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Laserbearbeitung
“LASER” steht für “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zu Deutsch “Lichtverstärkung durch stimulierte Emission”. Laser verstärken Licht durch die Absorption und Abstrahlung von Energie. Die Laserstrahlung wird durch eine Laserquelle erzeugt. Dabei wird einem Kristallstab (Festkörper-Laser) oder einer speziellen Gasmischung (Gas-Laser) konzentrierte Energie zugeführt. Diese Energiezufuhr kann über Licht (Blitzlampen oder Diodenlaser) oder über eine elektrische Entladung (ähnlich einer Leuchtstofflampe) erfolgen. Der Kristallstab oder das laseraktive Gas wird zwischen zwei Spiegeln angeordnet. Dadurch entsteht ein Lichtresonator, der dem Laserlicht eine bestimmte Richtung gibt und es ständig verstärkt. Ein definierter Anteil des Laserlichts tritt durch einen teilweise durchlässigen Spiegel aus und steht der Materialbearbeitung zur Verfügung.
Laser: Die Strahleigenschaften
Laserlicht lässt sich, aufgrund spezifischer Eigenschaften, mit einer Fokussierlinse scharf bündeln. Im Fokus des Laserstrahls entsteht eine extrem hohe Leistungsdichte, die das Laserlicht für die Materialbearbeitung besonders wertvoll macht. Mit der hohen Leistung im Fokus wird das Material geschmolzen oder verdampft. Zudem kann das Laserlicht mit einer geeigneten Optik (Spiegel) über große Strecken hinweg, und komplett ohne Verluste, geführt und abgelenkt werden. Als Bewegungssysteme werden Positioniersysteme (Laser-Plotter) oder Galvanometer Scanner eingesetzt. So entsteht ein universelles, Verschleiß-freies Werkzeug, denn der Laserstrahl wird nie stumpf. Trotec führt "Sealed-off" Gas-Laser (CO2 Laser) und diodengepumpte Festkörperlaser (Nd:YAG Laser). Beide Lasersysteme zeichnen sich durch einen wirtschaftlichen Betrieb und eine ausgedehnte Lebensdauer aus. CO2 Laser eignen sich besonders gut zum Lasergravieren und Laserschneiden. Nd:YAG Laser werden vornehmlich zum Lasermarkieren eingesetzt. Zudem hat Trotec im Vorjahr eine neue Erfindung auf den Markt gebracht, ein Lasersystem, das die Technologien der CO2 Laser und Nd:YAG Laser vereint und folglich diverse Anwendungen, wie das Lasergravieren, Laserschneiden und Lasermarkieren, gleichermaßen effektiv unterstützt.
Laserbearbeitung - Einführung
Voraussetzung für die Laserbearbeitung ist die Absorption der Laserstrahlung im Grundmaterial oder in einer Deckschicht. Die Absorption hängt von der Wellenlänge, sprich der Laserbauart, und dem Material ab. Einige Materialien absorbieren die Laserstrahlung ausgezeichnet, andere weniger gut. Beispiel: Blankes Aluminium oder Messing hat einen schwachen Absorptionsgrad. Hier benötigt man also ein leistungsstarkes Lasersystem. Trotec bietet ein weitgefächertes Sortiment an CO2 Laser und Nd:YAG Laser mit diversen Wellenlängen, um die Anforderungen des jeweiligen Materials stets optimal abzudecken.
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Lasergravieren und Laserschneiden
Beim Lasergravieren wird das Grundmaterial durch die Laserstrahlung geschmolzen, beziehungsweise verdampft. Die Intensität der Laserstrahlung muss dabei einen bestimmten Grenzwert, die sogenannte Schwellwertintensität, überschreiten. Die Schwellintensität ist bei Materialien, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen, besonders hoch. Aufgrund des Strahlprofils und gegebenenfalls der Wärmeleitung in das Grundmaterial ergibt sich eine konusförmige Vertiefung. Lasergravieren gilt als die rascheste Methode der Laserbearbeitung.
Beim Laserschneiden wird ein plattenförmiges Material durch einen fokussierten Laserstrahl getrennt. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen Laser-Schmelzschneiden und Laser-Sublimierschneiden. Beim Laser-Schmelzschneiden wird der Werkstoff, z.B Acryl, geschmolzen beziehungsweise verdampft. Beim Sublimierschneiden wird das Material, z.B. Holz, unter Überspringen der Flüssigphase verdampft.
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Abtragen
Beim Abtragen wird eine Deckschicht verdampft. Dünne Deckschichten, wie Farb- oder Eloxalschichten, eigenen sich besonders gut für die Lasergravur. Weil die Laserstrahlung an diesen Schichten besonders gut absorbiert wird, erzeugt schon eine geringe Laserleistung starke Kontraste. Bei lackierten Kunststoffen kann man durch das Abtragen einer Farbschicht ein Tag/Nachtdesign, etwa für Armaturenbretter, kreieren. -
Anlassen
Wenn Metall erhitzt wird, verfärbt es sich durch einen Anlasseffekt. Dieser entsteht aufgrund von Gefügeänderungen in der Randschicht. Mit Laser lassen sich Oberflächen gezielt erhitzen. Die Färbung hängt von der erreichten Maximaltemperatur ab. So können, je nach Laserparameter, hellere und dunklere Anlassfarben kreiert werden. Wenn allerdings anlassbeschriftete Teile erhitzt werden, kann die Beschriftung wieder verschwinden. -
Einbrennen
Metalle beschriftet man am besten, indem man die Deckschichten mit keramischen Pulvern (Trotec MetalFix) einbrennt. Die Deckschicht wird mit einem Sprühverfahren aufgetragen und nach der Gravur wieder gesammelt. Nutzt man dieses Verfahren zum Lasergravieren, so kann man sogar mit einem CO2 Laser hohe Kontraste auf den absorptionsschwachen Metallen erzielen. Bei Metall entsteht ein Oxidationsprozess an der Oberfläche. Für die Glasgravur mit Nd:YAG Laser gibt es ebenfalls geeignete Pulver. -
Schäumen
Bei bestimmten Kunststoffen kommt es bei der Laserbearbeitung zum Aufschäumen. Der Laserstrahl schmilzt die Oberfläche des Kunststoffes. Dabei entstehen Gasbläschen, die beim Abkühlen des Materials eingeschlossen werden. Durch das eingeschlossene Gas nimmt das Volumen zu und die Stellen, die mit Laser bearbeitet wurden, erscheinen erhaben. -
Farbumschlag und Bleichen
Dieser Effekt lässt sich nur bei Kunststoffen erzielen. Er hängt von der Wellenlänge der Laserstrahlung ab und erfordert in der Regel einen regulären Nd:YAG Laser oder einen speziellen, frequenzverdoppelten Nd:YAG Laser. Die Laserstrahlung dringt in den Kunststoff ein und wird an Farbpigmenten absorbiert. Wenn sich die Pigmente chemisch verändern, kommt es zu einer Farbänderung im Material. Da die Laserstrahlung in den Kunststoff eindringt, bleibt die Oberfläche nahezu unbeschädigt. Die Farbänderung hängt vom Pigment und auch vom Grundmaterial ab.
