Лазерная гравировка

В данном руководстве, предназначенном для новичков, мы обсудим основные принципы работы лазерного резака, приведем примеры изделий, которые можно создать с использованием лазера, а также рассмотрим подходы к созданию дизайнов для лазерной резки и гравировки.

Лазерная гравировка: особенности, области применения, материалы

С давних времён человечество научилось гравировать на самых разных материалах, что способствовало созданию потрясающих художественных произведений и надписей. Со временем технологии гравировки существенно усовершенствовались. На смену традиционным ручным методам пришла механизация, а в наше время активно внедряются лазерные технологии гравировки. Эта технология, обладая уникальными характеристиками, заслуживает особого внимания.

• Методы гравировки: преимущества и недостатки
  • Ручной
  • Механический
  • Лазерный
• Материалы, на которых производится гравировка:
  • Акрил
  • Фанера
  • МДФ
  • Картон
  • Металл
  • Пластик

Методы гравировки: преимущества и недостатки

В области гравировки используется разнообразие технологий, каждый из которых имеет свои исходные преимущества и недостатки. Выбор метода зависит от обрабатываемых материалов, назначения продукции, и экономической целесообразности. Рассмотрим основные методы более подробно.

Ручной

Ручная гравировка является самой древней техникой. В этом процессе рисунок наносят на разные материалы с помощью специального инструмента — штихеля. К этой категории также относится нанесение рисунков с помощью бормашины. Основные достоинства ручной гравировки — это её высокий художественный, эстетический уровень и возможность нанесения узоров на поверхности с сложным рельефом. Такой подход особенно подходит для ювелирных изделий. Однако его недостатками являются долгий процесс выполнения и высокая трудоёмкость, а также сложности при работе с очень твердыми материалами.

Важно! Для того чтобы качественно выполнить ручную гравировку, необходимо наличие опыта у мастера. В результате, изделия имеют высокую цену.

Механический

Механическая гравировка осуществляется с использованием специальных гравировальных станков, так называемых гравировально-фрезерных. Здесь рисунок вырезается на поверхности с помощью фрезы. Автоматизация данного процесса значительно увеличивает производительность, а также уменьшает трудозатраты, что очень важно в серийном производстве.

Популярность механического метода объясняется его простотой, а также возможностью обрабатывать различные виды материалов. Недостатками этого метода являются необходимость наличия специализированного оборудования, а также ограничения по размерам изделия в связи с размерами рабочей зоны. Рисунок и надписи возможно наносить только на ровные поверхности, а обработка деталей с сложной формой, включая ювелирные изделия, практически невозможна.

Лазерный

На сегодняшний день лазерная гравировка считается наиболее эффективным методом. В этом случае лазерный луч выжигает изображение на поверхности материала. Данная технология обладает множеством преимуществ:

1. Обладает высокой разрешающей способностью и точностью в нанесении рисунков и надписей. С помощью лазерного станка можно создавать изображения практически любой сложности.
2. Процесс выполняется бесконтактным способом, что позволяет обрабатывать хрупкие изделия, такие как стекло, а также наносить рисунки на бумагу, картон, ткань и другие мягкие материалы.
3. Имеет постоянную глубину рельефа и возможность многократного воспроизведения. Эта технология применима как для единичного производства, так и для серийной печати.
4. Обрадует высокой скоростью обработки.
5. Управлять лазерным оборудованием просто и удобно.
6. Позволяет гравировать почти любые материалы.
7. Возможность гравирования изделий, покрытых краской и защитными слоями.

• Мощность лазерной трубки: 50 Вт
• Размер рабочего поля: 300 x 500 мм
• Разрешение: 1000 DPI
• Скорость гравировки: 200 мм/с
• Скорость перемещения луча: 500 мм/с
• Тип лазера: СО2
• Точность гравировки: 0,01 мм
• Интерфейсы: USB 2.0
• Охлаждение: водяное
• Тип двигателя: шаговый

Что такое лазерная гравировка

Ключевой особенностью технологии лазерной гравировки является чрезвычайно высокая стойкость получаемых изображений. Другие её достоинства включают:

• Высокая скорость выполнения работ, достигаемая за счет полной автоматизации процесса.
• Четкость, точность и детализация изображений.
• Процесс нанесения рисунков осуществляется под контролем специализированного программного комплекса, что исключает человеческий фактор.
• Эстетичный вид рисунка. Лазерная установка может воссоздать исходные изображения любой сложности без нагара и других дефектов, что делает финишную обработку необязательной.
• Отсутствие риска деформации обрабатываемой поверхности, так как все работы выполняются бесконтактным методом и заготовка нагревается только в точках, что исключает возможность ее изменения формы или воспламенения.

