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Eine Lasergravurmaschine besteht aus drei Hauptteilen: einem Laser, einem Controller und einer Oberfläche. Der Laser ist ein Zeichenwerkzeug: Der von ihm emittierte Strahl ermöglicht es dem Controller, Muster auf die Oberfläche zu zeichnen. Der Controller bestimmt die Richtung, Intensität, Bewegungsgeschwindigkeit und Ausbreitung des auf die Oberfläche gerichteten Laserstrahls. Die Oberfläche wird entsprechend der Art des Materials ausgewählt, auf das der Laser einwirken kann.
Es gibt drei Hauptgenres von Graviermaschinen. Am gebräuchlichsten ist der XY-Tisch, bei dem das Werkstück (Oberfläche) normalerweise stationär ist und sich die Laseroptik in zwei Dimensionen bewegt und den Laserstrahl zum Zeichnen von Vektoren lenkt. Manchmal steht der Laser still und das Werkstück bewegt sich. Manchmal bewegt sich das Werkstück in einer Achse und der Laser in der anderen. Ein zweites Genre ist für zylindrische Werkstücke (oder flache Werkstücke, die um einen Zylinder herum montiert sind), bei denen der Laser effektiv eine feine Helix durchquert, während das Ein–Aus-Laserpulsen das gewünschte Rasterbild erzeugt. Im dritten Fall sind sowohl Laser als auch Werkstück stationär und Galvospiegel bewegen den Laserstrahl über die Werkstückoberfläche. Lasergravierer, die diese Technologie verwenden, können entweder im Raster- oder im Vektormodus arbeiten.
Der Punkt, an dem der Laserstrahl die Oberfläche berührt, sollte auf der Brennebene des optischen Systems des Lasers liegen und ist normalerweise gleichbedeutend mit seinem Brennpunkt. Dieser Punkt ist typischerweise klein, vielleicht weniger als ein Bruchteil eines Millimeters (abhängig von der optischen Wellenlänge). Nur der Bereich innerhalb dieses Brennpunkts wird signifikant beeinflusst, wenn der Laserstrahl die Oberfläche passiert. Die vom Laser abgegebene Energie verändert die Oberfläche des Materials im Brennpunkt. Es kann die Oberfläche erwärmen und anschließend das Material verdampfen, oder vielleicht kann das Material brechen (bekannt als „Verglasung“ oder „Verglasung“) und von der Oberfläche abblättern. Das Schneiden durch die Farbe eines Metallteils ist im Allgemeinen, wie Material lasergraviert wird.
Wenn das Oberflächenmaterial während der Lasergravur verdampft, ist fast immer eine Belüftung durch Gebläse oder eine Vakuumpumpe erforderlich, um die schädlichen Dämpfe und den Rauch zu entfernen, die bei diesem Prozess entstehen, und um Schmutz auf der Oberfläche zu entfernen, damit der Laser die Gravur fortsetzen kann.
Ein Laser kann sehr effizient Material abtragen, da der Laserstrahl so ausgelegt werden kann, dass er der Oberfläche Energie zuführt, die einen hohen Anteil der Lichtenergie in Wärme umwandelt. Der Strahl ist stark fokussiert und kollimiert — in den meisten nicht reflektierenden Materialien wie Holz, Kunststoffen und Emailoberflächen ist die Umwandlung von Lichtenergie in Wärme mehr als {x%} effizient. Aufgrund dieser Effizienz kann sich die bei der Lasergravur verwendete Ausrüstung jedoch ziemlich schnell erwärmen. Für den Laser sind aufwendige Kühlsysteme erforderlich. Alternativ kann der Laserstrahl gepulst werden, um die übermäßige Erwärmung zu verringern.
