Báze znalostí: Laserové značení kompozitů

Laserem lze značit prakticky všechny běžné typy kompozitů, pokud se zvolí vhodná technologie. Zásadními výzvami jsou nestejnorodost materiálu, rozdílná tepelná vodivost složek a riziko delaminace nebo poškození matrice.

Které kompozity lze značit laserem

• Vláknové kompozity: CFRP kompozity, GFRP kompozity či aramidové kompozity (např. Kevlar v termoplastické nebo termosetické matrici). Patří sem i balistické materiály (Kevlar/uhlík) a kompozity pro sportovní vybavení.
• Plastové materiály plněné vlákny či částicemi: konstrukční plasty vyztužené krátkými skleněnými nebo uhlíkovými vlákny, případně s keramickým plnivem. Tyto „modifikované“ plasty lze laserem značit podobně jako čisté polymery, často s pomocí aditiv zvyšujících absorpci laseru.
• Hybridní a vrstvené kompozity: např. kov-polymer hybridy nebo sendvičové panely. Typickým příkladem jsou hliníkové kompozitní panely (ACP) s plastovým jádrem, u nichž lze laserem značit kovový povrch (např. gravírováním oxidové vrstvy). Dále sem patří keramicko-polymerní kompozity, kombinující keramická plniva a pryskyřice, které se značí obdobně jako tvrdé plasty.

Metody laserového značení kompozitů

Laserové značení jako technologie zahrnuje více různých procesů, jejichž volba závisí na složení kompozitu a požadované kvalitě značení. Nejčastěji se u kompozitních materiálů uplatňuje:

• Gravírování / ablace materiálu: Odstranění svrchní vrstvy kompozitu (např. gelcoatu nebo lakového filmu) laserem, čímž vzniká reliéfní značení. U kompozitů s tmavou výztuží tak lze odpařením světlého pojiva vytvořit kontrastní tmavou stopu odpovídající vystupujícím vláknům nebo spodní vrstvě. Gravírování (hlubší ablace) se hodí i pro trvalé VIN kódy, loga či QR kódy do struktury kompozitu.
• Změna barvy: U světlých polymerních matric vyvolá laser lokální chemickou změnu, např. spálení polymeru na uhlík (karbonizace), což zanechá tmavou značku. U tmavého kompozitu lze naopak využít bělení rozkladem barviva. Tyto procesy nemění topografii povrchu, pouze jeho barvu.
• Pěnění (foaming): Krátké pulzy laseru nataví povrch organické matrice, přičemž se vytvoří drobné plynové bublinky uvězněné ve ztuhlém plastu. Výsledkem je vystouplá, světle zbarvená značka, dobře viditelná na tmavých kompozitech. Pěnění laserem se využívá zejména u termoplastů obsahujících pigment nebo saze, jako jsou např. černé plastové díly vyztužené sklem.
• Žíhání (annealing): Pokud kompozit obsahuje kovové povrchy či vrstvy, lze někdy aplikovat popis žíháním. Smysl to dává např. u nerezových štítků vlepovaných do kompozitních dílů. Laser ohřeje kov pod prahem tavení a vytvoří tenkou oxidickou vrstvu různých barev. Žíhání poskytuje kontrastní barevné značení bez úbytku materiálu. U čistě nekovových kompozitů se neuplatní.

Každý kompozit reaguje na tepelnou zátěž laseru jinak. Např. uhlíková vlákna výborně absorbují infračervený paprsek a odolávají vysokým teplotám, zatímco okolní polymer může měknout nebo se pálit. Klíčem k úspěšnému značení kompozitů je precizní nastavení parametrů pro každý materiál tak, aby všechny složky (vlákna, pojivo, případně výplně či povrchové úpravy) byly označeny rovnoměrně.

Nesprávné nastavení (např. příliš vysoký výkon nebo pomalý posuv) může vést k nerovnoměrné kvalitě značky vlivem rozdílné tepelné roztažnosti či reakcí jednotlivých složek kompozitu. Obecně však platí, že laserové značení kompozitů je šetrné k povrchu dílu a nevytváří mechanické pnutí ani praskliny, které by mohly narušit integritu materiálu. Proto je popisovací laser ideální náhradou za tradiční metody značení, které mohou způsobit mikroskopické trhlinky, delaminaci nebo vyžadují agresivní chemikálie.

