Тайная жизнь лазерных граверов
Хоть мы и не видим их на каждом углу, результаты их труда окружают нас повсеместно. Качество и скорость работы, обеспечиваемые лазерными станками, на многих производствах остаются недостижимыми для традиционных методов обработки. Лазерные маркёры, гравёры, аппараты сварки и резки металлов и т.д. Список действительно огромен и лазеры продолжают захватывать мир.
Но, Петька, есть нюанс©. Как и все наукоёмкие истории, лазерная техника уже достаточно успела обрасти слухами и мифами о своих безграничных возможностях. Возможностей там действительно вагон (или два), но физику никто не отменял.
Вооружившись острым желанием узнать, как это всё работает, было принято решение направиться за комментариями в питерский офис компании «Лазерный Центр». Они занимаются разработкой лазерных граверов и маркёров уже 15 лет и, вероятно, что-то в них понимают.
Много фотографий под катом.
Зри в корень
Сразу надо запомнить самое важное во всей этой гравировочно-маркировочной истории: необходимые параметры для промышленного применения в металлообработке нам могут дать только волоконные лазеры. Реальной альтернативы им пока не существует. Газовые, твердотельные и прочие лазеры работают отлично, но в других сферах применения.
Возникает вопрос: чем же так замечательны волоконные лазеры? Во-первых, это отличное качество оптического излучения. Через 100 000 часов работы изменение характеристик лазера будет или пренебрежимо мало, или вообще не будет. Хотя это и не значит, что за ним можно совсем не следить.
Мини Маркер 2. Самый популярный станок Лазерного Центра. Лазер спрятан в красном ящике снизу.
Но главное — это длина волны генерируемого излучения и как она взаимодействует с материалами. Каноничный углекислотный лазер работает на длинах волн 9,6–10,6 мкм. Такое излучение отлично поглощается органикой, поэтому для медицинского использования они подходят лучше, чем волоконные лазеры, работающие на примерно 1–1,5 мкм. Строго говоря, длина волны — это, как паспорт, идентификационный документ у лазера. В зависимости от длины волны материалы по-разному взаимодействуют с излучением. Варианта всего три: излучение можно поглотить, отразить или пропустить. Хрестоматийный пример — это стекло, которое поглощает УФ волны, но отлично пропускает видимый диапазон спектра. Интересующий нас вариант: излучение с длиной волны 1,064 мкм сталью практически полностью поглощается, а с длиной волны 10,6 мкм — отражается. А если берём оргстекло, всё будет ровно наоборот (10,6 — поглощается, 1,064 — проходит насквозь).
Демо-пластинка станка Мини маркер 2. Такие пластинки призваны показать максимум возможностей станка (качество изображения, работа с цветом и т.д.) и делаются прямо при вас.
И третий важный параметр — диаметр пятна в фокусе облучения. При одинаковой излучаемой мощности и фокусном расстоянии у волоконного лазера пятно меньше, и, следовательно, плотность поглощаемой энергии примерно в 100 раз выше (площадь круга 
), чем у 
-лазера. Отсюда ещё большее удобство работы с металлами.
Ну и в завершении — небольшие габариты излучающего тела. Особенно, если сравнивать с газовыми лазерами.
И чтобы завершить вступление на мажорной ноте и вызвать гордость за соотечественников: лидером в отрасли разработки и производства волоконных лазеров является корпорация IPG Photonics, созданная аспирантом МФТИ В.П. Гапонцевым. Вообще, можете принять по дефолту: видишь лазер, ищи след русских физиков =)
Процесс гравировки пластины с предыдущей фотографии. Делается буквально за пару минут.
К слову, рынок волоконных лазеров сейчас оценивается примерно в 2 миллиарда долларов, из которых 1,5 — это IPG. А небольшой кусок этой корпорации НТО «ИРЭ-Полюс», с которого и начались волоконные лазеры, занимает десятое место среди несырьевых экспортёров в России. Девятое — Рособоронэкспорт. Выводы делайте сами.
Матчасть
Теперь давайте разбираться, что же такое волоконный лазер.
Когда говорится про , рубиновый, волоконный или любой другой лазер, имеется в виду активная среда, которая генерирует лазерное излучение. Три минуты про то, что же такое сам лазер.
