Category Archive : Výroba

Vývoj laserové technologie

Laserové technologie jsou ve společnosti známy už několik desetiletí (1). Jedním z prvních laserů, který byl sestrojen a zprovozněn, byl pevnolátkový laser z krystalu syntetického rubínu. Ten byl odzkoušen již v roce 1960 v Malibu, CA Theodorem H. Maimanem (2). Další objev, který později ovlivnil velkou část výrobního průmyslu bylo sestrojení CO2 laseru C. K. N. Patelem v roce 1963 (3). Vynálezy laserů byly až do začátku 80. let skryty v laboratořích.

Teprve až počátkem 90. let se svět dozvěděl o nové technologii laserového paprsku. Bylo to díky rozmachu systému kompaktních disků (CD). Poté následovalo mohutné nasazení nízko a vysoko výkonových laserů do výrobního průmyslu. Laserové systémy se začaly využívat pro řezání, svařování, vrtání, popisování, povrchové úpravy, měření a další technologie (4). Díky postupnému poklesu tržních cen méně výkonných gravírovacích laserů (do 200 W), existuje v současné době i velké množství malých subjektů, které vlastní laserovou technologii. Od těžké a sériové výroby se tak lasery začaly dostávat přes menší výroby i do prototypových, designových a dalších dílen.

Mezi lety 1991 a 1999 klesla cena polovodičových laserů z 2000$/W na 100$/W (4). Výhodami tohoto zářiče jsou jeho kompaktní rozměry, účinnost a možnosti řízení. Díky tomu jsou polovodičové lasery nejběžnějším typem používaného zářiče v dnešní době (5). Další výhodou je možnost optimalizovat výstupní charakteristiku laseru. Při výrobě lze upravovat výstupní výkon, frekvenci modulace a vlnovou délku výsledného zářiče. V posledním desetiletí došlo k významnému pokroku ve vývoji polovodičových laserů. Posun technologie byl dosažen ve vícero oblastech, mezi ty nejdůležitější patří například výstupní výkon, větší rozsah výstupních vlnových délek a spolehlivost (6).

Nízko výkonové laserové CNC stroje na trhu jsou často dodávány s poměrně jednoduchými softwary a řídicími algoritmy, které mnohdy neumí využít plný potenciál zářiče. Téměř všechny dnešní stroje nemají zpětnou vazbu na kvalitu gravírovaného výsledku. Zpětnou vazbou pak je samotný operátor, který zadává výrobní parametry do stroje manuálně na základě předchozí znalosti a aktuálního výsledku. Komplikovanost u laserového gravírování fotografií do dřeva vytváří různorodost gravírovaného materiálu, proměnná kvalita grafického podkladu a degradace zářiče. U sériové výroby jednoduchého grafického návrhu není systém řízení kvality tolik potřebný. Náklady na postupné odlaďování a testování jsou u velké série minimální. U zakázkové výroby fotografií, či prototypů je to obráceně. Při výrobě fotografií se jedná o značně komplikované vstupní podklady, které obsahují milióny pixelů a tisíce odstínů. Kvalita přenosu takových podkladů má bez zpětné vazby velmi proměnné výsledky. I zkušený operátor potřebuje několik testů k odladění histogramu dané fotografie či výkonové charakteristiky laseru pro konkrétní povrch, má-li dodat kvalitní výrobek. Navíc je každá vstupní fotografie jiná a často se zásadně liší v kompozici světlých a tmavých odstínů. Nejzásadnější rozdíly bývají ve velikosti detailů, ostrosti přechodů a v celkovém tvaru histogramu.

Proto je pro výrobu krásných vzpomínek na dřevo naprosto zásadní používat nejlépe říditelné laserové zářiče, velmi dobře filtrovat vstupní fotografie, přesně znát chemické složení použitého dřeva a mít proces výroby naprosto pod kontrolou včetně rychlostí, dosahovaných teplot a vlhkostí.

1. Kalisky, Y.Y. The physics and engineering of solid state lasers. Bellingham : Wash.: SPIE Press, c2006.

2. Siegman, A. E. Lasers. California USA : Univ. Science Books Mill Valley, 1986.

3. PATEL, C. K. N. Continuous-Wave Laser Action on Vibrational-Rotational Transitions of CO&. PHYSICAL REVIEW. no. 5. vol. 136 1964, str. p. 8.

