Do znakowania kamienia najczęściej stosuje się laser CO₂. Wykorzystuje się dwa podstawowe procesy: grawerowanie laserowe oraz termochemiczne znakowanie powierzchni (powodujące zmianę koloru i mikropęknięcia materiału).:
-
Grawerowanie laserowe (ablacja materiału): Przy dużej mocy i skupionej wiązce laser usuwa materiał z powierzchni kamienia i tworzy w ten sposób głębszy reliefowy znak. Efektem jest trwałe wyrycie w kamieniu. Podczas grawerowania laserowego powstaje drobny pył kamienny i odpryski, które należy usuwać. W trakcie dłuższych zadań może bowiem dochodzić do zanieczyszczania optyki lub dyszy. Metoda ta umożliwia tworzenie precyzyjnych wzorów nawet w bardzo twardych skałach. Stosuje się ją do głębokiego znakowania, na przykład wyrywania logo lub tekstu w granicie albo tworzenia reliefów 3D.
-
Znakowanie termochemiczne (zmiana powierzchni bez ablacji): Laser lokalnie nagrzewa powierzchnię kamienia, nie odparowując całkowicie materiału. Powstają mikropęknięcia i zmiany w strukturze warstwy powierzchniowej, które skutkują efektem barwnym lub kontrastowym. Na ciemnych kamieniach, takich jak bazalt, czarny granit czy łupek, laser tworzy jasny matowy ślad dobrze widoczny na ciemnym tle. Początkowo błyszcząca powierzchnia kamienia ulega spękaniu i matowieniu. Efekt jest podobny do piaskowania lub trawienia chemicznego. Znakowanie termiczne nadaje się do powierzchniowych oznaczeń o wysokim kontraście bez wyraźnej utraty materiału.
Odpowiedni typ lasera
Do większości zastosowań znakowania laserowego kamienia najlepiej nadaje się laser CO₂. Długość fali ~10,6 µm jest bardzo dobrze absorbowana przez minerały i skały. Dzięki temu wiązka lasera CO₂ skutecznie nagrzewa i odparowuje powierzchnię kamienia, tworząc kontrastowy znak. Lasery CO₂ są powszechnie stosowane do grawerowania granitu, marmuru, łupków i innych kamieni naturalnych, dając doskonałe rezultaty.
Z kolei laser fibrowy nie jest zbyt odpowiedni do bezpośredniego znakowania surowego kamienia. Materiały mineralne słabo pochłaniają krótszą długość fali. W szczególności składniki kwarcowe kamienia są w dużym stopniu przezroczyste dla 1064 nm. Większość energii lasera fibrowego w przypadku kamienia nie zostaje wykorzystana lub przenika przez materiał bez efektu, co uniemożliwia skuteczną ablację. Dlatego laserem fibrowym nie da się efektywnie grawerować ani topić kamienia o naturalnej powierzchni.
Jedyną możliwością znakowania kamienia laserem fibrowym jest modyfikacja powierzchni: albo zastosowanie usuwalnej warstwy farby lub lakieru, którą laser odparowuje i odsłania kontrastowe podłoże, albo naniesienie na czysty kamień cienkiej warstwy specjalnego pigmentu absorbującego, który pod wpływem działania lasera trwale przylega do powierzchni. W podobny sposób laserem fibrowym znakuje się szkło lub ceramikę. Metody te jednak nie zapewniają trwałości i jakości bezpośredniego znakowania laserem CO₂. Sam motyw pozostaje jedynie na powierzchni, jako przypieczona warstwa barwnika lub odsłonięte podłoże, bez rzeczywistego reliefu w strukturze kamienia.
Specyficzne zastosowanie w znakowaniu kamienia mają lasery zielone i UV. Zielony laser (DPSS, 532 nm) oferuje mniejszy punkt ogniskowania rzędu dziesiątek mikrometrów i wyższą absorpcję w materiałach, które nie reagują na promieniowanie podczerwone. Jest w stanie znakować niektóre jasne minerały, szkło lub ceramikę, gdzie laser CO₂ ani fibrowy nie byłby skuteczny. Zielona wiązka pozwala na tzw. „zimne” znakowanie, z mniejszym wpływem termicznym na otoczenie, co zapobiega niepożądanemu przypaleniu lub pękaniu materiału. Podobnie laser UV (355 nm) ma bardzo wysoką energię fotonów i szeroką absorpcję w większości substancji, umożliwiając bezpośrednie znakowanie niemal każdego materiału przy minimalnym wpływie cieplnym.