• Высокая эффективность как при изготовлении единичных изделий, так и больших партий. При массовом производстве себестоимость одной единицы продукции значительно снижается.
• Универсальность. Позволяет наносить изображения на заготовки любых форм и размеров (что ограничено размерами рабочего стола) из различных материалов.
• Доступность любой глубины обработки.
• Выбор глубины зависит от мощности лазера и времени воздействия. Можно создавать как поверхностные, так и более глубокие изображения.
• Минимальный износ расходных материалов, что снижает эксплуатационные затраты.

Оборудование

Современный рынок предлагает несколько типов лазерных гравировальных аппаратов в зависимости от типа используемого излучателя. Давайте более подробно рассмотрим каждый из вариантов.

СО₂ лазеры

Эти устройства часто называют газовыми. В качестве активной рабочей среды используется смесь углекислоты, азота и гелия, а для инициации электродного разряда используется обычная электроэнергия. Газовые лазеры обладают обширными возможностями для гравировки различных материалов. Они успешно справляются с обработкой пластика, дерева, резины, кожи, картона и прочих подобных материалов. Однако для нанесения рисунков на металлические изделия потребуется применение специализированных спреев или паст.

Преимущества СО2-лазеров:

• Наименьшая стоимость среди остальных типов;
• Простота в эксплуатации и техническом обслуживании;
• Высокая универсальность: помимо гравировки, могут использоваться для раскройки, сварки и других работ;
• Компактные размеры;
• Легкость в подборе моделей с оптимальными размерами рабочего стола.

Волоконные лазерные станки

При выполнении лазерной гравировки широко используются волоконные лазеры, являющиеся одной из разновидностей твердотельных моделей. Они генерируют лучи с длиной волны 1,064 мкм. Характерные особенности волоконных лазеров:

• Минимальный угол расхождения луча, что позволяет формировать очень тонкий пучок энергии;
• Когерентность и монохромность луча;
• Высокая мощность (подходит для работы с твердыми пластиками и металлами): средний показатель составляет 1000 Вт, в то время как в газовых аналогах он обычно не превышает 200 Вт;
• Широкая область применения: маркировка, гравировка, резка, сварка, сверление отверстий и т.д.;
• Высокая скорость, луч в волоконных моделях перемещается со скоростью до 12000 мм/с;
• Крепкая конструкция и малый вес;
• Продолжительный срок службы: около 10 лет.

Излучение в таких лазерах формируется в волоконной среде, а резонатором выступает оптический элемент, состоящий из пары брэгговских решеток. Полупроводниковые диоды используются для накачки.

Твердотельные лазеры

Твердотельные лазеры часто применяются для гравировки металлов. Если же необходимо работать с другими материалами, нужно заранее оценить их рентабельность обработки. Генерация излучения происходит за счет специальных активных кристаллов, возбуждаемых лампами или светодиодами.

К основным преимуществам твердотельных лазерных станков можно отнести:

• Высокая производительность при минимальных требованиях к обслуживанию;
• Возможность нанесения надписей даже на небольшие поверхности, что делает их незаменимыми в производстве печатных плат;
• Компактные размеры, высокая скорость работы и энергоэффективность, что позволяет легко интегрировать их в производственные линии.

Область применения лазерной гравировки

Лазерный гравер — это универсальный инструмент, позволяющий работать с изделиями из разнообразных материалов. С его помощью можно наносить гравировку на:

• Сувениры (ручки, тетради, фигурки, брелки, органайзеры и другие аксессуары) из различных материалов, включая дерево, керамику, стекло, камень, металл, пластик, картон, кожу, резину и ткани.

Рис. 2. Пример лазерной гравировки на ткани.

• Нанесение надписей на часах, ювелирных украшениях (обручальных кольцах, браслетах, подвесках), кожаных изделиях (ремнях, бумажниках, визитницах, одежде и т.д.). Ранее также обсуждался процесс гравировки различных кожаных изделий.

Рис. 3. Пример лазерной гравировки на кожаной визитнице.

• Создание узоров и надписей на древесине (номерные знаки, бирки), металле (значки, медали, монеты, техника), коже (сумки, обувь) и пластике (гравировка на клавиатурах);

Рис. 4. Пример лазерной гравировки на ноутбуке.