Из дерева, и пластика, лазером можно вырезать вот такие милые штуки
В 1964 году советским учёным Александру Басову и Николаю Прохорову в соавторстве с американцем Чарльзом Таунсоном, вручили Нобелевскую премию за создание лазера. Они открыли, что в некоторых веществах при облучении их электромагнитной энергией, электроны начинают переходить на более высокие энергетические орбиты. А при обратном переходе на более низкую энергетическую орбиту они излучают фотоны с энергией в один квант. А что такое один квант? Это энергия одного фотона =) Далее происходит основная магия: если летящий фотон попадает в другой электрон, находящийся на высоком энергетическом уровне, происходит выработка нового фотона, полностью идентичного попавшему, и лететь он будет в том же направлении. Далее эти два фотона выбивают четыре, те выбивают восемь и так далее, пока на границе активного вещества не откроют так называемый затвор, и из вещества вылетает поток излучения, состоящий из абсолютно одинаковых фотонов. Всё это происходит на скорости света, поэтому в современных лазерах длительность импульса может измеряться в пико- и фемтосекундах (это -12 и -15 степени, соответственно).
Самый первый (буквально) проданный гравировочный станок. Его специально искали и выкупили обратно.
Теперь немного математики. Предположим, у нас стандартный волоконный лазер средней мощности в 10 Вт с длительностью импульса 100 наносекунд (-9) и частотой импульсов 20 кГц. Энергия одного импульса 1 Мдж. Диаметра пятна 50 мкм.
И если внимательно посмотреть на этот импульс, то получается за 
сек. мы передали 1 мДж. А если так работать без остановки целую секунду, то получаем 10.000.000 (раз) по 0,001 Дж (это энергия). Итого 10 000 Вт. Можете себе представить каково материалу, когда в каждые 50 мкм вкачивают 10 КВт.
Здесь отрабатывается технология глубинной гравировки для получения объёмных изображений поразительной чёткости. Этакий 3D принтер наоборот. Процесс может длится несколько дней, в течении которых изделия нельзя трогать. Поэтому в лаборатории они максимально тяжёлые.
Теперь вспоминаем китайские лазеры, дающие пятно в несколько раз больше. Если радиус пятна больше в три раза, его площадь больше в девять раз, получается, что при прочих равных китайский лазер будет работать не как на 10Вт, а как ~1Вт (это ещё позитивный сценарий).
Теперь немного про сам волоконный лазер. Как не трудно догадаться, здесь роль излучающего тела играет длинный кусок оптоволокна. Не совсем того, по которому к вам сейчас бежит интернет, но суть та же, просто структура волокна сильно другая. В чём прелесть волоконного лазера — элементарное охлаждение активной среды. Пока инженеры ломают голову над задачей равномерного охлаждения колбы с газом или целого кристалла, со струной оптики такой проблемы нет совсем. Фактически, её можно просто намотать на круглый кусок алюминия, сказать, что это радиатор, и на этом проблема охлаждения решена.
Что получается в конце. Моя камера не может передать степень детальности изображений, но поверьте — глаз буквально режет их идеальная чёткость.
Другая легко решаемая задача — накачка излучением. К волокну припаивается светодиод, через ответвитель — ещё один, затем ещё и ещё, и так сколько угодно раз, пока не получим нужный поток.
Денежный вопрос
Почему же именно лазерные граверы вызывают максимальный интерес у владельцев производств? Как это ни странно, но у людей конечное количество денег и максимальный интерес всегда вызывает самая дешевая технология, дающая приемлемый результат. Поэтому если взять условную тысячу лазерных станков, 900 будет для маркировки и только 100 для резки, сварки и прочих аддитивных технологий.
Аппарат лазернй резки за работой. Итоговое изделие не решетка, а то, что было в пустых ячейках.
Как мы договорились ранее, скорее всего, лазерные модули у всех от одного производителя. Значит, остаётся научиться извлекать из него пользу. Для этого нам надо собрать станок, представляющий из себя маркерное поле и вертикальную штангу, по которой будет передвигаться оптическая система (всё вместе это называется сканаторная система). Эта мобильность нужна для выставления фокуса. Вернее, фокус у системы постоянный, но маркируемые изделия все разной толщины, и надо это учитывать.
