CO2激光雕刻幾種非金屬材料的參數探討

1、CO2激光雕刻幾種非金屬材料的參數探討激光技術是20世紀60年代發(fā)展起來的一項重大科技成果，它的出現深化了人們對光的認識，擴展了光為人類服務的領域。目前，激光加工已廣泛地應用于切割、打孔、焊接、表面處理、快速成形、電阻微調、激光雕刻等方面1-4。激光雕刻是80年代興起的一門嶄新的工業(yè)加工技術，由于其加工速度快、字跡清晰永久、無污染、無磨損等優(yōu)點，被廣泛應用于軍工、機械、電子、汽車、廣告美術等行業(yè)。一些發(fā)達國家已將該技術作為工業(yè)加工的標準工藝之一。激光雕刻有三種方式：CO2激光雕刻，Nd:YAG激光雕刻，準分子激光雕刻。這三種激光雕刻技術都在某些方面體現了它們各自的特性和優(yōu)點，所以有不同的應用領

2、域。YAG激光器在金屬材料加工中具有優(yōu)勢，準分子激光在微細、高精密加工方面具有優(yōu)勢，而非金屬材料如塑料、木材、布匹、橡膠等，對CO2激光波長吸收率較高，利用CO2激光器雕刻具有優(yōu)勢。CO2激光器波長10.6以m,能有效地在木材、有機玻璃板、塑料薄板等進行文字圖案的切割與雕刻，可雕刻出任意圖形，在雕刻過程中沒有切屑，沒有工具磨損與噪聲，加工的邊緣沒有撕切和絨毛，具有操作簡單、工序少、生產周期短、勞動強度低、字體、字型規(guī)范豐富等一系列優(yōu)點。激光雕刻參數研究有利于提高雕刻加工時的效率。本文通過單因素實驗法對亞克力板、即時剪紙、木板和玻璃等材料在適合雕刻范圍內的工藝參數進行了研究。1 實驗材料與方法1

3、.1 實驗設備本實驗采用GM-960A型CO2激光雕刻機，它主要由CO2激光管、伺服系統(tǒng)、工作臺、導軌、電源、冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)等組成。最大雕刻范圍900m%450mm,雕刻工件最大厚度20mm,雕刻速度080mm/s,機械分辨率0.025mm,重復精度0.01mm，激光器功率60w。1.2 實驗材料所用的材料有亞克力板（厚度為2mm）、木板、即時剪紙、玻璃等。其中亞克力板用途比較廣泛，可用于裝飾、紀念品等；其次是即時剪紙，它主要用廣告牌設計、大型條幅粘貼、室內裝飾等方面；木板主要是在它的表面雕刻圖案和文字，可以制作出較美麗的文化用品；由于玻璃屬于脆性材料，所以對此僅作雕刻和打標方面的研究。1

4、.3 實驗方法激光雕刻機在雕刻時影響加工效率的主要是速度和光強，本實驗采用單因素法研究適合不同材料的雕刻速度和光強。亞克力板，先設定一個具體的光強值來改變速度，把所得到的結果記錄到預先制作的表格中，每次變化量為10%。溝邊和清掃分開進行，對每一個樣本貼上標號以便進一步研究。即時剪紙等紙類，由于厚度較小，在改變光強和速度參數時每次變化量為1%，同時還要改變輸入激光雕刻機軟件中雕刻深度的數值，也取每次變化量1%。木板，采用和亞克力板相同的實驗方案。玻璃，屬于脆性材料，不做溝邊研究，清掃時也采用與亞克力板相同的實驗方案。根據所記錄的數據實驗規(guī)律，觀察樣件的雕刻效果。目測可判斷一部分雕刻效果，效果接近

5、的使用儀器檢測，如用顯微鏡觀察清掃筆畫失真程度，用測量表面粗糙度的儀器測量溝邊樣本輪廓的粗糙度等。2 結果與討論2.1 克克力板雕刻參數實驗與分析2.1.1 亞克力板陰刻清掃陰刻清掃，激光頭的運動方式選擇單向水平雕刻；輸入圖片采用PLT格式，此類文件屬于矢量圖，它是根據筆畫顏色不同而進行不同的屬性設置，用于勾邊的實質是將圖形的外框直接轉換為激光的雕刻路徑，清掃方式的實質同勾邊一樣的，是將圖形填色部分通過填滿等距離平行線而實現的。雕刻機的性能，主要由雕刻速度、雕刻強度（激光光強）和光斑大小而決定。利用雕刻機面板調節(jié)速度，也可利用計算機的輸出軟件來調節(jié)，范圍13100%調整巾M度是1%雕刻強度指照

6、射到材料表面激光的強度，對于特定的雕刻速度，強度越大，切割或雕刻的深度就越大。可利用雕刻機面板調節(jié)強度，也可利用計算機的輸出軟件來調節(jié)。在1%到100%的范圍內，調整幅度是1%。光束光斑大小可利用不同焦距的透鏡進行調節(jié)。小光斑的透鏡用于高分辨率的雕刻，大光斑的透鏡用于較低分辨率的雕刻，并可用于矢量切割。本實驗光斑大小已經調好，在實驗過程中不變，因此在實驗過程中僅調節(jié)雕刻速度和強度這兩個參數。由于雕刻速度過快時，激光頭的空行程比較大，雕刻的效果差，效率很低，所以速度大于60%不做記錄。表1為亞克力板雕刻參數清掃時速度和光強關系數據記錄。在顯微鏡下觀察三種具有代表性的樣本，如圖1所示。由這些顯微鏡

