LASERSKO GRAVIRANJE RAČUNALNIH MODELA

Zvonimir Sabati, Andrija Bernik, Mario Radovac

SAŽETAK

Lasersko graviranje stakla je proces pri kojem se koriste laserske zrake za graviranje, urezivanje ili označavanje objekta. Proces započinje 3d modeliranjem, koristeći samo poligone ili teksturu, da bi se specijaliziranim programskim alatima pretvorilo u „oblak točkica“ koje su laserskom stroju prepoznatljive i koje u cjelini tvore gravirani model, gravuru. Kod transparentnih materijala kao što je staklo laserska se zraka koncentrira i u fokusu, u unutrašnjosti stakla postiže temperature do 20.000°C. Većinom se koristi transparentno ili bezbojno kristalno staklo za graviranje. Postoji mnogo tehnika za lasersko graviranje: lasersko graviranje ili urezivanje, ablacija, žarenje, spaljivanje, pjenjenje, promjena boje i izbjeljivanje. Svaka tehnika zahtijeva drugačiji materijal, način obrade i pripremu materijala.

ABSTRACT

Laser engraving on glass is a process that uses laser beams for engraving, carving and marking objects. The process begins with 3d modeling, using only polygons or texture, where the specialized software tool creates a model representation as a "cloud of dots" witch are distinct to the laser machine and they represent the whole future engraved model. With transparent materials such as glass laser rays are concentrated and focused, the inside glass temperature reaches up to 20,000 ° C. Mostly it is used transparent or colorless crystal glass engraving. There are many techniques for laser engraving: laser engraving or carving, ablation, burning, stinging, foaming, discoloration and bleaching. Each technique requires different materials, methods of processing and preparation of materials.

1. UVOD

Lasersko graviranje (Laser engraving) je proces korištenja lasera za urezivanje ili označavanje objekta. Računalo se koristi za pokretanje samog procesa. Stroj za graviranje je ovisan o računalu koji je povezan upravljačkim dijelom preko specijaliziranog programa. Program, nakon što učita željeni model, generira oblak točkica. Sve do trenutka graviranja, korisnik ima mogućnost manipulacije oblakom točkica po pitanju gustoće i njihove pozicije, čime se i mijenja oblik modela. Vrlo precizne i čiste gravure mogu se postići u relativno kratkom vremenu, koje ovisi o finalnom broju točkica u oblaku modela i brzini graviranja samog stroja. Laserom se može gravirati staklo, drvo, metal i sl. Za graviranje se koriste posebni laserski strojevi. Laserska obrada varira ovisno o stopi apsorpcije specifične laserske valne duljine materijala i odabrane tehnike. Cijeli proces i trošak energije ovisi o materijalu. Laserom ugravirani dizajn je otporan na vodu i dugotrajan. Ovisno o materijalu mogu se postići različiti efekti. Kod graviranja u transparentne materijale kao što je staklo laserska se zraka fokusira u unutrašnjosti materijala. Uspješni rezultati se postižu samo strogo fokusiranom zrakom, u suprotnom zraka je raspršena, a finalni proizvod ima mutnu strukturu. Temperatura koja se generira u fokusu kratkoročno doseže i do 20.000°C. Hlađenjem materijala ostaje neproziran sloj koji odbija svjetlosne zrake i pri tome predoči željeni oblik. Trodimenzionalni oblici se dobivaju pomicanjem laserskog fokusa po sve tri osi unutar transparentnog materijala.

2. LASERSKO GRAVIRANJE

Lasersko graviranje je proces pri kojem se upravljano računalom, koriste laserske zrake za ugraviranje ili označavanje objekata u vrlo visokoj kvaliteti. Tehnika ne uključuje alate koji dodiruju površinu gravure i time je troše. Ovo se smatra kao prednost u odnosu na alternativne tehnologije graviranja gdje su se laserske glave morale redovito zamijenjivati. Utjecaj laserskog graviranja izraženiji je za posebno dizajnirane (laserable) materijale. To uključuje polimere i nove metalne legure.
Kada je fizička promjena površine graviranja nepoželjna, onda je na raspolaganju alternativa „obilježavanje“.
Lasersko graviranje je generički pojam koji pokriva širok spektar površinskih tehnika, uključujući tisak, hot-branding i laser lijepljenje. U mnogim slučajevima, strojevi za lasersko graviranje su u mogućnosti označavati ono što s drugim procesima ne bi uspjelo.