4. Ion, J. C. Laser processing of engineering materials: principles, procedure and industrial application. Amsterdam : Elsevier/Butterworth-Heinemann, 2005.

5. Buus, J., Amann, M. C. a D. J. Blumenthal. Tunable laser diodes and related optical sources 2nd ed. Hoboken : N.J.: John Wiley, c2005.

6. Epperlein, P. W. Semiconductor laser engineering, reliability, and diagnostics: a practical approach to high power and single mode devices, 1st ed. Chichester, West Sussex, United Kingdom : Wiley, 2013.

gravírovaná fotografie do dřeva

Laserové gravírování fotografií, úvod

Přenos informací na povrch materiálu se stal nedílnou součástí naši společnosti. Tato schopnost se začala rozvíjet již v pravěku a vývojem společnosti obsadila nenahraditelnou roli. I v dnešní digitální době se jedná o jeden z nejpoužívanější způsobů přenosu informací mezi lidmi. Mimo oblast věcné komunikace nachází své uplatnění i v umění a abstrakci. Zachycení dané informace co nejvěrohodněji a nejpřesněji je snahou každého přenosu. Existuje řada technologií, druhu informací a materiálů, které lze využít. Já se věnuji problematice laserového gravírování fotografií, grafik a textu na dřevěný podklad.

obr1

Výše zmíněná kombinace má několik úskalí, které postupně studuji, popisuji a řeším. Jelikož na každý problém existuje více možných řešení porovnávám a popisuji dané metody. Srovnáním dosažených výsledků pak lze zvolit správnou cestu pro další vývoj a testování.

Technologie laserového gravírování spočívá v řízeném generování zaostřeného světelného paprsku, jehož energie zahřívá místo dopadu na netransparentní materiál. V závislosti na druhu materiálu a velikosti dodané energie dochází ke změnám povrchu. Tyto změny jsou z pravidla neměnné. Schopnost dopředu předpovědět intenzitu a výsledný efekt této změny je jednou z klíčových oblastí laserového gravírování. Pro oblast gravírovaných fotografií na dřevěný podklad je nejpodstatnější změna odstínu daného materiálu.

obr2

Odstín gravírovaného dřeva nezávisí pouze na intenzitě laseru. Závisí také na profilu paprsku, frekvenci, typu dřeva, složení a vlastnostech okolí gravírovacího procesu (teplota, vlhkost, chlazení). Jelikož existuje prakticky nekonečně mnoho takovýchto kombinací, věnuji se popisu gravírování bukového dřeva ze středové části stromu (fládru), pomocí diodových laserů o vlnové délce 445nm a výstupním výkonu 5 W. Paprsky laseru tedy dopadají kolmo na středovou část podélného řezu stromu. Výzkum je zde soustředěn na vliv podmínek okolí a profilu paprsku na výsledný odstín gravírovacího procesu. Mezi podmínky okolí byla zařazena vlhkost materiálu, vlhkost okolí a směr a intenzita ofuku gravírovaného bodu.

Další oblast problematiky, která vstupuje do laserového gravírování fotografií na dřevěný podklad je samotná fotografie. Dnešní fotografie jsou foceny na sofistikovaných aparátech, které poskytují tisíce různých odstínů. Ty jsou vhodné především na digitální zobrazení, či technologii tisku. Laserové gravírování však v současné době není schopno přenést takový počet různých odstínů. Používají se různé metody k nahrazení tohoto nedostatku. V této oblasti se zabývám vhodnou filtrací vstupní grafiky, která optimalizuje odstíny digitální fotografie pro aplikaci laserového gravírování. Práce s jednotlivými přechody a detaily dokáže posunout jakýkoliv laserový stroj o úroveň výše.

obr3_2

V této oblasti se řeší dvě roviny. Jedna je úprava odstínových úrovní (histogramů) fotografie a druhá je filtrace ve frekvenční oblasti. Filtrace ve frekvenční oblasti má tu výhodu, že nepracuje s histogramem obrázku, ale s frekvencemi přechodů mezi každým pixelem. Díky tomu lze selektivně upravit jednotlivé detaily a zvýraznit potřebné části bez velkého zásahu do zbývající části obrázku.

gravirovani jurek design

Filtrace obrázků pro laserové gravírování

Jakákoliv optimalizace výrobního procesu laserového gravírování do dřeva začíná úpravou vstupního podkladu. Úpravy histogramů a aplikace filtrů na vstupní grafiky jsou součástí každého výrobku. Pro zlepšení kvality a zefektivnění celého procesu je vhodné hledat automatizované řešení, které lze aplikovat na jakýkoliv podklad. Furierova transformace a frekvenční oblast obecně je vhodný nástroj pro aplikaci filtrů na grafické podklady. Její výhoda spočívá ve výpočetně snazší aplikaci filtrů i při větších rozměrech grafického podkladu.

