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Mit diesem kurzen Artikel tauchen wir mal ein bisschen in die Physik ein. Ich werde euch nicht nur zeigen was sich hinter der sogenannten 'Glasinnengravur' versteckt, sondern auch wie ebendiese funktioniert.

Wahrscheinlich hat schon ein jeder von euch Beispiele an Produkten aus der 3D-Lasergravur gesehen. Nichtsdestotrotz möchte ich gleich im ersten Bild ein paar ziemlich coole zeigen. Hergestellt werden sie durch:

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Sub-Surface Laser Engraving (SSLE)

(Sub-Oberflächen Lasergravur)

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^{Quelle: Karl Bednarik - CC BY-SA 3.0}

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Es gibt noch eine ganze Reihe weiterer cooler Beispiele, von solchen innengravierten Kristallen. Deshalb hier ein paar Links wo ihr Bilder zu diesen Beispielen findet oder sogar eigene Varianten bestellen könnt:
livingsocial.com, novetuz.com, cerionlaser.com, awardsinglass.co.ukaliexpress.com, pinterest.at, 3dphotocrystal.cz

^{Ich habe übrigends keinerlei Verbindung zu irgendwelchen von diesen Seiten.}

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Nach diesen Beispielen, wenden wir uns nun der technischen Grundlage des Ganzem zu. Im Grunde steckt die selbe Idee dahinter wie bei der ordinären, oberflächlichen Lasergravur von Steinen oder Gläsern. Mit Hilfe eines Lasers wird das zu bearbeitende Material lokalem, thermischen Stress ausgesetzt, was wiederum in ebenso lokalen Mikrofrakturen resultiert.

Diese so erzeugten Mikrobrüche sind auf Stein direkt wahrnehmbar und in gravierten Gläsern oder Kristallen werden sie durch gestreutes, sichtbares Licht noch deutlicher. Die Frage ist nun, wie die Bilder unter der Ober-fläche gemacht werden?

Zu diesem Zweck werden die Linsen des Lasersystems so eingestellt, dass deren Brennpunkt von der Oberfläche zu einem Punkt innerhalb des zu bearbeitenden Materials verschoben wird. Der Unterschied liegt also grundsätzlich in einer Brennpunktverschiebung in z-Richtung.

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Illustration des SSLE Prinzipes
^{selbstgemacht - all rights reserved}

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Jedoch ist die Linseneinstellung nicht das einzige was man berücksichtigen muss. Das Material, welches bearbeitet werden soll, muss nämlich auch ganz besondere Eigenschaften aufweisen, damit die SSLE Technologie überhaupt funktionieren kann. Die hier gesuchte, relevante Eigenschaft ist die optische Transparenz, welche besonders hoch sein muss. Es sind also nur hochwertige, optische Materialien mit sehr geringer Dispersion einsetzbar. Beispiele hierfür wären Schott BK7 oder K9 Borosilikatglas.

Das Muster oder Bild, welches im Kristall abgebildet werden soll, wird zuerst computergestützt in diskontinuierliche Raumkoordinaten - eine Punktewolke - überführt und dann mit der beschriebenen 3D-Laser-gravurtechnik im Kristallvolumen reproduziert.

Die Präzision, mit welcher die lokalen Bruchstellen erzeugt werden können, liegt in der Größenordnung von wenigen Mikrometern (< 100 μm). Auch die Größe der erzeugten Streustellen liegt typischerweise im Bereich von Zehntelmillimetern.

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Wenn ihr euch jetzt fragt wie viel so eine 3D-Laser-Gravurmaschine kostet, dann schaut bei diesem Link, wo ihr euch euer erstes ordentliches Gerät schon ab "überschaubare" 10.499 € erstehen könntet. Nach oben hin ist preislich wieder mal kaum ein Limit zu finden.

Interessanterweise war die Technologie schon ab den 1980-1990'ern verfügbar, ist also gar nicht wirklich neu. Da die Maschinen jedoch so teuer sind (fünfstellige Ausgaben sind einzuplanen), sind sie nicht recht weit verbreitet. Die Laserdiode, welche die Kernkomponente ist, kann gut und gerne mal ein Drittel des Preises der gesamten Lasermaschine ausmachen und hat nur eine begrenzte Lebensdauer. Dies ist einer der Gründe, wieso die SSLE Technologie gepulst angewandt wird.

Glasinnengravur wird gerne verwendet um charakteristische Landschafts- oder Stadtmerkmale abzubilden und als Souvenirs an Touristen zu verkaufen. Mittlerweile können selbst normale Portraitfotos durch automatisierte Bildbearbeitung in 3D-gerenderte Bilder umgewandelt und anschließend in den Kristall eingeprägt werden. Selbst die Präsentation von wissenschaftlichen Messdaten (z.B. MRT-Organscans) kann mit Hilfe von SSLE unterstützt werden.

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Glasinnengravur der Strukturformel von Koffein
^{Quelle: E. Goodman - CC BY-SA 2.0}

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Typische SSLE Charakteristika

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• Es werden nur geordnete Punktwolken und keine kontinuierlichen Frakturen innerhalb des Kristallkörpers erzeugt. Dies hat mehrere Gründe: Zum einen vermeidet man die makroskopische Beschädigung des Kristalles, zum anderen wird dadurch die Laserdiode nur pulsweise und nicht kontinuierlich betrieben, was ihre produktive Lebensdauer verlängert. Selbstverständlich muss das finale Produkt transparent sein, was dadurch ebenso gewährleistet wird.

• Die reine Lasergravurtechnologie erlaubt keine Farbgebung. Da jedoch die punktuellen Mikrofrakturen durch Streulicht besonders betont werden, kann das fertige Objekt mit farbigem Licht ausgeleuchtet und somit 'färbig' gemacht werden.

• Da die Größe der eingeführten, punktuellen Mikrofrakturen durch die Linsen, sowie die thermische und mechanische Stabilität des Kristalles festgesetzt ist, kann dieser Parameter nur schwer zum Erstellen einer Art Grauskala verwendet werden. Jedoch kann die Punktdichte inner-halb des Kristalls zum Erstellen einer linearen Skala verwendet werden.

• Für die Punktdichte gibt es eine obere Grenze, welche unbedingt berücksichtigt werden muss. Liegen die einzelnen Mikrofrakturen zu nahe beieinander, so können sich sogenannte 'Clashes' ausbilden. Dabei handelt es sich um größere Bruchkanten, die aus einer Reihe von verbundenen Mikrofrakturen entstehen und den gravierten Kristall unschön durchsetzen.

• Ist die Punktdichte zu niedrig, so erscheint das eingravierte Symbol, Bild oder Muster zu schwach und Details gehen besonders verloren.

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Für die richtig Neugierigen, welche sehen wollen wie schnell und präzise eine 3D Lasergravur Maschine arbeitet, gibt es hier einen Videovorschlag:

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^{Youtube Video Credit: Sky from Wisely Laser Machines Limited}

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Ich hoffe, der heutige #de-stem Post mit angewandter Physik hat gefallen!

Euer,
mountain.phil28

Referenzen:

1. Bourke P. 'Presenting Scientific Visualisation Results as 3D Crystal Engravings', WASP, University of Western Australia
2. 3D Laser Crystal Engraving System, Homepage
3. Ein Wikipedia Artikel über Glasinnengravur
4. die nicht zitierte Illustration des SSLE Prinzipes wurde selbst erstellt