• Создание оригинального декора для дома и офиса. Возможно гравирование кубков, медалей, тарелок, а также изготовление наружной брендированной рекламы, фирменной и подарочной упаковки, буклетов, визиток и календарей.

Рис. 5. Пример лазерной гравировки на деревянной поверхности.

Оборудование для лазерной гравировки

Газовые граверы

В качестве усиливающей среды в лазерной системе используются газовые СО2-лазеры. Герметичная газовая трубка с отражателями на обоих концах образует основу любой такой установки. Трубка наполняется смесью азота, углекислого газа, водорода, гелия и ксенона. Высоковольтный электрический разряд пропускается через трубку, создавая высокоэнергетический лазерный луч.

Длина волны СО2-лазера варьируется от 9 до 11 мкм, что позволяет ему эффективно поглощаться большинством материалов.

Газовые лазеры можно использовать для гравировки таких материалов, как пластик, дерево, резина и кожа, а также картон и другие схожие материалы.

Чтобы нанести рисунок на металлические изделия с помощью газового лазера, необходимо дополнительно использовать специальные спреи и пасты.

Рис. 6. Пример лазерной гравировки, выполненной газовым гравером.

Твердотельные и волоконные граверы

Волоконный лазер использует оптический (или волоконно-оптический) кабель в качестве усиливающей среды. Этот кабель легирован редкоземельными металлами, такими как эрбий, иттербий, неодим, диспрозий, празеодим, тулий и гольмий. Источником энергии для таких лазеров являются твердотельные диоды, которые обеспечивают свет на оптическом кабеле.

Длина волны волоконного лазера зависит от легирующих редкоземельных элементов. Иттербиевый лазер, длина волны которого составляет 1,064 мкм, может использоваться для гравировки и резки различных металлов и неметаллов.

Твердотельные лазеры олицетворяют лазеры на основе твердых усиливающих сред, таких как кристаллы и стекло, легированные ионами редкоземельных или переходных металлов.

Твердотельные лазеры часто находят применение для гравировки металлов.

Рис. 7. Пример лазерной гравировки, выполненной волоконным гравером.

• Интуитивно понятное управление на лицевой панели;
• Sino-Galvo — сканирующая головка нового поколения с высокой скоростью;
• Стандартная линза в комплекте 100*100 мм;
• Программное обеспечение доступно на двух языках (русский и английский).

• Тип лазерного излучателя – иттербиевый импульсный;
• Сканирующее устройство – 2-осевой гальванометрический сканатор;
• Глубина фокусировки150 мм (до 0,8 мм), 220 мм (до 3,0 мм);
• Габариты – 185 см × 185 см × 95 см.

• Мощность лазера: 40 Вт;
• Тип излучателя: СО2;
• Срок службы лазерной трубки: 1500 ч;
• Электропитание: 220 В ±10% 50Hz.

Виды оборудования для лазерной гравировки

Лазерное гравировальное оборудование бывает различного типа, в каждом из которых используется определённый вид лазерного излучателя. Рассмотрим более подробно каждый тип:

CO2-лазеры

CO2-лазеры, также известные как газовые лазеры, используют в своей работе смесь углекислого газа, азота и гелия в качестве активной рабочей среды. Для создания электрического разряда в газовой среде эти лазеры используют электричество. СО2-лазеры универсальны и могут эффективно выполнять гравировку различных материалов. Они особенно хорошо работают с пластиком, деревом, резиной, кожей и картона, однако при гравировке металлических изделий может потребоваться дополнительно применять специальные спреи или пасты. К достоинствам CO2-лазеров можно отнести их доступность, простоту эксплуатации, универсальность (можно использовать для резки, сварки и других технологий), компактные размеры и наличие моделей с различными размерами рабочей зоны. Они могут также использоваться для раскроя материалов и лазерной сварки.

Волоконные лазерные аппараты

Волоконные лазерные установки очень распространены в гравировке. Они относятся к категории твердотельных лазеров и производят лучи с длиной волны 1,064 мкм. Ключевые характеристики волоконных лазеров включают: когерентные и монохроматические лучи, высокая мощность (часто около 1000 Вт, что значительно выше, чем у газовых лазеров), широкий спектр применения (маркировка, гравировка, резка, сварка, сверление отверстий и т.д.), высокая скорость работы (скорость луча достигает до 12000 мм/с), компактные размеры и легкость конструкции, а также большой срок службы — около 10 лет. В волоконных лазерных установках генерация излучения осуществляется в волноводе накачки, резонатором которого является оптический элемент, состоящий из двух брэгговских решеток. Для накачки обычно используются полупроводниковые диоды.

