激光打标原理方法优势及现状趋势分析

激光打标技术是激光加工最大的应用领域之一。激光打标是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射,使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应,从而留下永久性标记的一种打标方法。激光打标可以打出各种文字、符号和图案等,字符大小可以从毫米到微米量级,这对产品的防伪有特殊的意义。

激光打标机基本原理

        激光打标的基本原理是,由激光发生器生成高能量的连续激光光束,聚焦后的激光作用于承印材料,使表面材料瞬间熔融,甚至气化,通过控制激光在材料表面的路径,从而形成需要的图文标记。
        激光打标的特点是非接触加工,可在任何异型表面标刻,工件不会变形和产生内应力,适于金属、塑料、玻璃、陶瓷、木材、皮革等材料的标记。
激光几乎可对所有零件(如活塞、活塞环、气门、阀座、五金工具、卫生洁具、电子元器件等)进行打标,且标记耐磨,生产工艺易实现自动化,被标记部件变形小。
        激光打标机采用扫描法打标,即将激光束入射到两反射镜上,利用计算机控制扫描电机带动反射镜分别沿X、Y轴转动,激光束聚焦后落到被标记的工件上,从而形成了激光标记的痕迹
        珠三角、港台地区把激光打标按激光的英文(Laser)音译称为激光镭射加工。

激光打标机优势

        聚焦后的极细的激光光束如同刀具,可将物体表面材料逐点去除,其先进性在于标记过程为非接触性加工,不产生机械挤压或机械应力,因此不会损坏被加工物品;由于激光聚焦后的尺寸很小,热影响区域小,加工精细,因此,可以完成一些常规方法无法实现的工艺。
        激光加工使用的“刀具”是聚焦后的光点,不需要额外增添其它设备和材料,只要激光器能正常工作,就可以长时间连续加工。激光加工速度快,成本低廉。激光加工由计算机自动控制,生产时不需人为干预。
        激光能标记何种信息,仅与计算机里设计的内容相关,只要计算机里设计出的图稿打标系统能够识别,那么打标机就可以将设计信息精确的还原在合适的载体上。因此软件的功能实际上很大程度上决定了系统的功能。

激光打标机方法对比

激光打标技术作为一种现代精密加工方法,与腐蚀,电火花加工,机械刻划,印刷等传统的加工方法相比,具有无与伦比的优势:

1.采用激光做加工手段,与工件之间没有加工力的作用,具有无接触,无切削力,热影响小的优点,保证了工件的原有精度。同时,对材料的适应性较广,可以在多种材料的表面制作出非常精细的标记且耐久性非常好;


2.激光的空间控制性和时间控制性很好,对加工对象的材质,形状,尺寸和加工环境的自由度都很大,特别适用于自动化加工和特殊面加工。且加工方式灵活,既可以适应实验室式的单项设计的需要,也可以满足工业化大批量生产的要求;


3.激光刻划精细,线条可以达到毫米到微米量级,采用激光标刻技术制作的标记仿造和更改都非常困难,对产品防伪极为重要;


4.激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备,可以打出各种文字,符号和图案,易于用软件设计标刻图样,更改标记内容,适应现代化生产高效率,快节奏的要求;


5.激光加工和传统的丝网印刷相比,没有污染源,是一种清洁无污染的高环保加工技术;


激光打标技术已被广泛的应用于各行各业,为优质,高效,无污染和低成本的现代加工生产开辟了广阔的前景。随着现代激光标刻应用领域的不断扩展,对激光制造的设备系统小型化,高效率和集成化的要求也越来越高,新型高功率光纤激光技术的开发成功,必将对此产生极大的推动。

激光打标机发展历程

        激光打标设备的核心是激光打标控制系统,因此,激光打标的发展历程就是打标控制系统的发展过程。从1995年到2003年短短的8年时间,控制系统在激光打标领域就经历了大幅面时代、转镜时代和振镜时代,控制方式也完成了从软件直接控制到上下位机控制到实时处理、分时复用的一系列演变,如今,半导体激光器、光纤激光器、乃至紫外激光的出现和发展又对光学过程控制提出了新的挑战。


