Baza wiedzy: Znakowanie laserowe kompozytów

Za pomocą lasera można znakować praktycznie wszystkie popularne typy kompozytów, o ile zostanie dobrana odpowiednia technologia. Główne wyzwania to niejednorodność materiału, różna przewodność cieplna poszczególnych składników oraz ryzyko delaminacji lub uszkodzenia matrycy.

Które kompozyty można znakować laserowo

• Kompozyty włókniste: kompozyty CFRP, GFRP oraz kompozyty aramidowe (np. Kevlar w matrycy termoplastycznej lub termoutwardzalnej). Do tej skupiny należą także materiały balistyczne (Kevlar/węgiel) i kompozyty stosowane w sprzęcie sportowym.
• Tworzywa sztuczne zbrojone włóknami lub cząstkami: konstrukcyjne tworzywa wzmocnione krótkimi włóknami szklanymi lub węglowymi, ewentualnie z wypełniaczami ceramicznymi. Tego typu „modyfikowane” plastiki można znakować laserem podobnie jak czyste polimery, często z wykorzystaniem dodatków zwiększających absorpcję promieniowania.
• Kompozyty hybrydowe i warstwowe: na przykład hybrydy metal-polimer lub panele kanapkowe. Typowym przykładem są aluminiowe panele kompozytowe (ACP) z plastikowym rdzeniem, w których można znakować laserem powierzchnię metalową (np. przez grawerowanie warstwy tlenkowej). Do tej kategorii należą również kompozyty ceramiczno-polimerowe, łączące wypełniacze ceramiczne i żywice, znakowane podobnie jak twarde tworzywa.

Metody znakowania laserowego kompozytów

Znakowanie laserowe obejmuje różne procesy technologiczne, których wybór zależy od składu kompozytu oraz wymaganej jakości oznaczenia. W przypadku materiałów kompozytowych najczęściej stosuje się:

• Grawerowanie / ablację materiału: Usuwanie wierzchniej warstwy kompozytu (np. żelkotu lub lakieru) za pomocą lasera, co tworzy wklęsłe oznaczenie. W kompozytach z ciemnym włóknem możliwe jest odparowanie jasnej matrycy i uzyskanie ciemnego kontrastowego śladu odpowiadającego widocznym włóknom lub dolnej warstwie. Głębsza ablacja jest wykorzystywana i do trwałego nanoszenia kodów VIN, logotypów czy kodów QR w strukturze kompozytu.
• Zmianę koloru: W jasnych matrycach polimerowych laser powoduje lokalną zmianę chemiczną, np. zwęglenie polimeru do postaci węgla (karbonizacja), co daje ciemny znak. W przypadku ciemnych kompozytów można z kolei zastosować wybielanie poprzez rozpad barwnika. Procesy te nie zmieniają topografii powierzchni, a jedynie jej kolor.
• Spienianie (foaming): Krótkie impulsy lasera topią powierzchnię matrycy organicznej, tworząc drobne pęcherzyki gazu zamknięte w zastygłym plastiku. Powstaje wypukłe, jasne oznaczenie dobrze widoczne na ciemnym kompozycie. Technika ta jest wykorzystywana głównie w przypadku termoplastów zawierających pigment lub sadzę, np. w czarnych elementach z tworzywa sztucznego wzmocnionych włóknem szklanym.
• Wyżarzanie (annealing): Jeżeli kompozyt zawiera metalowe powierzchnie lub warstwy, możliwe jest znakowanie poprzez wyżarzanie. Dotyczy to np. nierdzewnych tabliczek wklejanych w elementy kompozytowe. Laser podgrzewa metal poniżej progu topnienia, tworząc cienką warstwę tlenków w różnych kolorach. Metoda ta zapewnia kontrastowe, barwne oznaczenie bez ubytku materiału. W przypadku czysto niemetalicznych kompozytów nie ma zastosowania.

