Szkło i ceramika to kruche, niewodzące materiały pochodzenia nieorganicznego. Znakowanie szkła laserem przebiega zupełnie innym mechanizmem niż w przypadku metali czy drewna. W tym przypadku laser tworzy mikropęknięcia i naprężenia wewnętrzne, które prowadzą do zmatowienia lub zmiany koloru powierzchni. Przezroczyste szkło stanowi wyzwanie dla znakowania laserowego, ponieważ jest przezroczyste zarówno dla światła widzialnego, jak i bliskiej podczerwieni.
Ponieważ szkło w bardzo cienkiej warstwie powierzchniowej absorbuje promieniowanie CO₂ lasera (10,6 µm), tradycyjnie do grawerowania szkła stosowano właśnie lasery CO₂. Ich wiązka graweruje w głąb, powodując pękanie warstwy powierzchniowej i tworząc efekt piaskowania z matową, chropowatą powierzchnią. Takie rozwiązanie jest wykorzystywane np. do dekoracji szklanek lub butelek. Wadą tego typu znakowania jest niska kontrastowość. Wzór jest widoczny tylko pod określonym kątem. Dodatkowo narusza strukturę szkła, co może nieznacznie obniżyć jego wytrzymałość (podobnie jak klasyczne piaskowanie).
Nowoczesne podejście do znakowania szkła w przemyśle wykorzystuje zatem krótsze długości fali. Na przykład lasery zielone (532 nm) lub lasery UV (355 nm) potrafią znakować szkło bez tworzenia pęknięć. Indukują absorpcję wewnątrz materiału i tworzą mikropęcherzyki. Te krótkopulsowe lasery mogą nawet znakować wewnątrz szkła (tzw. znakowanie podpowierzchniowe), dzięki czemu powierzchnia pozostaje gładka, a wewnątrz widoczne są białe punkty tworzące wzór.
Lasery fibrowe o długości fali 1064 nm przez długi czas były uważane za nieodpowiednie do znakowania przezroczystego szkła, ponieważ promieniowanie podczerwone przechodzi przez szkło bez absorpcji. Nowością ostatnich lat jest jednak laser fibrowy MOPA z bardzo krótkimi i energetycznymi impulsami, który potrafi pozostawić na szkle kontrastowy ślad. Przy użyciu lasera fibrowego MOPA (1064 nm) znakowanie szkła odbywa się przez delikatne nadtopienie powierzchni lub mikropęknięcia, podobnie jak w przypadku CO₂, jednak bez konieczności stosowania dłuższej fali.
W przypadku ceramiki wszystko zależy od jej rodzaju. Ceramika szkliwiona (np. płytki, porcelana) zachowuje się podobnie jak szkło. Powłoka szkliwa może zostać usunięta lub zmatowiona laserem CO₂. Nieszkliwiona ceramika techniczna (np. tlenek glinu – korund, cyrkon) jest często matowo biała lub szara i w takim przypadku laser CO₂ nie pozostawia wyraźnego śladu. Tego typu ceramikę można jednak znakować laserem fibrowym, jeśli zawiera składniki absorbujące. Ciemne elementy ceramiczne można znakować laserem fibrowym z podobnym powodzeniem jak metal. Kluczowe jest to, że ceramika podczas znakowania laserowego zazwyczaj nie zmienia koloru, odparowuje się jedynie powierzchnia lub tworzą mikropęknięcia. Dlatego znakowanie na jasnej ceramice bywa również jasne.
Odpowiedni typ lasera
Do standardowych zastosowań znakowania szkła najbardziej odpowiedni jest laser CO₂, szczególnie w przypadku produktów szklanych. Jeśli zachodzi potrzeba znakowania elementów ceramicznych, stosuje się laser fibrowy o wyższej mocy lub impulsowy laser UV, w zależności od rodzaju materiału. Dla porcelany i płytek standardem jest laser CO₂, który usuwa warstwę szkliwa, odsłaniając inny odcień. Laser fibrowy jest natomiast rozwiązaniem przy znakowaniu specjalistycznych ceramik technicznych.
Zalecane parametry
W przypadku szkła laser CO₂ ustawia się tak, aby powodował mikropęknięcia, ale nie topił szkła zbyt mocno. Zwykle oznacza to krótsze impulsy o niższej mocy. Na przykład przy cienkim szkle (butelka) stosuje się zogniskowaną wiązkę CO₂ z przesuniętym ogniskiem, która powoduje delikatne naprężenia i w ten sposób tworzy białe matowe ślady bez odprysków. Zbyt duża dawka energii w jednym momencie mogłaby doprowadzić do pęknięcia szkła. Znakowanie często odbywa się w trybie quasi-ciągłym, czyli laser emituje impulsy w zakresie kHz i skanuje szybko, aby każde miejsce otrzymało kilka krótkich nagrzań zamiast jednego mocnego. Prędkość przesuwu może być bardzo wysoka (tysiące mm/s) w przypadku głowicy galvo. W przypadku grubego szkła (bloki szklane, soczewki) stosuje się raczej grawerowanie wewnętrzne za pomocą lasera zielonego.
W przypadku ceramiki stosuje się laser CO₂ o wysokiej mocy, który może bezpośrednio odparować szkliwo. Wtedy wystarczy jedno wolniejsze przejście (np. 20 W, 100 mm/s). Jeśli chcemy jedynie zmatowić szkliwo, wybiera się szybsze przejście przy niższej mocy.
Na jasnej ceramice technicznej laser fibrowy tworzy lekko żółtawy lub szarawy znak, ale musi pracować przy wysokiej energii (np. 30 W, 20 kHz, 100 mm/s, kilka przejść). W tym przypadku parametry znakowania laserowego często ustala się doświadczalnie, ponieważ ceramika może reagować na zanieczyszczenia (np. ciemnieć w wyniku redukcji jakiegoś składnika). Ogólnie przyjmuje się, że przy znakowaniu ceramiki i szkła laser pracuje raczej w stanie defokusowanym, aby wiązka nie działała z pełną siłą w jednym punkcie i nie przebiła materiału.
Zalety i wady
Zaletą znakowania szkła i ceramiki laserem jest trwałe oznaczenie bez potrzeby trawienia chemicznego. Ma to duże znaczenie np. w przypadku szkła laboratoryjnego, porcelanowych izolatorów itp. Laser pozwala na nanoszenie bardzo małych detali lub kodów QR na delikatnych elementach ceramicznych, gdzie zastosowanie nadruku byłoby trudne. Wadą jest niższy kontrast: matowe oznaczenie jest słabo widoczne na przezroczystym szkle, a znakowanie na białej ceramice również ma biały lub szarawy odcień. Nie można uzyskać wyraźnego kolorowego kontrastu, chyba że zastosuje się barwne wypełnienie.
Zaletą zastosowania lasera fibrowego do szkła jest jego uniwersalność, ponieważ może być również wykorzystywany do znakowania metali i tworzyw sztucznych. Wadą jest nadal nieco niższa jakość oznaczeń w porównaniu do laserów UV (delikatne poszarpania krawędzi). W praktyce wybór typu lasera zależy od wymagań: do seryjnego znakowania butelek lub tafli szkła z dużą prędkością zwykle stosuje się laser CO₂, do precyzyjnej grafiki i mikro-kodów laser UV, a w niektórych przypadkach, gdy potrzebne jest uniwersalne i ekonomiczne rozwiązanie, stosuje się laser fibrowy MOPA.
Laser nadaje się zatem do znakowania wielu rodzajów szkła i ceramiki, jednak należy wziąć pod uwagę wymagania dotyczące kontrastu i wytrzymałości. Podczas znakowania szkła lub ceramiki laserem może dojść do osłabienia wytrzymałości materiału. Mikropęknięcia mogą prowadzić do pękania podczas obciążeń mechanicznych. Z tego powodu po znakowaniu laserowym elementów szklanych o krytycznym zastosowaniu czasem wykonuje się proces wyżarzania w celu redukcji naprężeń.