2.1. Vektorsko graviranje

U vektorskom graviranju laser slijedi linije i krivulje prema uzorku koji treba biti ugraviran. Poput olovke kod plotera prati linije segmenta prema opisu obrisa uzorka. Za starija rješenja, "popunjena" područja su bila problematična, budući da su cross-hatching uzorci i dot-fills ponekad pokazivale moiré efekte ili über-patterne uzrokovane nepreciznim izračunjavanjem razmaka između točaka. Rotacija fonta ili dinamičko skaliranje su često izvan dosega uređaja za renderiranje fonta. Uvođenjem Postscript jezika omogućena je veća fleksibilnost, te se sve može opisati vektorima pomoću Postscript-enabled softvera (mogu biti opisane krivulje, ispunjene s odgovarajućim uzorcima i laserksi urezani).

2.2. Rastersko graviranje

Rastersko lasersko graviranje u pravilu prati raspored rasterskih elemenata, s tom razlikom što je rezolucija laserskog graviranja gotovo konstantna i tehnički limitirana na 500-800 dpi. Uzorak je optimiziran kontrolerom/računalom kako bi se područja sa svih strana uzorka koje nije potrebno gravirati ignorirala, a praćenje preko materijala se prema tome skratilo čime se dobiva veća efikasnost. Zakrivljenja i dijagonale u pravilu nisu precizne i oštre, ukoliko dužina i pozicija rasterskih linija varira i minimalno u odnosu na granično rastersko skeniranje, prema tome precizno pozicioniranje i ponavljanja skeniranja su najvažnija za dizajn uređaja. Prednost rasteriziranja je u jednostavnoj ispuni koju dobijemo. Danas se više koriste laseri s rasterskim graviranjem, time ostavljajući vektor za tradicionalan izgled ili za brzo markirajuće linije reza ili udubine gdje se reže ploča.

3. STROJEVI ZA LASERSKO GRAVIRANJE

Stroj za lasersko graviranje se može podijeliti na tri glavna dijela: laser, kontroler i površina. Laser je kao olovka – emitirane zrake lasera omogućavaju kontroleru graviranje uzoraka na površinu. Kontroler (obično računalo) kontrolira smjer, intenzitet, brzinu kretanja i širenja laserskih zraka usmjerenih na površinu. Površina je usmjerena onamo gdje laser može djelovati.
Točka gdje laserska zraka dodiruje površinu mora biti na žarišnoj ravnini laserskog optičkog sustava i obično je sinonim za fokalnu točku. Ta točka je obično oko 0,02mm pa na više. Fokalne točke značajno utječe na strukturu kada laserska zraka prelazi preko površine. Energija isporučena od strane lasera mijenja površinu materijala ispod fokalne točke. To može zagrijati površinu i nakon toga ispari materijal ili se lomi (poznato kao „glass“ i „glass up“) uz ljuštrenje površine. Tako se materijal uklanja s površine i time nastane gravura. Površina materijala ispari tijekom laserskog graviranja, pa ventilacija pomoću puhala i vakuum pumpe uklonja dim i štetne plinove koji nastaju tijekom ovog procesa.
Laser vrlo učinkovito mijenja strukturu materijala. Laserska zraka je fokusirana i usmjerena, te se na većini ne-reflektirajućih materijala kao što su drvo, plastika i grube površine, pretvara svjetlosna energija u toplinsku, čime se i oprema zagrijava. Alternativno laserske zrake pulsiraju i time se smanji pretjerano zagrijavanje.
Brzina kojom se laserska zraka kreće kroz materijal mora također biti razmatrana u stvaranju uzorka. Promjenom intenziteta i širenjem zraka omogućava se veća fleksibilnost pri dizajnu. Promjenom omjera vremena („duty-cycle“) laser prati svaki impuls, te snaga dostavljena površini gravure može biti kontrolirana na odgovarajući način za materijal.
Laserske zrake su usmjerene prema rotirajućem ili vibrirajućem zrcalu. Zrcalo se kreće na način da prati brojke i slova na površini i tako obilježava. Postoje materijali poput plastike i stakla koji se mogu gravirati „u pokretu“. Mjesto obilježavanja se može često pronaći na ambalaži i staklenkama („marking laser station“). Starije tehnologije kao što su foliotisak i tampon tisak su izbačene i zamjenjene laserskim graviranjem.
Tri su glavne vrste stojeva za lasersko graviranje: X-Y stol, cilindrični (plošni izradak koji je obavijen oko valjka kada laser učinkovito prolazi kroz finu spiralu i on/off laser pulsira te stvara željenu sliku na raster osnovi), a u trećoj metodi su laser i izradak stacionirani te galvo zrcala prenose laserske zrake na površinu obratka. Laser gravure koje koriste ovu tehnologiju može raditi u raster i vektor modu.

