EN
Základní příčiny vzniku spálenin při značení CO₂ laserem
Akumulace tepla a dynamika zpětného plamení během interakce CO₂ laseru s materiálem
Když materiál absorbuje více laserové energie, než je schopen odvést ve formě tepla, vzniká tzv. tepelná akumulace. To vede ke vzniku horkých míst, což je zejména patrné při dlouhých pracovních cyklech, kdy každý puls přispívá k teplu zbylému z předchozích pulsů. Dále existuje jev nazývaný dynamika zpětného hoření, při němž se teplo ve skutečnosti šíří zpět po tratích ošetření a někdy tak spálí již dříve zpracované oblasti. Tento jev se častěji vyskytuje u materiálů s vysokou tepelnou vodivostí, například u některých kovových povlaků. Akrylové materiály se zahřívají přibližně o 38 % rychleji než běžné dřevo, protože nedokáží teplo tak efektivně rozvádět. Většina plastů začíná při dlouhodobém působení teplot nad 150 °C rozkládat na uhlík. Aby se tomuto typu řetězového poškození zabránilo, musí obsluha najít optimální rovnováhu mezi výkonem použitého laseru a tepelnou odolností konkrétního materiálu před tím, než bude nutné provést chlazení.
Pálení okrajů, laserové efekty na konci stopy a značení na obrácené straně na běžných podkladech
Pálení okrajů nastává, když se okraje rytin zachární, a to je obvykle způsobeno způsobem, jakým funguje Gaussovo laserové světlo. Intenzitní profil těchto svazků má tendenci koncentrovat energii přímo na hranicích. Když se laserové hlavy během provozu zpomalí nebo úplně zastaví, zanechají za sebou nadbytečné teplo, které způsobuje tzv. „účinky ocasu“. Podle nedávných studií publikovaných v časopisu Journal of Laser Applications v roce 2023 pochází přibližně dvě třetiny všech problémů s označováním hliníkových dílů právě z těchto účinků ocasu. U materiálů tlustších než 3 mm vzniká další problém nazývaný označování na obrácené straně. V podstatě teplo pronikne skrz materiál a poškodí jeho opačnou stranu. Tento jev výrobci často pozorují u fólií z polyethylentereftalátu (PET) a u tenkých dřevěných špalt. Různé materiály se také liší ve své reakci. Anodizovaný hliník se zdá být zvláště náchylný k problémům s pálením okrajů ve srovnání s nerezovou ocelí, přičemž jeho náchylnost je přibližně o 20 procent vyšší. Na druhé straně husté tvrdé dřevy obecně mnohem lépe odolávají účinkům ocasu než lamináty naplněné pryskyřicí.
Optimalizace parametrů značení CO₂ laserem za účelem předcházení spáleninám
Kalibrace trojice parametrů – výkon, rychlost, zaměření – pro akryl, dřevo a povrchově upravené kovy
Kompenzace stárnutí CO₂ laserové trubice a driftu výkonu v průmyslových prostředích
Trubky rezonátoru pro oxid uhličitý mají tendenci každoročně ztrácet přibližně 6 % účinnosti, což vede k problémům s driftováním výkonu, jež se projevují nerovnoměrnými značkami a poškozením pod povrchem materiálu, zejména tehdy, když stroje běží nepřetržitě po dlouhou dobu. V současné době je rozumné sledovat úroveň výkonu pomocí monitorovacích systémů se zpětnou vazbou. Většina odborníků doporučuje nastavit poplachy pro případ, že odchylka překročí 5 %, neboť v tomto okamžiku je nutné automaticky provést znovukalibraci. Plán údržby by měl bezpodmínečně zahrnovat kontrolu složení plynu a testování odrazivosti zrcadel podle normy ASTM E2108. Nečisté optické prvky mohou výrazně snížit výkon systému, někdy až o 15 %. U starších zařízení stále má smysl používat softwarové algoritmy ke kompenzaci výkonových výkyvů. To pomáhá udržet konzistentní kvalitu značení napříč jednotlivými šaržemi a podle nedávných studií publikovaných minulý rok v časopisu Laser Processing Journal umožňuje v továrnách na výrobu elektronických komponentů ve velkém měřítku snížit množství odpadních materiálů přibližně o 30 %.