Почему не зафиксировать оптику в одной точке? Ответ опять в деньгах — гораздо проще сделать штангу с моторчиком, чем изобретать объектив с переменным фокусным расстоянием. Блок питания и лазер можно спрятать в основании станка, после чего дело за малым — много раз поменять все детали в поисках сочетающихся наилучшим образом да написать софт (табличка сарказм).
Пример из медицины. В держателе установлен штифт, на котором гравируется оцень специальный микрорельеф, чтобы клеткам окружающих тканей было проще на нём закрепиться. Такая манипуляция в разы повышает эффективность штифта.
В случае станков лазерного центра, всё пишется под Windows, т.к. большинство производств работает на технологиях Microsoft и устраивать с ними войну форматов нет никакого желания. Рыночек порешал, как принято сейчас говорить.
Вопрос кривых поверхностей
Внимательный читатель задаст вопрос — вот вы говорите, что изделие должно находиться в фокусе. А значит, его поверхность должна быть довольно гладкой. Но посмотрим на банальную ручку, она же круглая! Как же нанести надпись на такую кривую поверхность?
Абсолютно правильный вопрос!
Совершенно забыл, как эта штука называется, но тут всё наглядно. Традиционными методами такое делать очень долго, дорого и трудно.
Для этого надо рассмотреть, как работает оптическая часть гравёра. Если мы в объективе поставим обычную линзу, то луч будет фокусироваться в сферу. В принципе, это должны знать все из школьного курса физики. А вот про что в школе не говорят, так это про возможно спроектировать объектив таким образом, что луч начнёт фокусироваться в плоскость. Конечно, ближе к краям плоскости луч будет немного выходить из фокуса, без этого никак. Но это уже разговор про допуски и погрешности. Можно с этим бороться созданием всё более и более сложных объективов, но экономически это неоправданно (не опять, а снова).
Высокотехнологичная насадка из пластика для выставления фокуса. Лучше и проще в мире ещё не изобрели. Серьёзно.
Как тогда с этим бороться? Да никак! Хороший лазерный луч в фокусе позволяет достигать нам около микронных точностей. Даже если к границе рабочего поля эта точность упадёт до нескольких микрометров, без микроскопа мы это не увидим. Поэтому если нам требуется действительно высокая точность, мы можем искусственно ограничить размер рабочего поля, чтобы луч оставался в пределах необходимых погрешностей. Отсюда важный вывод: станок может или иметь высокое разрешение, или работать с криволинейными плоскостями. Комбайнов, умеющих одинаково хорошо и то, и то, пока не изобрели.
Все промышленные станки идут со своей станиной, куда обязательно интегрируется бесперебойник. У него ровно одна задача: запомнить последнее действие и отключить станок. Когда питание будет возвращено, обработка продолжится с той же точки.
Другой важный момент — размер пятна лазера. Как бы мы здорово ни настраивали оптику и источник лазерного излучения, мы никогда не получим бесконечно малую точку. Это всегда будет пятно, размер которого зависит от оптической системы, длины волны лазера и качества самого лазерного излучателя. Это то самое, из-за чего IPG Photonics стали практически монополистом рынка. Они умудряются делать лазеры, у которых пятно может быть в десятки раз меньше китайских аналогов. А меньше пятно — больше мощность на его площади, выше эффективность и т.д. Да ещё и распределение энергии в пятне не однородно, а согласно распределению Гаусса, но тут мы рискуем сорваться в ненужные сейчас дебри.
Одна из произдводственных лабораторий. Люди уже ушли, но часть гравёров была занята своим делом. Работать несколько суток без перерыва для них нормальный режим.
Поэтому с ручкой (и другими не критично изогнутыми поверхностями) всё просто — без микроскопа мы не увидим, что края гравировки на скате будут размыты чуть больше, чем на верхней части, по которой выставляется фокус. На сленге лазерщиков это называется перетяжка — тот перепад высот, с которым данный станок может работать. А бывают изделия (например, тончайшие сеточки, применяемые в сосудистой хирургии, именуемые стенты), где точность критична и такие изделия вырезаются исключительно из плоских заготовок. Тут много специфических нюансов: если мы работаем с многослойной электроникой, где толщина слоя доходит до 10 микрон, приходится учитывать даже материал поверхности, на которой располагается заготовка. При термическом расширении 2 мм на метр за каждые 20 градусов, материал подложи считается не подходящим. Поэтому в качестве подложки может быть использована гранитная плита (определённого типа гранита): прекрасный термический коэффициент и определённая виброустойчивость.