Verschiedene Muster können graviert werden, indem die Steuerung so programmiert wird, dass sie im Laufe der Zeit einen bestimmten Pfad für den Laserstrahl zurücklegt. Die Spur des Laserstrahls wird sorgfältig reguliert, um eine gleichbleibende Abtragstiefe des Materials zu erreichen. Beispielsweise werden kreuz und quer verlaufende Wege vermieden, um sicherzustellen, dass jede geätzte Oberfläche nur einmal dem Laser ausgesetzt wird, so dass die gleiche Menge an Material entfernt wird. Die Geschwindigkeit, mit der sich der Strahl über das Material bewegt, wird auch bei der Erstellung von Gravurmustern berücksichtigt. Das Ändern der Intensität und Ausbreitung des Strahls ermöglicht mehr Flexibilität beim Design. Zum Beispiel kann durch Ändern des Zeitanteils (bekannt als „Duty-Cycle“), den der Laser während jedes Impulses einschaltet, die an die Gravurfläche abgegebene Leistung für das Material angemessen gesteuert werden.
Da die Position des Lasers von der Steuerung genau bekannt ist, ist es nicht notwendig, Barrieren an der Oberfläche anzubringen, um zu verhindern, dass der Laser von dem vorgeschriebenen Gravurmuster abweicht. Dadurch wird bei der Lasergravur keine resistive Maske benötigt. Dies ist in erster Linie der Grund, warum sich diese Technik von älteren Graviermethoden unterscheidet.
Ein gutes Beispiel dafür, wo die Lasergravurtechnologie in die Industrienorm übernommen wurde, ist die Produktionslinie. In diesem speziellen Aufbau wird der Laserstrahl auf einen rotierenden oder vibrierenden Spiegel gerichtet. Der Spiegel bewegt sich in einer Weise, die Zahlen und Buchstaben auf die zu markierende Oberfläche aufspüren kann. Dies ist besonders nützlich zum Drucken von Daten, Ablaufcodes und Chargennummern von Produkten, die entlang einer Produktionslinie transportiert werden. Mit der Laserbeschriftung können Materialien aus Kunststoff und Glas „on the move“ gekennzeichnet werden. Der Ort, an dem die Markierung stattfindet, wird als „Markierungslaserstation“ bezeichnet, eine Einheit, die häufig in Verpackungs- und Abfüllanlagen zu finden ist. Ältere, langsamere Technologien wie Heißprägen und Tampondruck wurden weitgehend eingestellt und durch Lasergravuren ersetzt.
Für präzisere und optisch dekorative Gravuren wird ein Lasertisch (auch als „X–Y“ – oder „XY“ -Tisch bezeichnet) verwendet. Der Laser wird normalerweise dauerhaft an der Seite des Tisches befestigt und sendet Licht in Richtung eines Paares beweglicher Spiegel aus, so dass jeder Punkt der Tischoberfläche vom Laser überstrichen werden kann. An der Gravurstelle wird der Laserstrahl durch eine Linse auf die Gravurfläche fokussiert, wodurch sehr präzise und komplizierte Muster verfolgt werden können.
Ein typischer Aufbau eines Lasertisches besteht darin, dass der feste Laser parallel zu einer Achse des Tisches Licht emittiert, das auf einen Spiegel gerichtet ist, der am Ende einer verstellbaren Schiene montiert ist. Der Strahl wird vom Spiegel um 45 Grad abgewinkelt reflektiert, so dass der Laser genau entlang der Länge der Schiene verläuft. Dieser Strahl wird dann von einem anderen Spiegel reflektiert, der an einem beweglichen Wagen angebracht ist, der den Strahl senkrecht zur ursprünglichen Achse lenkt. In diesem Schema können zwei Freiheitsgrade (einer vertikal und einer horizontal) zum Ätzen dargestellt werden.
Bei anderen Lasergravurgeräten wie Flachtisch- oder Trommelgravur wird der Laserstrahl so gesteuert, dass der größte Teil seiner Energie eine feste Eindringtiefe in das zu gravierende Material leitet. Auf diese Weise wird beim Gravieren nur eine bestimmte Materialtiefe abgetragen. Ein einfacher bearbeiteter Stab oder Winkeleisen kann als Werkzeug verwendet werden, um geschulten Technologen zu helfen, den Graveur so einzustellen, dass die erforderliche Fokussierung erreicht wird. Dieser Aufbau wird bevorzugt für Flächen, die in der Höhe nicht nennenswert variieren.
