Industriell lasergravering av aluminium: så fungerar det
Inom industriell tillverkning, där hastighet och beständighet är avgörande, har lasergravering visat sig vara en av de mest effektiva och tillförlitliga lösningarna för märkning av komponenter med hög kvalitet.
Metoden används ofta i krävande branscher som fordonsindustrin samt flyg- och rymdindustrin, där aluminiumdelar måste uppfylla strikta krav på spårbarhet och regelefterlevnad.
Oavsett om du arbetar med obehandlat aluminium, anodiserat aluminium, pulverlackerat aluminium eller aluminiumlegeringar kan valet av rätt lasergraveringsteknik vara avgörande för att skapa enhetliga, kontrastrika och beständiga märkningar.
I den här artikeln går vi igenom de viktigaste aspekterna av lasergravering av aluminium, från hur processen fungerar till hur du väljer den bästa maskinen för dina specifika behov.
Innehållsförteckning
- Vad är lasergravering?
- Hur lasergravering skiljer sig från andra typer av lasermärkning
- Varför är lasergravering lämplig för aluminium?
- Hur fungerar lasergravering av aluminium?
- Lasertyper för olika typer av aluminium
- Viktiga industriella tillämpningar
- 5 experttips
- Behöver du lasergravering?
Vad är lasergravering?
Lasergravering är en typ av lasermärkning där en fokuserad, pulsad laserstråle används för att avlägsna material och skapa djupa, permanenta och precisa märkningar, exempelvis:
- Data Matrix- och QR-koder
- Serienummer
- Streckkoder
- Skyltning
- Logotyper
Till skillnad från andra metoder, som bläckutskrift, ritsning eller punktprägling, skapar lasergravering det önskade graverade mönstret utan att påverka materialets egenskaper eller avlägsna onödigt mycket material.
Dessa 2D- eller 3D-märkningar kan skapa en rad olika gråtoner på metallytan, från vitt till svart.
För att gravera aluminium med laserteknik måste strålintensiteten nå ett visst minsta tröskelvärde för att märkningen ska bli synlig.
För att säkerställa detta måste laserstrålens fokusläge ligga inom ett intervall på ±1,5 mm från materialytan. Utanför detta intervall försämras märkningens kvalitet och kontrast.
Fokusläget bestämmer laserstrålens diameter och intensitet på metallytan. Graveringsresultatet varierar vid olika fokusavstånd, både inom och utanför det angivna intervallet.
Ett 2D-laserhuvud ger bäst graveringsresultat när strålens fokuspunkt är placerad direkt på ytan, vilket motsvarar nollfokus, upp till 1,5 mm ovanför ytan, vilket motsvarar positivt fokus, eller något under ytan, vilket motsvarar negativt fokus.
Om ytans position varierar mellan olika komponenter kan ett 3D-laserhuvud med avståndsmätningssensorer mäta varje komponents ytposition och dynamiskt kompensera fokusläget. Detta extra steg innebär endast en fördröjning på mindre än 50 ms.
Som namnet antyder kan 3D-huvudet även märka tredimensionella former där avståndet mellan den fokuserade laserstrålen och metallytan varierar på samma komponent.
Hur lasergravering skiljer sig från andra typer av lasermärkning
Laseretsning
Laseretsning är snabbare än lasergravering och innebär att metallytan smälts för att skapa upphöjda märkningar, i stället för att materialet förångas för att skapa fördjupningar.
Laserstrålen värmer upp ytan så att den expanderar och bildar ett texturerat mönster.
De resulterande märkningarna är dock i allmänhet mindre beständiga än märkningar som skapas genom lasergravering, särskilt när de utsätts för abrasiva ytbehandlingar som sandblästring.
Laseretsning kan därför övervägas för märkning av aluminium om inga abrasiva behandlingar används. Metoden kan också kombineras med gravering för att skapa kontraster av högre kvalitet, genom att de vita märkningarna etsas och de svarta märkningarna graveras.
