Cynk ma bardzo niską temperaturę topnienia (około ), co w połączeniu z wysoką przewodnością cieplną, miękkością oraz łatwym utlenianiem stawia specyficzne wymagania wobec znakowania laserowego. Błyszcząca powierzchnia cynku odbija większość padającego promieniowania (nawet do 80% światła widzialnego), dlatego przy niskich temperaturach energia lasera jest w dużej mierze odbijana. Po podgrzaniu cynku współczynnik odbicia jednak gwałtownie spada, a absorpcja rośnie.
Z tego powodu znakowanie laserowe cynku powinno odbywać się w tzw. trybie ultra-niskoenergetycznym z krótkimi impulsami, aby zapobiec stopieniu i deformacji materiału. W praktyce oznacza to zastosowanie lasera impulsowego, wysokich częstotliwości (≥ ) oraz precyzyjnego ogniskowania wiązki, tak aby energia była skoncentrowana lokalnie i aby zminimalizować przegrzewanie otaczającego materiału.
Metody znakowania laserowego
Podczas znakowania cynku i powierzchni ocynkowanych laserem można stosować etching, ablację lub grawerowanie.
Najszybszą metodą znakowania laserowego cynku jest etching, czyli trawienie powierzchni, w którym przy odpowiednim doborze parametrów laser jedynie krótko nadtapia powierzchnię cynku i wytwarza na niej rzadką, cienką warstwę tlenku ZnO. Tlenek cynku o grubości kilkudziesięciu nanometrów ma barwę białą lub jasnoszarą, dzięki czemu powstaje kontrastowe, jasne znakowanie na ciemnym tle. Proces przebiega w kontrolowanej temperaturze poniżej około 350 °C, aby nie doszło do stopienia materiału bazowego.
W przypadku ablacji wiązka lasera selektywnie odparowuje cienką warstwę cynku, odsłaniając materiał bazowy, najczęściej stal. Oznaczenie powstaje jako kontrast między jasną powierzchnią cynku a ciemniejszym podłożem. Zwykle stosuje się impulsy prowadzone tuż poniżej temperatury topnienia (380–400 °C) oraz bardzo wysokie częstotliwości (≥200 kHz), ak aby usunąć wyłącznie warstwę powierzchniową. Przy prawidłowych nastawach uzyskuje się ostre, ciemne znakowanie o wysokim kontraście bez przegrzania i deformacji detalu.
W zastosowaniach, w których ingerencja w materiał bazowy nie stanowi problemu, wykorzystuje się również grawerowanie wgłębne. W pierwszym kroku laser usuwa warstwę cynku, a następnie kolejnymi impulsami stopniowo nadtapia także stal podkładową. W efekcie powstaje bardzo kontrastowe, ciemne znakowanie na jasnym tle cynkowym. Liczbę przejść warto minimalizować, ponieważ każde kolejne przejście zwiększa obciążenie cieplne oraz ryzyko rozlania krawędzi lub deformacji detalu.
Odpowiedni typ lasera
-
Laser fibrowy (1064 nm): Najczęściej stosowany typ do znakowania metali. Lasery fibrowe, szczególnie w architekturze MOPA, umożliwiają generowanie bardzo krótkich impulsów, wysokich energii szczytowych oraz ekstremalnych prędkości skanowania. Dzięki temu pozwalają tworzyć drobne detale, np. kody QR, a jednocześnie szybko obrabiać także duże powierzchnie. Wadą jest niższa absorpcja wiązki (1064,\mathrm{nm}) przez cynk, na poziomie zaledwie 25–30%. Dlatego często konieczne jest stosowanie wyższych częstotliwości impulsów oraz precyzyjnych nastaw, aby uzyskać raczej kontrolowane nadtapianie i kontrast, a nie natychmiastowe stopienie materiału..
-
Laser zielony (532 nm): Ze względu na wysoką absorpcję (55–65%) stanowi optymalne źródło dla czystego cynku. Lasery te często stosuje się do czystego znakowania oksydacyjnego, w którym niższa moc i krótsze impulsy tworzą gęsty, cienki film ZnO dający białe znakowanie. Lasery zielone nie zawsze są jednak standardowym elementem linii przemysłowych i zazwyczaj uzupełniają rozwiązania oparte na laserach fibrowych.
