Tiefengravur (3D-Gravur mit dem Laser)
Tiefengravur (3D-Gravur mit dem Laser)
Was ist eine Tiefengravur?
Bei der Tiefengravur trägt der Laser Material Schicht für Schicht ab, bis eine spürbare Vertiefung entsteht. Im Gegensatz zur normalen Markierung, bei der nur die Oberfläche verändert oder leicht aufgeraut wird, dringt der Laser hier tief in das Material ein. So entstehen dreidimensionale Strukturen – zum Beispiel Reliefs, Gravuren auf Münzen, Werkzeugbeschriftungen oder Schilder mit fühlbaren Buchstaben.
Man spricht auch von „3D-Gravur“, weil die Gravur nicht nur flach, sondern tatsächlich räumlich ist.
Wie funktioniert Tiefengravur technisch?
Ein Laserstrahl erhitzt das Material so stark, dass es verdampft oder sublimiert. Jeder Laserimpuls entfernt dabei eine winzige Schicht. Durch viele aufeinanderfolgende Durchgänge (Layer) wird die Gravur immer tiefer.
Die Software (z. B. EZCAD oder LightBurn) berechnet Linienmuster (Hatch), damit der Abtrag gleichmäßig erfolgt. Nach jedem Durchgang kann der Fokus etwas angepasst werden, um den Brennpunkt an die neue Tiefe anzupassen – das nennt man Nachfokussieren.
Bei Faserlasern wird die Tiefe meist durch die Kombination aus:
- Pulsenergie (abhängig von Leistung und Frequenz),
- Hatch-Abstand,
- Anzahl der Durchgänge,
- Fokuslage (Z-Achse)
bestimmt. Je besser diese Werte aufeinander abgestimmt sind, desto glatter und präziser wird die Gravur.
Welche Laser eignen sich für Tiefengravuren?
- Faserlaser → ideal für Metalle (z. B. Messing, Edelstahl, Kupfer, Aluminium). Hohe Pulsenergie, präzise Steuerung, kurze Wellenlänge (~1064 nm) für feine Details.
- MOPA-Faserlaser → ermöglichen zusätzlich Kontrolle über die Pulsdauer (z. B. 4–200 ns). Dadurch kann der Abtrag gezielter gesteuert werden – wichtig für Tiefe und Oberflächenfinish.
- CO₂-Laser → geeignet für nichtmetallische Materialien (z. B. Holz, Acryl, Glas, Leder). Gravuren werden tief, aber weniger scharf als bei Metall.
- Diodenlaser → meist zu schwach für echte Tiefengravuren; eher für Markierungen oder Oberflächenbearbeitung.
Wichtige Parameter bei der Tiefengravur
| Parameter | Bedeutung | Typische Werte (Faserlaser) |
|---|---|---|
| Leistung (Power) | Energiemenge pro Puls oder Zeiteinheit | 60–100 % |
| Frequenz (kHz) | Wie oft der Laser pro Sekunde pulst | 20–100 kHz (bei tiefen Gravuren meist niedriger) |
| Pulsdauer | Länge eines einzelnen Laserpulses (MOPA) | 60–200 ns |
| Geschwindigkeit (mm/s) | Bewegungsgeschwindigkeit der Galvospiegel | 300–1500 mm/s |
| Hatch-Abstand | Linienabstand zwischen zwei Gravurpfaden | 0,02–0,04 mm |
| Layer (Durchgänge) | Anzahl der Wiederholungen | 100–500 (je nach Tiefe) |
Diese Werte sind stark materialabhängig. Messing z. B. lässt sich leicht abtragen, während Edelstahl härter reagiert und mehr Energie benötigt.
Schichtweises Arbeiten (Layer-Technik)
Bei der Tiefengravur arbeitet man in mehreren Schichten (Layern). Jede Schicht trägt ein wenig Material ab. Dazwischen kann die Software den Fokus automatisch nachstellen, um den Brennpunkt exakt in der neuen Tiefe zu halten.
Typischer Ablauf:
- 1. Schicht: Grober Hatch mit großem Abstand (schneller Abtrag).
- 2. Schicht: Feiner Hatch (0,02 mm), anderer Winkel (z. B. 90°).
- 3. Schicht: Polier- oder Finish-Hatch (geringere Leistung, hohe Frequenz).
Durch wechselnde Hatchwinkel (Cross-Hatch) entsteht eine gleichmäßige Oberfläche ohne Rillen oder Linienmuster.
