Na značenie kameňa sa najčastejšie používa CO₂ laser. Uplatňujú sa dva základné procesy: laserové gravírovanie a termochemické značenie povrchu (spôsobujúce zmenu farby a mikropraskliny materiálu):
-
Laserové gravírovanie (ablácia materiálu): Pri vysokom výkone a zaostrenom lúči laser odoberá materiál z povrchu kameňa a vytvára tak hlbší reliéfny popis. Výsledkom je trvalá rytina do kameňa. Pri laserovom gravírovaní vzniká jemný kamenný prach a úlomky, ktoré je potrebné odstraňovať. Počas dlhších úloh totiž môže dochádzať k zaneseniu optiky alebo trysky. Táto metóda značenia umožňuje vytvárať detailné vzory aj do veľmi tvrdých hornín. Využíva sa na hlboké značenie, napríklad vyrytie loga či textu do žuly alebo tvorbu 3D reliéfov.
-
Termochemické značenie (zmena povrchu bez ablácie): Laser lokálne zahrieva povrch kameňa bez toho, aby materiál úplne odparil. Tým vznikajú mikrotrhlinky a zmeny štruktúry povrchovej vrstvy, ktoré sa prejavia farebným alebo kontrastným efektom. Na tmavých kameňoch (čadič, čierna žula, bridlica) tak laser vytvára svetlú matnú stopu, dobre čitateľnú na tmavšom podklade. Pôvodne lesklý povrch kameňa popráska a zmatnie. Výsledok je podobný, ako keby bol kameň opieskovaný alebo chemicky naleptaný. Termické značenie je vhodné na povrchové popisy s vysokým kontrastom, bez výraznej straty materiálu.
Vhodný typ lasera
Pre väčšinu aplikácií laserového značenia kameňa je najvhodnejší CO₂ laser. S vlnovou dĺžkou ~10,6 µm sa výborne absorbuje v mineráloch a horninách. Vďaka tomu dokáže CO₂ lúč účinne zahrievať a odparovať povrch kameňa a vytvárať kontrastné značenie. CO₂ lasery sa bežne používajú na gravírovanie žuly, mramoru, bridlice a ďalších prírodných kameňov s výbornými výsledkami.
Naopak, vláknový laser nie je pre priame značenie surového kameňa veľmi vhodný. Nerastné materiály totiž kratšiu vlnovú dĺžku absorbujú len zle. Najmä kremenné zložky kameňa sú pre 1064 nm do značnej miery transparentné. Väčšina energie vláknového lasera sa teda pri kameni nevyužije, alebo preniká materiálom bez účinku, a nemožno dosiahnuť účinnú abláciu. Vláknovým laserom tak nemožno kameň efektívne gravírovať či taviť, pokiaľ má prírodný povrch.
Jedinou možnosťou, ako značiť kameň vláknovým laserom, je úprava povrchu: buď mať na kameni odstrániteľnú vrstvu náteru či laku, ktorú laser odparí a odhalí kontrastný podklad, alebo naniesť na čistý kameň tenkú vrstvu špeciálneho absorpčného pigmentu, ktorý sa pôsobením lasera natrvalo prichytí k povrchu. Podobne sa vláknovým laserom značí sklo či keramika. Tieto metódy však nedosahujú trvácnosť a kvalitu priameho značenia CO₂ laserom. Výsledný motív sa nachádza len na povrchu, vo forme pripečenej farbiacej látky alebo odhaleného podkladu, a chýba skutočný reliéf v kameni.
Špecifické využitie pri značení kameňa majú zelené a UV lasery. Zelený laser (DPSS, 532 nm) ponúka menší spot v rozsahu desiatok µm a vyššiu absorpciu pri materiáloch, ktoré nereagujú na infračervené žiarenie. Je schopný značiť niektoré svetlé minerály, sklo či keramiky, kde by si CO₂ ani vláknový laser neporadili. Zelený lúč vytvára tzv. „studené“ značenie s menším tepelným ovplyvnením okolia, takže nedochádza k nežiaducemu spáleniu alebo praskaniu okolitého materiálu. Podobne UV laser (355 nm) má veľmi vysokú fotónovú energiu a širokú absorpciu vo väčšine látok, čo umožňuje priame značenie takmer akéhokoľvek materiálu s minimálnym tepelným ovplyvnením.
