Хабрахабр

Тайная жизнь лазерных граверов

Качество и скорость работы, обеспечиваемые лазерными станками, на многих производствах остаются недостижимыми для традиционных методов обработки. Хоть мы и не видим их на каждом углу, результаты их труда окружают нас повсеместно. Список действительно огромен и лазеры продолжают захватывать мир. Лазерные маркёры, гравёры, аппараты сварки и резки металлов и т.д.

Как и все наукоёмкие истории, лазерная техника уже достаточно успела обрасти слухами и мифами о своих безграничных возможностях. Но, Петька, есть нюанс(с). Возможностей там действительно вагон (или два), но физику никто не отменял.

Они занимаются разработкой лазерных граверов и маркёров уже 15 лет и, вероятно, что-то в них понимают. Вооружившись острым желанием узнать, как это всё работает, было принято решение направиться за комментариями в питерский офис компании "Лазерный Центр".

Много фотографий под катом.

Зри в корень

Реальной альтернативы им пока не существует. Сразу надо запомнить самое важное во всей этой гравировочно-маркировочной истории: необходимые параметры для промышленного применения в металлообработке нам могут дать только волоконные лазеры. Газовые, твердотельные и прочие лазеры работают отлично, но в других сферах применения.

Во-первых, это отличное качество оптического излучения. Возникает вопрос: чем же так замечательны волоконные лазеры? Хотя это и не значит, что за ним можно совсем не следить. Через 100 000 часов работы изменение характеристик лазера будет или пренебрежимо мало, или вообще не будет.

Самый популярный станок Лазерного Центра.
Мини Маркер 2. Лазер спрятан в красном ящике снизу.

Каноничный углекислотный лазер работает на длинах волн 9,6-10,6 мкм. Но главное – это длина волны генерируемого излучения и как она взаимодействует с материалами. Строго говоря, длина волны – это, как паспорт, идентификационный документ у лазера. Такое излучение отлично поглощается органикой, поэтому для медицинского использования они подходят лучше, чем волоконные лазеры, работающие на примерно 1-1,5 мкм. Варианта всего три: излучение можно поглотить, отразить или пропустить. В зависимости от длины волны материалы по-разному взаимодействуют с излучением. Интересующий нас вариант: излучение с длиной волны 1,064 мкм сталью практически полностью поглощается, а с длиной волны 10,6 мкм – отражается. Хрестоматийный пример — это стекло, которое поглощает УФ волны, но отлично пропускает видимый диапазон спектра. А если берём оргстекло, всё будет ровно наоборот (10,6 – поглощается, 1,064 – проходит насквозь).

Такие пластинки призваны показать максимум возможностей станка (качество изображения, работа с цветом и т.д.) и делаются прямо при вас.
Демо-пластинка станка Мини маркер 2.

При одинаковой излучаемой мощности и фокусном расстоянии у волоконного лазера пятно меньше, и, следовательно, плотность поглощаемой энергии примерно в 100 раз выше (площадь круга $$), чем у ${CO_2}$-лазера. И третий важный параметр — диаметр пятна в фокусе облучения. Отсюда ещё большее удобство работы с металлами.

Особенно, если сравнивать с газовыми лазерами. Ну и в завершении — небольшие габариты излучающего тела.

Гапонцевым. И чтобы завершить вступление на мажорной ноте и вызвать гордость за соотечественников: лидером в отрасли разработки и производства волоконных лазеров является корпорация IPG Photonics, созданная аспирантом МФТИ В.П. Вообще, можете принять по дефолту: видишь лазер, ищи след русских физиков =)

Делается буквально за пару минут.
Процесс гравировки пластины с предыдущей фотографии.

А небольшой кусок этой корпорации НТО «ИРЭ-Полюс», с которого и начались волоконные лазеры, занимает десятое место среди несырьевых экспортёров в России. К слову, рынок волоконных лазеров сейчас оценивается примерно в 2 миллиарда долларов, из которых 1,5 – это IPG. Выводы делайте сами. Девятое — Рособоронэкспорт.

Матчасть

Теперь давайте разбираться, что же такое волоконный лазер.

Три минуты про то, что же такое сам лазер. Когда говорится про ${CO_2}$, рубиновый, волоконный или любой другой лазер, имеется в виду активная среда, которая генерирует лазерное излучение.


