Lasergravur / Lasergravieren

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🎓 Wie funktioniert die Lasergravur?
Bei der Lasergravur wird Material von der Oberfläche mittels eines Lasers gezielt abgetragen. Die Gravurtiefe hängt dabei wesentlich von der eingetragenen Energie und der Anzahl der Bearbeitungszyklen ab. / Definition
Synonym(e): Laserbeschriftung, Lasermarkierung, Lasergravieren


Lasergravur ACI Laser
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Eine saubere Abgrenzung des Begriffes Lasergravur ist zwar technisch möglich, wird jedoch im Markt nicht vollzogen. Als Lasergravur werden häufig alle Beschriftungsverfahren benannt, die mittels des Lasers realisiert werden. Dazu gehören u. A. Anlassbeschriftung, Schichtabtrag, Strukturierung und Schwarzmarkierung. Die folgenden Ausführungen werden sich ausschließlich mit dem Kernbegriff des Lasergravierens, also dem laserinduzierten Abtragen aus dem Vollmaterial , befassen.

Verfahren

Abbildung einer Tiefengravur auf einem Kolben eines Verbrennungsmotors aus Aluminium
Tiefengravur auf Kolben eines Verbrennungsmotors, © ACI Laser GmbH

Wechselwirkt Material mit dem Laser, kommt es zu verschiedenen Effekten. Die Wirkung hängt sowohl von der ins Material eingetragenen Energie, als auch von den Pulsspitzenleistungen des Lasers ab. Durch einen Laserpuls wird die Energie, welche im laseraktiven Medium durch Inversion "gespeichert" ist, auf die Materialoberfläche entladen. Je kürzer der Zeitintervall eines Pulses ist (Pulsweite) umso größer ist die Pulsspitzenleistung und damit der Energieeintrag pro Zeiteinheit. Ist die Pulsspitzenleistung groß genug, wird das Material spontan derartig erhitzt, dass es zu einem Phasenübergang im Material, bzw. einer Änderung des Aggregatzustandes kommt. Auf diesem Weg wird das Material von fest zu flüssig überführt. Die weiteren Pulse treffen nun in die Schmelze und lösen "Mikro-Explosionen" aus, welche durch Ihren hohen Druck das Material auswerfen. Es kann aber auch zu direkten Phasenübergängen von fest zu gasförmig kommen. Das geschieht dann, wenn die Pulsspitzenleistung derartig hoch ist, dass durch die plötzliche Erhitzung des Materials der Zustand der Schmelze "übersprungen" wird. Neben dem "Auswurf" des Materials aus der Schmelze kommt es auch beim Phasenübergang zu einer Volumenzunahme. Diese "Vergasung" baut um die Gravurkontur herum eine Plasmawolke aus, die durch ein helles Leuchten wahrgenommen werden kann.

Über die Scanneroptik wird der Laser über die Kontur gefahren, sodass durch die gezielte Oberflächenzerstörung eine Gravur entsteht. Die Gravurtiefe hängt dabei wesentlich von der Einwirkdauer und der Pulsspitzenleistung ab. Je stärker der Laser fokussiert wird (d.h. je kleiner der Spot ist), umso mehr Details können mittels Gravur realisiert werden. Die Gravurtiefe ist allerdings durch das sogenannte Aspektverhältnis begrenzt (Verhältnis aus Gravurbreite und Gravurtiefe). Das liegt unter anderem daran, dass ab einer bestimmten Tiefe der Gravurgraben durch seine eigene Schmelze wieder zugesetzt wird.

Materialien

Messinggravur mittels Faserlaser der ACI Laser GmbH


  • Glas (Glas ist für die Strahlung der meisten verwendeten Lasersysteme transparent, ganz im Gegen zu z.B. Stahl. Einige Wellenlängen werden jedoch gut absorbiert (UV und fernes Infrarot). Es können aber auch Absorptionen durch sehr hohe Intensitäten erzeugt werden. Dabei wird Glas binnen Nanoskeunden oder Pikosekunden aufgeschmolzen und wieder erstarrt. Es entstehen mikroskopische Risse, welche eine raue und damit kontrastreiche Oberfläche erzeugen - ähnlich dem Laserätzen.)
  • Holz (Die Markierung tritt bei Holz durch starkes Erhitzen und damit einer punktuellen Verbrennung der Oberfläche zutage. Die Farbe wird dabei von der Sorte des Holzes, sowie der Laserleistung beeinflusst. Vorzugsweise kommt für das Verfahren der Kohlendioxidlaser zum Einsatz. Vor allem in der Herstellung von Waffen aber auch Designobjekten wird die laserinduzierte Markierung auf Holz verwendet.)
  • Kunststoffe (Die Klasse der Kunststoffe repräsentiert sehr vielfältige Werkstoffe. Die Oberfläche ist eine polymere Struktur, was den Kohlendioxidlaser (CO2) hierbei für die Bearbeitung und das Verfahren der laserinduzierten Gravierung prädestiniert. Durch das konzentrierte Erhitzen der Oberflächen wird der Kunststoff aufgeschmolzen und durch Schmelzauswurf die Oberfläche graviert. Bei Kunststoffen wird eher eine hohe Farbwirkung gefordert und weniger eine hohe Gravurtiefe. Es können aber auch durch Additive Farben durch Wechselwirkung mit dem Laserstrahl entstehen.) Die Farbe hängt dabei von den Pigmenten ab, die dem Kunststoff beigemischt sind.
  • Metalle (Diese zeichnen sich durch ihre metallischen Gitterstrukturen aus und verfügen über hohe chemische Enthalpien. Damit werden für das Gravieren bzw. Lasergravieren eine hohe Pulsspitzenleistungen benötigt. Bei sehr hoher Pulsspitzenleistung kann das Material sogar direkt verdampft werden, ohne dass es dabei zu einem störenden Phasenübergang zur Schmelze kommt. Auf Metallen lassen sich durch gezielte Oxidationsprozesse wie Anlassbeschriftung, durch Lasergravieren, durch Farbabtrag ö.Ä. dauerhafte Markierungen und eine Farbwirkung erzeugen. Die laserinduzierte Tiefengravur bzw. Lasertiefengravur auf z.B. Stahl, Edelstahl oder Messing ist dabei sehr robust und widerstandsfähig gegen physikalische und chemische Weinwirkungen)
  • Leder, siehe Angebote Ledergravur

Anwendungen

Mit dem Faserlaser realisierte Feingravur
Feingravur: Darstellung eines Bitcoin-Artworks. Quelle: ACI Laser

Die Lasergravur findet dort Einsatz, wo einerseits eine sehr hohe optische Qualität erreicht werden muss, andererseits komplexe Layouts mit hohen Informationsdichten realisiert werden müssen und ebenfalls eine sehr hohe Reproduzierbarkeit der Ergebnisse erreicht werden muss.

  • Elektronik und Sensorik
  • Automotive: Eineindeutige Kennzeichnungen
  • Werkzeuge und andere Metallerzeugnisse
  • Chemie
  • Automobilbau
  • Papieretiketten

Hohe Informationsdichten lassen sich mit sogenannten 2D-Codes erzeugen (z.B. Datamatrixcode und QR-Code). Hierbei werden Informationen codiert in einem standardisierten Pattern realisiert. Diese können durch entsprechende Lesesysteme zurückgelesen werden und die enthaltenen Informationen identifiziert werden.

Anbieter im Markt

Ein Hersteller ist Trotec.

Bei ebay und Amazon können ebenfalls welche gekauft werden.