3.1. LASER X-Y STOL

Za preciznije i vizualno ukrasne gravure koristi se laserski stol. Laser stol ili X-Y stol koristi sofisticirano postavljanje opreme koja se koristi za vrlo precizno usmjeravanje laserske zrake. Laser je obično trajno fiksiran na strani stola i emitira svijetlost prema paru pokretnih zrcala tako da svaka točka na površini stola može biti pometena preko lasera. Na mjestu gravure laserske zrake su fokusirane kroz leću na površinu što omogućava iscrtavanje vrlo preciznih i zasićenih uzoraka.
Tipično postavljanje laserskog stola uključuje fiksirani laser koji emitira svijetlost paralelno prema jednoj osi stola usmjerene na zrcalo koje je postavljeno na podešenom stalku. Zraka se reflektira od zrcala pod kutem od 45° stupnjeva tako da laser putuje uz duž stalka. Zrake se zatim reflektiraju pomoću drugog zrcala koji je na pokretnim kolicima koja opet usmjerava prema osnovnoj osi. Po ovoj shemi se mogu dozvoliti dva stupnja slobode (jedan vertikalni i jedan horizontalni) za jetkanje.
Kod drugih uređaja za lasersko graviranje kao što je ravni stol i bubanj gravura, laserske zrake većinu svoje energije usmjeravaju u dubinu prodiranja u materijal. Na taj način samo u određenoj dubini materijala nastaje gravura.

4. MATERIJALI ZA GRAVIRANJE

4.1. Drvo

Direktno "spaljivanje" slike na drvetu su neki od prvih načina korištenja graviranja laserom. Laser radi snagom manjom od 10W što naravno ovisi o materijalu koji se gravira: orah, mahagonija, hrast, javor ili sl.

4.2. Plastika

Laser se koristi za graviranje na plastiku, akril, lijevane smole, dvoslojne graverske plastike, natpisne ploče i sl. Kako je laser izvor topline, tako i razni oblici i sastavi plastike reagiraju različito. Kod nekih plastika moguće je da rub rezane ili duboko gravirane plastike bude istopljen, tako da plastike treba drugačije tretirati i obrađivati. Od plastika i akrila se najčešće izrađuju plakete i nagrade te se one izvrsno graviraju i odaju profinjenost i "težinu" nagrade.

4.3. Metali

Za graviranej metala koriste se laseri s kratkim valnim duljinama. Na taj način je riješen veći dio problema, ali još uvijek postoje materijali koje se ovim sustavom ne mogu gravirati već se kod njih pristupa načinom "markiranja". Na samu površinu nanosi se tekućina za markiranje, te ona pri prolaskom lasera na tom području ostavlja permamentni trag.

4.4. Obloženi metali

Obloženi (obojani) metali su odlični za graviranje, te se samim graviranjem skida samo površinska boja. Ukoliko su metali obojani kontrastnom bojom, moguće je dobiti krasan rezultat. Najčešća primjena je za identifikacijske pločice, kućne brojeve, razne natpise i sl.

4.5. Kamen i staklo

Laser svojim udaranjem o kamen stvara učinak čekića te razbija sitne dijelove kamena. Takvim načinom moguće je u kamenu izgravirati slova, sliku pa čak i fotografiju.
Staklo je vrhunac tehnike koji se može postići sa laserskim strojevima. Tvrdoća stakla se mjeri usporedbom sa tvrdoćom čelika. Kod stakla se dobija efekt taljenja pri velikoj temperaturi koju laser proizvede. Jednako kao na mramoru moguće je izgravirati tekst ili fotografiju na staklu, kako na ravnim površinama tako i na valjkastim predmetima kao čaše, butelje, vaze i sl. Zahvaljujući novim tehnologijama i strojevima se mogu ugravirati dvo i trodimenzionalni oblici u materijal.

5. LASERSKI PROCESI

Laserska obrada varira ovisno o apsorpcijskoj stopi specifičnih lasera valne duljine od strane ciljanog materijala i tehnika izabranih za primjenu.

5.1. Lasersko graviranje i lasersko rezanje

Tijekom procesa laserskog graviranja, cilj je odstraniti isparavanje materijala od laserske zrake. Da bi se postigao taj rezultat, intenzitet laserske zrake (snopa) je postavljen tako da prelazi određeni prag vrijednosti. Ovaj prag intenziteta posebno je visok kod materijala koji su električki vodljivi, kao što su metali. Dobiva se membrana procesom utiskivanja pod utjecajem laserske zrake i toplinske vodljivosti od ciljanih materijala.

5.2. Ablacija

TIjekom procesa ablacije, površinski sloj isparava. Veoma tanki površinski sloj kao što je boja i/ili eloksiranje su posebno prigodni za lasersko graviranje. Veliki kontrast može se postignuti s malom količinom laserske snage od kad ovi slojevi absorbiraju lasersku radijaciju. Kod lakirane plastike mogu se postignuti uklanjanje jednog sloja boje.