Твердотельные лазеры

Твердотельные лазеры используюют для гравировки металлов; при работе с другими заготовками следует предварительно оценить возможность их экономической обработки. Твердые лазеры работают на основе специальных активных кристаллов, которые возбуждаются при помощи светодиодов или ламп накачки для генерации излучения. Преимущества твердотельных лазерных станков заключаются в высокой производительности, минимальных требованиях к обслуживанию, способности выполнять гравировку на малых поверхностях (что делает их необходимыми в производстве печатных плат), компактных размерах, высокой скорости работы и энергоэффективности. Их удобно интегрировать в любую производственную линию.

Выбор подходящего лазерного гравировального оборудования зависит от таких факторов, как требуемые материалы для гравировки, необходимая точность, скорость производства и бюджет.

Рис. 4. Лазерная резка и гравировка дерева.

Применение лазерной гравировки

Лазерная гравировка используется в различных отраслях промышленности и для множества целей:

Нанесение штрих- и QR-кодов: Лазер способен наносить штрих- и QR-коды на поверхности любой формы, включая сферические. Это особенно удобно для создания инвентарных карточек, этикеток и подобных продуктов.

Масштабирование устройств и маркировка деталей: Лазерная гравировка также используется для масштабирования устройств и осуществления маркировки отдельных деталей, что особенно актуально в таких областях, как медицинская техника, аэрокосмическая промышленность, военные технологии и приборостроение. Она позволяет наносить точные и долговечные маркировки на компоненты, обеспечивая их идентификацию и отслеживаемость.

Маркировка информации на электронике: Эта технология применяется для нанесения информации на микросхемы, печатные платы, кремниевые пластины, процессоры и другие детали, включая гарантийные наклейки. Лазерная гравировка используется также для маркировки проводников и приборных панелей.

Кастомизация: Лазерная гравировка используется для создания уникального дизайна на корпусах телефонов, планшетов, ноутбуков и других электронных устройств, а также для создания персонализированных сувениров и задания уникальности предметам повседневного обихода, например, вазам и посуде. Кроме того, лазерная гравировка является эффективным инструментом в ювелирной промышленности для нанесения надписей, трёхмерных изображений и сложных узоров.

Производство рекламной продукции: Лазер позволяет брендировать сувениры, наносить логотипы, производить таблички и другие рекламные изделия, которые могут быть отличными подарками и наградами.

Поделки: Лазерная технология часто используется для изготовления поделок и подарков ручной работы, таких как штампы, обработка бумаги и гравировка различных материалов для художественных и декоративных задач.

Рис. 5. Лазерная гравировка крышки ноутбука.

Как создать дизайн для лазерной резки или гравировки?

Большинство CO2-лазерных резаков работают по аналогии с обычными струйными принтерами. Прилагаемые к лазерному резаку специальные драйверы преобразуют изображения с компьютера в формат, совместимый с устройством.

При использовании лазерных резаков важно понимать разницу между векторными и растровыми изображениями. Оба типа файлов изображений можно обрабатывать, но применять растровые изображения можно только для гравировки, а не для резки.

В векторных изображениях линии и цвета сохраняются в виде математических формул, тогда как растровые изображения основаны на пикселях, что означает, что любое изображение состоит из множества мелких квадратов. Векторные изображения могут увеличиваться без потери качества, в то время как растровые начинают пикселизироваться при увеличении.

Типы векторных файлов: SVG, EPS, PDF, DXF, DWG, CDR (CorelDRAW), AI (Adobe Illustrator).

Типы растровых файлов: JPG, PNG, GIF.

Вы можете использовать любое программное обеспечение, если экспортируете файл в подходящем формате. Вот несколько примеров программного обеспечения для графического дизайна:

• Inkscape;
• QCAD;
• CorelDRAW;
• Adobe Illustrator;
• AutoCAD.

• Autodesk Fusion 360;
• Blender;
• FreeCAD;
• Tinkercad;
• Solidworks;
• Onshape.

Общие настройки

Первое, что стоит учесть, это размеры вашего материала и максимальный размер, который может обрабатывать рабочая зона. Это наилучшим образом определяет максимальный размер вашего дизайна. Рекомендуется устанавливать цветовой режим на RGB. В зависимости от используемого процесса, часто применяют разные цвета. Например, красный может использоваться для всех элементов, которые подлежат вырезанию, а чёрный — для гравировки.