Każdy kompozyt reaguje inaczej na obciążenie cieplne lasera. Przykładowo włókna węglowe doskonale absorbują promieniowanie podczerwone i są odporne na wysoką temperaturę, podczas gdy otaczający je polimer może się topić lub palić. Kluczem do skutecznego znakowania kompozytów jest precyzyjne dobranie parametrów dla konkretnego materiału, tak aby wszystkie jego składniki (włókna, matryca, wypełniacze czy powłoki) zostały oznaczone równomiernie.

Nieprawidłowe ustawienia (np. zbyt wysoka moc lub zbyt wolny posuw) mogą prowadzić do nierównomiernej jakości oznaczeń ze względu na różnice w rozszerzalności cieplnej czy reakcjach poszczególnych składników kompozytu. Ogólnie jednak znakowanie laserowe jest metodą bezpieczną dla powierzchni i nie powoduje naprężeń mechanicznych ani mikropęknięć, które mogłyby osłabić strukturę materiału. Dlatego znakowarka laserowa jest idealnym zamiennikiem tradycyjnych metod znakowania, które mogą powodować mikroskopijne pęknięcia, delaminację lub wymagają użycia agresywnych substancji chemicznych.

Odpowiednie typy laserów

Właściwy dobór lasera ma istotny wpływ na jakość oznakowania materiału kompozytowego. Najczęściej stosuje się impulsowe lasery ze stałym medium aktywnym o różnych długościach fali, które dobiera się w zależności od składu kompozytu. Każda długość fali jest inaczej pochłaniana przez różne materiały, dlatego często jeden typ lasera nie jest w stanie optymalnie znakować wszystkich rodzajów kompozytów. Poniżej przedstawiamy przegląd odpowiednich typów laserów do kompozytów:

• Laser fibrowy: Wiązka o długości fali około 1 µm nadaje się do kompozytów zawierających przewodzące składniki, takie jak włókna węglowe lub metalowe wzmocnienia. Pozwala uzyskać trwałe i kontrastowe oznakowanie zarówno włókien, jak i ewentualnych elementów metalowych. Wysoka moc impulsowych laserów fibrowych umożliwia również głębokie grawerowanie i szybkie znakowanie. Wadą jest słaba absorpcja w przezroczystych materiałach dielektrycznych. Jeśli kompozyt zawiera przezroczystą żywicę lub szkło, wiązka 1 µm może przez nie przechodzić bez reakcji. W praktyce rozwiązuje się to przez dodanie do matrycy specjalnych dodatków pochłaniających lub przez zastosowanie lasera o krótszej długości fali..
• Laser CO₂: Gazowy laser CO₂ emituje wiązkę o długości fali 10,6 μm, która jest doskonale pochłaniana przez materiały organiczne. Dlatego lasery CO₂ są odpowiednie do kompozytów z matrycą niemetaliczną. W przypadku laminatów szklanych (GFRP) skutecznie znakują matrycę epoksydową lub poliestrową. Same włókna szklane słabo absorbują promieniowanie podczerwone, ale zwykle ulegają odsłonięciu lub zabrudzeniu przez otaczające spoiwo, co zapewnia kontrast. Podobnie można znakować laserem CO₂ kompozyty aramidowe z kevlaru lub kompozyty węglowe z matrycą polimerową, gdzie dochodzi do intensywnego nagrzania i odparowania powierzchniowej warstwy żywicy. Laser CO₂ pracuje zazwyczaj w trybie dłuższych impulsów lub ciągłym, z większą średnicą plamki, i nadaje się również do większych oznaczeń lub wycinania w płytach kompozytowych. Wadą jest to, że nie znakują metali (części aluminiowe lub stalowe w kompozycie odbijają wiązkę o długości 10,6 µm). W takim przypadku konieczne jest zastosowanie innego typu lasera lub powierzchniowej obróbki, np. powłoki absorbującej promieniowanie CO₂.
• Laser UV: Laser ultrafioletowy (zazwyczaj trzecia harmoniczna Nd:YAG lub specjalne lasery fibrowe UV) generuje krótką falę o długości 355 nm. Promieniowanie UV jest bardzo silnie absorbowane przez tworzywa sztuczne i organiczne spoiwa. Energia pochłaniana jest w bardzo cienkiej warstwie powierzchniowej, co umożliwia tzw. „zimne znakowanie” bez wyraźnego wpływu cieplnego na otoczenie. Lasery UV są więc doskonałe do precyzyjnego, kontrastowego znakowania jasnych i wrażliwych termicznie kompozytów, np. elementów elektronicznych wykonanych z laminatów epoksydowych lub samozgaszalnych tworzyw sztucznych z dodatkiem włókien szklanych. W przypadku samozgaszalnych kompozytów zawierających dodatki halogenowe, laser UV jest często jedynym skutecznym sposobem uzyskania ciemnego, czytelnego oznaczenia na jasnym materiale. Dodatkową zaletą lasera UV jest bardzo mała średnica ogniska, co pozwala na znakowanie mikroelementów, takich jak kody DataMatrix na PCB. Wadą technologii UV są wyższe koszty zakupu i niższa moc (zazwyczaj 3–10 W), co ogranicza prędkość znakowania w porównaniu z laserami IR.
• Laser zielony: Zielone lasery (druga harmoniczna Nd:YVO₄ i podobne) stanowią kompromis pomiędzy IR a UV. Długość fali 532 nm jest lepiej absorbowana przez szerszy zakres tworzyw sztucznych niż 1064 nm, co zwiększa liczbę materiałów nadających się do znakowania. Zielony laser wykorzystywany jest m.in. do znakowania przezroczystych lub białych kompozytów z tworzyw sztucznych, gdzie wiązka 1064 nm byłaby nieskuteczna. W przemyśle lasery znakujące w kolorze zielonym nie są jednak powszechnie stosowane, częściej wybierane są od razu lasery UV, które oferują jeszcze lepszą absorpcję. Mimo to niektóre systemy laserowe oferują wersje z zielonym laserem 532 nm, jeśli dana aplikacja wymaga kompromisu pomiędzy wysoką prędkością znakowania a dobrą absorpcją bez konieczności stosowania technologii UV.
• Lasery impulsowe pikosekundowe i femtosekundowe: Do najbardziej wymagających zastosowań, takich jak znakowanie części lotniczych, gdzie jakiekolwiek uszkodzenie cieplne kompozytu jest niedopuszczalne, można zastosować ultrakrótkie impulsy w zakresie 10^−12–10^−15 s. Takie lasery, zazwyczaj bazujące na technologii fibrowej lub Nd:YAG, odparowują materiał ablacyjnie przy minimalnej strefie wpływu cieplnego (HAZ). Lasery pikosekundowe i femtosekundowe potrafią znakować kompozyty bez powodowania delaminacji ani mikropęknięć, jednak ze względu na niższą moc działają zwykle wolniej. W praktyce przemysłowej ich zastosowanie jest ograniczone z powodu wysokich kosztów, ale w sektorze zaawansowanej technologii obserwuje se trend wdrażania coraz wydajniejszych laserów ultrakrótkoimpulsowych, które łączą wysoką jakość znakowania z rozsądną szybkością. Dla większości standardowych zadań znakowania w zupełności wystarczą lasery fibrowe lub CO₂ z długością impulsu rzędu nanosekund, ewentualnie uzupełnione o źródło UV.

Zalecane parametry

Podczas znakowania laserowego materiałów kompozytowych konieczna jest staranna optymalizacja parametrów, aby uzyskać czytelne i trwałe oznaczenie bez uszkodzenia materiału. Ogólne zalecenia dotyczące ustawień w przypadku kompozytów są następujące:

• Moc lasera i energia impulsu: Kompozyty zazwyczaj nie wymagają ekstremalnie wysokich mocy podczas znakowania. Typowe przemysłowe znakowarki fibrowe dysponują mocą 20–30 W, co w przypadku kompozytów z tworzyw sztucznych i włóknistych zazwyczaj wystarcza. Wyższa moc (50 W i więcej) stosowana jest głównie do bardzo twardych kompozytów lub głębokiego grawerowania. Zbyt wysoka moc może prowadzić do nadmiernego zwęglenia spoiwa lub matrycy oraz do termicznego uszkodzenia okolic obszaru znakowania, dlatego zaleca się rozpoczęcie od niższej energii i ewentualne jej stopniowe zwiększanie. Długość impulsu i moc szczytowa powinny być ustawione tak, aby oznaczać matrycę, ale nie powodować oddzielenia włókien. W przypadku kompozytów wrażliwych na ciepło lepsze są krótsze impulsy o niższej energii, które minimalizują nagrzewanie i nie powodują delaminacji (ok. 20–50 ns).

• Częstotliwość impulsów: Wyższa częstotliwość (dziesiątki do setek kHz) oznacza większe nakładanie się impulsów i bardziej równomierne dostarczanie ciepła, co jest odpowiednie dla delikatnego znakowania barwnego lub spieniania matrycy polimerowej. Niższe częstotliwości (jednostki do dziesiątek kHz) zapewniają większą energię poszczególnym impulsom i nadają się do agresywniejszej ablacji materiału. Dla kompozytów z matrycą tworzywową odpowiednia jest raczej niższa częstotliwość (np. 10–30 kHz), podczas gdy kompozyty z udziałem składników metalicznych znakowane są zwykle przy 20–60 kHz. W praktyce częstotliwość należy dobrać eksperymentalnie. Przykładowo, w przypadku czarnego CFRP zbyt wysoka częstotliwość może skutkować jedynie przypaleniem powierzchni bez kontrastu, podczas gdy niższa pozwoli uzyskać matowy, szary ślad. Z kolei w kompozytach szklanych z białym pigmentem wyższa częstotliwość przy niższej energii impulsu może dać czystszy, szary znak niż „przypalenie” spowodowane niską częstotliwością. Kluczowe jest znalezienie kompromisu między kontrastem a deformacją termiczną. Pokrywanie się impulsów powinno zapewniać ciągłą linię bez przerw, ale nie prowadzić do przegrzania obszaru znakowania.

• Prędkość znakowania (posuwu): Ogólnie przyjmuje się, że tworzywa sztuczne i kompozyty można znakować z większymi prędkościami niż metale, ponieważ ich przewodność cieplna jest niższa. Wyższa prędkość posuwu (np. rzędu setek mm/s) skraca czas przebywania wiązki w jednym miejscu i zapobiega nadmiernemu nagrzaniu. Dla tworzyw sztucznych i kompozytów FRP zaleca się prędkości około 400–1000 mm/s. Większa prędkość daje płytszy, ale czysty znak. Zbyt wolny posuw może spowodować wypalenie głębokiego krateru w matrycy lub zwęglenie krawędzi oznaczenia. Jeśli wymagane jest głębsze lub bardzo kontrastowe znakowanie, prędkość można zmniejszyć, jednak zawsze należy to robić przy jednoczesnym proporcjonalnym obniżeniu mocy, aby uniknąć przepalenia. W przypadku metalowych części kompozytu (np. powłoka wierzchnia) optymalne są niższe prędkości, rzędu 200–400 mm/s, ponieważ metale wymagają dłuższej interakcji w celu utworzenia tlenku lub roztopienia. Należy zawsze dostosować prędkość do mocy lasera i częstotliwości impulsów.