大幅面时代
        所谓大幅面,刚开始是将绘图仪的控制部分直接用于激光设备上,将绘图笔取下,在(0,0)点X轴基点、Y轴基点和原绘图笔的位置上分别安装45°折返镜,在原绘图笔位置下端安装小型聚焦镜,用以导通光路及使光束聚焦。直接用绘图软件输出打印命令即可驱动光路的运行,这种方式最明显的优势是幅面大,而且基本上能满足精度比较低的标刻要求,不需要专用的标刻软件;但是,这种方式存在着打标速度慢、控制精度低、笔臂机械磨损大、可靠性差、体积大等缺点。因此,在经历最初的尝试后,绘图仪式的大幅面激光打标系统逐步退出打标市场的,所应用的同类型的大幅面设备基本上都是模仿以前这种控制过程,用伺服电机驱动的高速大幅面系统,而随着三维动态聚焦振镜式扫描系统的逐步完善,大幅面系统将逐步从激光标刻领域销声匿迹。


转镜时代

        由于看到大幅面系统的一系列缺点,在高速振镜技术还没有在中国广泛普及的情况下,一些控制工程师自行开发了由步进电机驱动的转镜式扫描系统,其工作原理是将从谐振腔中导出的激光通过扩束,经过成90°安装的两个步进电机驱动的金镜的反射,由F-theta场镜聚焦后输出作用于处理对象上,金镜的转动使工作平面上的激光作用点分别在X、Y轴上移动,两个镜面协同动作使激光可以在工作平面上完成直线和各种曲线的移动。这种控制过程无论从速度还是定位精度来说都远超过大幅面,因此在很大程度上能满足工具行业对激光控制的要求,虽然同当时国际上流行的振镜式扫描系统还有比较明显的差距,但严格来说这种设计思路的出现和逐步完善代表着中国激光应用的一个里程碑,是中国完全能自行设计和生产激光应用设备的典型标志。直到振镜在中国大规模应用的兴起,这种控制方式才逐步退出中国激光应用的舞台。


振镜时代
        1998年,振镜式扫描系统在中国的大规模应用开始到来。[所谓振镜,又可以称之为电流表计,它的设计思路完全沿袭电流表的设计方法,镜片取代了表针,而探头的信号由计算机控制的-5V—5V的直流信号取代,以完成预定的动作。同转镜式扫描系统相同,这种典型的控制系统采用了一对折返镜,不同的是,驱动这套镜片的步进电机被伺服电机所取代,在这套控制系统中,位置传感器的使用和负反馈回路的设计思路进一步保证了系统的精度,整个系统的扫描速度和重复定位精度达到一个新的水平。

激光打标机国内现状

目前国内的激光打标按其工作方式可分为掩模式打标、阵列式打标和扫描式打标。

掩模式打标

掩模式打标又叫投影式打标。掩模式打标系统由激光器、掩模板和成像透镜组成,其工作原理,经过望远镜扩束的激光,均匀的投射在事先做好的掩模板上,光从雕空部分透射。掩模板上的图形通过透镜成像到工件(焦面)上。通常每个脉冲即可形成一个标记。受激光辐射的材料表面被迅速加热汽化或产生化学反应,发生颜色变化形成可分辨的清晰标记。掩模式打标一般采用CO2激光器和YAG激光器。掩模式打标主要优点是一个激光脉冲一次就能打出一个完整的、包括几种符号的标记,因此打标速度快。对于大批量产品,可在生产线上直接打标。缺点是打标灵活性差,能量利用率低。

阵列式打标
它是使用几台小型激光器同时发射脉冲,经反射镜和聚焦透镜后,使几个激光脉冲在被打标材料表面上烧蚀(熔化)出大小及深度均匀的小凹坑,每个字符、图案都是由这些小圆黑凹坑构成的,一般是横笔划5个点,竖笔划7个点,从而形成5×7的阵列。阵列式打标一般采用小功率射频激励CO2激光器,其打标速度最高可达6000字符/妙,因而成为高速在线打标的理想选择,其缺点是只能标记点阵字符,且只能达到5×7的分辨率,对于汉字无能为力。