Создание файла для лазерной резки

Как было сказано ранее, во время операции резки лазер направляет непрерывный луч на материал, чтобы его разрезать. Для этого лазерному станку требуется векторный путь в качестве входного файла.

Лазер будет производить резку только векторной графики с минимальной толщиной линий (что зависит от используемого программного обеспечения). Любая другая графика, как например сплошные фигуры или более толстые линии, не будет подлежать резке.

При вырезании текста или других сложных форм стоит учитывать, что несвязанные внутренние части, такие как внутренняя часть буквы «О», будут выпадать. Это можно предотвратить в зависимости от желаемого дизайна. Например, для текста можно применять шрифты с трафаретным стилем, где все внутренние части букв соединены с внешними.

Создание файла для лазерной гравировки

При лазерной гравировке имеется разница между векторной и растровой гравировкой. Векторная гравировка в основном подражает резке, только с той разницей, что для гравировки используется меньшая мощность, так что лазер просто удаляет часть материала, а не прорезает его.

Для растровой гравировки в качестве входного файла может быть использован либо векторный, либо растровый файл. Во время растровой гравировки изображение наносится лазером построчно, пиксель за пикселем. Этот процесс подобен тому, как струйный принтер наносит чернила, только вместо чернил с поверхности удаляется материал.

Как пользоваться лазерным станком?

Когда ваш проект готов, пора переходить к финальному этапу — резке на лазере. Лазерные резаки представляют собой мощные машины, способные создавать впечатляющие вещи, однако они также могут быть потенциально опасными, поэтому важно соблюдать осторожность.

Перед тем, как использовать лазерный резак, убедитесь в том, что вы прочитали и поняли все инструкции по технике безопасности, которые идут в комплекте с устройством. Важно отметить, что длина волны CO2-лазера находится в инфракрасной области спектра, и поэтому она незаметна для человеческого глаза. Красная точка, видимая на многих станках на материале, служит лишь для облегчения позиционирования и не представляет собой резающий лазерный луч.

Подготовка

Во-первых, убедитесь, что ваш материал подходит для рабочей зоны лазера и, если необходимо, обрежьте его до нужного размера. Подготовьтесь также к выполнению пробных резов или гравировок и имейте запасной материал.

Для работы с лазерным станком вам не обязательно понадобятся дополнительные инструменты, однако некоторые из них могут оказаться полезными:

• Универсальный нож: для резки материала, который не был полностью прорезан лазером, или для корректировки бумаги и картона до нужного размера;
• Малярная лента: используйте ее для покрытия поверхности материала, защищая от ожогов;
• Рулетка или штангенциркуль: для измерения размеров и проверки правильности готовых изделий.

Настройки

Четыре наиболее важных параметра, регламентирующие работу лазерного резака, это мощность, скорость, частота и расстояние фокусировки.

Мощность: Это значение определяет выходную мощность лазера. Обычно можно устанавливать диапазон от 0 до 100% (максимальная мощность). Большая мощность необходима для резки толстых материалов, тогда как меньшая мощность — для гравировки и работы с тонкими материалами, такими как бумага.

Скорость: Определяет скорость перемещения лазерной головки. При гравировке и резке тонких материалов скорость чаще всего устанавливают близкой к максимальной. Частота (Гц, PPI): этот параметр указывает на количество лазерных импульсов в секунду. Частота напрямую зависит от обрабатываемого материала. Скажем, для резки древесины лучше всего подходит частота от 500 до 1000 Гц, а для акрила — от 5000 до 20000 Гц для получения гладкой кромки.

Фокус: Как уже было упомянуто, в лазерной головке присутствует фокусирующая линза. Точка фокусировки (где луч наиболее тонкий) для большинства задач должна находиться на поверхности материала или немного ниже. Чтобы этого достичь, материал должен находиться на определенном расстоянии от линзы, которое зависит от типа используемой фокусирующей линзы.

Многие лазерные машины имеют моторизованную платформу, которую можно перемещать вверх-вниз для установки нужного расстояния фокусировки. В противном случае требуется вручную отрегулировать положение поверхности материала.

Теперь, когда у вас есть общее представление о доступных настройках, вы можете задаться вопросом, как найти среди них правильные значения для ваших конкретных проектов. Хорошей отправной точкой будет руководство пользователя вашего лазерного резака. Обычно там представлены рекомендуемые настройки для многих материалов. Если вы делаете резку на общем лазере в рабочем пространстве, часто там можно найти списки с доступными рекомендациями по настройкам.