Für unterschiedlich hohe Oberflächen wurden aufwändigere Fokussiermechanismen entwickelt. Einige sind als dynamische Autofokussysteme bekannt. Sie passen die Laserparameter in Echtzeit an, um sich an die Änderungen des Materials anzupassen, während es geätzt wird. Typischerweise werden die Höhe und Tiefe der Oberfläche mit Geräten überwacht, die Änderungen an Ultraschall, Infrarot oder sichtbarem Licht verfolgen, die auf die Gravuroberfläche gerichtet sind. Diese Vorrichtungen, die als Pilotstrahlen oder Pilotlaser bekannt sind (wenn ein Laser verwendet wird), helfen dabei, die an der Linse des Lasers vorgenommenen Anpassungen zu steuern, um den optimalen Punkt zu bestimmen, an dem die Oberfläche fokussiert und Material effektiv entfernt werden kann.
„X–Y“-Lasergravurmaschinen können im Vektor- und Rastermodus arbeiten.
Die Vektorgravur folgt der Linie und Kurve des zu gravierenden Musters, ähnlich wie ein Plotter auf Stiftbasis zeichnet, indem Liniensegmente aus einer Beschreibung der Umrisse eines Musters konstruiert werden. Viele frühe Gravuren von Schildern und Plaketten (Laser oder auf andere Weise) verwendeten vorgespeicherte Schriftkonturen, so dass Buchstaben, Zahlen oder sogar Logos skaliert und mit genau definierten Strichen reproduziert werden konnten. Leider waren „Füll“ -Bereiche problematisch, da Kreuzschraffurmuster und Punktfüllungen manchmal Moiré-Effekte oder Übermuster aufwiesen, die durch die ungenaue Berechnung von Punktabständen verursacht wurden. Darüber hinaus lagen Rotationen einer Schriftart oder eine dynamische Skalierung häufig außerhalb der Fähigkeiten des Schriftwiedergabegeräts. Die Einführung der PostScript-Seitenbeschreibungssprache ermöglicht jetzt eine viel größere Flexibilität – jetzt kann praktisch alles, was mit PostScript-fähiger Software wie CorelDRAW oder Adobe Illustrator in Vektoren beschrieben werden kann, skizziert, mit geeigneten Mustern gefüllt und lasergraviert werden.
Die Rastergravur zeichnet den Laser in einem langsam fortschreitenden linearen Muster über die Oberfläche, das an den Druckkopf eines Tintenstrahldruckers oder eines ähnlichen Druckers erinnert. Das Muster wird normalerweise von der Steuerung / dem Computer so optimiert, dass Bereiche zu beiden Seiten des Musters, die nicht graviert werden sollen, ignoriert werden und die Spur über das Material somit für eine bessere Effizienz verkürzt wird. Der Vorschub jeder Linie ist normalerweise geringer als die tatsächliche Punktgröße des Lasers; Die gravierten Linien überlappen sich nur geringfügig, um eine Kontinuität der Gravur zu erzeugen. Wie bei allen gerasterten Geräten können Kurven und Diagonalen manchmal leiden, wenn die Länge oder Position der Rasterlinien im Verhältnis zum benachbarten Raster sogar geringfügig variiert.; daher sind exakte Positionierung und Wiederholbarkeit für das Design der Maschine von entscheidender Bedeutung. Der Vorteil der Rasterung ist die nahezu mühelose „Füllung“. Die meisten Bilder, die graviert werden sollen, sind fette Buchstaben oder haben große ununterbrochen gravierte Bereiche, und diese sind gut gerastert. Fotos werden gerastert (wie beim Drucken), mit Punkten, die größer sind als die des Laserflecks, und diese werden auch am besten als Rasterbild graviert. Fast jede Seitenlayout-Software kann verwendet werden, um einen Rastertreiber für einen XY– oder Trommel-Lasergravierer zu speisen. Während traditionelle Zeichen- und Plakettengravuren dazu neigten, die festen Striche von Vektoren aus der Notwendigkeit heraus zu bevorzugen, neigen moderne Geschäfte dazu, ihre Lasergraveure meist im Rastermodus zu betreiben, wobei Vektor für einen traditionellen Umriss- „Look“ oder zum schnellen Markieren von Umrissen oder „Schraffuren“ reserviert wird „, wo eine Platte geschnitten werden soll.