Fokus und Nachführung
Beim Tiefengravieren verändert sich die Brennebene mit jeder Schicht. Damit der Laser immer im optimalen Brennpunkt arbeitet, muss der Fokus nachgeführt werden – entweder manuell oder automatisch über die Z-Achse.
Wenn man den Fokus nicht anpasst, verliert der Laser an Energieeffizienz: Die Gravur wird flacher, unsauber und ungleichmäßig.
Einige Softwarelösungen (z. B. [[EZCAD3]] oder LightBurn Galvo) können automatische Z-Offsets zwischen Layern berechnen.
Unterschied zwischen Gravur und Markierung
- Markierung: nur oberflächliche Veränderung (z. B. Anlassfarben oder Oxidation). Tiefe meist unter 0,01 mm.
- Tiefengravur: echter Materialabtrag, oft 0,1 mm bis 2 mm tief (oder mehr). Oberfläche wird strukturiert und fühlbar.
Markierungen werden meist mit hoher Frequenz (100–400 kHz) und niedriger Leistung ausgeführt. Tiefengravuren dagegen mit niedriger Frequenz (20–80 kHz), damit mehr Energie pro Puls zur Verfügung steht.
Beispiele aus der Praxis
- Metallmünzen & Medaillen: Mehrlagige Tiefengravuren mit wechselnden Hatchwinkeln und Nachfokussierung. Oberfläche anschließend oft poliert oder patiniert.
- Werkzeugkennzeichnungen: Dauerhafte Gravuren, die selbst bei starker Beanspruchung lesbar bleiben.
- Logos in Messing oder Aluminium: Kombination aus Tiefe und Kontrast, häufig in mehreren Bearbeitungsstufen.
- 3D-Reliefs: Umwandlung von Tiefenmaps in Gravurdaten – z. B. mithilfe von Software wie TiefRinnDa oder Blender + EZCAD3.
Fehlerquellen & Tipps
- Unebene Oberfläche: Falscher Fokus oder keine Z-Nachführung → ungleichmäßige Tiefe.
- Rillenmuster sichtbar: Immer gleicher Hatchwinkel → abwechselnde Richtungen verwenden.
- Material schmilzt: Zu hoher [[LPI]] / zu kleiner Hatch-Abstand → Hitze staut sich.
- Schlechte Kanten: Zu schnelle Bewegung oder zu geringe Leistung → unvollständiger Abtrag.
- Farbveränderungen: Falsche Pulsdauer (bei MOPA) → Oxidation statt Abtrag.
Tiefengravur und 3D-Daten
Für besonders präzise Gravuren, etwa auf Münzen oder Werkzeugen, kann man sogenannte Depth Maps (Graustufenbilder) verwenden. Diese Bilder werden in der Software in unterschiedliche Laserparameter übersetzt – helle Bereiche = wenig Abtrag, dunkle Bereiche = tief. Programme wie TiefRinnDa oder EZCAD3 (mit 3D-Modul) erlauben solche Umsetzungen direkt.
So lassen sich 3D-Reliefs direkt aus Fotos oder Modellen erzeugen – ein wichtiger Schritt für künstlerische oder präzise industrielle Anwendungen.
Sicherheit bei Tiefengravuren
Tiefengravuren erzeugen mehr Rauch, Metallstaub und Partikel als normale Gravuren. Daher sind:
- Eine gute Absaugung und Filteranlage Pflicht,
- das Tragen einer passenden Laserschutzbrille (je nach Wellenlänge),
- und ggf. Schutzkleidung bei Metallarbeiten.
Besonders bei Metallen wie Messing (Kupfer/Zink) entstehen beim Verdampfen gesundheitsschädliche Dämpfe. Nie ohne Absaugung arbeiten!
Kurz zusammengefasst
Die Tiefengravur ist eine fortgeschrittene Laserbearbeitung, bei der Material Schicht für Schicht abgetragen wird, um echte Tiefe zu erzeugen. Sie erfordert präzise Steuerung von Leistung, Frequenz, Hatch, Fokus und Layerzahl. Besonders Faserlaser mit MOPA-Technologie eignen sich dafür hervorragend. Mit der richtigen Kombination aus Parametern entstehen dauerhaft haltbare, fein detaillierte und ästhetisch hochwertige Gravuren – von Werkzeugnummern bis zu Münzreliefs.