Laseranlöpning
Laseranlöpning skiljer sig tydligt från laseretsning och lasergravering eftersom processen varken avlägsnar material eller förändrar metallytans grovhet.
Vid denna märkningsteknik används en laserstråle för att värma upp vissa metaller, såsom stål, rostfritt stål och titan. Den lokala uppvärmningen får syre att diffundera under metallytan och förändrar tjockleken på det inre oxidskiktet.
När metallen har svalnat uppstår en färgförändring som inte påverkar materialets egenskaper eller skyddande beläggning.
Laseranlöpning är inte effektiv på aluminium eftersom dess oxidskikt, till skillnad från oxidskikten på stål och titan, inte kan skapa en synlig färgförändring vid uppvärmning.
Varför är lasergravering lämplig för aluminium?
Lasergravering är idealisk för märkning av aluminiumdelar eftersom den kan skapa beständiga märkningar med hög kontrast, särskilt i krävande industriella miljöer. Till skillnad från icke-laserbaserade märkningsmetoder kan de permanenta märkningarna även tåla värme, kemikalier, nötning och behandlingar som sandblästring och kulblästring.
Lasergravering kan därför säkerställa optimal spårbarhet för komponenter inom tillverkningsindustrin, där olika aluminiumdelar måste märkas redan från produktionslinjens början, däribland:
- Stansade plåtdelar
- Forminsatser
- Pressgjutgods
- Extruderade profiler
- Göt
- Storgöt
Hur fungerar lasergravering av aluminium?
Steg 1: Konfigurering av lasern
Först konfigurerar laseroperatören, eller den integrerade programvaran, laserparametrarna utifrån komponentens geometri och aluminiumkvalitet.
Parametrarna omfattar följande:
Lasereffekt (W): Den genomsnittliga mängd energi som en pulsad laser levererar per sekund. Lasereffekten påverkar hur mycket material som avlägsnas från komponentens yta under lasergraveringsprocessen. Vid gravering av aluminium möjliggör högre lasereffekt djupare gravering och snabbare bearbetning. Alltför hög effekt kan dock skada komponentens yta.
Pulsenergi (mJ): Den mängd energi som finns i varje laserpuls. Pulsenergin beräknas genom att den genomsnittliga effekten divideras med pulsfrekvensen. Högre pulsenergi möjliggör snabbare gravering av aluminium genom att minska antalet passager som krävs för att uppnå ett visst djup. Lägre pulsenergi lämpar sig bättre för aluminiumdelar som kräver grundare märkningar.
Pulsfrekvens (kHz): Pulsfrekvensen, även kallad repetitionsfrekvens, anger antalet laserpulser som avges per sekund. Högre frekvenser ger en jämnare ytfinish på aluminiumet och en mer enhetlig kontrast, men minskar graveringsdjupet eftersom varje puls innehåller mindre energi.
Pulsvaraktighet (ns): Den tid som varje laserpuls varar, vilket påverkar hur energin interagerar med aluminiumet. Kortare pulser ger högre toppeffekt, vilket möjliggör precis gravering samtidigt som risken för oxidation och gradbildning runt märkningen minskar.
Fokusavstånd (mm): Avståndet från laserns fokuseringslins till den punkt där strålen konvergerar till sin minsta diameter på aluminiumdelens yta, det vill säga fokuspunkten. Fokusavståndet påverkar strålpunktens storlek och energikoncentrationen på metallen. Ett exakt fokusavstånd ger skarpa graveringar och förhindrar suddiga eller ojämna märkningar.
Punktstorlek (µm): Laserstrålens diameter vid fokuspunkten. En mindre punktstorlek koncentrerar energin till ett mindre område, vilket ger högre energitäthet. Detta möjliggör snabbare och djupare gravering av aluminium med finare detaljer. En större punktstorlek sprider däremot energin över ett större område. Det kan vara användbart vid ytmärkning av större ytor, men ger lägre upplösning och mindre effektiv materialavlägsning.