Из дерева, и пластика, лазером можно вырезать вот такие милые штуки

Они открыли, что в некоторых веществах при облучении их электромагнитной энергией, электроны начинают переходить на более высокие энергетические орбиты. В 1964 году советским учёным Александру Басову и Николаю Прохорову в соавторстве с американцем Чарльзом Таунсоном, вручили Нобелевскую премию за создание лазера. А что такое один квант? А при обратном переходе на более низкую энергетическую орбиту они излучают фотоны с энергией в один квант. Далее эти два фотона выбивают четыре, те выбивают восемь и так далее, пока на границе активного вещества не откроют так называемый затвор, и из вещества вылетает поток излучения, состоящий из абсолютно одинаковых фотонов. Это энергия одного фотона =) Далее происходит основная магия: если летящий фотон попадает в другой электрон, находящийся на высоком энергетическом уровне, происходит выработка нового фотона, полностью идентичного попавшему, и лететь он будет в том же направлении. Всё это происходит на скорости света, поэтому в современных лазерах длительность импульса может измеряться в пико- и фемтосекундах (это -12 и -15 степени, соответственно).

Его специально искали и выкупили обратно.
Самый первый (буквально) проданный гравировочный станок.

Предположим, у нас стандартный волоконный лазер средней мощности в 10 Вт с длительностью импульса 100 наносекунд (-9) и частотой импульсов 20 кГц. Теперь немного математики. Диаметра пятна 50 мкм. Энергия одного импульса 1 мДж.

мы передали 1 мДж. И если внимательно посмотреть на этот импульс, то получается за ${10^{-9}}$ сек. 000. А если так работать без остановки целую секунду, то получаем 10. Итого 10 000 Вт. 000 (раз) по 0,001 Дж (это энергия). Можете себе представить каково материалу, когда в каждые 50 мкм вкачивают 10 КВт.

Этакий 3D принтер наоборот.
Здесь отрабатывается технология глубинной гравировки для получения объёмных изображений поразительной чёткости. Поэтому в лаборатории они максимально тяжёлые. Процесс может длится несколько дней, в течении которых изделия нельзя трогать.

Если радиус пятна больше в три раза, его площадь больше в девять раз, получается, что при прочих равных китайский лазер будет работать не как на 10Вт, а как ~1Вт (это ещё позитивный сценарий). Теперь вспоминаем китайские лазеры, дающие пятно в несколько раз больше.

Как не трудно догадаться, здесь роль излучающего тела играет длинный кусок оптоволокна. Теперь немного про сам волоконный лазер. В чём прелесть волоконного лазера — элементарное охлаждение активной среды. Не совсем того, по которому к вам сейчас бежит интернет, но суть та же, просто структура волокна сильно другая. Фактически, её можно просто намотать на круглый кусок алюминия, сказать, что это радиатор, и на этом проблема охлаждения решена. Пока инженеры ломают голову над задачей равномерного охлаждения колбы с газом или целого кристалла, со струной оптики такой проблемы нет совсем.

Моя камера не может передать степень детальности изображений, но поверьте — глаз буквально режет их идеальная чёткость.
Что получается в конце.

К волокну припаивается светодиод, через ответвитель – ещё один, затем ещё и ещё, и так сколько угодно раз, пока не получим нужный поток. Другая легко решаемая задача — накачка излучением.

Денежный вопрос

Как это ни странно, но у людей конечное количество денег и максимальный интерес всегда вызывает самая дешевая технология, дающая приемлемый результат. Почему же именно лазерные граверы вызывают максимальный интерес у владельцев производств? Поэтому если взять условную тысячу лазерных станков, 900 будет для маркировки и только 100 для резки, сварки и прочих аддитивных технологий.

Итоговое изделие не решетка, а то, что было в пустых ячейках.
Аппарат лазернй резки за работой.

Значит, остаётся научиться извлекать из него пользу. Как мы договорились ранее, скорее всего, лазерные модули у всех от одного производителя. Эта мобильность нужна для выставления фокуса. Для этого нам надо собрать станок, представляющий из себя маркерное поле и вертикальную штангу, по которой будет передвигаться оптическая система (всё вместе это называется сканаторная система). Вернее, фокус у системы постоянный, но маркируемые изделия все разной толщины, и надо это учитывать.

