【科普】激光標(biāo)記技術(shù)
簡介
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。激光在印刷業(yè)主要應(yīng)用在計算機(jī)直接制版系統(tǒng)、激光照排機(jī)、激光打印機(jī)、全息圖像印刷、電子出版、激光標(biāo)記印刷等方面。其中，激光標(biāo)記印刷已占到激光加工業(yè)的45.3%且應(yīng)用領(lǐng)域仍在發(fā)展和擴(kuò)大。
軸承專用激光標(biāo)記機(jī)激光標(biāo)記技術(shù)印刷也稱激光打標(biāo)、激光印標(biāo)。近年來在印刷領(lǐng)域，如包裝印刷、票據(jù)印刷、防偽標(biāo)識印刷中的應(yīng)用越來越多，有些已用于聯(lián)機(jī)生產(chǎn)。本文將系統(tǒng)介紹激光標(biāo)記印刷技術(shù)及相關(guān)設(shè)備。
軸承專用激光標(biāo)記機(jī)
原理
激光標(biāo)記印刷是通過激光打標(biāo)機(jī)實現(xiàn)圖文印刷的其基本原理是由激光發(fā)生器生成高能量的連續(xù)激光光束。當(dāng)激光作用于承印材料時，處于基態(tài)的原子躍遷到較高能量狀態(tài)；處于較高能量狀態(tài)的原子是不穩(wěn)定的會很快回到基態(tài)，當(dāng)原子返回基態(tài)時，會以光子或量子的形式釋放出額外的能量，并由光能轉(zhuǎn)換為熱能，使表面材料瞬間熔融，甚至氣化，從而形成圖文標(biāo)記。
應(yīng)用
原理
激光標(biāo)記印刷是通過激光打標(biāo)機(jī)實現(xiàn)圖文印刷的其基本原理是由激光發(fā)生器生成高能量的連續(xù)激光光束。當(dāng)激光作用于承印材料時，處于基態(tài)的原子躍遷到較高能量狀態(tài)；處于較高能量狀態(tài)的原子是不穩(wěn)定的會很快回到基態(tài)，當(dāng)原子返回基態(tài)時，會以光子或量子的形式釋放出額外的能量，并由光能轉(zhuǎn)換為熱能，使表面材料瞬間熔融，甚至氣化，從而形成圖文標(biāo)記。
應(yīng)用
1．激光發(fā)生器
下文將以氪燈激光打標(biāo)系統(tǒng)為例。說明激光發(fā)生器的原理。氪燈通電后，以20kV高壓擊穿氪燈中的氪氣后，電源自動轉(zhuǎn)換輸出電壓為100V5A維持氪燈連續(xù)的弧光放電。激光發(fā)生器中，氪燈位于橢圓形聚光腔的1個焦點上，氪燈產(chǎn)生的弧光經(jīng)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連續(xù)激光，連續(xù)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(biāo)原理
射頻驅(qū)動器(RFDriver控制Q-開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)，連續(xù)激光在Q-開關(guān)的作用下，變成峰值功率達(dá)110kW脈沖光波，經(jīng)過光孔的脈沖光達(dá)到閾值后，由諧振腔輸出到達(dá)擴(kuò)束鏡，光束經(jīng)擴(kuò)束鏡放大后傳輸?shù)綊呙桤R，由伺服電機(jī)帶動X軸、Y軸方向的掃描鏡片旋轉(zhuǎn)進(jìn)行光掃描，最后經(jīng)平面聚焦場將激光的功率進(jìn)一步放大后，聚焦在工作平面上進(jìn)行打標(biāo)。整個過程由計算機(jī)按程序控制。
3．激光打標(biāo)的特點
激光打標(biāo)機(jī)因其特殊的工作原理，與傳統(tǒng)標(biāo)記方式(移印、噴碼、電腐蝕等)相比，具有許多優(yōu)越性；
1非接觸加工
可在任何規(guī)則或不規(guī)則表面打印標(biāo)記，且打標(biāo)后工件不會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)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(chǎn)線上的其他設(shè)備集成，提高生產(chǎn)線的自動化程度；
4標(biāo)記清晰、持久、美觀，并可有效防偽；
5使用壽命長、無污染；
6運(yùn)行成本低
打標(biāo)速度快且標(biāo)記一次成型。能耗小，因而運(yùn)行成本低。
雖然激光打標(biāo)機(jī)的設(shè)備投資比傳統(tǒng)標(biāo)記設(shè)備大。但從運(yùn)行成本而言，使用激光打標(biāo)機(jī)要低得多。
