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激光雕刻技术原理

* 来源 : * 作者 : admin * 发表时间 : 2017-12-03 * 浏览 : 34

激光是一种与普通光源截然不同的相干光源,由于具有高方向性、高单色性和高能量的特点,自20世纪60年代初出现以来,就备受关注。激光在印刷业主要应用在计算机直接制版系统、激光照排机、激光打印机、全息图像印刷、电子出版、激光标记印刷等方面。其中,激光标记印刷已占到激光加工业的45.3%,且应用领域仍在发展和扩大。  
激光标记印刷也称激光打标、激光印标,近年来在印刷领域,如包装印刷、票据印刷、防伪标识印刷中的应用越来越多,有些已用于联机生产。本文将系统介绍激光标记印刷技术及相关设备。 
     
激光标记印刷原理 
  激光标记印刷是通过激光打标机实现图文印刷的,其基本原理是,由激光发生器生成高能量的连续激光光束,当激光作用于承印材料时,处于基态的原子跃迁到较高能量状态;处于较高能量状态的原子是不稳定的,会很快回到基态,当原子返回基态时,会以光子或量子的形式释放出额外的能量,并由光能转换为热能,使表面材料瞬间熔融,甚至气化,从而形成图文标记。
 
    1.激光发生器
 
  下文将以氪灯激光打标系统为例,说明激光发生器的原理。氪灯通电后,以20kV的高压击穿氪灯中的氪气后,电源自动转换输出电压为100V(5A),维持氪灯连续的弧光放电。在激光发生器中,氪灯位于椭圆形聚光腔的1个焦点上,氪灯产生的弧光经聚光腔反射后,再全部聚焦在另一个焦点--晶体钇铝石榴石 (YAG)上,YAG吸收泵浦光后,形成波长为1060nm的连续激光,连续激光在谐振腔中垂直于光轴的前镜和后镜间往返振荡,并从前镜输出。
 
  2.打标原理
 
  射频驱动器(RFDriver)控制Q-开关的开关状态,连续激光在Q-开关的作用下,变成峰值功率达110kW的脉冲光波,经过光孔的脉冲光达到阈值后,由谐振腔输出到达扩束镜,光束经扩束镜放大后传输到扫描镜,由伺服电机带动X轴、Y轴方向的扫描镜片旋转进行光扫描,最后经平面聚焦场将激光的功率进一步放大后,聚焦在工作平面上进行打标。整个过程由计算机按程序控制。
 
  3.激光打标的特点
 
  激光打标机因其特殊的工作原理,与传统标记方式(移印、喷码、电腐蚀等)相比,具有许多优越性;
 
1)非接触加工 
可在任何规则或不规则表面打印标记,且打标后工件不会产生内应力; 
2)材料适用面广 
可在金属、塑料、陶瓷、玻璃、纸张、皮革等不同种类或不同硬度的材料上打印; 
3)可与生产线上的其他设备集成,提高生产线的自动化程度; 
4)标记清晰、持久、美观,并可有效防伪; 
5)使用寿命长、无污染; 
6)运行成本低 
打标速度快且标记一次成型,能耗小,因而运行成本低。 
虽然激光打标机的设备投资比传统标记设备大,但从运行成本而言,使用激光打标机要低得多。 
①塑封三极管打标:打标机工作速度为10个/秒,若设备折旧以5年计算,打标费用为0.00048元/个。如果使用移印机,其综合运行成本约为0.002元/个,甚至更高。 
②轴承表面打标:若轴承三等分打字,总共18个4号字,采用振镜式打标机,以氪灯灯管的使用寿命为700小时计算,则每个轴承的打标综合成本为 0.00915元。电腐蚀刻字的成本约为0.015元/个。以年产量400万套轴承计算,仅打标一项,1年最少可以降低成本约6.5万元。 
7)加工效率高 
计算机控制下的激光光束可以高速移动(速度达5~7米/秒),打标过程可在数秒内完成。1个标准计算机键盘的印字可在12秒内完成。激光打标系统均配有计算机控制系统,可以与高速流水线灵活配合。 
8)开发速度快 
由于激光技术和计算机技术的结合,用户只要在计算机上编程即可实现激光打印输出,并可随时变换打印设计,从根本上替代了传统的模具制作过程,为缩短产品升级换代周期和柔性生产提供了便利工具。 
9)加工精度高 
激光能以极细的光束作用于材料表面,最细线宽可达到0.05mm。为精密加工和增加防伪功能开创了宽广的应用空间。 
激光印标能满足在极小的塑料制件上印制大量数据的需要。例如,可印制要求更精确,清晰度更高的二维条码,与压印或喷射打标方式相比,有更强的市场竞争力。 
10)维护成本低 
激光打标是非接触式打标,不像模版印标工艺有使用寿命的限制,在批量加工中的维护成本极低。 
11)具有环保性 
激光打标为非接触式打标,节约能源,相对于腐蚀法,避免了化学污染;相对于机械式打标,也可减少噪声污染。
 