Převod grafického podkladu do frekvenční oblasti je možno provést pomocí algoritmu rychlé Furierovy transformace. Tento výpočet byl definován v roce 1965, kdy matematikové J.W. Cooley a J.W. Tukey snížili počet potřebných komplexních součinů a součtů z N2 a N2 na Nlog2N a Nlog2oproti dosavadnímu výpočtu diskrétní Furierovy transformace. Toto vylepšení výrazně snížil náročnost a tedy výpočetní čas. Touto metodou se vypočítává Furierova transformace v různých matematických programech jako jsou GNU Octave, Mathcad, Mathematica, Maple, Matlab a další.

Aplikace Furierovy transformace a její následné úpravy na 2D grafickou předlohu představuje obrázek 3. Na grafické předloze je vyobrazena hlavní budova rektorátu VŠB-TUO (obr. a). Fotografie je záměrně natočena, aby byly jednotlivé části Furierova spektra patrnější. Po aplikaci logaritmického měřítka na vypočtené Furierovo spektrum (obr. b) lze pozorovat rozmístění vyšších frekvencí transformace do jednotlivých rohů vyobrazené vizualizace (obr. c). Díky vycentrování dostaneme všechny vyšší frekvence do středu vizualizace a v rozích zůstanou nižší. Na tomto obrázku (obr. d) lze vidět jednotlivé přechody mezi odstíny fotografie, které reprezentují řady oken a jednotlivá patra budovy. Lze pozorovat jejich úhel natočení a perspektivní jev.

clanek_web

Na obrázku lze pozorovat hodnotu nulové frekvence (DC hodnota) uprostřed grafu. Je to první element Furierovy transformace a reprezentuje sumu všech ostatních bodů. Špička grafu je dobře viditelná právě díky logaritmického měřítka Furierova spektra. Kolem ní jsou rozloženy ostatní nižší frekvence a vyšší najdeme v rozích grafu. Středem jednotlivých os vedou zvýšené hrany, které reprezentují nulovou hodnotu dané osy a různou hodnotu druhé osy. Takže středová čára osy v reprezentuje nulovou frekvenci v a různou frekvenci u a středová čára osy u obsahuje nulové frekvence u a různé frekvence pro v.

clanek_web2

Jeden z možných filtrů, které se dají dobře aplikovat ve frekvenční oblasti je filtr dolní propusti (Low-pass). Funkcí tohoto filtru je zachovat nízké frekvence vstupu až do stanovené úrovně a odstranit z výstupu všechny vyšší frekvence nad stanovenou hranicí. To se ve frekvenční oblasti provede aplikací před vytvořeného filtru na výsledek Furierovy transformace vstupního obrázku. Jak bylo zmíněno v předchozích kapitolách, nízké frekvence se ve frekvenční oblasti seskupují kolem rohů vstupního vektoru. Při seskupení jednotlivých kvadrantů matice obrázku ve frekvenční oblasti tak, aby byly nízké frekvence uprostřed, je pak velmi jednoduché aplikovat různý typ filtru na daný soubor dat. Maskou filtru se v podstatě rozumí matice o stejné velikosti, která obsahuje hodnoty 0 (místa, kde filtr nepropouští) a hodnoty 1 (kde filtr propouští). Pro aplikace laserového gravírování fotografií je tato filtrace příznivá, jelikož vyhlazuje jednotlivé přechody. Ty je možno tisknout na papír, nebo digitálně vyobrazit, jelikož každý jeden pixel je samostatná jednotka a není ovlivněn pixelem okolním. U laserového gravírování toto však fyzicky není možné dosáhnout, jelikož vypálený bod do dřeva vždy bude mít nějaké okolí, které bude tepelně ovlivněno. V praxi tedy není jednoduché vygravírovat na dřevo čáru tenkou 0.1mm, což je na papíře běžná praxe. Proto je lepší s tout skutečností počítat a upravit gravírovanou fotografii předem. Výsledné přechody díky tomu nejsou přepálené a jsou ostřejší proti podkladu bez úprav. 

clanek_web3