Báza znalostí: Laserové značenie kompozitov

Laserom je možné značiť prakticky všetky bežné typy kompozitov, ak sa zvolí vhodná technológia. Zásadnými výzvami sú nehomogenita materiálu, rozdielna tepelná vodivosť zložiek a riziko delaminácie alebo poškodenia matrice.

Ktoré kompozity je možné značiť laserom

• Vláknové kompozity: CFRP kompozity, GFRP kompozity či aramidové kompozity (napr. Kevlar v termoplastickej alebo termosetickej matrici). Patria sem aj balistické materiály (Kevlar/uhlík) a kompozity pre športové vybavenie.
• Plastové materiály plnené vláknami či časticami: konštrukčné plasty vystužené krátkymi sklenenými alebo uhlíkovými vláknami, prípadne s keramickým plnivom. Tieto „modifikované“ plasty je možné značiť laserom podobne ako čisté polyméry, často s pomocou aditív zvyšujúcich absorpciu laseru.
• Hybridné a vrstvené kompozity: napr. kov-polymerové hybridy alebo sendvičové panely. Typickým príkladom sú hliníkové kompozitné panely (ACP) s plastovým jadrom, pri ktorých je možné značiť kovový povrch (napr. gravírovaním oxidačnej vrstvy). Ďalej sem patria keramicko-polymerné kompozity, kombinujúce keramické plnivá a živice, ktoré sa značením správajú podobne ako tvrdé plasty.

Metódy laserového značenia kompozitov

Laserové značenie ako technológia zahŕňa viacero rôznych procesov, ktorých voľba závisí od zloženia kompozitu a požadovanej kvality značenia. Najčastejšie sa pri kompozitných materiáloch uplatňujú:

• Gravírovanie / ablácia materiálu: Odstránenie vrchnej vrstvy kompozitu (napr. gélcoatu alebo lakového filmu) laserom, čím vznikne reliéfne značenie. Pri kompozitoch s tmavou výstužou možno odparením svetlého spojiva vytvoriť kontrastnú tmavú stopu zodpovedajúcu vystupujúcim vláknam alebo spodnej vrstve. Gravírovanie (hlbšia ablácia) sa hodí aj na trvalé VIN kódy, logá či QR kódy do štruktúry kompozitu.
• Zmena farvy: Pri svetlých polymérnych matriciach laser vyvolá lokálnu chemickú zmenu, napr. spálenie polyméru na uhlík (karbonizácia), čo zanechá tmavú značku. Pri tmavom kompozite sa naopak dá využiť zosvetlenie rozkladom farbiva. Tieto procesy nemenia topografiu povrchu, iba jeho farbu.
• Penenie (foaming): Krátke pulzy laseru natavia povrch organickej matrice, pričom sa vytvoria drobné plynové bublinky uväznené v stuhnutom plaste. Výsledkom je vystúpená, svetlo sfarbená značka, dobre viditeľná na tmavých kompozitoch. Penenie laserom sa využíva najmä pri termoplastoch obsahujúcich pigment alebo sadze, ako sú napr. čierne plastové diely vystužené sklom
• Žíhanie (annealing): Ak kompozit obsahuje kovové povrchy či vrstvy, možno niekedy použiť značenie žíhaním. Zmysel to má napr. pri nerezových štítkoch vlepených do kompozitných dielov. Laser zahreje kov pod prah tavenia a vytvorí tenkú oxidickú vrstvu rôznych farieb. Žíhanie poskytuje kontrastné farebné značenie bez úbytku materiálu. Pri čisto nekovových kompozitoch sa neuplatňuje.

Každý kompozit reaguje na tepelnú záťaž laseru inak. Napríklad uhlíkové vlákna výborne absorbujú infračervený lúč a odolávajú vysokým teplotám, zatiaľ čo okolité polymérne spojivo môže mäknúť alebo sa spáliť. Kľúčom k úspešnému značeniu kompozitov je precízne nastavenie parametrov pre každý materiál tak, aby všetky zložky (vlákna, spojivo, prípadne výplne či povrchové úpravy) boli označené rovnomerne..

Nesprávne nastavenie (napr. príliš vysoký výkon alebo pomalý posuv) môže viesť k nerovnomernej kvalite značky v dôsledku rozdielnej tepelnej rozťažnosti či reakcií jednotlivých zložiek kompozitu. Vo všeobecnosti však platí, že laserové značenie kompozitov je šetrné k povrchu dielu a nevytvára mechanické pnutie ani praskliny, ktoré by mohli narušiť integritu materiálu. Preto je popisovací laser ideálnou náhradou za tradičné metódy značenia, ktoré môžu spôsobovať mikroskopické trhliny, delamináciu alebo vyžadujú agresívne chemikálie.