扫描式打标
扫描式打标系统由计算机、激光器和X-Y扫描机构三部分组成,其工作原理是将需要打标的信息输入计算机,计算机按照事先设计好的程序控制激光器和X-Y扫描机构,使经过特殊光学系统变换的高能量激光点在被加工表面上扫描运动,形成标记。

通常X-Y扫描机构有两种结构形式:一种是机械扫描式,另一种是振镜扫描式。

(1) 机械扫描式

机械扫描式打标系统不是采用通过改变反射镜的旋转角度去移动光束,而是通过机械的方法对反射镜进行X-Y坐标的平移,从而改变激光束到达工件的位置,这种打标系统的X-Y扫描机构通常是用绘图仪改装。其工作过程:激光束经过反光镜①、②转折光路后,再经过光笔(聚焦透镜)③作用射到被加工工件上。其中绘图仪笔臂④只能带着反光镜①和②沿X轴方向来回运动;光笔③连同它上端的反光镜②(两者固定在一起)只能沿Y轴方向运动。在计算机的控制下(一般通过并口输出控制信号),光笔在Y方向上的运动与笔臂 在X方向上的运动合成,可使输出激光到达平面内任意点,从而标刻出任意图形和文字。

(2)振镜扫描式
        振镜扫描式打标系统主要由激光器、XY偏转镜、聚焦透镜、计算机等构成。其工作原理是将激光束入射到两反射镜(振镜)上,用计算机控制反射镜的反射角度,这两个反射镜可分别沿X、Y轴扫描,从而达到激光束的偏转,使具有一定功率密度的激光聚焦点在打标材料上按所需的要求运动,从而在材料表面上留下永久的标记,聚焦的光斑可以是圆形或矩形。

        在振镜打标系统中,可以采用矢量图形及文字,这种方法采用了计算机中图形软件对图形的处理方式,具有作图效率高,图形精度好,无失真等特点,极大的提高了激光打标的质量和速度。同时振镜式打标也可采用点阵式打标方式,采用这种方式对于在线打标很适用,根据于不同速度的生产线可以采用一个扫描振镜或两个扫描振镜,与前面所述的阵列式打标相比,可以标记更多的点阵信息,对于标记汉字字符具有更大的优。
振镜扫描式打标系统一般使用连续光泵工作波长为1.06μm的Nd:YAG激光器,输出功率为10~120W,激光输出可以是连续的,也可以是Q开关调制的。发展的射频激励CO2激光器,也被用于振镜扫描式激光打标机

        振镜扫描式打标因其应用范围广,可进行矢量打标和点阵打标,标记范围可调,而且具有响应速度快、打标速度高(每秒钟可打标几百个字符)、打标质量较高、光路密封性能好、对环境适应性强等优势已成为主流产品,并被认为代表了未来激光打标机的发展方向,具有广阔的应用前景。

        用于打标的激光器主要有Nd:YAG激光器和CO2激光器。Nd:YAG激光器产生的激光能被金属和绝大多数塑料很好地吸收,而且其波长短(为1.06μm),聚焦的光斑小,因而最适合在金属等材料上进行高清晰度的标记。CO2激光器产生的激光波长为10.6μm,木制品、玻璃、聚合物和多数透明材料对其有很好的吸收效果,因而特别适合在非金属表面上进行标记。

        Nd:YAG激光器和CO2激光器的缺点是对材料的热损伤及热扩散比较严重,产生的热边效应常会使标记模糊。相比之下,由准分子激光器产生的紫外光打标时,不加热物质,只蒸发物质的表面,在表面组织产生光化学效应,而在物质表层留下标记。所以,用准分子激光打标时,标记边缘十分清晰。由于材料对紫外光的吸收大,激光对材料的作用只发生在材料的最表层,对材料几乎没有烧损现象,因此准分子激光器更适合于材料的标记。

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