Ответ опять в деньгах — гораздо проще сделать штангу с моторчиком, чем изобретать объектив с переменным фокусным расстоянием. Почему не зафиксировать оптику в одной точке? Блок питания и лазер можно спрятать в основании станка, после чего дело за малым — много раз поменять все детали в поисках сочетающихся наилучшим образом да написать софт (табличка сарказм).

В держателе установлен штифт, на котором гравируется очень специальный микрорельеф, чтобы клеткам окружающих тканей было проще на нём закрепиться.
Пример из медицины. Такая манипуляция в разы повышает эффективность штифта.

большинство производств работает на технологиях Microsoft и устраивать с ними войну форматов нет никакого желания. В случае станков лазерного центра, всё пишется под Windows, т.к. Рыночек порешал, как принято сейчас говорить.

Вопрос кривых поверхностей

А значит, его поверхность должна быть довольно гладкой. Внимательный читатель задаст вопрос — вот вы говорите, что изделие должно находиться в фокусе. Как же нанести надпись на такую кривую поверхность?
Абсолютно правильный вопрос! Но посмотрим на банальную ручку, она же круглая!

Традиционными методами такое делать очень долго, дорого и трудно.
Совершенно забыл, как эта штука называется, но тут всё наглядно.

Если мы в объективе поставим обычную линзу, то луч будет фокусироваться в сферу. Для этого надо рассмотреть, как работает оптическая часть гравёра. А вот про что в школе не говорят, так это про возможно спроектировать объектив таким образом, что луч начнёт фокусироваться в плоскость. В принципе, это должны знать все из школьного курса физики. Но это уже разговор про допуски и погрешности. Конечно, ближе к краям плоскости луч будет немного выходить из фокуса, без этого никак. Можно с этим бороться созданием всё более и более сложных объективов, но экономически это неоправданно(не опять, а снова).

Лучше и проще в мире ещё не изобрели.
Высокотехнологичная насадка из пластика для выставления фокуса. Серьёзно.

Да никак! Как тогда с этим бороться? Даже если к границе рабочего поля эта точность упадёт до нескольких микрометров, без микроскопа мы это не увидим. Хороший лазерный луч в фокусе позволяет достигать нам около микронных точностей. Отсюда важный вывод: станок может или иметь высокое разрешение, или работать с криволинейными плоскостями. Поэтому если нам требуется действительно высокая точность, мы можем искусственно ограничить размер рабочего поля, чтобы луч оставался в пределах необходимых погрешностей. Комбайнов, умеющих одинаково хорошо и то, и то, пока не изобрели.

У него ровно одна задача: запомнить последнее действие и отключить станок.
Все промышленные станки идут со своей станиной, куда обязательно интегрируется бесперебойник. Когда питание будет возвращено, обработка продолжится с той же точки.

Как бы мы здорово ни настраивали оптику и источник лазерного излучения, мы никогда не получим бесконечно малую точку. Другой важный момент — размер пятна лазера. Это то самое, из-за чего IPG Photonics стали практически монополистом рынка. Это всегда будет пятно, размер которого зависит от оптической системы, длины волны лазера и качества самого лазерного излучателя. А меньше пятно – больше мощность на его площади, выше эффективность и т.д. Они умудряются делать лазеры, у которых пятно может быть в десятки раз меньше китайских аналогов. Да ещё и распределение энергии в пятне не однородно, а согласно распределению Гаусса, но тут мы рискуем сорваться в ненужные сейчас дебри.

Люди уже ушли, но часть гравёров была занята своим делом.
Одна из производственных лабораторий. Работать несколько суток без перерыва для них нормальный режим.

На сленге лазерщиков это называется перетяжка — тот перепад высот, с которым данный станок может работать. Поэтому с ручкой (и другими не критично изогнутыми поверхностями) всё просто — без микроскопа мы не увидим, что края гравировки на скате будут размыты чуть больше, чем на верхней части, по которой выставляется фокус. Тут много специфических нюансов: если мы работаем с многослойной электроникой, где толщина слоя доходит до 10 микрон, приходится учитывать даже материал поверхности, на которой располагается заготовка. А бывают изделия (например, тончайшие сеточки, применяемые в сосудистой хирургии, именуемые стенты), где точность критична и такие изделия вырезаются исключительно из плоских заготовок. Поэтому в качестве подложки может быть использована гранитная плита (определённого типа гранита): прекрасный термический коэффициент и определённая виброустойчивость. При термическом расширении 2мм на метр за каждые 20 градусов, материал подложи считается не подходящим.