W praktyce przemysłowej jednak lasery krótkofalowe są stosowane do znakowania kamienia wyjątkowo rzadko, ponieważ dostępna moc jest niska (typowo 3–10 W dla laserów zielonych, 5–15 W dla UV), a urządzenia są kosztowne. Lasery zielone i UV są więc wykorzystywane głównie do precyzyjnego znakowania drobnych detali lub w aplikacjach specjalnych (np. oznaczanie wrażliwych elementów ceramicznych), gdzie wymagany jest precyzyjny znak bez uszkodzeń termicznych. Do standardowego głębokiego grawerowania większych powierzchni kamienia najefektywniejszym rozwiązaniem pozostaje laser CO₂.
Zalecane parametry znakowania
Podczas znakowania kamienia laserem CO₂ zazwyczaj stosuje się wysoką moc i niską prędkość przesuwu w porównaniu do np. znakowania tworzyw sztucznych lub drewna. Kamień jest twardy i ma wysokie przewodnictwo cieplne, dlatego do jego odparowania trzeba skoncentrować jak najwięcej energii. Typowo ustawia się moc blisko maksymalnej wartości lasera (70–100% mocy znamionowej) oraz wolniejsze prędkości skanowania (rzędu kilku do kilkudziesięciu procent maksymalnej prędkości maszyny).
Na przykład dla lasera CO₂ o mocy 60 W można zacząć od 100% mocy i około 30% prędkości; w przypadku słabszych laserów (30 W) konieczne jest dalsze obniżenie prędkości (około 15% przy pełnej mocy). W wartościach bezwzględnych oznacza to, że głowica grawerująca porusza się stosunkowo powoli (dziesiątki do niskich setek mm/s), a wiązka intensywnie oddziałuje na każde miejsce.
Optymalne ustawienia parametrów zależą od rodzaju kamienia. Ciemne, jednorodne skały (czarny granit, bazalt, łupek) uzyskują wysoki kontrast już przy średniej mocy i szybszym ruchu. Na przykład dla polerowanego bazaltu odpowiednie może być już ustawienie około 12% mocy i 50% prędkości (dla maszyny 100 W), dla łupku około 20% mocy i 100% prędkości.
Z kolei jasne lub porowate kamienie (jasny granit, piaskowiec, beton) wymagają ekstremalnie wolnego rytowania przy pełnej mocy (nawet poniżej 20% prędkości) i często wielokrotnych przejść wiązki, aby uzyskać widoczne oznaczenie. Gdy materiał taki jak biały marmur nie daje wystarczającego kontrastu przy grawerowaniu laserowym, rozwiązaniem jest dodatkowe podkreślenie kolorem. Pigment lub farba wcierana jest w wyryty wzór, aby zwiększyć widoczność.
Przy znakowaniu kamienia laserem ogólna zasada mówi, że zamiast jednego silnego impulsu lepiej jest rozdzielić moc na kilka przejść. Kamień jest wtedy mniej obciążony termicznie i nie grozi mu pękanie z powodu szoku. Operator wybiera na przykład dwa lub trzy powtórzone grawerowania ze średnią mocą zamiast jednego ekstremalnie wolnego przejścia przy pełnej mocy. Takie podejście prowadzi do czystszego i bardziej kontrolowanego efektu, ponieważ nie dochodzi do przegrzania otoczenia oznaczenia i pękania kamienia. Między kolejnymi przejściami dobrze jest zdmuchnąć lub spłukać powstały pył, aby kolejne grawerowanie odbywało się na czystej powierzchni.