Vhodné typy laserů

Správná volba laseru výrazně ovlivní kvalitu popisu kompozitního materiálu. Nejčastěji se používají pulzní pevnolátkové lasery s různými vlnovými délkami paprsku, které se vybírají podle složení kompozitu. Každá vlnová délka se jinak absorbuje v různých materiálech, proto často platí, že jeden typ laseru nemůže optimálně značit všechny materiály. Níže uvádíme přehled vhodných laserů pro kompozity:

• Vláknový laser: Paprsek o vlnové délce ~1 µm je vhodný pro kompozity s vodivými složkami, jako jsou uhlíková vlákna nebo kovové výztuže. Dosáhne se trvalého, kontrastního popisu vláken i případných kovových prvků. Vysoký výkon pulzních vláknových laserů navíc umožňuje hlubší gravírování a rychlé značení. Nevýhodou je slabá absorpce v čirých dielektrických materiálech. Pokud kompozit obsahuje transparentní pryskyřici či sklo, 1 µm paprsek jí může procházet bez účinku. V praxi se to řeší buď přidání absorpčních aditiv do matrice, nebo volbou kratší vlnové délky.
• CO₂ laser: Plynový CO₂ laser vyzařuje dlouhou vlnovou délku 10,6 μm, kterou výborně absorbují organické materiály. CO₂ lasery jsou proto vhodné pro kompozity s nekovovou matricí. U sklolaminátů (GFRP) spolehlivě označí epoxid či polyesterovou matrici. Skleněná vlákna samotná absorbují IR záření méně, ale obvykle se obnaží či zašpiní od okolního pojiva, což poskytne kontrast. Stejně tak lze CO₂ laserem značit kevlarové aramidové kompozity či uhlíkové kompozity s polymerní matricí, kdy dochází k intenzivnímu ohřevu a odpaření povrchové vrstvy pryskyřice. CO₂ laser pracuje typicky v režimu delších pulzů nebo kontinuálně, s větším průměrem stopy, a hodí se i pro rozměrnější popisy či výřezy do kompozitních desek. Nevýhodou je, že neoznačí kovy (hliníkové či ocelové části kompozitu odrážejí 10,6 µm paprsek). V takovém případě je nutná kombinace s jiným laserem nebo použití předupraveného povrchu, jako je povlak absorbující CO₂.
• UV laser: Ultrafialový laser (typicky třetí harmonická Nd:YAG nebo speciální UV vláknové lasery) produkuje krátkou vlnovou délku 355 nm. UV záření se velmi silně absorbuje v plastech a organických pojivech. Energie se spotřebuje v tenké povrchové vrstvě, což umožňuje tzv. „studené značení“ bez výrazného tepelného ovlivnění okolí. UV lasery jsou proto vynikající pro jemné, kontrastní značení světlých a tepelně citlivých kompozitů, např. elektronických součástek z epoxidových laminátů nebo samozhášivých plastů plněných sklem. U samozhášivých kompozitů s halogenovými aditivy je UV laser často jediným způsobem, jak dosáhnout tmavé čitelné značky na světlém materiálu. Výhodou UV laseru je i velmi malý fokus pro mikroznačky, jako např. datamatrix kódy na DPS. Nevýhodou jsou vyšší pořizovací náklady a nižší výkon (typicky 3–10 W), což omezuje rychlost značení oproti IR laserům.
• Zelený laser: Zelené lasery (druhá harmonická Nd:YVO4 apod.) představují kompromis mezi IR a UV. Vlnová délka 532 nm se dobře absorbuje v širší škále plastů než 1064 nm, takže rozšiřuje paletu dobře značitelných materiálů. Zelený laser se využívá např. ke značení průhledných nebo bílých plastových kompozitů, kde by 1064 nm selhalo. V průmyslu však nejsou zelené značicí lasery tak rozšířené, častěji se volí rovnou UV, která má absorpci ještě vyšší. Přesto některé laserové systémy nabízejí i zelený 532 nm laser, pokud aplikace vyžaduje kompromis vysoké rychlosti a slušné absorpce bez nutnosti UV technologie.
• Pulsní pikosekundové a femtosekundové lasery: Pro nejnáročnější aplikace (např. značení leteckých dílů, kde je jakékoli tepelné poškození kompozitu nepřípustné) lze nasadit ultrakrátké pulsy v řádu 10^−12–10^−15 s. Tyto lasery, obvykle na bázi vláknových nebo Nd:YAG laserů, materiál ablativně odpařují s minimální zónou tepelného ovlivnění (HAZ). Pikosekundové/FS lasery dokážou značit kompozity bez delaminace a mikroprasklin, avšak kvůli nižšímu výkonu zpravidla pomaleji. V průmyslové praxi se využívají omezeně kvůli vysoké ceně, ale trendem v hi-tech výrobě kompozitů je nasazování výkonnějších ultrakrátkopulsních laserů, které spojují kvalitu a rychlost. Pro většinu běžných značicích úloh však postačí vláknové či CO₂ lasery s krátkou délkou pulzu v řádu nanosekund, případně doplněné UV zdrojem.

Doporučené parametry

Při laserovém značení kompozitních materiálů je nutné pečlivě optimalizovat parametry, aby se dosáhlo čitelného a trvalého značení bez poškození materiálu. Obecná doporučení pro nastavení jsou v případě kompozitů následující:

• Výkon laseru a pulzní energie: Kompozitní materiály většinou nevyžadují při značení extrémně vysoké výkony. Typické průmyslové vláknové popisovací lasery mají 20–30 W, což u plastových a vláknových kompozitů zpravidla stačí. Vyšší výkon (50 W a více) se využívá spíše pro velmi tvrdé kompozity nebo hluboké gravírování. Příliš vysoký výkon může způsobit nadměrné spálení pojiva či matrice a tepelně narušit okolí značení, proto je vhodné začínat s nižší energií a případně ji postupně zvyšovat. Délka pulzu a vrcholový výkon by měly být nastavena tak, aby značily matrici, ale neoddělily od ní vlákna. U citlivých kompozitů jsou lepší kratší pulzy s nižší energií, které minimalizují teplo a nezpůsobí delaminaci (~20–50 ns).

• Frekvence pulzů: Vyšší frekvence (desítky až stovky kHz) znamená více překryvů pulzů a rovnoměrnější dodávku tepla, což je vhodné pro jemné barevné značení či pěnění plastové matrice. Nižší frekvence (jednotky až desítky kHz) dávají pulzům více energie jednotlivě a hodí se pro agresivnější ablaci materiálu. U kompozitů s plastovou matricí je vhodná frekvence spíše v nižším rozmezí (např. 10–30 kHz), zatímco kompozity s kovocou složkou se značí při 20–60 kHz . V praxi je nutné frekvenci doladit experimentálně. Například u černého CFRP může příliš vysoká frekvence způsobit jen povrchové opálení bez kontrastu, zatímco nižší frekvence vyhloubí matnou šedou stopu. Naopak u bíle pigmentovaných skelných kompozitů může vyšší frekvence s nižší energií pulzu vytvořit čistší šedou značku než nízkofrekvenční „přepal“. Důležité je najít kompromis mezi kontrastem a tepelnou deformací. Překrytí pulzů by mělo zajistit spojitou čáru bez mezer, ale nemělo by přehřívat místo značení.

• Rychlost značení (posuvu): Obecně platí, že plasty a kompozity lze značit vyššími rychlostmi než kovy díky nižší tepelné vodivosti plastů. Vyšší rychlost posuvu (např. v řádu stovek mm/s) zkracuje dobu setrvání paprsku na místě a zabraňuje nadměrnému ohřevu. Pro plasty a FRP kompozity se doporučují rychlosti cca 400–1000 mm/s. Vyšší rychlost dává mělčí, ale čisté značení. Příliš pomalý posuv by mohl propálit hluboký kráter do matrice nebo způsobit zuhelnatění okrajů značení. U požadavku na hlubší nebo velmi kontrastní popis lze rychlost snížit, avšak vždy ve spojení s úměrnou redukcí výkonu, aby nevzniklo spálení. Pro kovové části kompozitu (např. povrchová fólie) bývají optimální nižší rychlosti, okolo 200–400 mm/s, protože kovy potřebují delší interakci k vytvoření oxidu či roztavení. Vždy je nutné sladit rychlost s výkonem a frekvencí.

• Ostření a poloha ohniska: Správné zaostření laseru na povrch kompozitu je zásadní pro dosažení ostrého a konzistentního značení. Protože však kompozity mohou mít různorodý povrch (textura vláken, povrchová vrstva pryskyřice, gelcoat apod.), někdy se osvědčuje mírný defokus. Rozšíří stopu paprsku a sníží hustotu energie, což může pomoci rovnoměrně označit vícefázový materiál a předejít mikropoškození jedné složky. Například u uhlíkových prepregů zalitých lesklou pryskyřicí může přesné zaostření způsobit lokální prasklinky v křehké vrstvě laku, zatímco nepatrné rozostření rozloží energii na větší plochu a značka je hladší. Laser má omezenou hloubku ostrosti, tedy rozsah, ve kterém zůstává značení ostré. U dílů s jemnými strukturami nebo nerovným povrchem je proto nutné zajistit, aby celá značená plocha ležela v tomto pásmu ostrosti. U tlustších kompozitů či 3D tvarů se využívá 3D fokusace nebo systém posuvu osy Z tak, aby i zakřivené plochy byly označeny ostrou stopou.

• Více průchodů (multi-pass) a chlazení: Místo pokusů o dosažení požadovaného kontrastu jedním pomalým průjezdem je výhodné rozdělit proces do více rychlejších průchodů. Vícenásobné značení snižuje riziko přehřátí kompozitu. Každý průchod odebere jen část materiálu či změní barvu povrchu a materiál má čas částečně vychladnout, než přijde další pulz v příštím průchodu. U tlustých kompozitů (např. desky FR4) se takto dá postupně odstranit vrstva masky nebo pryskyřice bez zuhelnatění skelných vláken pod ní. Doporučuje se mezi opakovanými průchody nechat laser vypnutý na zlomek sekundy navíc. V materiálu se mezitím rozptýlí teplo. Vícevrstvé značení je také způsob, jak dosáhnout sytějšího kontrastu: první průchod zdrsní povrch nebo jej nataví, a druhý či třetí průchod vytvoří finální popis na již upraveném podkladu. Vhodné například pro černé značení skelného kompozitu.

• Materiálové aditivum pro zvýšení kontrastu: Pokud základní polymer kompozitu špatně absorbuje standardní laserové vlnové délky, je možné využít speciálních aditiv. Přidává se např. oxid kovu, saze, slídové mica pigmenty apod., které zlepšují absorpci a mění barvu po ozáření laserem. Pokud přidání aditiva není možné, alternativou je speciální povrchová vrstva, která reaguje na laser. Ta se nanese na kompozitní díl a laserem se buď odpálí (odhalí kontrastní spodní vrstvu, viz ablace), nebo chemicky změní barvu. Tato metoda se využívá např. u kompozitních elektrických konektorů.

Optimální parametry značení kompozitů se často ladí experimentálně. Každý kompozit může mít odlišnou odezvu. Například dva různé typy uhlíkových laminátů se liší obsahem pryskyřice, druhem vláken a barviv. Jeden může vyžadovat vyšší výkon a pomalejší tahy pro zřetelnou šedou značku, zatímco druhý naopak kratší pulzy a rychlý posuv pro čistý popis bez spálenin.

Obsluha laseru by měla znát význam jednotlivých parametrů a aktivně je přizpůsobovat materiálu. Moderní software často nabízí přednastavené profily pro základní materiály, ty však u kompozitů slouží jen jako výchozí bod. Dosažení perfektního výsledku vyžaduje pečlivé nastavení. Při dodržení výše uvedených zásad však laserové značení umožňuje získat trvalé, odolné a přesné značení na prakticky libovolném kompozitním materiálu. od uhlíkových dílů letadel až po skelný laminát v elektronice.