Пример станка собранного на гранитной станине.

О материалах

И скорее всего, это будет буквенно-цифровой код черного цвета. Если посмотреть на упаковку практически чего угодно произведенного в фабричных условиях, вы скорее всего обнаружите следы работы лазерного маркёра. Нет. Значит ли это, что при маркировке лазер выжигает верхний слой материала, оставляя после себя пепел, тлен и уныние? Давайте разбираться, что же происходит. Если предположить, что это так, такие надписи можно было-бы элементарно стереть, но они держатся как влитые.


При разработке технологий требующих микронную точность, всё контролируется микроскопом.

Тут всё кажется простым. В предыдущем абзаце мы уже упомянули размер пятна лазера. Но почему-то мы забыли о материалах, с которыми взаимодействует лазер, и техпроцессах, коих много: испарение, оплавление и т.д. Хочешь больше мощности — делай маленькое пятно, не нужная большая мощность — можно обойтись большим. Но сейчас нас интересует только один — изменение структуры материала.

Однако руку не отрезало, не обожгло и вообще ничего не произошло: излучение не в фокусе, поэтому его мощность рассеивается на большой поверхности.
Смертельный номер — eucariot суёт руку прямо под луч лазера. Но если-бы он опустил руку...

Там, где излучение падает в ${e^2}$ раз, и находится граница нашего оптического пучка. Пока физики ищут размер пятна, смотря на распределение Гаусса (да, опять оно), оптики его просто назначили. Нам важно просто определить место (и его границы) где происходит наш техпроцесс. Но простым людям этот ${e^2}$ раз ехало болело. Каждый материал по-разному реагирует на разные длины волн и мощность излучения. И тут всё внимание объекту, на который мы светим. Мы помещаем такое изделие под лазер, основной материал никак не реагирует на приходящее излучение, а пигмент "активизируется" прямо внутри материала, т.е. Например, если в пластик (краску и т.д.) добавлять пигмент, активируемый определённой длиной волны, у него появляется интересное свойство. На выходе наше изделие будет без нарушения целостности, но с надписью, интегрированной в саму структуру материала. мы работаем только с ним. На фото, например, бирка для коровы. Это очень ценят на производствах с агрессивной средой, где надпись краской может стереться, а штамповка запачкаться до не читаемости. Сделана она из полипропилена, который очень плохо (читай никак) взаимодействует с волоконным лазером, зато добавки в нём только и ждут, чтобы их облучили. Пока бирка сама не развалится, надпись будет оставаться читаемой. Этакий посредник получается. Они принимают на себя всю энергию, которую передают полипропилену.


Те самые бирки для коров с нестираемым изображением и другие изделия из пластика.

На прозрачности кожи для определённых длин волн основано всё применение лазеров в косметологии, хирургии и прочей медицине. С обратной историей сталкивались все, кто удалял себе лазером татуировки: лазерное излучение проникает в кожу, практически никак не взаимодействуя с ней, зато поглощается краской, разрушая её.

Цвета побежалости

В основе технологии лежат цвета побежалости и давайте разбираться, что это такое. Другое интересное применение лазерных граверов, это создание цветных рисунков на металле.

Какие-то металлы окисляются быстро, какие-то медленно, но, если его нагреть, окисление всегда будет происходить здесь и сейчас. Как все мы знаем, металлы любят взаимодействовать с атмосферой — это называется окисление.


Пример возможных цветов на конкретном изделии.

Эффект отлично известен абсолютно всем, кто хоть раз или нагревал любую железку или разглядывал свежий сварной шов: на металле появлялись радужные разводы. При интерференции белого света на тонких оксидных плёнках нам кажется, что поверхность изменила свой цвет. В реальности всё несколько сложней и используются наплавления плёнок друг на друга, но в рамках этой статьи мы не будем вдаваться в такие детали. Цвет напрямую зависит от толщины оксидной плёнки, а значит, если мы знаем свойства металла и при какой температуре образуется плёнка какой толщины, то, устраивая локальный нагрев и комбинируя цветные точки, мы можем создавать цветные изображения на манер струйного принтера.