①塑封三極管打標(biāo)：打標(biāo)機(jī)工作速度為10個/秒。若設(shè)備折舊以5年計算，打標(biāo)費(fèi)用為0.00048元/個。如果使用移印機(jī)，其綜合運(yùn)行成本約為0.002元/個，甚至更高。
②軸承表面打標(biāo)：若軸承三等分打字。總共18個4號字，采用振鏡式打標(biāo)機(jī)，以氪燈燈管的使用壽命為700小時計算，則每個軸承的打標(biāo)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(chǎn)量400萬套軸承計算，僅打標(biāo)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(jī)控制下的激光光束可以高速移動(速度達(dá)57米/秒)打標(biāo)過程可在數(shù)秒內(nèi)完成。1個標(biāo)準(zhǔn)計算機(jī)鍵盤的印字可在12秒內(nèi)完成。激光打標(biāo)系統(tǒng)均配有計算機(jī)控制系統(tǒng)。可以與高速流水線靈活配合。
8開發(fā)速度快
由于激光技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的結(jié)合。用戶只要在計算機(jī)上編程即可實現(xiàn)激光打印輸出，并可隨時變換打印設(shè)計，從根本上替代了傳統(tǒng)的模具制作過程，為縮短產(chǎn)品升級換代周期和柔性生產(chǎn)提供了便利工具。
9加工精度高
激光能以極細(xì)的光束作用于材料表面。最細(xì)線寬可達(dá)到0.05mm為精密加工和增加防偽功能開創(chuàng)了寬廣的應(yīng)用空間。
激光印標(biāo)能滿足在極小的塑料制件上印制大量數(shù)據(jù)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(biāo)方式相比，有更強(qiáng)的市場競爭力。
10維護(hù)成本低
激光打標(biāo)是非接觸式打標(biāo)。不像模版印標(biāo)工藝有使用壽命的限制，批量加工中的維護(hù)成本極低。
11具有環(huán)保性
激光打標(biāo)為非接觸式打標(biāo)，節(jié)約能源；相對于腐蝕法，避免了化學(xué)污染；相對于機(jī)械式打標(biāo)，也可減少噪聲污染。
4．激光標(biāo)記的應(yīng)用范圍
適用于鋼、不含鐵金屬、合金和無機(jī)物打標(biāo)及陶瓷、鉆石和硅質(zhì)材料的微加工。目前激光打標(biāo)技術(shù)的應(yīng)用包括ABS鍵盤，HDPEPPPET和PVC剛性容器和容器蓋，尼龍和PBT元器件，HDPE開關(guān)按鈕，PVC管件等的標(biāo)記印刷
。
激光打標(biāo)機(jī)的分類與選型
1．根據(jù)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-N激光器、CO2激光器)兩類。
①氧化碳(CO2激光打標(biāo)機(jī)。用CO2氣體作為激活媒介，發(fā)射出紅外區(qū)域的10600nm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(chǎn)生標(biāo)記或圖文。但因為不同的標(biāo)記需要采用不同的遮擋物，更改標(biāo)記需要較長的時間。
b．連續(xù)式激光器。采用光筆形式。只有1個能級，技術(shù)要求不高，成本低，設(shè)備簡單，但輸出能量高，效率高，廣泛用于塑料的激光標(biāo)記印刷。
②釔鋁石榴石激光打標(biāo)機(jī)。激活媒介是固體。激光器發(fā)射出接近紅外線區(qū)域的1060nm光波有連續(xù)式、光筆式兩種，通過改變輸出能量，可得到不同強(qiáng)度的激光束。打標(biāo)工藝有焦化法(深色標(biāo)記)發(fā)泡法(淺色標(biāo)記)和燒蝕法(雕刻標(biāo)記)標(biāo)記質(zhì)量極好。
③準(zhǔn)分子激光打標(biāo)機(jī)。可發(fā)射出紫外范圍的光波(100400nm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(gòu)成。
2二氧化碳激光與YAG固體激光打標(biāo)機(jī)的區(qū)別
①適用材料不同。二氧化碳激光打標(biāo)機(jī)只能用于非金屬材料打標(biāo)；YAG固體激光打標(biāo)機(jī)既能用于非金屬材料打標(biāo)，因其波長不同。也能用于金屬材料打標(biāo)。
②所用耗材不同。二氧化碳激光打標(biāo)機(jī)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(biāo)機(jī)的主要耗材是泵浦燈(脈沖式激光器使用氙燈，連續(xù)式激光器使用氪燈)價格低廉。
