نقش بالليزر
آلات الحفر بالليزر

تتكون آلة النقش بالليزر من ثلاثة أجزاء رئيسية: مصدر الليزر، جهاز تحكم، وسطح. يشبه الليزر قلم رصاص - تسمح الحزمة المنبعثة منه لجهاز التحكم بتتبع الأشكال على السطح. اتجاه وحدة التحكم، وشدة وسرعة الحركة، وانتشار شعاع الليزر تُوجه إلى السطح. يتم اختيار السطح لتتناسب مع ما يمكن أن يعمل عليه الليزر.
هناك ثلاثة أنواع رئيسية من آلات الحفر: الأكثر شيوعًا هي طاولة XY ، حيث عادة ما تكون قطعة العمل (السطحية) ثابتة وتتحرك بصريات الليزر في اتجاهي X و Y ، لتوجيه شعاع الليزر لرسم متجهات. في بعض الأحيان يكون الليزر ثابتًا وتتحرك المشغولة. في بعض الأحيان تتحرك المشغولة في اتجاه المحور Y وبينما يتحرك الليزر في اتجاه المحور X. النوع الثاني هو لقطع المشغولات الأسطوانية (أو قطع المشغولة المسطحة المثبتة حول اسطوانة). في الطريقة الثالثة، يكون كل من الليزر والمشغولة ثابتين وتُحرك مرايا الجالفو شعاع الليزر فوق سطح المشغولة. يمكن أن تعمل أجهزة الحفر بالليزر التي تستخدم هذه التقنية في وضع المسح أو الاتجاه.
يجب أن تكون النقطة التي يلامس فيها الليزر (المصطلحان «ليزر» و «شعاع الليزر» يستخدمان بالتبادل) سطح المشغولة على المستوى البؤري للنظام البصري لليزر وعادة ما تكون مرادفة للنقطة المحورية. هذه النقطة صغيرة عادة، وربما أقل من جزء من المليمتر (حسب طول الموجة الضوئية). تتأثر المنطقة داخل نقطة الاتصال هذه بشكل كبير فقط عندما يمر شعاع الليزر فوق السطح. تعمل الطاقة التي يوفرها الليزر على تغيير سطح المادة عند النقطة المحورية. قد تسخن السطح وبعد ذلك يحدث تبخير للمادة، أو ربما يحدث كسر للمادة (المعروف باسم "glassing" أو "glassing up") وتقشر قبالة السطح. عادة ما يتم حفر المواد بالليزرمن خلال قطع الطلاء لتلك المادة.
إذا تم تبخير المواد السطحية أثناء النقش بالليزر، فإنه يلزم وجود تهوية من خلال استخدام المنافيخ أو المضخة الفراغية لإزالة الأبخرة والدخان الناتج عن هذه العملية، ولإزالة نواتج الحفر الموجودة على السطح للسماح باستمرار الليزر بالحفر.
يمكن لليزر إزالة المواد بكفاءة عالية لأن شعاع الليزر يمكن تصميمه لتوفير طاقة إلى السطح بطريقة تحول نسبة عالية من الطاقة الضوئية إلى حرارة. الشعاع شديد التركيز وموجه - في معظم المواد غير العاكسة مثل الخشب والبلاستيك وأسطح المينا، يكون تحويل الطاقة الضوئية إلى حرارة أكثر من {x٪}. ومع ذلك، وبسبب هذه الكفاءة، قد ترتفع درجة حرارة الجهاز المستخدم في الحفر بالليزر بسرعة. أنظمة التبريد المتطورة مطلوبة لليزر. بدلا من ذلك، قد يتم تشغيل الليزر على شكل نبضات لتقليل كمية التسخين المفرط.
يمكن حفر أشكال مختلفة عن طريق برمجة وحدة التحكم لاجتياز مسار معين لشعاع الليزر بمرور الوقت. يتم تنظيم تتبع شعاع الليزر بعناية لتحقيق عمق إزالة ثابت من المواد. على سبيل المثال، يتم تجنب مسارات متقاطعة لضمان أن كل سطح محفور يتعرض لليزر مرة واحدة فقط، وبذلك تتم إزالة نفس الكمية من المواد. كذلك لابد من ضبط السرعة التي يتحرك بها الشعاع عبر المادة لحفر أشكال عليها. يتيح تغيير شدة وانتشار الشعاع مزيدًا من المرونة في التصميم. على سبيل المثال، من خلال تغيير الوقت (المعروفة باسم «دورة التشغيل») يتم تشغيل الليزر أثناء كل نبضة، يمكن التحكم في الطاقة التي يتم توصيلها إلى سطح الحفر بشكل مناسب للمواد.
نظرًا لأن موضع الليزر معروف تمامًا بواسطة جهاز التحكم، فليس من الضروري إضافة حواجز على السطح لمنع الليزر من الانحراف عن الشكل المحدد. نتيجة لذلك، لا يلزم استخدام قناع مقاوم في النقش بالليزر. هذا هو السبب الرئيسي وراء اختلاف هذه التقنية عن أساليب الحفر القديمة.
يعد خط الإنتاج مثالًا جيدًا على استخدام تقنية النقش بالليزر في الصناعة. في هذه الحالة، يتم توجيه شعاع الليزر نحو مرآة دوارة أو تهتز. تتحرك المرآة بطريقة قد تتعقب الأرقام والحروف الموجودة على السطح المراد تعليمه. يعد هذا مفيدًا بشكل خاص لتواريخ الطباعة ورموز انتهاء الصلاحية وترقيم الكثير من المنتجات التي تنتقل عبر خط الإنتاج. يسمح وضع العلامات بالليزر بوضع علامات على المواد المصنوعة من البلاستيك والزجاج «أثناء التنقل». يُطلق على الموقع الذي يتم فيه وضع العلامات «محطة تمييز ليزر»، وهي غالبًا ما يوجد في مصانع التعبئة والتغليف. لقد تم التخلص التدريجي من التقنيات الأقدم والأبطأ مثل الختم الساخن وطباعة اللوحات واستبدالها بالليزر.
للحصول على نقوش أكثر دقة وزخرفة، يتم استخدام طاولة ليزر. طاولة الليزر (أو "XY table") عبارة عن مجموعة متطورة من المعدات المستخدمة لتوجيه شعاع الليزر بشكل أكثر دقة. عادةً ما يتم تثبيت الليزر بشكل دائم على جانب الطاولة وينبعث الضوء من زوج من المرايا المتحركة بحيث يمكن أن يصل إلى كل نقطة من سطح الطاولة. عند نقطة النقش يتم تركيز شعاع الليزر من خلال عدسة على سطح النقش، مما يسمح بتتبع أشكال دقيقة ومعقدة للغاية.
يتضمن الإعداد النموذجي لطاولة الليزر الضوء الثابت الذي ينبعث منه الليزر بالتوازي مع أحد محاور الطاولة الذي يُوجه إلى مرآة مركبة في نهاية سكة قابلة للتعديل. ينعكس الشعاع عن المرآة بزاوية 45 درجة بحيث يسير الليزر في مسار بطول السكة تمامًا. ثم ينعكس هذا الشعاع بواسطة مرآة أخرى مثبتة على عربة متحركة والتي توجه الشعاع بشكل عمودي على المحور الأصلي. في هذا المخطط، يمكن تمثيل درجتين من الحرية (رأسية وأخرى أفقية) للحفر.
في أجهزة النقش بالليزر الأخرى، مثل الطاولات المسطحة (flat table) أو نقش الأسطوانة (drum engraving)، يتم التحكم في شعاع الليزر لتوجيه معظم طاقته بعمق اختراق ثابت للمادة المراد نقشها. بهذه الطريقة، يتم إزالة عمق معين فقط من المواد عند إجراء النقش. يمكن استخدام عصا آلية بسيطة أو زاوية حديدية كأداة لمساعدة التقنيين المدربين على ضبط الحفارة لتحقيق التركيز المطلوب. يفضل هذا الإعداد على الأسطح التي لا تختلف في الارتفاع بشكل ملحوظ.