Do kontroli energii na powierzchni kamienia wykorzystuje się defokusację (rozogniskowanie wiązki). Przy głębokim grawerowaniu wiązka jest czasem ogniskowana lekko poniżej powierzchni (np. -1 mm), aby najwyższa gęstość energii była pod powierzchnią i cięcie sięgało głębiej. Z kolei przy oznaczeniach powierzchniowych i w celu zwiększenia kontrastu często wiązka jest celowo rozogniskowana powyżej powierzchni (np. +1 do +2 mm), co zwiększa średnicę plamki i zmniejsza szczytową gęstość energii. Wówczas laser raczej równomiernie nagrzewa i matowi powierzchnię zamiast ją przebijać. To sprzyja powstawaniu kontrastowego śladu bez wyraźnej ablacji. Jest to przydatne np. przy fotograwerowaniu w granicie, gdy chcemy uzyskać jasny wzór na ciemnym kamieniu. Optymalną defokusację należy dobrać do konkretnego materiału – dla marmuru sprawdza się np. defokus około 0,5 mm, a dla kamieni o nierównej powierzchni (np. otoczaki) nawet +2 mm powyżej powierzchni.
Zalety i wady typów laserów przy znakowaniu kamienia
Zaletą lasera CO₂ jest wysoka skuteczność dzięki silnej absorpcji długości fali przez większość skał. Umożliwia szybkie grawerowanie ablacyjne oraz równomierne matowienie powierzchni z doskonałym kontrastem. Lasery CO₂ są dostępne w wysokich mocach oraz w systemach wielkoformatowych, co czyni je odpowiednimi do obróbki dużych powierzchni (np. płyty kamienne, okładziny).
Wadą lasera CO₂ jest stosunkowo większa średnica plamki (~100 µm), co ogranicza możliwość uzyskania bardzo drobnych detali. Laser CO₂ nie nadaje się do znakowania elementów metalicznych lub refleksyjnych obecnych w kamieniu, ponieważ metale odbijają jego wiązkę. Urządzenia z laserem CO₂ są zwykle większe i wymagają skutecznego systemu odciągu pyłu.
Laser włóknowy emituje bardzo cienką wiązkę (~30 µm), co umożliwia uzyskanie wysokiej rozdzielczości detali, o ile materiał dobrze absorbuje promieniowanie. Impulsowy laser światłowodowy ma wysoką moc szczytową, dzięki czemu może grawerować w głąb twardych materiałów. Przy zastosowaniu głowicy galvo umożliwia szybkie nanoszenie wzorów na niewielkich obszarach.
Jednak większość naturalnych kamieni słabo absorbuje promieniowanie o długości 1064 nm, przez co efekty znakowania są nieprzewidywalne. Znakowanie kamienia laserem włóknowym daje słaby kontrast i ogranicza się praktycznie do ciemnych, jednorodnych skał lub do wcześniej przygotowanej powierzchni. Na jasnych minerałach efekt może być niezauważalny. Wysoka gęstość energii może również powodować mikrospękania i drobne odpryski w miejscu uderzenia. Lasery włóknowe są zwykle stosowane w małych polach roboczych (głowice galvo ~100–300 mm), przez co nie nadają się do większych elementów kamiennych.
Zielony laser (532 nm) dzięki krótszej długości fali zapewnia lepszą absorpcję w niektórych materiałach, jak jasne minerały. Mała średnica plamki (~20–30 µm) umożliwia znakowanie bardzo drobnych detali. Jednak ograniczona moc wyjściowa (zazwyczaj 5–10 W) skutkuje niższą szybkością znakowania i mniejszą głębokością grawerowania. Nie sprawdza się przy twardszych skałach, lepiej nadaje się do kontrastowego znakowania powierzchniowego. Urządzenia są drogie (technologia DPSS) i wrażliwe na niewłaściwe ustawienia.
Laser UV (355 nm) o bardzo krótkiej długości fali zapewnia wysoką absorpcję w niemal wszystkich materiałach, co umożliwia fotochemiczne znakowanie także przezroczystych i twardych kamieni z minimalnym wpływem cieplnym. Uzyskane oznaczenia są bardzo precyzyjne, bez mikropęknięć, co odpowiada wymaganiom mikrozankowania i delikatnej grafiki.
Wadą lasera UV jest bardzo niska moc (zazwyczaj 3–15 W), co znacznie ogranicza jego zastosowanie do kamienia. Grawerowanie jest powolne i płytkie. Dlatego UV laser nie nadaje się do standardowych zastosowań przemysłowych, gdzie wymagana jest wysoka wydajność.