  4.激光标记的应用范围 
适用于钢、不含铁金属、合金和无机物打标,及陶瓷、钻石和硅质材料的微加工。目前激光打标技术的应用包括ABS键盘,HDPE、PP、PET和PVC刚性容器和容器盖,尼龙和PBT元器件,HDPE开关按钮,PVC管件等的标记印刷。 
激光打标机的分类与选型
 
1.根据激光器分类 
1)激光器分类 
激光器分为固体激光器(钇铝石榴石YAG和钒酸钇YVO4)、气体激光器(He-Ne激光器、CO2激光器)两类。 
①氧化碳(CO2)激光打标机,用CO2气体作为激活媒介,发射出红外区域的10600nm的光波。这类激光器有两种不同的形式。 
a.脉冲式激光器。利用掩模方法,以短脉冲激光能量产生标记或图文。但因为不同的标记需要采用不同的遮挡物,更改标记需要较长的时间。 
b.连续式激光器。采用光笔形式,只有1个能级,技术要求不高,成本低,设备简单,但输出能量高,效率高,广泛用于塑料的激光标记印刷。 
②钇铝石榴石激光打标机。激活媒介是固体,激光器发射出接近红外线区域的1060nm的光波,有连续式、光笔式两种,通过改变输出能量,可得到不同强度的激光束。打标工艺有焦化法(深色标记)、发泡法(浅色标记)和烧蚀法(雕刻标记),标记质量极好。 
③准分子激光打标机。可发射出紫外范围的光波(100~400nm),激活媒介由氦、氩、氪、氖气体和氯、氟、溴、碘等卤素组成的混合物构成。 
  
2)二氧化碳激光与YAG固体激光打标机的区别 
①适用材料不同。因其波长不同,二氧化碳激光打标机只能用于非金属材料打标;YAG固体激光打标机既能用于非金属材料打标,也能用于金属材料打标。
②所用耗材不同。二氧化碳激光打标机的主要耗材是混合气体和激光管,另外锗镜片也是易损件,价格比较昂贵;YAG固体激光打标机的主要耗材是泵浦灯(脉冲式激光器使用氙灯,连续式激光器使用氪灯),价格低廉。 
2.根据激光输出形式分类 
激光打标机根据激光的输出形式不同,可分为固体掩模式,气体掩模式、机械扫描式、振镜扫描式等类型。 
3.激光打标机的选型 
激光打标机的选型主要是根据需要印标产品的材质、产量和标记面积决定,选型原则如下。 
1)固体掩模式激光打标机 
适用于非金属材料、标记面积在¢7mm的柱面内,大批量生产的产品,如电子元件等。 
2)气体掩模式激光打标机 
适用于非金属材料,标记面积在¢20mm的柱面内、大批量生产的产品,如电子元件、塑料瓶、烟酒和食品包装容器等。 
3)机械扫描式激光打标机 
适用于单个标记面积在80mm ×100mm范围内,单班产量为数千件的产品。 
4)振镜扫描式激光打标机 
适用于单个标记面积在¢300mm的柱面内、单班产量为数万件的产品。
 
激光打标系统硬件与软件
 
1.激光打标系统硬件的组成 
激光打标系统包括激光打标机、工作台和外部水冷系统三大部分。激光打标机由控制柜和激光打标头组成,并通过系统控制线相连;控制柜包括激光电源,RF射频驱动器,控制计算机、显示器、主控制板和激光冷却系统。 
2.激光打标系统软件  
具有自主版权的激光打标系统软件要具有界面友好和强大的图形编辑功能,简单易学,操作方便的特点,带有视屏监视及热屏显示功能,系统可扩展性能强;可进行图标、字库、位图的灵活转换,支持条码(128码、39码)、二维码(PDF417码、ID MAIRIX码)、OCR-A软件、矢量图及位图输入、支持Auto CAD-A等绘图格式;具备系统错误及故障报警显示。
 