Skanningshastighet (mm/s): Den hastighet med vilken laserstrålen rör sig över aluminiumytan. Lägre hastigheter ökar exponeringstiden, vilket bidrar till djupare eller mörkare märkningar på aluminiumdelar. Högre hastigheter lämpar sig för ytlig märkning eller märkning med hög hastighet, men kan minska djupet eller kontrasten.
Linjeavstånd (mm): Lasergravering består av flera linjära passager tills den önskade formen har skapats, exempelvis en kvadratisk datamatriskod. Linjeavståndet anger avståndet mellan intilliggande linjer under lasermärkningen och påverkar märkningstiden och kontrasten. Precis som för andra material ger ett större linjeavstånd snabbare gravering av aluminium, men minskar den visuella läsbarheten.
Antal passager: Det antal gånger som laserstrålen skannar över samma område. Gravering av aluminium kräver ofta flera passager, eller skanningar, för att uppnå önskat djup eller önskad kontrast. Fler passager gör det möjligt för lasern att gradvis avlägsna material utan att skapa alltför stor värmeansamling. Metoden bidrar till att bevara skarpa kanter och förhindra deformation av tunna eller värmekänsliga aluminiumdelar.
Steg 2: Lasergravering
Den pulsade strålen, vanligtvis från en fiberlaser eller UV-laser, riktas mot aluminiumytan med hjälp av ett galvo-skanningshuvud eller CNC-styrd optik.
Vid 3D-märkning styrs systemets skanningsbana noggrant för att säkerställa ett enhetligt resultat över komplexa geometrier.
Laserpulserna avger korta, intensiva energiimpulser som förångar aluminiumet lager för lager. Denna ablationsprocess kan skapa graverade linjer, mönster eller datakoder.
Partiklar och rök sugs ut eller avlägsnas under eller efter graveringsprocessen för att förhindra förorening av de bearbetade komponenterna och arbetsmiljön.
Lasergravering kan utföras i en säker miljö som uppfyller kraven för lasersäkerhet klass 1, vilket säkerställer att operatören inte utsätts för några allvarliga risker.
När det gäller märkningsdjup kan djup lasergravering uppnå graveringsdjup på över 300 µm. Följande video visar hur lasertekniken kan gravera beständiga identifierare och klara även de mest krävande cykeltiderna:
Steg 3: Kvalitetskontroll
I detta steg kontrolleras tre viktiga kriterier för graveringen: djup, kontrast och läsbarhet.
Hur viktiga de olika egenskaperna är kan variera beroende på typen av märkning, exempelvis serienummer, logotyp, varumärke eller datamatriskod, samt vilka standarder som gäller. Kriterierna kan kontrolleras på följande sätt:
Djup
Graveringsdjupet kan mätas indirekt genom att skuggor eller reflektionsförmåga analyseras med olika belysningsuppställningar.
Det kan även mätas med en programvara för 3D-profilometri för att få mer precisa topografiska data, som i följande exempel.
För aluminiumdelar som kräver mer beständiga märkningar, exempelvis i krävande miljöer eller vid abrasiva behandlingar, måste det uppmätta djupet nå ett fastställt gränsvärde för att säkerställa beständig kvalitet.
Kontrast
Graveringskontrasten kan bedömas genom att gråskalevärdena i behandlade och obehandlade områden på en aluminiumdel jämförs.
Den märkta ytan framstår som mörkare, medan det obehandlade materialet är ljusare eftersom det reflekterar mer ljus.
Den resulterande kontrasten mellan de två områdena, även kallad pixelintensitetsskillnad kan beräknas med hjälp av en gråskalamatris där varje pixel har ett eget gråskalevärde från vitt till svart.
Mätningen utförs vanligtvis manuellt under tester eller genom läsbarhetsprovning för att bekräfta att kontrasten är tillräckligt hög för att koden ska kunna läsas.
Läsbarhet
Detta kriterium är särskilt relevant för datamatriskoder och streckkoder.
Det vanligaste sättet att bedöma läsbarheten är att använda en handhållen kodläsare. Om kodläsaren inte kan läsa koden bör komponenten markeras för omarbetning eller kassering.