Vhodné typy laserov

Správna voľba laseru výrazne ovplyvní kvalitu popisu kompozitného materiálu. Najčastejšie sa používajú pulzné pevné lasery s rôznymi vlnovými dĺžkami lúča, ktoré sa vyberajú podľa zloženia kompozitu. Každá vlnová dĺžka sa inak absorbuje v rôznych materiáloch, preto často platí, že jeden typ laseru nemôže optimálne značit všetky materiály. Nižšie uvádzame prehľad vhodných laserov pre kompozity:

• Vláknový laser: Lúč s vlnovou dĺžkou približne 1 µm je vhodný pre kompozity s vodivými zložkami, ako sú uhlíkové vlákna alebo kovové výstuže. Dosahuje sa trvalý, kontrastný popis vlákien aj prípadných kovových prvkov. Vysoký výkon pulzných vláknových laserov navyše umožňuje hlbšie gravírovanie a rýchle značenie. Nevýhodou je slabá absorpcia v čírych dielektrických materiáloch. Ak kompozit obsahuje transparentnú živicu alebo sklo, lúč s vlnovou dĺžkou 1 µm môže prechádzať bez účinku. V praxi sa to rieši buď pridaním absorpčných aditív do matrice, alebo voľbou kratšej vlnovej dĺžky.
• CO₂ laser: Plynový CO₂ laser vyžaruje dlhú vlnovú dĺžku 10,6 μm, ktorú výborne absorbujú organické materiály. CO₂ lasery sú preto vhodné pre kompozity s nekovovou matricou. Pri sklolaminátoch (GFRP) spoľahlivo označia epoxidovú či polyesterovú matricu. Sklenené vlákna samotné absorbujú infračervené žiarenie menej, ale zvyčajne sa obnažia alebo znečistia od okolitého pojiva, čo poskytne kontrast. Rovnako tak možno CO₂ laserom značit kevlarové aramidové kompozity či uhlíkové kompozity s polymérnou matricou, kde dochádza k intenzívnemu ohrevu a odpareniu povrchovej vrstvy živice. CO₂ laser pracuje typicky v režime dlhších pulzov alebo kontinuálne, s väčším priemerom stopy, a hodí sa aj na rozmernejšie popisy či výrezy do kompozitných dosiek. Nevýhodou je, že neoznačí kovy (hliníkové či oceľové časti kompozitu odrážajú 10,6 μm lúč). V takom prípade je nutná kombinácia s iným laserom alebo použitie predupraveného povrchu, ako je povlak absorbujúci CO₂.
• UV laser: Ultrafialový laser (typicky tretia harmonická Nd:YAG alebo špeciálne UV vláknové lasery) produkuje krátku vlnovú dĺžku 355 nm. UV žiarenie sa veľmi silno absorbuje v plastoch a organických pojivách. Energia sa spotrebuje v tenkej povrchovej vrstve, čo umožňuje tzv. „studené značenie“ bez výrazného tepelného ovplyvnenia okolia. UV lasery sú preto vynikajúce na jemné, kontrastné značenie svetlých a tepelne citlivých kompozitov, napr. elektronických súčiastok z epoxidových laminátov alebo samozhášavých plastov plnených sklom. Pri samozhášavých kompozitoch s halogénovými aditívami je UV laser často jediným spôsobom, ako dosiahnuť tmavú čitateľnú značku na svetlom materiáli. Výhodou UV laseru je aj veľmi malý fokus pre mikroznačky, ako napr. datamatrix kódy na DPS. Nevýhodou sú vyššie obstarávacie náklady a nižší výkon (typicky 3–10 W), čo obmedzuje rýchlosť značenia v porovnaní s IR lasermi.
• Zelený laser: Zelené lasery (druhá harmonická Nd:YVO₄ a pod.) predstavujú kompromis medzi IR a UV. Vlnová dĺžka 532 nm sa dobre absorbuje v širšom spektre plastov než 1064 nm, takže rozširuje paletu dobre značiteľných materiálov. Zelený laser sa využíva napr. na značenie priehľadných alebo bielych plastových kompozitov, kde by 1064 nm zlyhalo. V priemysle však nie sú zelené značkovacie lasery tak rozšírené, častejšie sa volí rovno UV, ktoré má absorpciu ešte vyššiu. Napriek tomu niektoré laserové systémy ponúkajú aj zelený 532 nm laser, ak si aplikácia vyžaduje kompromis medzi vysokou rýchlosťou a dobrou absorpciou bez nutnosti UV technológie..
• Pulzné pikosekundové a femtosekundové lasery: Pre najnáročnejšie aplikácie (napr. letecké diely, kde je akékoľvek tepelné poškodenie kompozitu neprípustné) je možné nasadiť ultrakrátke pulzy v rádoch 10^−12 – 10^−15 s. Tieto lasery, zvyčajne na báze vláknových alebo Nd:YAG laserov, materiál ablatívne odparujú s minimálnou zónou tepelného ovplyvnenia (HAZ). Pikosekundové/femtosekundové lasery dokážu značiť kompozity bez delaminácie a mikroprasklín, avšak kvôli nižšiemu výkonu zvyčajne pomalšie. V priemyselnej praxi sa používajú obmedzene kvôli vysokej cene, no trendom vo vyspelej výrobe kompozitov je nasadzovanie výkonnejších ultrakrátkopulzných laserov, ktoré spájajú kvalitu a rýchlosť. Pre väčšinu bežných značiacích úloh však postačujú vláknové alebo CO₂ lasery s krátkou dĺžkou pulzu v ráde nanosekúnd, prípadne doplnené UV zdrojom.