V priemyselnej praxi sa však tieto krátkovlnné lasery používajú na značenie kameňa len výnimočne, pretože dostupné výkony sú nízke (typicky 3–10 W pri zelených laserov a 5–15 W pri UV laserov) a zariadenia sú nákladné. Zelené a UV lasery sa preto nasadzujú predovšetkým na jemné značenie malých detailov alebo špeciálne aplikácie (napr. označovanie citlivých keramických súčiastok), kde je potrebný precízny popis bez tepelného poškodenia. Na bežné hlboké gravírovanie kameňa na väčších plochách zostáva najefektívnejším riešením CO₂ laser.
Odporúčané parametre značenia
Pri laserovom značení kameňa CO₂ laserom sa zvyčajne volí vysoký výkon a nižšia rýchlosť posuvu v porovnaní napríklad so značením plastov či dreva. Kameň je tvrdý a má vysokú tepelnú vodivosť, takže na jeho odparenie je potrebné sústrediť čo najviac energie. Typicky sa nastavuje výkon blízko maxima lasera (70–100 % menovitého výkonu) a pomalšia rýchlosť skenovania (v jednotkách až desiatkach percent maximálnej rýchlosti stroja).
Napríklad pri 60W CO₂ laseri je možné začať s výkonom 100 % a rýchlosťou ~30 %. Pri slabších laseroch (30 W) je potrebné rýchlosť ešte viac znížiť (~15 % pri plnom výkone). V absolútnych hodnotách to znamená, že gravírovacia hlava sa pohybuje relatívne pomaly (desiatky až nižšie stovky mm/s) a lúč intenzívne pôsobí na každé miesto.
Optimálne nastavenie parametrov závisí od typu kameňa. Tmavé, homogénne horniny (čierna žula, čadič, bridlica) dosahujú vysoký kontrast už pri strednom výkone a rýchlejšom pohybe. Napríklad pre leštený čadič je vhodná už kombinácia ~12 % výkonu a 50 % rýchlosti (pre 100 W stroj), pri bridlici ~20 % výkonu a 100 % rýchlosť.
Naopak svetlé alebo pórovité kamene (svetlá žula, pieskovec, betón) vyžadujú extrémne pomalé rytie pri plnom výkone (aj pod 20 % rýchlosti) a často viacnásobné prechody lúča, aby sa dosiahol viditeľný popis. Ak niektorý materiál, ako napríklad biely mramor, neposkytuje pri laserovom gravírovaní dostatočný kontrast, rieši sa to následným zvýraznením farbou. Do vyhĺbeného motívu sa vtiera pigment alebo farba na zvýšenie kontrastu.
Pri značení kameňa laserom všeobecne platí, že namiesto jedného silného pulzu je vhodnejšie deliť výkon do viacerých prechodov. Kameň sa tak menej tepelne namáha a nehrozí vznik prasklín vplyvom teplotného šoku. Operátor preto často zvolí radšej dva až tri opakované prechody pri strednom výkone než jeden extrémne pomalý priechod na plný výkon. Tento prístup vedie k čistejšiemu a kontrolovanejšiemu výsledku, pretože nedochádza k prehriatiu okolia značenia ani k praskaniu materiálu. Medzi jednotlivými prechodmi je vhodné vzniknutý prach odfúkať alebo opláchnuť, aby ďalšie gravírovanie prebiehalo na čistom povrchu.