Vissa tillverkare integrerar visionsystem (som systemet nedan) i sina produktionslinjer för att kontrollera graveringarnas läsbarhet och bedöma kvaliteten i realtid. I annat fall bör manuella kontroller genomföras regelbundet.
Om en skyddande beläggning eller behandling appliceras efter lasergraveringen krävs ytterligare en kvalitetskontroll för att fastställa om märkningens kvalitet har påverkats.
Lasertyper för olika typer av aluminium
Valet av den bästa lasern för din tillämpning bör baseras på vilken typ av aluminium du arbetar med.
Obehandlat aluminium
De flesta vanliga aluminiumlegeringar har hög reflektivitet och värmeledningsförmåga, vilket gör dem svårare att gravera.
I dessa fall bör ett fiberlasermärkningssystem med hög toppeffekt och korta pulser användas för att uppnå effektiv förångning med en så liten värmepåverkad zon (HAZ) som möjligt.
Lasergraveringsprocessen är relativt snabb för vanliga legeringar som 6061 och 5052, vilket visas nedan:
Lasereffekt (W) | Graveringshastighet (mm³/s) |
100 | 0,41–0,70 |
200 | 0,70–1,27 |
300 | 0,81–1,81 |
500 | 1,00–2,51 |
Anodiserat aluminium
Anodiserat aluminium är däremot enklare att gravera.
Det porösa anodiseringsskiktet, som ofta är infärgat, gör det möjligt för lasern att endast avlägsna ett tunt ytskikt och frilägga den reflekterande metallen under det. Resultatet är skarpa märkningar med hög kontrast.
Både fiberlasrar och CO₂-lasrar kan användas för anodiserat aluminium, men fiberlasrar är 2–5 gånger snabbare eftersom deras kortare våglängd absorberas mer effektivt.
Denna hastighetsfördel minskar dock i takt med att graveringsdjupet ökar.
Målat, e-belagt och pulverlackerat aluminium
På liknande sätt innebär gravering av dessa aluminiumtyper att färgen eller beläggningen selektivt avlägsnas från aluminiumytan. Grundmetallen under beläggningen friläggs och bildar en märkning med hög kontrast.
CO₂-lasrar lämpar sig särskilt väl för att förånga beläggningar utan att direkt påverka metallen, men även fiberlasrar kan användas. I båda fallen krävs tillräcklig ventilation för att suga ut alla ångor från beläggningen.
Videon nedan visar hur lasergravering fungerar på fosfatbelagda pinjonger och ringhjul. Beläggningsmaterialet avlägsnas med hög precision och komponenterna märks utan att grundmaterialet påverkas:
Viktiga industriella tillämpningar
Inom fordons- och elfordonsindustrin kan permanent lasergravering användas för enhetlig identifiering av delar i aluminiumlegeringar, komponentspårbarhet, varumärkesmärkning och etikettering för att underlätta monteringen av fordon.
Ett fiberlasersystem för gravering kan exempelvis märka battericeller i aluminium, elektrodfolier, upprullade elektrodstrukturer (jelly rolls), höljen, moduler och batteripaket med hög precision för att upprätthålla spårbarheten genom krävande miljöer och efterföljande processer.
Flyg- och rymdindustrin är en annan viktig bransch där lasergravering kan användas på delar, komponenter och sammanbyggnader av legeringar för att skapa kontrastrika märkningar som tål extrema förhållanden.
Lasertillämpningar inom flyg- och rymdindustrin omfattar gravering av fästelement i aluminium, höljesramar, värmeväxlare och ställdonskomponenter.
Flera lasertillämpningar växer även fram inom solcellsområdet. Lasergravering kan användas för att identifiera, varumärkesmärka eller etikettera aluminiumramar för solpaneler samt monterings- och stativsystem.
Till skillnad från klistermärken och bläckbaserade metoder bleknar, flagnar eller försämras inte graverade märkningar på solpanelernas komponenter under systemets livslängd, som kan vara upp till 40 år.