Пример станка собранного на гранитной станине.
О материалах
Если посмотреть на упаковку практически чего угодно произведенного в фабричных условиях, вы скорее всего обнаружите следы работы лазерного маркёра. И скорее всего, это будет буквенно-цифровой код черного цвета. Значит ли это, что при маркировке лазер выжигает верхний слой материала, оставляя после себя пепел, тлен и уныние? Нет. Если предположить, что это так, такие надписи можно было-бы элементарно стереть, но они держатся как влитые. Давайте разбираться, что же происходит.
При разработке технологий требующих микронную точность, всё контролируется микроскопом.
В предыдущем абзаце мы уже упомянули размер пятна лазера. Тут всё кажется простым. Хочешь больше мощности — делай маленькое пятно, не нужная большая мощность — можно обойтись большим. Но почему-то мы забыли о материалах, с которыми взаимодействует лазер, и техпроцессах, коих много: испарение, оплавление и т.д. Но сейчас нас интересует только один — изменение структуры материала.
Смертельный номер — eucariot суёт руку прямо под луч лазера. Однако руку не отрезало, не обожгло и вообще ничего не произошло: излучение не в фокусе, поэтому его мощность рассеивается на большой поверхности. Но если-бы он опустил руку…
Пока физики ищут размер пятна, смотря на распределение Гаусса (да, опять оно), оптики его просто назначили. Там, где излучение падает в 
раз, и находится граница нашего оптического пучка. Но простым людям этот е2 раз ехало болело. Нам важно просто определить место (и его границы) где происходит наш техпроцесс. И тут всё внимание объекту, на который мы светим. Каждый материал по-разному реагирует на разные длины волн и мощность излучения. Например, если в пластик (краску и т.д.) добавлять пигмент, активируемый определённой длиной волны, у него появляется интересное свойство. Мы помещаем такое изделие под лазер, основной материал никак не реагирует на приходящее излучение, а пигмент «активизируется» прямо внутри материала, т.е. мы работаем только с ним. На выходе наше изделие будет без нарушения целостности, но с надписью, интегрированной в саму структуру материала. Это очень ценят на производствах с агрессивной средой, где надпись краской может стереться, а штамповка запачкаться до не читаемости. На фото, например, бирка для коровы. Пока бирка сама не развалится, надпись будет оставаться читаемой. Сделана она из полипропилена, который очень плохо (читай никак) взаимодействует с волоконным лазером, зато добавки в нём только и ждут, чтобы их облучили. Они принимают на себя всю энергию, которую передают полипропилену. Этакий посредник получается.
Те самые бирки для коров с нестираемым изображением и другие изделия из пластика.
С обратной историей сталкивались все, кто удалял себе лазером татуировки: лазерное излучение проникает в кожу, практически никак не взаимодействуя с ней, зато поглощается краской, разрушая её. На прозрачности кожи для определённых длин волн основано всё применение лазеров в косметологии, хирургии и прочей медицине.
Цвета побежалости
Другое интересное применение лазерных граверов, это создание цветных рисунков на металле. В основе технологии лежат цвета побежалости и давайте разбираться, что это такое.
Как все мы знаем, металлы любят взаимодействовать с атмосферой — это называется окисление. Какие-то металлы окисляются быстро, какие-то медленно, но, если его нагреть, окисление всегда будет происходить здесь и сейчас.
Пример возможных цветов на конкретном изделии.
При интерференции белого света на тонких оксидных плёнках нам кажется, что поверхность изменила свой цвет. Эффект отлично известен абсолютно всем, кто хоть раз или нагревал любую железку или разглядывал свежий сварной шов: на металле появлялись радужные разводы. Цвет напрямую зависит от толщины оксидной плёнки, а значит, если мы знаем свойства металла и при какой температуре образуется плёнка какой толщины, то, устраивая локальный нагрев и комбинируя цветные точки, мы можем создавать цветные изображения на манер струйного принтера. В реальности всё несколько сложней и используются наплавления плёнок друг на друга, но в рамках этой статьи мы не будем вдаваться в такие детали.