5.3. Žarenje

Kontrastna oznaka može biti načinjena koristeći postupak žarenja na metalnim materijalima. Laserski snop zagrijava metal, stvarajući strukturne promjene na površini. Boja oznake određuje se maksimalnom temperaturom postignutom u metalu. Svojstva metala ovisi o parametrima odabranim na laseru. Postupak žarenja ima unikatnu karakteristiku po tome što proizvodi kontrastne oznake bez narušavanja završne obrade metala.

5.4. Spaljivanje

Metalne gravure mogu sepostići spaljivanjem površinskih slojeva uz pomoć keramičkog praha (Totec MetalFix) u obliku spreja koji je odmah uklonjen nakon procesa laserskog graviranja. Koristeći ovu proceduru, metalne površine mogu biti ugravirane s visokom kontrastnim CO2 laserom. U ovom slučaju oksidacija se odvija na površini.

5.5. Pjenjenje

Ponekad najbolja tehnika za obradu materijala je pjenjenje. Najčešće se koriste s određenim plastičnim materijalima. Pjenjenje je lako prepoznatljivo zato jer je površina zahvaćenog područja “uzdignuta”. Topljenje se pojavljuje kada se spoje laserske zrake s ciljanim materijalom na kojem izvršavamo proces. Tijekom procesa, plinski mjehurići formiraju oblik, stvarajući željeni rezultat.

5.6. Promjena boje i izbjeljivanje

Ovaj efekt je moguć samo s plastikom i ovisi o valnoj duljini koju laser koristi. U većini slučajeva ovaj efekt je jedino moguć s Nd:YAG laserom (laser dvostruke frekvencije). Tijekom procesa laserska radijacija (zračenje) prodire plastiku i apsorbira boju pigmenta. Kao rezultat toga pigmenti su kemijski modificirani, što rezultira promjenom boje u materijalu. Budući da lasersko zračenje prodire kroz plastične površine, površinski sloj ostaje gotovo neoštećen.

Tablica 1. Tehnike laserskog graviranja

6. USPOREDNI PODACI LASERSKOG GRAVIRANJA

7. ZAKLJUČAK

Lasersko graviranje u novije vrijeme preuzima posao tradicionalnih načina obrade materijala. Nešto što se ranije moglo napraviti pomoću nekih tiskarskih tehnika, danas se puno brže napravi korištenjem stroja za lasersko graviranje.
Ovisno o materijalu bira se odgovarajući stroj i način graviranja. Svaki materijal je specifičan i zahtijeva drugačiji pristup procesa obrade. Vektorski način graviranja se koristi kod uzoraka koji ne zahtijevaju previše detalja, te koji nemaju ispune. Rastersko graviranje se koristi za graviranje slika i fotografija, dakle uzorci koji imaju složeniju strukturu.
Kao i način graviranja, tako i materijal mora biti kvalitetan te obradiv. Materijala koji se mogu gravirati ima mnogo, a neki od njih su drvo, akril i plastika, metal, obloženi metal, staklo, kamen itd. Staklo je poseban materijal, jer se može varirati, pruža dvodimenzionalno i trodimenzionalno graviranje što daje vrlo mnogo mogućnosti u dizajniranju uzorka.
Lasersko graviranje je sveprisutnije u današnje vrijeme te zamjenjuje neke zastarjele tehnologije ispisa, obilježavanja, markiranja ili rezanja. Moglo bi se pretpostaviti da će u budućnosti kvaliteta pripreme uzoraka, izrade, te samih procesa biti efikasnija, jednostavnija i brža nego što je sada.

LITERATURA

[1] http://en.wikipedia.org/wiki/Laser_engraving
[2] http://hr.wikipedia.org/wiki/Laser
[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Glass
[4] http://www.troteclaser.com/en-US/solutions/laser_infos/
[5] http://www.tech-faq.com/how-a-laser-cutter-works.html
[6] http://www.tech-faq.com/how-a-laser-level-works.html
[7] http://www.laser-cutter.cn/Article/news/173.html
[8] http://www.laser-cutter.cn/Article/news/174.html
[9] http://www.elaserengraving.com/4basic.htm
[10] http://www.elaserengraving.com/aboutlaser.htm
[11] http://www.fiber-laser-systems.com/
[12] http://www.fiber-laser-systems.com/Laser-Articles.html
[13] http://iengravers.com/engraving-materials.html
[14] http://www.inlaser.net/Ponuda/lasersko-graviranje.html
[15] http://www.vemaels.co.rs/materijali/staklo.html
[16] http://www.fiber-laser-systems.com/
[17] http://iengravers.com/laser-engraving-engravers.html
[18] http://iengravers.com/how-engraving-works.html
[19] http://www.troteclaser.com/en-US/solutions/material/Pages/