塑料制品激光打标
 
1.塑料激光打标工艺 
塑料是一种重要包装材料,塑料制品上的商标、条码和编号等用于识别的记号通常采用印刷、粘贴标签、烫印收缩外包装等外部加工方式生成,或通过对塑料制品表面直接进行机械加工,如压印、雕刻、冲孔等形成标记。而利用激光打标机在塑料制品表面打印标记则是一种加工速度高,可保持塑料制品固有的表面特性,使文字、数字或图标与塑料制品成为统一的整体的新型打标技术。塑料制品激光打标机利用激光束在塑料表面直接生成记号,包括标记、编码、标签、字符、线条、数字、甚至色彩,不需要其他加工工序。 
2.激光打标设备与材料 
为了得到清晰的激光标记,必须了解下列几点: 
1)激光打标设备 
不同激光机可发射出不同波长的光,不同激光的穿透能力也不同;且不同激光器的适应性对标记质量和标记速度都有影响。 
尽管现有的用于塑料表面打标的激光光源很多,但密封的二氧化碳激光器是目前使用最广泛的打标用激光器,其次是固态Nd:YAG激光器和二极管Nd: YAG激光器。因此,塑料制品打标应首选二氧化碳激光器,如果不能得到要求的对比度或塑料熔融过度,可选择 Nd:YAG激光器。 
①二氧化碳激光打标机 
选择激光打标机,费用是一个关键因素。一整套二氧化碳激光打标机售价在2.5万~3.5万美元,而1台电子管或二极管Nd:YAG激光打标机售价在6万~7.5万美元之间。 
二氧化碳激光打标机是通过蚀刻塑料表面,蒸发清理废料,得到的是有对比度的印标,几乎没有颜色变化。在瓶装生产线编码过程中,打标速度是关键,尤其在打印大字时一般要使用二氧化碳激光器。 
适宜采用二氧化碳激光打标机打标的塑料有PVC、ABS和大多数聚酯;云母填充的商用树脂,如PP,用二氧化碳激光打标机打标时会产生起霜的灰白印标。尽管二氧化碳激光打标机的输出功率可以达到200W,但用于塑料打标的功率只需要10~25W,最高为50W。 
②固态Nd:YAG激光打标机 
Nd:YAG激光打标机是目前流行的打标设备,一般多用于零件的高质量印标,如电子连接器,发动机罩等。由于Nd:YAG激光打标机产生的激光波长较短,能量高,因此能得到较高的清晰度。但加热塑料会引起热化学反应(如发泡)和颜色变化。 
2)成品要求和工艺特点 
选用打标设备之前,要了解产量和打标要求。例如,对比度要求高、印标不能有中断的产品,高频激光器是首选。此外,还需注意设备低输出功率是否适合速度要求。 
3)塑料制品对激光的适应性 
不同塑料具有不同的激光能量吸收率。有些塑料因为易吸收能量而易于打标;而有些塑料则不吸收激光,根本不能用激光生成标记。激光能量的吸收率是波长的函数,因此,在相同激光强度作用下,不同的塑料会得到不同质量的标记。例如,一些有色高密度聚乙烯和聚碳酸酯在用YAG激光器时,不用加入任何添加剂就能得到理想的印记;而采用二氧化碳激光打标机,若不加入特殊添加剂就印不好。此外,塑料的降解、裂痕、表面的空洞等,也会 导致标记质量降低。 
除了采用激光标记添加剂提高塑料可打印性外,还有专用于激光印标的塑料,如专用于激光印标的低光泽黑色乙酸醛共聚物,具有抗紫外线的作用。 
4)激光标记添加剂的作用和种类 
激光标记添加剂可改变塑料的光谱吸收特性,特别是对于不吸收激光的特殊塑料,正确使用激光标记添加剂可适于激光打标,且质量可与正常标记媲美。 
①激光标记添加剂的功能 
激光标记添加剂的主要功能是吸收激光能量,将激光束转换成热能,对塑料产生加热作用,碳化作用、蒸发作用及化学反应。 
②激光标记添加剂的品种 
添加剂产品针对不同的激光器有多个品种,如,用于二氧化碳激光打标的添加剂,对于不同化学性质的塑料,深色背景上的浅色激光标记及浅色背景上的深色激光标记有不同的品种。 
又如Mark-lt激光标记色料是一种专为YAG塑料激光打标机设计的添加剂,适用于PE、PP、GPPS、HIPS、ABS、PET、PBT、尼龙、环氧树脂、ABS/PC、PC等塑料的激光标记印刷。
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