Strategie tepelného řízení pro spolehlivé označování pomocí CO₂ laseru
Optimalizace přívodu vzduchu: tlakové gradienty, návrh trysky a účinnost chlazení (v souladu s normou ASTM F3294-22)
Správné nastavení přívodu vzduchu je rozhodující pro kontrolu hromadění tepla, které způsobuje ty otravné spáleniny a ohořelé okraje materiálů. Podle normy ASTM F3294-22 udržení tlaku v rozmezí přibližně 0,2 až 0,5 MPa vytváří příznivý laminární proud, který odvádí třísky a snižuje teplotu v blízkosti pracovní oblasti přibližně o 40 °C. Většina dílen zjistí, že kuželové trysky fungují lépe než běžné válcové, pokud jsou umístěny ve vzdálenosti přibližně 2 až 5 mm nad řezaným materiálem. Tyto kuželové tvary snižují problémy s periferním hořením přibližně o čtvrtinu, protože směřují více vzduchu kolem místa, kde laser skutečně dopadá. Při práci s akryly nebo dřevem mnoho techniků upřednostňuje použití dusíku s průtokem mezi 12 a 18 litry za minutu namísto běžného stlačeného vzduchu. Tento postup se ukazuje zvláště účinný v kombinaci s pulzním režimem laseru, neboť pomáhá zabránit přehřátí. Sledování správného zarovnání trysek a zajištění čistoty procesního plynu není jen dobrým zvykem – je to prakticky nezbytné pro splnění požadavků na tepelné řízení a pro vyhnutí se těm otravným stopym na zadní straně materiálu, které vznikají kvůli zbytkové energii se odrazující uvnitř materiálu.
Příprava materiálu a ochranná opatření při značení pomocí CO₂ laseru
Ochranný lepicí pásek vs. ochranná podložka: zbytky lepidla, škálovatelnost a snížení popálenin na zadní straně (průměrné zlepšení o 42 % s použitím silikonového lepicího pásku s PET podložkou)
Způsob přípravy materiálů hraje významnou roli při vzniku spálenin během výroby. Běžná izolační páska často zanechává lepkavý zbytek, který je nutné po zpracování odstranit, a navíc se špatně přilnaví na drsné nebo nerovné povrchy, což v pozdějších fázích výroby způsobuje problémy. Dobrou zprávou je, že křemičitanová páska s PET podkladem řeší oba tyto problémy úplně. Testy ukazují přibližně o 42 procent méně spálenin na zadní straně při použití tohoto typu pásky, protože křemičitan funguje jako lepší tepelný izolátor mezi jednotlivými komponenty. Tato páska se vyznačuje zejména tím, že se dokonale přizpůsobuje různým tvarům a rozměrům – něco, s čím si běžné tuhé pásky neporadí. Pro dosažení nejlepších výsledků vyberte pásky, u nichž je křemičitanová vrstva umístěna přímo na PET podkladu. Toto uspořádání umožňuje rovnoměrnější rozvod tepla a zároveň zachovává jasné označení a ostré okraje po celou dobu výroby.
Často kladené otázky
Co je tepelná akumulace při laserovém značení CO₂?
Tepelná akumulace nastává, když materiál absorbuje více laserové energie, než je schopen odvést ve formě tepla, což vede k vzniku horkých míst při dlouhodobém provozu.
Jak lze minimalizovat spáleniny při značení CO₂ laserem?
Spáleniny lze minimalizovat optimalizací výkonu, rychlosti a nastavení ohniska, použitím vzduchové pomoci a správnou přípravou materiálu, například lepicími páskami jako je silikonový pás s PET podkladem.
Jaký je účinek vzduchové pomoci při laserovém značení?
Vzduchová pomoc pomáhá ovládat hromadění tepla vytvořením laminárního proudění, které odvádí nečistoty a snižuje teplotu v blízkosti místa dopadu laserového paprsku, čímž brání vzniku spálenin a ohořelých okrajů.