Но пока всё свежее и цвета яркие, выглядит это очень эффектно. Прочность этих рисунков ограничивается прочностью оксидного слоя, и все они со временем бледнеют из-за естественных процессов образования новых плёнок поверх старых.


Сверху видна плашка с палитрой возможных цветов и оттенков.

Насколько отечественные станки отечественные

Вопрос, который никак нельзя обойти при разговоре об отечественном производстве, так что давайте посмотрим как оно есть на самом деле.

Лазер делается у нас, в Подмосковье, на том самом НТО «ИРЭ-Полюс» с которого началось PG Photonics, которую основали наши же физики. 85% стоимости станка — это лазер.

К сожалению, оптических производств, обеспечивающих необходимое качество у нас нет.
Двигатели и точную механику для сканаторов в мире делают три компании (две английские и одна немецкая), поэтому их закупают там. Оптика (стекла и зеркала) делаются тоже самостоятельно, только стекло покупается в Англии.

Весь софт написан в России с нуля.

Все станки — полностью ручная сборка.
Сборочный участок.

Критиковать или нет отечественных станкостроителей, разрабатывающих и собирающих станки из зарубежных компонентов, — дело лично каждого. Вот такая вот структура отечественных хороших лазерных станков. Если взять всё отечественное станкостроение, которое делает хоть что-то, и заявляет свою продукцию как отечественного производства, их доля рынка оценивается примерно в 8%, т.е. Просто надо понимать, что части компонентов на отечественном рынке просто нет. в массе своей они не могут закрывать даже потребности отечественного рынка, не говоря про экспорт своей продукции.


Мозг лазерного гравёра.

Про конкуренцию с китайцами

Но именно в промышленной металлообработке и волоконных лазерах. Вы удивитесь, но её нет. На всем известном алиэкспрессе есть множество станков примерно за 250 000 рублей. В ${CO_2}$ вот там да, лет 8 уже как цирк с конями и станки делают все подряд.
На рынке ситуация сейчас довольно интересная. Есть станки уже промышленного уровня, стоят они в 2-3 раза дороже, и легально их никто сюда не возит. Они довольно паршивые, повторяют друг друга и годятся только для домашних экспериментов. Правда, при ближайшем рассмотрении оказывается, что параметры этих станков не сильно отличаются от алиэкспресных, но тут дело каждого. Конечно же, есть успешные последователи бизнес коучей и бизнес молодости, которые сделали красивый лэндинг, сгоняли в Китай, сделали там красивых фоток для каталога и продают станки по миллиону. За лэндинг с фоточками тоже кто-то должен платить.

Если кто-то покупает себе станок для DIY в свою мастерскую, он не конкурирует с промышленниками. Дальше вопрос целевой аудитории. Если покупается станок у ребят с красивым лэндингом для производства, то скорее всего вы попадёте в схему. Это просто станок для каких-то своих мелких нужд. Возможно, вы обречёте себя на вечные ремонты платными специалистами с постоянными выездами к клиенту и донастройкой оборудования. Возможно, откровенное жульничество с тендерами, когда оборудование покупается просто по количеству ящиков. А в зоне большой промышленности, где характеристики и результат не просто важны, а критичны, идёт борьба между тремя китами: плохо (объективно плохо), но дешево из Китая, дорого и хорошо из Европы, хорошо и дешевле чем из Европы, но из России.

Производства, где действительно вникают в характеристики оборудования и тщательно его выбирают, свой выбор сделали и отечественные станки продаются в Европу, Америку и на весь остальной мир.


Голова гравёра в процессе сборки

Вместо вывода

Не слишком подробная, где-то поверхностная, но тема лазерной обработки огромна, и сложно охватить всё сразу. Вот такая вот история получилась про отечественные лазерные гравёры. Или, если найдётся доброжелатель с инвайтом, мы их пригласим сюда для плодотворной беседы и, возможно, попросим раскрыть другие тайны своей отрасли. Представителей "Лазерного Центра" на Хабре нет, но все вопросы из комментариев я им передам.

Спасибо всем. UPD: Инвайты нашлись и отправлены, так что ждём ответов из первых рук.


Уйти и не отгравировать всё, до чего дотягиваются руки — выбор трусов!

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть