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0431-81702023
光學工程
激光標記技術的原理及應用

激光是一種與普通光源截然不同的相干光源,由于具有高方向性、高單色性和高能量的特點,自20世紀60年代初出現以來,就備受關注。激光在印刷業主要應用在計算機直接制版系統、激光照排機、激光打印機、全息圖像印刷、電子出版、激光標記印刷等方面。其中,激光標記印刷已占到激光加工業的45.3%,且應用領域仍在發展和擴大。   

    激光標記印刷也稱激光打標、激光印標,近年來在印刷領域,如包裝印刷、票據印刷、防偽標識印刷中的應用越來越多,有些已用于聯機生產。本文將系統介紹激光標記印刷技術及相關設備。 
  
  激光標記印刷原理  

  激光標記印刷是通過激光打標機實現圖文印刷的,其基本原理是,由激光發生器生成高能量的連續激光光束,當激光作用于承印材料時,處于基態的原子躍遷到較高能量狀態;處于較高能量狀態的原子是不穩定的,會很快回到基態,當原子返回基態時,會以光子或量子的形式釋放出額外的能量,并由光能轉換為熱能,使表面材料瞬間熔融,甚至氣化,從而形成圖文標記。  

    1.激光發生器  

  下文將以氪燈激光打標系統為例,說明激光發生器的原理。氪燈通電后,以20kV的高壓擊穿氪燈中的氪氣后,電源自動轉換輸出電壓為100V(5A),維持氪燈連續的弧光放電。在激光發生器中,氪燈位于橢圓形聚光腔的1個焦點上,氪燈產生的弧光經聚光腔反射后,再全部聚焦在另一個焦點--晶體釔鋁石榴石 (YAG)上,YAG吸收泵浦光后,形成波長為1060nm的連續激光,連續激光在諧振腔中垂直于光軸的前鏡和后鏡間往返振蕩,并從前鏡輸出。  

  2.打標原理  

  射頻驅動器(RFDriver)控制Q-開關的開關狀態,連續激光在Q-開關的作用下,變成峰值功率達110kW的脈沖光波,經過光孔的脈沖光達到閾值后,由諧振腔輸出到達擴束鏡,光束經擴束鏡放大后傳輸到掃描鏡,由伺服電機帶動X軸、Y軸方向的掃描鏡片旋轉進行光掃描,最后經平面聚焦場將激光的功率進一步放大后,聚焦在工作平面上進行打標。整個過程由計算機按程序控制。  

  3.激光打標的特點  

  激光打標機因其特殊的工作原理,與傳統標記方式(移印、噴碼、電腐蝕等)相比,具有許多優越性;  

    1)非接觸加工  

    可在任何規則或不規則表面打印標記,且打標后工件不會產生內應力;  

    2)材料適用面廣  

    可在金屬、塑料、陶瓷、玻璃、紙張、皮革等不同種類或不同硬度的材料上打印;  

    3)可與生產線上的其他設備集成,提高生產線的自動化程度; 
  
    4)標記清晰、持久、美觀,并可有效防偽;  

    5)使用壽命長、無污染;  

    6)運行成本低  

 打標速度快且標記一次成型,能耗小,因而運行成本低。  

    雖然激光打標機的設備投資比傳統標記設備大,但從運行成本而言,使用激光打標機要低得多。  
    ①塑封三極管打標:打標機工作速度為10個/秒,若設備折舊以5年計算,打標費用為0.00048元/個。如果使用移印機,其綜合運行成本約為0.002元/個,甚至更高。  

    ②軸承表面打標:若軸承三等分打字,總共18個4號字,采用振鏡式打標機,以氪燈燈管的使用壽命為700小時計算,則每個軸承的打標綜合成本為 0.00915元。電腐蝕刻字的成本約為0.015元/個。以年產量400萬套軸承計算,僅打標一項,1年最少可以降低成本約6.5萬元。  

    7)加工效率高  

    計算機控制下的激光光束可以高速移動(速度達5~7米/秒),打標過程可在數秒內完成。1個標準計算機鍵盤的印字可在12秒內完成。激光打標系統均配有計算機控制系統,可以與高速流水線靈活配合。 
  
    8)開發速度快  

    由于激光技術和計算機技術的結合,用戶只要在計算機上編程即可實現激光打印輸出,并可隨時變換打印設計,從根本上替代了傳統的模具制作過程,為縮短產品升級換代周期和柔性生產提供了便利工具。  

    9)加工精度高  

    激光能以極細的光束作用于材料表面,最細線寬可達到0.05mm。為精密加工和增加防偽功能開創了寬廣的應用空間。  

    激光印標能滿足在極小的塑料制件上印制大量數據的需要。例如,可印制要求更精確,清晰度更高的二維條碼,與壓印或噴射打標方式相比,有更強的市場競爭力。  

    10)維護成本低  

    激光打標是非接觸式打標,不像模版印標工藝有使用壽命的限制,在批量加工中的維護成本極低。  

    11)具有環保性  

    激光打標為非接觸式打標,節約能源,相對于腐蝕法,避免了化學污染;相對于機械式打標,也可減少噪聲污染。  

  4.激光標記的應用范圍  

    適用于鋼、不含鐵金屬、合金和無機物打標,及陶瓷、鉆石和硅質材料的微加工。目前激光打標技術的應用包括ABS鍵盤,HDPE、PP、PET和PVC剛性容器和容器蓋,尼龍和PBT元器件,HDPE開關按鈕,PVC管件等的標記印刷。   

    激光打標機的分類與選型  

    1.根據激光器分類  

1)激光器分類  

    激光器分為固體激光器(釔鋁石榴石YAG和釩酸釔YVO4)、氣體激光器(He-Ne激光器、CO2激光器)兩類。  

    ①氧化碳(CO2)激光打標機,用CO2氣體作為激活媒介,發射出紅外區域的10600nm的光波。這類激光器有兩種不同的形式。  

    a.脈沖式激光器。利用掩模方法,以短脈沖激光能量產生標記或圖文。但因為不同的標記需要采用不同的遮擋物,更改標記需要較長的時間。  

    b.連續式激光器。采用光筆形式,只有1個能級,技術要求不高,成本低,設備簡單,但輸出能量高,效率高,廣泛用于塑料的激光標記印刷。  

    ②釔鋁石榴石激光打標機。激活媒介是固體,激光器發射出接近紅外線區域的1060nm的光波,有連續式、光筆式兩種,通過改變輸出能量,可得到不同強度的激光束。打標工藝有焦化法(深色標記)、發泡法(淺色標記)和燒蝕法(雕刻標記),標記質量極好。 
  
    ③準分子激光打標機。可發射出紫外范圍的光波(100~400nm),激活媒介由氦、氬、氪、氖氣體和氯、氟、溴、碘等鹵素組成的混合物構成。  

    2)二氧化碳激光與YAG固體激光打標機的區別  

    ①適用材料不同。因其波長不同,二氧化碳激光打標機只能用于非金屬材料打標;YAG固體激光打標機既能用于非金屬材料打標,也能用于金屬材料打標。  

    ②所用耗材不同。二氧化碳激光打標機的主要耗材是混合氣體和激光管,另外鍺鏡片也是易損件,價格比較昂貴;YAG固體激光打標機的主要耗材是泵浦燈(脈沖式激光器使用氙燈,連續式激光器使用氪燈),價格低廉。  

    2.根據激光輸出形式分類  

    激光打標機根據激光的輸出形式不同,可分為固體掩模式,氣體掩模式、機械掃描式、振鏡掃描式等類型。  

    3.激光打標機的選型  

    激光打標機的選型主要是根據需要印標產品的材質、產量和標記面積決定,選型原則如下。 
  
    1)固體掩模式激光打標機  

    適用于非金屬材料、標記面積在¢7mm的柱面內,大批量生產的產品,如電子元件等。  
    2)氣體掩模式激光打標機  

    適用于非金屬材料,標記面積在¢20mm的柱面內、大批量生產的產品,如電子元件、塑料瓶、煙酒和食品包裝容器等。  

   3)機械掃描式激光打標機  

適用于單個標記面積在80mm ×100mm范圍內,單班產量為數千件的產品。  

    4)振鏡掃描式激光打標機  

    適用于單個標記面積在¢300mm的柱面內、單班產量為數萬件的產品。  

   激光打標系統硬件與軟件  

    1.激光打標系統硬件的組成  

    激光打標系統包括激光打標機、工作臺和外部水冷系統三大部分。激光打標機由控制柜和激光打標頭組成,并通過系統控制線相連;控制柜包括激光電源,RF射頻驅動器,控制計算機、顯示器、主控制板和激光冷卻系統。  

    2.激光打標系統軟件   

    具有自主版權的激光打標系統軟件要具有界面友好和強大的圖形編輯功能,簡單易學,操作方便的特點,帶有視屏監視及熱屏顯示功能,系統可擴展性能強;可進行圖標、字庫、位圖的靈活轉換,支持條碼(128碼、39碼)、二維碼(PDF417碼、ID MAIRIX碼)、OCR-A軟件、矢量圖及位圖輸入、支持Auto CAD-A等繪圖格式;具備系統錯誤及故障報警顯示。  

