Tiefengravur mit dem Laser: Metall Schicht für Schicht tief gravieren

Eine Tiefengravur mit dem Laser brauchen Sie immer dann, wenn eine Kennzeichnung mehr aushalten muss als Abrieb und Reinigung. Die Schrift im Formeinsatz soll sich tausendfach im Kunststoffteil abbilden, und die Chargennummer auf dem Schmiedeteil muss Sandstrahlen und Verzinken überstehen. Ein Faserlaser schafft solche Tiefen, allerdings nicht in einem Zug. Er trägt das Material in vielen dünnen Schichten ab, und die Qualität der Gravur entscheidet sich an der Frage, wie gleichmäßig jede dieser Schichten ausfällt.

So entsteht die Tiefe: Abtrag in Schichten

Jeder Laserpuls verdampft und schmilzt eine winzige Menge Metall. Überfährt der Laser eine Fläche einmal mit einer dichten Füllung, sinkt sie je nach Material und Parametern um wenige Mikrometer. Für 0,3 mm Tiefe braucht es also viele Dutzend Durchgänge, für einen Millimeter entsprechend mehr.

Bei der Tiefengravur summieren sich deshalb kleine Fehler. Ein Füllmuster, das bei einer einzelnen Markierung unsichtbar bleibt, zeichnet sich nach hundert Schichten als Riefe im Gravurgrund ab. Eine Kante, die bei einem Durchgang minimal überbelichtet ist, wird nach vielen Durchgängen zur Rinne am Rand. Die Parameter für eine Tiefengravur stellen Sie entsprechend strenger ein als für eine Oberflächenmarkierung.

Wie sich Gravieren, Anlassen und Abtragen grundsätzlich unterscheiden, erklärt der Beitrag zu den Laser-Markierverfahren.

Pulsparameter für den Metallabtrag

Für den Abtrag zählt die Energie pro Puls. Niedrige Pulsfrequenzen bündeln die mittlere Leistung in weniger, dafür kräftigeren Pulsen, und die tragen spürbar mehr Material ab als viele schwache. Hohe Frequenzen eignen sich eher zum Anlassen und für feine Oberflächen.

An einem MOPA-Faserlaser kommt die Pulsdauer als eigene Stellgröße dazu. Lange Pulse bringen viel Energie ins Material und liefern eine hohe Abtragsrate, erzeugen aber auch mehr Schmelze, die sich am Rand als Wulst oder im Grund als Perlen absetzt. Kurze Pulse arbeiten sauberer, dafür langsamer. Sie können beides kombinieren: Die Masse der Schichten läuft mit langen Pulsen, die letzten Schichten mit kurzen. Warum das bei einem Q-Switched-Laser mit fester Pulsdauer nur eingeschränkt geht, steht im Vergleich MOPA vs. Q-Switched.

Den Linienabstand der Füllung wählen Sie so, dass sich die Spuren leicht überlappen. Liegen die Linien zu weit auseinander, bleiben Stege stehen. Liegen sie zu eng, bringt der Laser unnötig viel Wärme in die Fläche.

Füllwinkel drehen, damit der Grund eben bleibt

Läuft die Füllung in jeder Schicht im selben Winkel, graviert der Laser immer dieselben Linien nach. Das Ergebnis ist ein gerillter, oft auch welliger Grund. Abhilfe schafft ein Füllwinkel, der sich von Schicht zu Schicht weiterdreht. Gängige Markiersoftware hat dafür eine Einstellung, die den Winkel pro Durchgang automatisch um einen festen Betrag erhöht.

Wählen Sie dafür einen krummen Wert wie 37 Grad statt 45 oder 90 Grad. Bei glatten Werten wiederholt sich das Muster nach wenigen Schichten, bei einem krummen Wert verteilen sich die Linien gleichmäßig über alle Richtungen. Zusätzlich hilft es, die Füllrichtung abwechselnd umzukehren und die Kontur nicht in jeder Schicht mitzufahren. Eine Randlinie in jeder Schicht vertieft die Kante stärker als die Fläche, am Ende steht dann eine umlaufende Rinne.

Den Abschluss bildet ein Glättungsdurchgang: dichte Füllung, hohe Frequenz, wenig Energie. Er schmilzt die Spitzen im Grund an und entfernt lose Schmelzperlen. Bei Formeinsätzen, deren Gravur sich im Kunststoffteil abbildet, sehen Sie den Unterschied später an jedem Spritzling.

Fokus nachführen bei tiefen Gravuren

Der Laser erreicht seine volle Intensität nur im Fokus. Kurzbrennweitige Objektive mit kleinem Spot haben eine Fokustoleranz von wenigen Zehntelmillimetern. Das reicht für eine flache Gravur problemlos. Sobald der Gravurgrund aber tiefer liegt als diese Toleranz, trifft ihn ein aufgeweiteter Strahl. Der Abtrag pro Schicht sinkt, und die Kanten werden weich.