2．根據(jù)激光輸出形式分類
激光打標(biāo)機(jī)根據(jù)激光的輸出形式不同。可分為固體掩模式，氣體掩模式、機(jī)械掃描式、振鏡掃描式等類型。
3．激光打標(biāo)機(jī)的選型
激光打標(biāo)機(jī)的選型主要是根據(jù)需要印標(biāo)產(chǎn)品的材質(zhì)、產(chǎn)量和標(biāo)記面積決定。選型原則如下。
1固體掩模式激光打標(biāo)機(jī)
適用于非金屬材料、標(biāo)記面積在￠7mm柱面內(nèi)。大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，如電子元件等。
2氣體掩模式激光打標(biāo)機(jī)
適用于非金屬材，標(biāo)記面積在￠20mm柱面內(nèi)、大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，如電子元件、塑料瓶、煙酒和食品包裝容器等。
3機(jī)械掃描式激光打標(biāo)機(jī)
適用于單個標(biāo)記面積在80mm100mm范圍內(nèi)，單班產(chǎn)量為數(shù)千件的產(chǎn)品。
4振鏡掃描式激光打標(biāo)機(jī)
適用于單個標(biāo)記面積在￠300mm柱面內(nèi)、單班產(chǎn)量為數(shù)萬件的產(chǎn)品。
激光打標(biāo)系統(tǒng)硬件與軟件
1．激光打標(biāo)系統(tǒng)硬件的組成
激光打標(biāo)系統(tǒng)包括激光打標(biāo)機(jī)、工作臺和外部水冷系統(tǒng)三大部分。激光打標(biāo)機(jī)由控制柜和激光打標(biāo)頭組成，并通過系統(tǒng)控制線相連；控制柜包括激光電源，RF射頻驅(qū)動器，控制計算機(jī)、顯示器、主控制板和激光冷卻系統(tǒng)。
2．激光打標(biāo)系統(tǒng)軟件
具有自主版權(quán)的激光打標(biāo)系統(tǒng)軟件要具有界面友好和強(qiáng)大的圖形編輯功能。簡單易學(xué)，操作方便的特點，帶有視屏監(jiān)視及熱屏顯示功能，系統(tǒng)可擴(kuò)展性能強(qiáng)；可進(jìn)行圖標(biāo)、字庫、位圖的靈活轉(zhuǎn)換，支持條碼(128碼、39碼)二維碼(PDF417碼、IDMAIRIX碼)OCR-A軟件、矢量圖及位圖輸入、支持AutoCAD-A等繪圖格式；具備系統(tǒng)錯誤及故障報警顯示。
塑料制品激光打標(biāo)
1．塑料激光打標(biāo)工藝
塑料是一種重要包裝材料。塑料制品上的商標(biāo)、條碼和編號等用于識別的記號通常采用印刷、粘貼標(biāo)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(jìn)行機(jī)械加工，如壓印、雕刻、沖孔等形成標(biāo)記。而利用激光打標(biāo)機(jī)在塑料制品表面打印標(biāo)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(shù)字或圖標(biāo)與塑料制品成為統(tǒng)一的整體的新型打標(biāo)技術(shù)。塑料制品激光打標(biāo)機(jī)利用激光束在塑料表面直接生成記號，包括標(biāo)記、編碼、標(biāo)簽、字符、線條、數(shù)字、甚至色彩，不需要其他加工工序。
2．激光打標(biāo)設(shè)備與材料
為了得到清晰的激光標(biāo)記，必須了解下列幾點：
1激光打標(biāo)設(shè)備
不同激光機(jī)可發(fā)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(yīng)性對標(biāo)記質(zhì)量和標(biāo)記速度都有影響。
盡管現(xiàn)有的用于塑料表面打標(biāo)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(biāo)用激光器，其次是固態(tài)NdYAG激光器和二極管NdYAG激光器。因此，塑料制品打標(biāo)應(yīng)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NdYAG激光器。
①二氧化碳激光打標(biāo)機(jī)
選擇激光打標(biāo)機(jī)，費(fèi)用是一個關(guān)鍵因素，一整套二氧化碳激光打標(biāo)機(jī)售價在2.5萬～3.5萬美元，而1臺電子管或二極管NdYAG激光打標(biāo)機(jī)售價在6萬～7.5萬美元之間。
二氧化碳激光打標(biāo)機(jī)是通過蝕刻塑料表面。蒸發(fā)清理廢料，得到有對比度的印標(biāo)，幾乎沒有顏色變化。瓶裝生產(chǎn)線編碼過程中，打標(biāo)速度是關(guān)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(biāo)機(jī)打標(biāo)的塑料有PVCABS和大多數(shù)聚酯；云母填充的商用樹脂。
如PP用二氧化碳激光打標(biāo)機(jī)打標(biāo)時會產(chǎn)生起霜的灰白印標(biāo)。盡管二氧化碳激光打標(biāo)機(jī)的輸出功率可以達(dá)到200W但用于塑料打標(biāo)的功率只需要1025W最高為50W
②固態(tài)NdYAG激光打標(biāo)機(jī)
NdYAG激光打標(biāo)機(jī)是目前流行的一般多用于零件的高質(zhì)量印標(biāo)，打標(biāo)設(shè)備。如電子連接器，發(fā)動機(jī)罩等。由于NdYAG激光打標(biāo)機(jī)產(chǎn)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(xué)反應(yīng)(如發(fā)泡)和顏色變化。
2成品要求和工藝特點
選用打標(biāo)設(shè)備之前。要了解產(chǎn)量和打標(biāo)要求。例如，對比度要求高、印標(biāo)不能有中斷的產(chǎn)品，高頻激光器是首選。此外，還需注意設(shè)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(yīng)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(biāo)；而有些塑料則不吸收激光。根本不能用激光生成標(biāo)記。激光能量的吸收率是波長的函數(shù)，因此，相同激光強(qiáng)度作用下，不同的塑料會得到不同質(zhì)量的標(biāo)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(biāo)機(jī)，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(dǎo)致標(biāo)記質(zhì)量降低。還有專用于激光印標(biāo)的塑料，除了采用激光標(biāo)記添加劑提高塑料可打印性外。如專用于激光印標(biāo)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(biāo)記添加劑的作用和種類
激光標(biāo)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(biāo)記添加劑可適于激光打標(biāo)，且質(zhì)量可與正常標(biāo)記媲美。
①激光標(biāo)記添加劑的功能
激光標(biāo)記添加劑的主要功能是吸收激光能量將激光束轉(zhuǎn)換成熱能，。對塑料產(chǎn)生加熱作用，碳化作用、蒸發(fā)作用及化學(xué)反應(yīng)。
②激光標(biāo)記添加劑的品種
添加劑產(chǎn)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(biāo)的添加劑，對于不同化學(xué)性質(zhì)的塑料，深色背景上的淺色激光標(biāo)記及淺色背景上的深色激光標(biāo)記有不同的品種。
又如Mark-lt激光標(biāo)記色料是一種專為YAG塑料激光打標(biāo)機(jī)設(shè)計的添加劑。適用于PEPPGPPSHIPSABSPETPBT尼龍、環(huán)氧樹脂、ABS/PCPC等塑料的激光標(biāo)記印刷。
激光標(biāo)記技術(shù)是通過激光打標(biāo)機(jī)實現(xiàn)圖文印刷的其基本原理是由激光發(fā)生器生成高能量的連續(xù)激光光束。當(dāng)激光作用于承印材料時，處于基態(tài)的原子躍遷到較高能量狀態(tài)；處于較高能量狀態(tài)的原子是不穩(wěn)定的會很快回到基態(tài)，當(dāng)原子返回基態(tài)時，會以光子或量子的形式釋放出額外的能量，并由光能轉(zhuǎn)換為熱能，使表面材料瞬間熔融，甚至氣化，從而形成圖文標(biāo)記。
激光標(biāo)記技術(shù)是通過激光打標(biāo)機(jī)實現(xiàn)圖文印刷的其基本原理是由激光發(fā)生器生成高能量的連續(xù)激光光束。當(dāng)激光作用于承印材料時，處于基態(tài)的原子躍遷到較高能量狀態(tài)；處于較高能量狀態(tài)的原子是不穩(wěn)定的會很快回到基態(tài)，當(dāng)原子返回基態(tài)時，會以光子或量子的形式釋放出額外的能量，并由光能轉(zhuǎn)換為熱能，使表面材料瞬間熔融，甚至氣化，從而形成圖文標(biāo)記。