    塑料制品激光打標  

    1.塑料激光打標工藝  

    塑料是一種重要包裝材料,塑料制品上的商標、條碼和編號等用于識別的記號通常采用印刷、粘貼標簽、燙印收縮外包裝等外部加工方式生成,或通過對塑料制品表面直接進行機械加工,如壓印、雕刻、沖孔等形成標記。而利用激光打標機在塑料制品表面打印標記則是一種加工速度高,可保持塑料制品固有的表面特性,使文字、數字或圖標與塑料制品成為統一的整體的新型打標技術。塑料制品激光打標機利用激光束在塑料表面直接生成記號,包括標記、編碼、標簽、字符、線條、數字、甚至色彩,不需要其他加工工序。  

    2.激光打標設備與材料  

    為了得到清晰的激光標記,必須了解下列幾點:  

    1)激光打標設備  

    不同激光機可發射出不同波長的光,不同激光的穿透能力也不同;且不同激光器的適應性對標記質量和標記速度都有影響。  

    盡管現有的用于塑料表面打標的激光光源很多,但密封的二氧化碳激光器是目前使用最廣泛的打標用激光器,其次是固態Nd:YAG激光器和二極管Nd: YAG激光器。因此,塑料制品打標應首選二氧化碳激光器,如果不能得到要求的對比度或塑料熔融過度,可選擇 Nd:YAG激光器。  

    ①二氧化碳激光打標機  

 選擇激光打標機,費用是一個關鍵因素。一整套二氧化碳激光打標機售價在2.5萬~3.5萬美元,而1臺電子管或二極管Nd:YAG激光打標機售價在6萬~7.5萬美元之間。  

    二氧化碳激光打標機是通過蝕刻塑料表面,蒸發清理廢料,得到的是有對比度的印標,幾乎沒有顏色變化。在瓶裝生產線編碼過程中,打標速度是關鍵,尤其在打印大字時一般要使用二氧化碳激光器。  
適宜采用二氧化碳激光打標機打標的塑料有PVC、ABS和大多數聚酯;云母填充的商用樹脂,如PP,用二氧化碳激光打標機打標時會產生起霜的灰白印標。盡管二氧化碳激光打標機的輸出功率可以達到200W,但用于塑料打標的功率只需要10~25W,最高為50W。 
  
    ②固態Nd:YAG激光打標機  

    Nd:YAG激光打標機是目前流行的打標設備,一般多用于零件的高質量印標,如電子連接器,發動機罩等。由于Nd:YAG激光打標機產生的激光波長較短,能量高,因此能得到較高的清晰度。但加熱塑料會引起熱化學反應(如發泡)和顏色變化。  

    2)成品要求和工藝特點  

    選用打標設備之前,要了解產量和打標要求。例如,對比度要求高、印標不能有中斷的產品,高頻激光器是首選。此外,還需注意設備低輸出功率是否適合速度要求。  

    3)塑料制品對激光的適應性  

    不同塑料具有不同的激光能量吸收率。有些塑料因為易吸收能量而易于打標;而有些塑料則不吸收激光,根本不能用激光生成標記。激光能量的吸收率是波長的函數,因此,在相同激光強度作用下,不同的塑料會得到不同質量的標記。例如,一些有色高密度聚乙烯和聚碳酸酯在用YAG激光器時,不用加入任何添加劑就能得到理想的印記;而采用二氧化碳激光打標機,若不加入特殊添加劑就印不好。此外,塑料的降解、裂痕、表面的空洞等,也會 導致標記質量降低。  

    除了采用激光標記添加劑提高塑料可打印性外,還有專用于激光印標的塑料,如專用于激光印標的低光澤黑色乙酸醛共聚物,具有抗紫外線的作用。  

    4)激光標記添加劑的作用和種類  

    激光標記添加劑可改變塑料的光譜吸收特性,特別是對于不吸收激光的特殊塑料,正確使用激光標記添加劑可適于激光打標,且質量可與正常標記媲美。  

    ①激光標記添加劑的功能  

    激光標記添加劑的主要功能是吸收激光能量,將激光束轉換成熱能,對塑料產生加熱作用,碳化作用、蒸發作用及化學反應。  

    ②激光標記添加劑的品種  

    添加劑產品針對不同的激光器有多個品種,如,用于二氧化碳激光打標的添加劑,對于不同化學性質的塑料,深色背景上的淺色激光標記及淺色背景上的深色激光標記有不同的品種。  

    又如Mark-lt激光標記色料是一種專為YAG塑料激光打標機設計的添加劑,適用于PE、PP、GPPS、HIPS、ABS、PET、PBT、尼龍、環氧樹脂、ABS/PC、PC等塑料的激光標記印刷。


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