Bei tiefen Gravuren fahren Sie deshalb die Fokushöhe nach: Nach einem Block von Schichten stellen Sie die Z-Achse um die bereits erreichte Tiefe nach und setzen die Gravur fort. Mit einer motorischen Z-Achse lässt sich dieser Schritt in den Ablauf einbinden, an einer manuellen Höhenverstellung stellt der Bediener nach. Warum der Fokus bei kurzen Brennweiten so empfindlich reagiert, erklärt der Beitrag zu Galvo-Scanner und Brennweite.

Auch mit nachgeführtem Fokus bekommen Sie keine exakt senkrechten Wände. Der Strahl hat ein gaußförmiges Profil, am Rand der Gravur wirkt weniger Energie als in der Mitte. Die Flanken stehen deshalb leicht schräg. Im Formenbau ist das oft sogar erwünscht, weil die Schräge beim Entformen hilft.

Abtragsrate am Teststück messen

Wie viele Durchgänge Sie brauchen, finden Sie am schnellsten mit einem Teststück heraus. Gravieren Sie ein Quadrat von etwa 10 × 10 mm mit einer festen Zahl von Schichten, zum Beispiel 50, und messen Sie die Tiefe. Die Tiefe geteilt durch die Zahl der Schichten ergibt den Abtrag pro Durchgang. Daraus rechnen Sie die Schichtzahl für die Zieltiefe hoch.

Für die Messung reicht in der Werkstatt ein Tiefenmaß oder eine Messuhr mit spitzem Taster. Messen Sie an mehreren Stellen, denn ein Wert in der Mitte sagt nichts über die Ränder. Wenn Toleranzen im Hundertstelbereich gefordert sind, etwa bei Formeinsätzen, lohnt sich eine berührungslose Messung mit einem optischen Profilmessgerät.

Prüfen Sie den Wert bei der ersten echten Gravur noch einmal. Mit wachsender Tiefe sinkt die Abtragsrate häufig, weil Dampf und Partikel schlechter aus der Vertiefung entweichen und weil sich der Fokus entfernt. Die Methode, mit der Sie Leistung, Frequenz und Geschwindigkeit vorher eingrenzen, beschreibt der Beitrag Laserparameter einstellen.

Wärme, Verzug und Werkstoffe

Viele Schichten auf kleiner Fläche heizen das Bauteil auf. Dünne Bleche verziehen sich, und an Edelstahl entstehen Anlauffarben rund um die Gravur. Planen Sie Pausen ein oder legen Sie mehrere Teile ins Markierfeld und gravieren Sie sie im Wechsel. Während der Laser am zweiten Teil arbeitet, kühlt das erste ab.

Die Werkstoffe verhalten sich unterschiedlich. Werkzeugstahl und Edelstahl lassen sich gut und gleichmäßig abtragen. Aluminium neigt wegen seiner Wärmeleitung und des niedrigen Schmelzpunkts zu Schmelzaufwürfen, hier helfen kurze Pulse. Messing graviert sich sauber, Kupfer reflektiert bei 1064 nm stark und trägt entsprechend langsamer ab. Hartmetall ist sehr hart, lässt sich mit dem Laser aber gut gravieren, sofern Sie die Energie so dosieren, dass keine Mikrorisse entstehen. Details dazu finden Sie im Beitrag zu Hartmetall.

Beim Abtrag entstehen feine Metallstäube. Sie gehören direkt an der Bearbeitungsstelle abgesaugt, auch zum Schutz des Objektivs. Feine Aluminium- und Titanstäube sind brennbar, die Absaugung muss dafür ausgelegt sein.

Wofür sich die Tiefengravur lohnt

Typische Anwendungen sind Schriften, Logos und Recyclingsymbole in Formeinsätzen für den Spritzguss, Prägestempel, Kennzeichnungen auf Schmiede- und Gussteilen sowie Typenschilder, deren Gravur anschließend mit Farbe gefüllt wird. Dazu kommen alle Teile, die nach der Kennzeichnung noch gestrahlt, lackiert, pulverbeschichtet oder verzinkt werden. Eine flache Markierung verschwindet unter der Beschichtung, eine tiefe Gravur zeichnet sich durch. Was beim Beschriften nach dem Lackieren zu beachten ist, zeigt der Beitrag zu lackierten Oberflächen.

Weniger sinnvoll ist der Laser für große Taschen und viel Volumen. Dort ist eine Fräse schneller. Seine Stärken hat der Laser bei feinen Konturen, kleinen Schriftgrößen, Codes und Seriennummern, die sich von Teil zu Teil ändern.

Das passende System für die Tiefengravur

Für Werkzeuge, Formeinsätze und kleinere Serien ist der GRAVIS Faserlaser ausgelegt: vollständig umhaust in Laserklasse 1, mit Z-Höhenverstellung und digitaler Anzeige der Fokushöhe. Große und schwere Bauteile nimmt der GLX500 auf. Seine elektrische Z-Achse stellt die Fokushöhe per Knopfdruck ein, was bei tiefen Gravuren das Nachführen des Fokus erleichtert. Beide Systeme gibt es mit MOPA-Faserlaser, entwickelt und gefertigt in Rüthen.

Schicken Sie uns ein Musterteil mit Ihrer Zieltiefe. Wir gravieren es, messen Tiefe und Grund und dokumentieren die Parameter, mit denen Sie die Gravur in Serie reproduzieren. Sprechen Sie uns an.