بالنسبة للأسطح التي تختلف في الارتفاع، تم تطوير آليات تركيز أكثر تفصيلاً. يُعرف البعض باسم أنظمة التركيز التلقائي الديناميكي (dynamic auto focus systems). حيث تقوم تلك النظم بضبط المعلمات الليزرية للتكيف مع التغييرات في ارتفاعات سطح المواد أثناء الحفر. عادة ما يتم مراقبة ارتفاع وعمق السطح من خلال أجهزة تتبع التغييرات على الموجات فوق الصوتية أو الأشعة تحت الحمراء أو الضوء المرئي الموجه إلى سطح النقش. تساعد هذه الأجهزة، المعروفة باسم أشعة الليزر التجريبية، في توجيه التعديلات التي تم إجراؤها على عدسة الليزر في تحديد المكان الأمثل للتركيز على السطح وإزالة المواد بفعالية.
قد تعمل آلات النقش بالليزر "XY" في وضع الموجه والنقطية.
تتبع نقش المتجهات (Vector engraving) خط ومنحنى النموذج المراد نقشه، تمامًا مثل رسم الراسم القائم على القلم عن طريق إنشاء مقاطع خط من وصف الخطوط العريضة للشكل. في بداية استخدم النقش للعلامات واللوحات (بالليزر أو غير ذلك) الخطوط الخارجية للخطوط المخزنة مسبقًا بحيث يمكن تغيير حجم الأحرف والأرقام أو الشعارات إلى الحجم واستنساخها باستخدام حدود محددة بدقة. لكن لسوء الحظ، كانت هناك مشكلة في «ملء» الحرف، حيث أن الأشكال المتقاطعة وملء النقاط يظهر أحيانًا تأثيرات تموج في النسيج أو أشكال uber الناجمة عن الحساب غير الدقيق لمسافات النقاط. علاوة على ذلك، كانت دورات الخط أو تغيير القياس الديناميكي (dynamic scaling) في الغالب تفوق إمكانيات جهاز عرض الخط. وحاليا يتيح إدخال لغة وصف صفحة بوستسكريبت مرونة أكبر بكثير - أي شيء تقريبًا يمكن وصفه في المتجهات بواسطة برنامج يدعم بوستسكريبت مثل CorelDRAW أو Adobe Illustrator يمكن رسم حدوده الخارجية، ثم مملؤه بأشكال مناسبة، ومن ثم حفره بالليزر.
الحفر بطريقة Raster engraving توجه الليزر إلى السطح في حركة خطية تتقدم ببطء إلى الأمام والخلف بطريقة تماثل رؤوس الطباعة في طابعة نافثة الحبر أو الطابعات المماثلة. عادة ما يتم تحسين الشكل بواسطة وحدة التحكم / الكمبيوتر بحيث يتم تجاهل المساحات الموجودة على جانبي الشكل والتي لن يتم حفرها وبالتالي يتم تقصير التتبع عبر المادة لتحقيق كفاءة أفضل. مقدار التقدم لكل خط عادة ما يكون أقل من الحجم الفعلي للليزر؛ تتداخل الخطوط المحفورة قليلاً فقط لجعل الحفر مستمر. كما هو الحال في جميع الأجهزة النقطية (rasterized devices)، يمكن أن تتأثر المنحنيات والأقطار في بعض الأحيان إذا كان طول الخطوط النقطية أو موضعها يتفاوت قليلاً حتى فيما يتعلق بمسح الخطوط النقطية المجاورة؛ لذلك فإن التحديد الدقيق للمواقع والتكرار مهمان للغاية في تصميم الماكينة. إن ميزة التنقيط rasterizing هي «التعبئة» fill التي تتم بلا جهد تقريبا. معظم الصور المراد نقشها هي حروف عريضة أو بها مساحات كبيرة محفورة بشكل مستمر، وهي منقطة بشكل جيد. يتم تنقيط الصور (كما هو الحال في الطباعة)، حيث تكون النقاط أكبر من تلك الموجودة في بقعة الليزر، كما يتم نقشها بشكل أفضل كصورة نقطية. يمكن استخدام أي برنامج تخطيط صفحة تقريبًا لتغذية برنامج تشغيل نقطي لجهاز حفر ليزر XY أو أسطواني. كان عمل العلامات التقليدية ونقش اللوحات يميل لاستخدام vectors، ولكن المحلات التجارية الحديثة تميل إلى تشغيل الليزر في معظمها في وضع النقطية raster.