• Ostrość i pozycja ogniskowej: Prawidłowe ustawienie ostrości wiązki lasera na powierzchnię kompozytu ma kluczowe znaczenie dla uzyskania ostrego i spójnego oznaczenia. Ponieważ jednak kompozyty mogą mieć zróżnicowaną strukturę powierzchni (tekstura włókien, warstwa żywicy, żelkot itp.), w niektórych przypadkach sprawdza się lekkie rozogniskowanie. Poszerza ono ślad wiązki i zmniejsza gęstość energii, co może pomóc w równomiernym znakowaniu materiału wielofazowego oraz zapobiec mikrouszkodzeniom jednej z jego składowych. Na przykład w przypadku prepregów węglowych zalanych błyszczącą żywicą dokładne ustawienie ostrości może prowadzić do lokalnych pęknięć w kruchej warstwie lakieru, podczas gdy delikatne rozogniskowanie rozprasza energię na większym obszarze i zapewnia gładszy ślad. Laser ma ograniczoną głębię ostrości, czyli zakres, w którym znakowanie pozostaje wyraźne. Dlatego w przypadku elementów o drobnej strukturze lub nierównej powierzchni konieczne jest, aby cały znakowany obszar mieścił się w tym zakresie. Dla grubszych kompozytów lub powierzchni 3D stosuje się ogniskowanie 3D albo układ przesuwu osi Z, tak aby nawet zakrzywione powierzchnie były znakowane wyraźnym śladem.

• Wielokrotne przejścia (multi-pass): Zamiast prób uzyskania pożądanego kontrastu w jednym, wolnym przejściu, korzystniejsze jest podzielenie procesu na kilka szybszych przejść. Znakowanie wielokrotne zmniejsza ryzyko przegrzania kompozytu. Każde przejście usuwa jedynie część materiału lub zmienia kolor powierzchni, a materiał ma czas częściowo się schłodzić, zanim kolejny impuls trafi w to samo miejsce. W przypadku grubych kompozytów (np. płyt FR4) można w ten sposób stopniowo usuwać warstwę maski lub żywicy bez zwęglenia znajdujących się pod nią włókien szklanych. Zaleca się, aby między przejściami laser był wyłączony przez ułamek sekundy, co pozwala na rozproszenie ciepła. Znakowanie warstwowe to również sposób na uzyskanie wyraźniejszego kontrastu: pierwsze przejście chropowaci powierzchnię lub ją nadtapia, a drugie lub trzecie przejście tworzy ostateczny ślad na już przygotowanym podłożu. Metoda ta jest odpowiednia np. do czarnego znakowania kompozytu szklanego.

• Aditiva materiałowe zwiększające kontrast: Jeśli podstawowy polimer kompozytu słabo absorbuje standardowe długości fal lasera, można zastosować specjalne dodatki. Dodaje się np. tlenki metali, sadzę, pigmenty typu mika itp., które poprawiają absorpcję i zmieniają kolor pod wpływem promieniowania laserowego. Jeśli dodanie takich dodatków nie jest możliwe, alternatywą jest specjalna warstwa powierzchniowa reagująca na laser. Nakłada się ją na element kompozytowy i laserem usuwa (odsłaniając kontrastową warstwę spodnią – patrz ablacja) lub wywołuje reakcję chemiczną zmieniającą kolor. Metoda ta jest stosowana np. przy znakowaniu kompozytowych złączy elektrycznych.

Optymalne parametry znakowania kompozytów są często dobierane eksperymentalnie. Każdy kompozyt może reagować inaczej. Na przykład dwa różne typy laminatów węglowych mogą różnić się zawartością żywicy, rodzajem włókien i barwników. Jeden może wymagać wyższej mocy i wolniejszych przejść, aby uzyskać wyraźny szary ślad, podczas gdy drugi lepiej reaguje na krótsze impulsy i szybkie prowadzenie wiązki, co daje czysty znak bez przypaleń.

Operator lasera powinien znać znaczenie poszczególnych parametrów i aktywnie je dostosowywać do materiału. Nowoczesne oprogramowanie często oferuje gotowe profile dla podstawowych materiałów, ale w przypadku kompozytów służą one jedynie jako punkt wyjścia. Osiągnięcie idealnego rezultatu wymaga starannej konfiguracji. Przy przestrzeganiu powyższych zasad znakowanie laserowe umożliwia uzyskanie trwałego, odpornego i precyzyjnego oznakowania na praktycznie każdym materiale kompozytowym – od części węglowych w lotnictwie po laminaty szklane w elektronice.