Odporúčané parametre

Pri laserovom značení kompozitných materiálov je nevyhnutné starostlivo optimalizovať parametre, aby sa dosiahlo čitateľné a trvalé značenie bez poškodenia materiálu. Všeobecné odporúčania pre nastavenie sú v prípade kompozitov nasledovné:

• Výkon laseru a pulzná energia: Kompozitné materiály väčšinou nevyžadujú pri značení extrémne vysoké výkony. Typické priemyselné vláknové značiace lasery majú 20–30 W, čo pri plastových a vláknových kompozitoch spravidla postačuje. Vyšší výkon (50 W a viac) sa využíva skôr pri veľmi tvrdých kompozitoch alebo na hlboké gravírovanie. Príliš vysoký výkon môže spôsobiť nadmerné spálenie pojiva či matrice a tepelne narušiť okolie značenia, preto je vhodné začínať s nižšou energiou a prípadne ju postupne zvyšovať. Dĺžka pulzu a špičkový výkon by mali byť nastavené tak, aby značili matricu, ale neoddelili od nej vlákna. Pri citlivých kompozitoch sú vhodnejšie kratšie pulzy s nižšou energiou, ktoré minimalizujú teplo a nespôsobia delamináciu (~20–50 ns).

• Frekvencia pulzov: Vyššia frekvencia (desiatky až stovky kHz) znamená viac prekrytí pulzov a rovnomernejší prenos tepla, čo je vhodné pre jemné farebné značenie či penenie plastovej matrice. Nižšia frekvencia (jednotky až desiatky kHz) dáva pulzom viac energie jednotlivo a hodí sa na agresívnejšiu abláciu materiálu. Pri kompozitoch s plastovou matricou je vhodná frekvencia skôr v nižšom rozsahu (napr. 10–30 kHz), zatiaľ čo kompozity s kovovou zložkou sa značia pri 20–60 kHz. V praxi je nutné frekvenciu doladiť experimentálne. Napríklad pri čiernom CFRP môže príliš vysoká frekvencia spôsobiť len povrchové opálenie bez kontrastu, zatiaľ čo nižšia frekvencia vytvorí matnú sivú stopu. Naopak pri bielo pigmentovaných sklených kompozitoch môže vyššia frekvencia s nižšou energiou pulzu vytvoriť čistejšiu sivú značku než nízkofrekvenčný „prepálený“ popis. Dôležité je nájsť kompromis medzi kontrastom a tepelnou deformáciou. Prekrytie pulzov by malo zabezpečiť súvislú čiaru bez medzier, ale nemalo by prehrievať miesto značenia.

• Rýchlosť značenia (posuvu): Vo všeobecnosti platí, že plasty a kompozity možno značit vyššími rýchlosťami než kovy, vďaka nižšej tepelnej vodivosti plastov. Vyššia rýchlosť posuvu (napr. v rozsahu stoviek mm/s) skracuje dobu zotrvania lúča na mieste a zabraňuje nadmernému ohrevu. Pre plasty a FRP kompozity sa odporúčajú rýchlosti cca 400–1000 mm/s. Vyššia rýchlosť dáva plytšie, ale čisté značenie. Príliš pomalý posuv by mohol prepáliť hlboký kráter do matrice alebo spôsobiť zuhoľnatenie okrajov značenia. Pri požiadavke na hlbší alebo veľmi kontrastný popis možno rýchlosť znížiť, avšak vždy v spojení s primeranou redukciou výkonu, aby nedošlo k spáleniu. Pre kovové časti kompozitu (napr. povrchová fólia) bývajú optimálne nižšie rýchlosti, okolo 200–400 mm/s, pretože kovy potrebujú dlhšiu interakciu na vytvorenie oxidu či natavenie. Vždy je nutné zosúladiť rýchlosť s výkonom a frekvenciou.

