Wie funktioniert ein Lasergravierer?

Wie funktioniert ein Lasergravierer?
Wie funktioniert ein Lasergravierer?

Vereinfacht gesagt, ist die Lasergravur ein Verfahren, bei dem mikroskopisch kleine Materialschichten selektiv abgetragen werden, wodurch auf der behandelten Oberfläche sichtbare Spuren entstehen. Je nach Material können die Laser-Material-Wechselwirkungen unterschiedlich sein. Bei härteren Oberflächen besteht der Wirkungsmechanismus in erster Linie in der Abtragung, bei der der fokussierte Laserstrahl mikroskopisch kleine Partikel aus dem Substrat herauslöst. Beim herkömmlichen Gravieren kann eine Tiefe von 100 um und mehr erreicht werden, während die Lasergravur in der Regel flacher ist.

Die Wahl des Lasers ist von entscheidender Bedeutung für die Qualität der Arbeit. Um ein sauberes Ergebnis zu erzeugen, sind kurze Laserpulse von hoher Qualität vorzuziehen, da sie große Energiemengen übertragen können, ohne das Material stark zu erhitzen und zu schmelzen.

Die Lasergraviermaschine

Eine Lasergraviermaschine besteht aus drei Hauptbestandteilen: dem Laser, einem Steuergerät und dem Werkstückhalter. Der Laser ist ein Zeichenwerkzeug: Der von ihm ausgehende Strahl ermöglicht es dem Steuergerät, Muster auf die Werkstückoberfläche zu zeichnen. Die Steuerung bestimmt die Richtung, die Intensität, die Bewegungsgeschwindigkeit und die Ausbreitung des auf die Oberfläche gerichteten Laserstrahls.

Es gibt drei Hauptarten von Graviermaschinen: Die gebräuchlichste ist der X-Y-Tisch, bei dem das Werkstück in der Regel stationär ist und die Laseroptik sich in zwei Dimensionen darüber bewegt und den Laserstrahl so lenkt, dass er Vektoren zeichnet. Teilweise ist aber auch der Laser stationär und das Werkstück bewegt sich.

Der Punkt, an dem der Laserstrahl die Oberfläche berührt, sollte in der Brennebene des optischen Systems des Lasers liegen und ist in der Regel gleichbedeutend mit seinem Brennpunkt. Dieser Punkt ist in der Regel sehr klein, oft weniger als ein Bruchteil eines Millimeters (abhängig von der optischen Wellenlänge). Nur der Bereich innerhalb dieses Brennpunkts wird wesentlich beeinflusst, wenn der Laserstrahl die Oberfläche überquert. Die vom Laser abgegebene Energie verändert die Oberfläche des Materials im Brennpunkt. Sie kann die Oberfläche erhitzen und das Material anschließend verdampfen oder das Material brechen (auch bekannt als „Verglasung“).

Wird das Oberflächenmaterial während der Lasergravur verdampft, ist fast immer eine Belüftung mit Hilfe von Gebläsen oder einer Vakuumpumpe erforderlich, um die schädlichen Dämpfe und den Rauch zu entfernen, die bei diesem Prozess entstehen, und um die Ablagerungen auf der Oberfläche zu beseitigen, damit der Laser die Gravur fortsetzen kann.

Wie Muster mittels Laser graviert werden

Es können verschiedene Muster graviert werden, indem die Steuerung so programmiert wird, dass der Laserstrahl einen bestimmten Weg über eine bestimmte Zeit abfährt. Die Spur des Laserstrahls wird so eingestellt, dass eine gleichmäßige Abtragungstiefe des Materials erreicht werden kann. So werden z. B. kreuz und quer verlaufende Pfade vermieden, um sicherzustellen, dass jede geätzte Oberfläche nur einmal dem Laser ausgesetzt wird, so dass die gleiche Menge an Material abgetragen wird. Auch die Geschwindigkeit, mit der sich der Strahl über das Material bewegt, wird bei der Erstellung von Gravurmustern berücksichtigt. Die Änderung der Intensität und der Streuung des Strahls ermöglicht mehr Flexibilität bei der Gestaltung.

Da die Position des Lasers dem Steuergerät genau bekannt ist, ist es nicht notwendig, die Oberfläche mit Barrieren zu versehen, um zu verhindern, dass der Laser vom vorgeschriebenen Gravurmuster abweicht. Folglich ist bei der Lasergravur keine Widerstandsmaske erforderlich. Dies ist der Hauptgrund, warum sich diese Technik von älteren Gravurverfahren unterscheidet.

Vektor- und Rastergravur

Die Vektorgravur folgt den Linien und Kurven des zu gravierenden Musters, ähnlich wie ein stiftbasierter Plotter zeichnet, indem er Liniensegmente aus einer Beschreibung der Umrisse eines Musters konstruiert. Bei der frühen Gravur von Schildern und Tafeln (mit oder ohne Laser) wurden häufig vorab gespeicherte Schriftumrisse verwendet, so dass Buchstaben, Zahlen oder sogar Logos auf die richtige Größe skaliert und mit genau definierten Strichen reproduziert werden konnten.

Allerdings waren die Füllflächen problematisch, da Kreuzschraffuren und Punktfüllungen  oft Moiré-Effekte oder Übermusterungen aufwiesen, die durch die ungenaue Berechnung der Punktabstände verursacht wurden. Die Einführung der Seitenbeschreibungssprache PostScript ermöglicht eine viel größere Flexibilität: Praktisch alles, was mit PostScript-fähiger Software wie CorelDRAW oder Adobe Illustrator in Vektoren beschrieben werden kann, lässt sich umreißen, mit geeigneten Mustern füllen und lasergravieren.

Bei der Rastergravur wird der Laser in einem linearen Muster, das an den Druckkopf eines Tintenstrahldruckers oder eines ähnlichen Druckers erinnert, langsam vorwärts und rückwärts über die Oberfläche geführt. Das Muster wird in der Regel vom Steuergerät bzw. Computer so optimiert, dass Bereiche auf beiden Seiten des Musters, die nicht graviert werden sollen, ignoriert werden und die Spur über das Material somit zur besseren Effizienz verkürzt wird.

Nahezu jede Seitenlayout-Software kann zur Eingabe eines Rastertreibers für einen X-Y- oder Trommel-Lasergravierer verwendet werden. Während bei der traditionellen Schilder- und Plakettengravur aus der Not heraus eher Vektorgravuren verwendet wurden, arbeiten moderne Betriebe mit ihren Lasergravierern meist im Rastermodus.

 

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