-
Laser CO₂ (10,6 µm): Nie nadaje się do bezpośredniego znakowania czystego cynku. Jego absorpcja jest bardzo niska (<5%), więc wiązka odbija niemal całą energię, a materiał częściej się przegrzewa, niż jest efektywnie znakowany. Laser CO₂ bywa czasem wykorzystywany przy elementach ocynkowanych po usunięciu warstwy Zn laserem fibrowym, wówczas wiązka pracuje na stali, którą laser CO₂ pochłania bardzo dobrze. Mimo to do znakowania cynku zazwyczaj preferuje się laser fibrowy ze względu na jego precyzję i wydajność.
-
Laser UV (~355 nm): Specjalistyczny wybór do precyzyjnego mikrograwerowania. Dzięki krótkiej długości fali lasery UV osiągają rozdzielczości submikronowe i minimalną strefę wpływu ciepła. Zwykle mają jednak niewielką moc (rzędu kilku watów), pracują wolniej i często są bardzo drogie. Stosuje się je więc głównie w aplikacjach wymagających ekstremalnej precyzji, takich jak mikroelektronika czy komponenty medyczne, a nie w przemysłowym znakowaniu większych detali.
Zalecane parametry znakowania
Przy znakowaniu cynku i stali ocynkowanej generalnie stosuje się wysoką intensywność w krótkim czasie. Typowe nastawy lasera fibrowego mogą wyglądać na przykład tak:
- Dla cienkich, czystych warstw cynku zalecana jest moc 10–20W, natomiast głębsze grawerowanie lub grubsze materiały wymagają 30–50 W.
- Prędkość skanowania dla jasnego znakowania powierzchniowego cynku dobiera się zazwyczaj na poziomie 800–1000 mm/s. W trybie ablacyjnym pracuje się wolniej (~400–600 mm/s), aby laser zdążył usuwać materiał. Do znakowania wysokoprędkościowego można zwiększyć prędkość powyżej 1000 mm/s kosztem niższego kontrastu.
- Częstotliwość impulsów przy znakowaniu cynku dobiera się wysoką, rzędu setek kHzkHz. Krótkie impulsy przy wysokiej częstotliwości ograniczają akumulację ciepła i zapobiegają topieniu powierzchni.
- Czas trwania impulsu może wynosić zaledwie kilka nanosekund, aby znakowanie miało ostre krawędzie.
- Zwykle wystarcza 1 przejście: kolejne przejścia zwiększają głębokość i kontrast, ale także ryzyko przegrzania cynku i rozmycia krawędzi. W przypadku elementów ocynkowanych czasem stosuje się 2 do 3 przejść: pierwsze w celu zeskrobania warstwy Zn, a kolejne w celu pogłębienia kontrastu.
- Podczas znakowania cynku minimalizuje się nakładanie linii skanowania (hatch overlap około ~0,02–0,05 mm), aby te same obszary nie nagrzewały się wielokrotnie. Zaleca się autofokus z dokładnością około ~0,01 mm, ponieważ nawet niewielkie rozogniskowanie zauważalnie zwiększa gęstość energii i może powodować niepożądane topienie. W przypadku bardzo cienkich warstw (< 10 µm) wyjątkowo można zastosować lekką defokusację kosztem obniżenia rozdzielczości i kontrastu.
Dzięki właściwemu doborowi systemu laserowego, optymalizacji parametrów oraz przestrzeganiu opisanych procedur można uzyskać na cynku i powierzchniach ocynkowanych znakowanie o wysokim kontraście i dużej trwałości.
W praktyce przemysłowej najczęściej stosuje się lasery fibrowe, które zapewniają wysokie prędkości oraz odwzorowanie drobnych detali. Klucz do sukcesu polega na kontrolowanym wytwarzaniu cienkiej warstwy tlenkowej lub selektywnym usuwaniu materiału..