Прочность этих рисунков ограничивается прочностью оксидного слоя, и все они со временем бледнеют из-за естественных процессов образования новых плёнок поверх старых. Но пока всё свежее и цвета яркие, выглядит это очень эффектно.
Сверху видна плашка с палитрой возможных цветов и оттенков.
Насколько отечественные станки отечественные
Вопрос, который никак нельзя обойти при разговоре об отечественном производстве, так что давайте посмотрим как оно есть на самом деле.
85% стоимости станка — это лазер. Лазер делается у нас, в Подмосковье, на том самом НТО «ИРЭ-Полюс» с которого началось PG Photonics, которую основали наши же физики.
Оптика (стекла и зеркала) делаются тоже самостоятельно, только стекло покупается в Англии. К сожалению, оптических производств, обеспечивающих необходимое качество у нас нет.
Двигатели и точную механику для сканаторов в мире делают три компании (две английские и одна немецкая), поэтому их закупают там.
Весь софт написан в России с нуля.
Сборочный участок. Все станки — полностью ручная сборка.
Вот такая вот структура отечественных хороших лазерных станков. Критиковать или нет отечественных станкостроителей, разрабатывающих и собирающих станки из зарубежных компонентов, — дело лично каждого. Просто надо понимать, что части компонентов на отечественном рынке просто нет. Если взять всё отечественное станкостроение, которое делает хоть что-то, и заявляет свою продукцию как отечественного производства, их доля рынка оценивается примерно в 8%, т.е. в массе своей они не могут закрывать даже потребности отечественного рынка, не говоря про импорт своей продукции.
Мозг лазерного гравёра.
Про конкуренцию с китайцами
Вы удивитесь, но её нет. Но именно в промышленной металлообработке и волоконных лазерах. В вот там да, лет 8 уже как цирк с конями и станки делают все подряд.
На рынке ситуация сейчас довольно интересная. На всем известном алиэкспрессе есть множество станков примерно за 250 000 рублей. Они довольно паршивые, повторяют друг друга и годятся только для домашних экспериментов. Есть станки уже промышленного уровня, стоят они в 2–3 раза дороже, и легально их никто сюда не возит. Конечно же, есть успешные последователи бизнес коучей и бизнес молодости, которые сделали красивый лэндинг, сгоняли в Китай, сделали там красивых фоток для каталога и продают станки по миллиону. Правда, при ближайшем рассмотрении оказывается, что параметры этих станков не сильно отличаются от алиэкспресных, но тут дело каждого. За лэндинг с фоточками тоже кто-то должен платить.
Дальше вопрос целевой аудитории. Если кто-то покупает себе станок для DIY в свою мастерскую, он не конкурирует с промышленниками. Это просто станок для каких-то своих мелких нужд. Если покупается станок у ребят с красивым лэндингом для производства, то скорее всего вы попадёте в схему. Возможно, откровенное жульничество с тендерами, когда оборудование покупается просто по количеству ящиков. Возможно, вы обречёте себя на вечные ремонты платными специалистами с постоянными выездами к клиенту и донастройкой оборудования. А в зоне большой промышленности, где характеристики и результат не просто важны, а критичны, идёт борьба между тремя китами: плохо (объективно плохо), но дешево из Китая, дорого и хорошо из Европы, хорошо и дешевле чем из Европы, но из России.
Производства, где действительно вникают в характеристики оборудования и тщательно его выбирают, свой выбор сделали и отечественные станки продаются в Европу, Америку и на весь остальной мир.
Голова гравёра в процессе сборки
Вместо вывода
Вот такая вот история получилась про отечественные лазерные гравёры. Не слишком подробная, где-то поверхностная, но тема лазерной обработки огромна, и сложно охватить всё сразу. Представителей «Лазерного Центра» на Хабре нет, но все вопросы из комментариев я им передам. Или, если найдётся доброжелатель с инвайтом, мы их пригласим сюда для плодотворной беседы и, возможно, попросим раскрыть другие тайны своей отрасли.
Уйти и не отгравировать всё, до чего дотягиваются руки — выбор трусов!