Na reguláciu energie na ploche sa pri kameni využíva defokusácia (rozostrenie lúča). Pri hlbokom gravírovaní sa niekedy lúč zaostrí mierne pod povrch (napr. -1 mm), aby bola najvyššia hustota energie pod úrovňou povrchu a rez šiel viac do hĺbky. Naopak, pri povrchovom značení a zvýšení kontrastu sa často lúč úmyselne rozostrí nad povrch (napr. +1 až +2 mm), čím sa zväčší priemer spotu a zníži špičková hustota energie. Laser potom povrch skôr rovnomerne zahrieva a zmatňuje, než aby ho prerážal. Tým sa podporí vznik kontrastnej stopy bez výraznej ablácie. To je užitočné napríklad pri fotogravírovaní do žuly, kde chceme dosiahnuť svetlý obrazec na tmavom kameni. Optimálnu defokusáciu je potrebné vyskúšať pre daný materiál – napríklad pri mramore sa osvedčuje ~0,5 mm podfokus, pri oblázkoch s nerovným povrchom až +2 mm nadfokus.
Výhody a nevýhody typov laserov pri značení kameňa
Výhodou CO₂ lasera je vysoká účinnosť vďaka silnej absorpcii jeho vlnovej dĺžky vo väčšine hornín. Umožňuje rýchle ablačné gravírovanie aj rovnomerné matovanie povrchu s vynikajúcim kontrastom. Je dostupný vo vyšších výkonoch a vo veľkoformátových systémoch, takže je vhodný na rozsiahle plochy (obklady, dosky).
Nevýhodou CO₂ lasera je relatívne väčší priemer lúča (~100 µm), čo obmedzuje dosiahnutie najjemnejších detailov. CO₂ laser nie je vhodný na kovové alebo reflexné prvky v kameni, pretože kovy jeho lúč odrážajú. Zariadenia s CO₂ laserom bývajú rozmernejšie a vyžadujú účinné odsávanie prachu.
Vláknový laser má veľmi jemný lúč (~30 µm), ktorý umožňuje vysoké rozlíšenie detailov, pokiaľ materiál lúč absorbuje. Pulzný vláknový laser má vysoký špičkový výkon, takže dokáže hlboko gravírovať tvrdé materiály a pri galvo skenovaní vie rýchlo vytvoriť motív na malej ploche.
Väčšina prírodných kameňov však slabo absorbuje žiarenie s vlnovou dĺžkou 1064 nm, takže výsledky značenia sa medzi jednotlivými druhmi kameňa výrazne líšia. Značenie kameňa vláknovým laserom býva málo kontrastné, obmedzené prakticky len na tmavé homogénne kamene alebo na predupravený povrch. Pri svetlých mineráloch sa účinok často vôbec neprejaví. Vysoká hustota energie navyše môže spôsobovať mikropraskliny a drobné odlupovanie v mieste dopadu. Vláknové lasery sa zvyčajne používajú v menších pracovných poliach (galvo hlavy ~100–300 mm), preto nie sú vhodné na väčšie kamenné diely.
Kratšia vlnová dĺžka zeleného lasera zabezpečuje vyššiu absorpciu pri niektorých materiáloch, ako sú svetlé minerály, a malý priemer lúča (~20–30 µm) umožňuje značenie jemných detailov. Obmedzený dostupný výkon (typicky 5–10 W) však znamená nižšiu rýchlosť značenia a menšiu hĺbku gravírovania. Pri tvrdších kameňoch nie je zelený laser efektívny; hodí sa skôr na povrchové kontrastné popisy. Zariadenia sú drahšie (DPSS technológia) a citlivé na nastavenie.
Veľmi krátka vlnová dĺžka UV lasera s vysokou absorpciou prakticky vo všetkých materiáloch umožňuje značenie aj čírych a tvrdých kameňov fotochemickou cestou, s minimálnym tepelným ovplyvnením. Výsledné jemné značenie bez trhlín vyhovuje požiadavkám na mikroznačenie a detailnú grafiku.
Nevýhodou UV lasera je veľmi nízky výkon (bežne 3–15 W), čo výrazne obmedzuje jeho použiteľnosť pri práci s kameňom. Gravírovanie je pomalé a len plytké. Na bežné priemyselné aplikácie značenia kameňa sa UV laser nehodí pre svoju nízku produktivitu.