• Zaostrenie a poloha ohniska: Správne zaostrenie laseru na povrch kompozitu je kľúčové pre dosiahnutie ostrého a konzistentného značenia. Keďže však kompozity môžu mať rôznorodý povrch (textúra vlákien, povrchová vrstva živice, gelcoat a pod.), niekedy sa osvedčuje mierne rozostrenie. Rozšíri stopu lúča a znižuje hustotu energie, čo môže pomôcť rovnomerne označiť viacfázový materiál a zabrániť mikropoškodeniu jednej zo zložiek. Napríklad pri uhlíkových prepregoch zaliatych lesklou živicou môže presné zaostrenie spôsobiť lokálne prasklinky v krehkej vrstve laku, zatiaľ čo nepatrné rozostrenie rozloží energiu na väčšiu plochu a značka bude hladšia. Laser má obmedzenú hĺbku ostrosti, teda rozsah, v ktorom zostáva značenie ostré. Pri dieloch s jemnými štruktúrami alebo nerovným povrchom je preto nutné zabezpečiť, aby celá značená plocha ležala v tomto pásme ostrosti. Pri hrubších kompozitoch alebo 3D tvaroch sa využíva 3D fokusácia alebo systém posuvu osi Z, aby boli aj zakrivené plochy označené ostrou stopou.

• Viacnásobné prechody (multi-pass): Namiesto pokusov o dosiahnutie požadovaného kontrastu jedným pomalým prejazdom je výhodné rozdeliť proces do viacerých rýchlejších prechodov. Viacnásobné značenie znižuje riziko prehriatia kompozitu. Každý prechod odstráni len časť materiálu alebo zmení farbu povrchu a materiál má čas čiastočne vychladnúť, kým príde ďalší pulz v nasledujúcom prechode. Pri hrubších kompozitoch (napr. dosky FR4) sa takto dá postupne odstrániť vrstva masky alebo živice bez zuhoľnatenia sklených vlákien pod ňou. Odporúča sa medzi opakovanými prechodmi nechať laser krátko vypnutý. Materiál má medzitým priestor odviesť teplo. Viacvrstvové značenie je tiež spôsob, ako dosiahnuť sýtejší kontrast: prvý prechod zdrsní povrch alebo ho nataví a druhý či tretí prechod vytvorí finálny popis na už upravenom podklade. Vhodné napríklad pre čierne značenie skleného kompozitu.

• Materiálové aditívum na zvýšenie kontrastu: Ak základný polymér kompozitu zle absorbuje štandardné laserové vlnové dĺžky, je možné využiť špeciálne aditíva. Pridávajú sa napr. oxidy kovov, sadze, slídové mica pigmenty a pod., ktoré zlepšujú absorpciu a menia farbu po ožiarení laserom. Ak nie je možné aditívum priamo do materiálu pridať, alternatívou je špeciálna povrchová vrstva, ktorá reaguje na laser. Tá sa nanesie na kompozitný diel a laser ju buď odstráni (odhalí kontrastnú spodnú vrstvu, viď ablácia), alebo chemicky zmení jej farbu. Táto metóda sa využíva napr. pri kompozitných elektrických konektoroch.

Optimálne parametre značenia kompozitov sa často dolaďujú experimentálne. Každý kompozit môže mať odlišnú odozvu. Napríklad dva rôzne typy uhlíkových laminátov sa líšia obsahom živice, typom vlákien a farbivami. Jeden môže vyžadovať vyšší výkon a pomalšie ťahy pre zreteľnú sivú značku, zatiaľ čo druhý naopak kratšie pulzy a rýchly posuv pre čistý popis bez spálenín.

Obsluha lasera by mala poznať význam jednotlivých parametrov a aktívne ich prispôsobovať materiálu. Moderný softvér často ponúka prednastavené profily pre základné materiály, tie však pri kompozitoch slúžia len ako východiskový bod. Dosiahnutie perfektného výsledku si vyžaduje starostlivé nastavenie. Pri dodržaní vyššie uvedených zásad však laserové značenie umožňuje získať trvalé, odolné a presné značenie na prakticky akomkoľvek kompozitnom materiáli, od uhlíkových dielov lietadiel až po sklený laminát v elektronike.