5 experttips
Oavsett om du finjusterar en produktionslinje med hög hastighet eller utför enstaka prototypgraveringar kan dessa experttips hjälpa dig att förbättra märkningskvaliteten, systemets tillförlitlighet och processens effektivitet.
Genom att tillämpa dessa laserinställningar och ta hänsyn till de materialrelaterade faktorerna i din specifika tillämpning kan du säkerställa optimal prestanda vid lasermärkning av aluminium.
Lasereffekt och val av lins
Vi rekommenderar att du använder minst en 100 W fiberlaser för gravering i aluminium. Det säkerställer att du uppnår önskat graveringsdjup samtidigt som du håller den angivna cykeltiden.
En mindre lins med en brännvidd på 254 mm kan dessutom gravera aluminium dubbelt så snabbt, upp till 0,70 mm³/s, som en större lins med en brännvidd på 420 mm, som når upp till 0,36 mm³/s.
Olika aluminiumtypers inverkan
Legeringselement som kisel och magnesium kan förändra materialets reflektivitet och värmeledningsförmåga, vilket påverkar hur djup eller mörk märkningen blir.
För mer svårbearbetade legeringar kan högre pulsenergi eller fler passager bidra till att samma djup uppnås.
Anodiserat aluminium kräver också en annan skanningshastighet, pulsfrekvens och ett annat fokusavstånd än obehandlat aluminium.
Se alltid till att anpassa laserparametrarna efter den aluminiumtyp du arbetar med.
Genom att ta hänsyn till materialets specifika egenskaper och konfigurera lasersystemet därefter kan du säkerställa optimal och enhetlig märkningskvalitet.
Materialtemperatur
Generellt kan varmare material graveras snabbare. Förvärmning minskar skillnaden mellan materialets temperatur och tröskeltemperaturen för laserablation.
För aluminium 6061 nås denna tröskel exempelvis vid 585 °C/1 085 °F.
Om du arbetar med korta cykeltider kan förvärmning av aluminiumet före märkningsprocessen öka graveringshastigheten och graveringsdjupet med upp till 40 procent.
Ytfinish
Laserstrålens fokuserade energi absorberas eller reflekteras av metallen.
Kom ihåg att aluminiumets ytfinish, oavsett om den är borstad, polerad eller texturerad, påverkar hur laserstrålen interagerar med materialet.
Högpolerade aluminiumytor reflekterar en stor del av laserenergin, vilket minskar absorptionseffektiviteten. Den höga reflektiviteten kan leda till varierande graveringsresultat och göra det nödvändigt att använda högre lasereffekt eller flera passager för att skapa den önskade märkningen.
Borstade eller texturerade ytor sprider laserstrålen och kan skapa flera reflektioner i ytans mikrostrukturer. Det förbättrar energiabsorptionen och kan göra graveringen effektivare.
Anpassa lasereffekten, skanningshastigheten, pulsfrekvensen och pulsvaraktigheten efter aluminiumets ytfinish för att säkerställa korrekt absorption och graveringar av hög kvalitet.
Vikten av provning
Utför alltid inledande testmärkningar för att validera laserparametrarna och undvika produktionsfel.
Alla tidigare diskuterade variabler, från aluminiumtypen till antalet tecken som ska graveras, kan påverka den övergripande märkningskvaliteten.
Grundliga tester med olika parametrar är det bästa sättet att hitta det optimala laserreceptet för din tillämpning. Sådana tester kan utföras genom vår lasermärkningstjänst.
Behöver du lasergravering?
Som du nu vet kan lasergravering gynna din produktionslinje på många sätt och hjälpa dig att uppfylla även de mest krävande kraven.
Vill du diskutera din tillämpning med en av våra experter?
Catherine har en kandidatexamen i teknisk fysik och en masterexamen i fysik. Hon genomförde sitt examensarbete i samarbete med Laserax för att utveckla industriella lösningar för lasertexturering av metalliska ytor. Hon är nu chef för applikationslabbet på Laserax, där hon leder teamet som testar och optimerar laserprocesser för kunder.