیح حرارت زمانی که با موادی که ترک‌خوردگی را به خوبی تحمل نمی‌کنند، مانند کوارتز و کاربید سیلیسیوم کار می‌کنید، اهمیت زیادی دارد. هنگامی که از لیزر فیبری 1064 نانومتری در محدوده فرکانسی 50 تا 100 کیلوهرتز استفاده می‌شود، طبق تحقیقات انجام‌شده توسط انتشارات اشپرینگر در سال 2022، حدود 45 درصد کاهش در شوک حرارتی برای سیلیس ذوب‌شده مشاهده می‌شود. در کاربردهای واقعی، معمولاً ابتدا این مواد را تا حدود 120 تا 150 درجه سانتی‌گراد گرم می‌کنند و سپس فرآیند کار آغاز می‌شود. همچنین از تکنیک‌های خنک‌کنندگی با کمک هوای فشرده استفاده می‌شود تا اطمینان حاصل شود که مناطق حکاکی‌شده دمایی بالاتر از 300 درجه سانتی‌گراد نخواهند داشت. این حد دمایی بسیار مهم است، زیرا عملاً نقطه‌ای است که در آن اغلب انواع شیشه‌ها در صورت گرمای بیش از حد در حین پردازش، شروع به نشان دادن علائم تغییر شکل می‌کنند.

پردازش سنگ و کاشی با استفاده از سیستم‌های قدرت بالای CO2

برای کار با گرانیت و مرمر، بیشتر تراشکاران تشخیص داده‌اند که برای ایجاد حکاکی‌های واضح با عمقی بین نیم میلی‌متر تا دو میلی‌متر به لیزر CO2 با توان حدود ۸۰ تا ۱۰۰ وات نیاز دارند. با این حال، هنگام کار با سنگ آهک یا صفحه‌سنگ، شرایط کمی تغییر می‌کند. این مواد در عمل زمانی بهتر عمل می‌کنند که سرعت لیزر را حدود ۳۰٪ کاهش دهیم و در عین حال وضوح را به میزانی بین ۵۰۰ تا ۷۰۰ نقطه در اینچ (DPI) افزایش دهیم. این ترکیب به طور واقعی به ایجاد طرح‌های دقیق روی سطح سنگ کمک می‌کند. و در مورد مسائل نگهداری، هر کسی که با سنگ‌های متخلخل سروکار دارد باید جدی‌گانه به فکر تهیه سیستم‌های لنز خنک‌شونده با آب باشد. این سیستم خنک‌کنندگی از تجمع ذرات زائد جلوگیری می‌کند که معمولاً عمر اپتیکال‌ها را به شدت کوتاه می‌کند. بر اساس آنچه در آزمایش‌ها مشاهده شده، این سیستم‌ها می‌توانند عمر قطعات اپتیکی را در شرایط مشابه تا سه برابر افزایش دهند.

حکاکی لیزری روی فوم و مواد کامپوزیتی: کاربردها و ایمنی

موادی مانند فوم سلول بسته و الیاف کربن در کاربردهای تخصصی نمونه‌سازی جای خود را پیدا می‌کنند که در آن خواص خاص اهمیت بیشتری دارند. برای برش فوم پلی‌اتیلن، بسیاری از کارگاه‌ها به لیزر دیودی با توان 10 تا 15 وات متعهد هستند، زیرا این لیزرها در حین فرآیند لبه‌ها را ذوب نمی‌کنند. وضعیت زمانی که با کامپوزیت‌های ماتریس سرامیکی سروکار داریم تغییر می‌کند؛ آن‌ها برای عبور از پوشش‌های محافظ به لیزر با طول موج 1064 نانومتر نیاز دارند. ایمنی زمانی که با لایه‌های فایبرگلاس یا اپوکسی کار می‌کنید بسیار مهم می‌شود. سیستم‌های تهویه مناسب برای جمع‌آوری ذرات بزرگ‌تر از 5 میکرون ضروری هستند. این امر نه تنها کارگران را از استنشاق گرد و غبار مضر محافظت می‌کند، بلکه از انسداد ماشین‌آلات گران‌قیمت در طول زمان نیز جلوگیری می‌کند.

‫سوالات متداول‬

چه موادی برای حکاکی لیزری ایده‌آل هستند؟ موادی مانند آکریلیک، فولاد ضدزنگ و چوب به دلیل خواص جذب انرژی‌شان در حکاکی با لیزر محبوب هستند. شیشه‌فایبر، ورق‌های اپوکسی و پلاستیک‌های مختلف نیز در شرایط خاصی عملکرد خوبی دارند.

تفاوت بین لیزر فیبری و لیزر CO2 چیست؟ لیزرهای فیبری برای فلزات مناسب‌تر هستند و دقت بیشتری ارائه می‌دهند، در حالی که لیزرهای CO2 روی مواد غیرفلزی مانند چوب، آکریلیک و شیشه به خوبی کار می‌کنند.

چگونه می‌توانم از آسیب دیدن مواد شکننده هنگام حکاکی با لیزر جلوگیری کنم؟ استفاده از سیستم‌های لیزری پالسی می‌تواند تنش حرارتی را کاهش داده و از ترک خوردن جلوگیری کند. گرم کردن اولیه مواد و کنترل دقیق تنظیمات لیزر برای زیرلایه‌های ظریف مانند شیشه و سرامیک ضروری است.

چه اقدامات ایمنی‌ای برای حکاکی پلاستیک با لیزر لازم است؟ از استفاده از PVC، وینیل یا پلی‌استایرن خودداری کنید، زیرا این مواد بخارات سمی آزاد می‌کنند. تهویه مناسب و ارزیابی دقیق مواد برای کاهش خطرات بهداشتی ضروری است.