Ke značení kamene se nejčastěji používá CO₂ laser. Uplatňují se dva základní procesy: laserové gravírování a termochemické značení povrchu (způsobující změnu barvy a mikropraskliny materiálu):
-
Laserové gravírování (ablace materiálu): Při vysokém výkonu a zaostřeném paprsku laser odebírá materiál z povrchu kamene a vytváří tak hlubší reliéfní popis. Výsledkem je trvalá rytina do kamene. Při laserovém gravírování vzniká jemný kamenný prach a úlomky, které je nutné odstraňovat. Během delších úloh totiž může docházet k zanášení optiky nebo trysky. Tato metoda značení umožňuje vytvářet detailní vzory i do velmi tvrdých hornin. Využívá se pro hluboké značení, např. vyrytí loga či textu do žuly, nebo 3D reliéfy.
-
Termochemické značení (změna povrchu bez ablace): Laser lokálně zahřívá povrch kamene, aniž by materiál kompletně odpařil. Tím vznikají mikrotrhlinky a změny struktury povrchové vrstvy, které se projeví barevným či kontrastním efektem. Na tmavých kamenech (čedič, černá žula, břidlice) tak laser vytvoří světlou matnou stopu dobře čitelnou na tmavším okolí. Původně lesklý povrch kamene rozpraská a zmatní. Výsledek je obdobný, jako kdyby byl kámen opískován či chemicky naleptán. Termické značení je vhodné pro povrchové popisy s vysokým kontrastem, bez výrazného úbytku materiálu.
Vhodný typ laseru
Pro většinu aplikací laserového popisu kamene je nejvhodnější CO₂ laser. S vlnovou délkou ~10,6 µm se výborně absorbuje v minerálech a horninách. Díky tomu dokáže CO₂ paprsek účinně zahřívat a odpařovat povrch kamene a vytvářet kontrastní značení. CO₂ lasery se běžně používají pro gravírování žuly, mramoru, břidlice a dalších přírodních kamenů s vynikajícími výsledky.
Naproti tomu vláknový laser není pro přímé značení surového kamene příliš vhodný. Nerostné materiály kratší vlnovou délku špatně absorbují. Zejména křemenné složky kamene jsou pro 1064 nm do značné míry transparentní. Většina energie vláknového laseru se tedy u kamene nevyužije nebo proniká materiálem bez efektu a nelze dosáhnout účinné ablace. Vláknovým laserem tak nelze kámen efektivně gravírovat či tavit, pokud má přírodní povrch.
Jedinou možností, jak značit kámen vláknovým laserem, je úprava povrchu: buď mít na kameni odstranitelnou vrstvu nátěru či laku, kterou laser odpaří a odhalí kontrastní podklad, nebo nanést na čistý kámen tenkou vrstvu speciálního absorpčního pigmentu, který se působením laseru natrvalo přichytí k povrchu. Podobně se vláknovým laserem značí sklo či keramika. Tyto metody však nedosahují trvanlivosti a kvality přímého popisu CO₂ laserem. Výsledný motiv je vlastně jen na povrchu, v podobě připečené barvící látky či odhaleného podkladu, a chybí skutečný reliéf v kameni.
Specifické využití mají při značení kamene zelené a UV lasery. Zelený laser (DPSS, 532 nm) nabízí menší spot v řádově desítkách µm a vyšší absorpci u materiálů, které na infračervené paprsky nereagují. Je schopný značit některé světlé minerály, sklo či keramiky, kde by si CO₂ ani vláknový laser neporadily. Zelený paprsek vytváří tzv. “studené” značení s menším tepelným ovlivněním okolí, takže nedochází k nežádoucímu spálení nebo praskání okolního materiálu. Podobně UV laser (355 nm) má velmi vysokou fotonovou energii a širokou absorpci ve většině látek, takže umožňuje přímé značení téměř libovolného materiálu při minimálním tepelném ovlivnění.
V průmyslové praxi se však tyto krátkovlnné lasery používají pro kámen výjimečně, protože dostupné výkony jsou nízké (typicky 3–10 W u zelených laserů, 5–15 W u UV laserů) a zařízení jsou nákladná. Zelené a UV lasery se proto nasazují hlavně pro jemné značení malých detailů nebo speciální aplikace (např. označování citlivých keramických součástek), kde je potřeba precizní popis bez tepelného poškození. Pro běžné hluboké gravírování kamene větších ploch zůstává nejefektivnější CO₂ laser.
Doporučené parametry značení
Při laserovém značení kamene CO₂ laserem se obvykle volí vysoký výkon a nižší rychlost posuvu oproti například značení plastů či dřeva. Kámen je tvrdý a má vysokou tepelnou vodivost, takže k jeho odpaření je třeba koncentrovat co nejvíce energie. Typicky se nastavuje výkon blízko maxima laseru (70–100% jmenovitého výkonu) a pomalejší skenovací rychlost (řádově jednotky až desítky % maximální rychlosti stroje).
Například u 60W CO₂ laseru lze začít s 100% výkonu a ~30% rychlosti; u slabších laserů (30W) je nutno rychlost ještě snížit (~15% při plném výkonu) . V absolutních hodnotách to znamená, že gravírovací hlava se pohybuje relativně pomalu (desítky až nižší stovky mm/s) a paprsek intenzivně působí na každé místo.
Optimální nastavení parametrů závisí na druhu kamene. Tmavé, homogenní horniny (černá žula, čedič, břidlice) dosahují vysoký kontrast už při středním výkonu a rychlejším pohybu. Např. pro leštěný čedič je vhodná již kombinace ~12% výkonu a 50% rychlosti (pro 100W stroj), u břidlice ~20% výkonu a 100% rychlost.
Naopak světlé nebo pórovité kameny (světlá žula, pískovec, beton) vyžadují extrémně pomalé rytí na plný výkon (i pod 20% rychlosti) a často více průchodů paprsku , aby se docílilo viditelného popisu. Když některý materiál, jako je např. bílý mramor, neposkytuje při laserovém gravírování dostatečný kontrast, řeší se to následným zvýrazněním barvou. Do vyhloubeného motivu se vtírá pigment nebo barva pro zvýšení kontrastu.
Při značení kamene laserem obecně platí, že místo jediného silného pulzu je lepší dělit výkon do více průchodů. Kámen se tak méně termicky namáhá a nehrozí praskliny vlivem šoku. Operátor například zvolí raději dvě až tři opakovaná gravírování středním výkonem než jeden extrémně pomalý průchod na plný výkon. Tento přístup vede k čistšímu a kontrolovanějšímu výsledku, protože nedochází k přehřátí okolí značení a praskání kamene. Mezi jednotlivými průchody je vhodné odfouknout nebo opláchnout vzniklý prach, aby další gravírování probíhalo na čistém povrchu.
Ke kontrole energie na ploše se u kamene využívá defokusace (rozostření paprsku). Při hlubokém gravírování se někdy paprsek zaostří mírně pod povrch (např. -1 mm), aby byla nejvyšší hustota energie pod úrovní povrchu a řez šel více do hloubky. Naopak pro povrchové značení a zvýšení kontrastu se často paprsek úmyslně rozostří nad povrch (např. +1 až +2 mm), čímž se zvětší průměr spotu a sníží špičková hustota energie. Laser pak povrch spíše rovnoměrně zahřeje a zmatní, místo aby ho prorážel. Tím se podpoří vznik kontrastní stopy bez výrazné ablace. To je užitečné u fotogravírování do žuly, kdy chceme získat světlý obrazec na tmavém kameni. Optimální defokusaci je třeba vyzkoušet pro daný materiál. Např. u mramoru se osvědčuje ~0,5 mm podfokus, u oblázků s nerovným povrchem až +2 mm nadfokus.
Výhody a nevýhody typů laserů při značení kamene
Výhodou CO₂ laseru je vysoká účinnost díky silné absorpci vlnové délky ve většině hornin. Umožňuje rychlé ablační gravírování i rovnoměrné matování povrchu s vynikajícím kontrastem. Je dostupný ve vyšších výkonech a ve velkoformátových systémech, takže je vhodný pro rozsáhlé plochy (obklady, desky).
Nevýhodou CO₂ laseru je relativně větší průměr paprsku (~100 µm, což) omezuje nejjemnější detail. CO₂ laser není vhodný pro kovové nebo reflexní prvky v kameni, protože kovy odrážejí jeho paprsek. Zařízení s CO₂ laserem bývají rozměrnější a vyžadují účinné odsávání prachu.
Vláknový laser má velmi jemný paprsek (~30 µm), který umožňuje velké rozlišení detailů, pokud materiál absorbuje. Pulzní vláknový laser má vysoký špičkový výkon, takže dokáže hloubkově gravírovat tvrdé materiály a při galvo skenování může rychle vypsat motiv na malé ploše.
Většina přírodních kamenů však špatně absorbuje 1064 nm záření, takže u různých druhů kamene jsou výsledky nespolehlivé. Značení kamene vláknem bývá málo kontrastní, omezené prakticky jen na tmavé homogenní kameny nebo na předupravený povrch, u světlých minerálů se neprojeví vůbec. Vysoká hustota energie také může způsobovat mikropraskliny a drobné odlupování v místě dopadu. Vláknové lasery se obvykle používají v menších pracovních polích (galvo hlavy ~100–300 mm), takže pro větší kamenné díly nejsou vhodné.
Kratší vlnová délka zeleného laseru zajišťuje vyšší absorpci u některých materiálů, jako jsou světlé minerály, a malý průměr paprsku (~20–30 µm) umožňuje značit jemné detaily. Omezený dostupný výkon (typicky 5–10 W) však znamená nižší rychlost značení a menší hloubku gravírování. Pro silnější kameny není zelený laser efektivní, hodí se spíše na povrchové kontrastní popisy. Zařízení jsou dražší (DPSS technologie) a citlivější na seřízení.
Velmi krátká vlnová délka UV laseru s vysokou absorpcí prakticky ve všech materiálech umožňuje značit i čiré a tvrdé kameny fotochemicky, s minimálním tepelným ovlivněním. Výsledné jemné popisy bez trhlin vyhovují potřebám mikroznačení a jemné grafiky.
Nevýhodou UV laseru je velmi nízký výkon (běžně 3–15 W), což výrazně omezuje použitelnost pro kámen. Gravírování je pomalé a pouze mělké. Pro běžné průmyslové aplikace značení kamene se UV laser nehodí kvůli nízké produktivitě.