7、圖片可以看出，光強小速度大時清掃不完全，出現高低不一致的突起；光強太大速度太小時，清掃的邊沿被過度熔化，只有在合適的參數才能清掃出較好的效果，此參數是：光強80%，速度30%。2.1.2 亞克力板陽刻清掃陽刻清掃，輸入圖片一種是用BMP格式的文件，另一種是在CorelDRAW軟件中制作出PLT格式的文件，此格式文件用于陽刻可以留出邊框，有利于刻章或工藝品。激光頭的運動方式選擇單向水平雕刻。由實驗結果可以得出這樣的結論：陽刻清掃光強為80%，速度30%為最佳的參數。2.1.3 亞克力板勾邊亞克力板勾邊實驗見表2由表2結果可知，速度大于3%時，無論什么樣的光強都不能刻透，所以在溝邊時的速度要??；刻

8、透的樣件邊沿輪廓的粗糙度也不一樣，用測量表面粗糙度的方法進一步測量樣本勾邊效果（表3）。由表中數據得知，相同的速度時光強越大勾邊時邊沿的質量越好；相同的光強時速度越小勾邊時輪廓的質量越好。一般勾邊時取光強為80%，速度為2%。2.2 即時剪紙雕刻參數即時剪紙在廣告牌設計、大型標語粘貼、室內裝飾等方面應用很廣泛，以前用針型刻字機來實現，現在用激光雕刻來做大大減少了成本。通過實驗得知，在切割即時剪紙時機器光強10%，速度5%較為合適。2.3 木版雕刻參數實驗與分析木版雕刻是在木版的表面刻一些圖案和文字，木版的厚度不大時還可以切割，但是厚度大時由于炭化較嚴重會使木板邊沿變黑。對木材而言，理想情況是被

9、激光去除的材料瞬間氣化，加工速度快，熱量傳輸不到未加工的基材，雕刻面無炭化，僅有輕微發(fā)暗和釉化。實際加工過程中，由于受激光輸出功率波動或光束模式的影響，在瞬間氣化的同時會伴有燃燒過程。由實驗得知，木版厚度3mm時可以被刻透并且邊沿不會發(fā)黑。有許多激光雕刻公司就是利用激光雕刻的這種識別能力強、雕刻精度高的特點來制造文化禮品，圖3是一個用激光雕刻機雕刻出來的很美觀的禮品，具有很高的收藏價值。本實驗使用三合板，通過實驗得出：陰刻清掃光強80%，速度30%。2.4 玻璃雕刻參數實驗與分析激光是通過去除玻璃表面局部材料來實現玻璃雕刻或打標的，因而在玻璃上出現微量的裂紋是允許的，但過量的裂紋會導致標記不清

10、晰、材料強度下降，更嚴重的是導致基片變疏松。在雕刻或打標過程中精確控制材料的裂紋量就能避免這些問題，一般有三種方法可用于控制玻璃表面上產生的裂紋類型和數量。第一種是采用多次激光輻射。采用一次激光輻射可在玻璃上產生輪廓鮮明的可見標記，但是標記打印之后，一些微裂紋和應力將向垂直于激光移動的方向擴展，會擴展到原標記外附近區(qū)域形成碎片，從而影響標記的清晰度。利用多次激光輻射，使與標記區(qū)域相鄰的區(qū)域通過熱傳導被加熱，從而使這些區(qū)域形成應力梯度，減少二次破裂的可能性。采用這種方法在鈉鈣玻璃和硼硅酸鹽玻璃上打標十分有效。第二種方法是利用一系列環(huán)狀裂紋形成文字、條形碼、方塊或矩形碼以及其他形狀碼圖案。玻璃通過

11、加熱和冷卻循環(huán)產生低密度環(huán)狀裂紋。玻璃被加熱時膨脹擠壓周圍材料，當溫度升高到軟化點溫度時，玻璃快速膨脹形成一個低密度材料的凸出玻璃表面的圓頂。由于光斑能量呈高斯分布，因此光斑中心處的溫度較高。當這個高溫區(qū)冷卻回到接近起始位置時，在低密度形成區(qū)和檄準密度區(qū)之間的接合處形成穩(wěn)定的環(huán)狀裂紋。這種方法適合于在普通光學材料和回火玻璃、化學增強玻璃或者普通鈉鈣浮法玻璃上打標。第三種方法也是采用同樣的加熱和冷卻過程，都是使某一特定體積的玻璃表面發(fā)生變化。但是此方法所用光斑的尺寸比較大，在兩種密度區(qū)域接合處的界線沒有環(huán)狀裂紋方法那樣分明。這種方法產生的標記不是立即就能看得見的，要求稍微加壓之后才開始沿激光標記區(qū)域產生格狀裂紋。用所產生的無碎片龜裂狀條紋填充圖案形成文字、圖形和各種碼。因為這種方法要求純質表面，所以用于高質量的汽車玻璃打印標記。本實驗使用普通玻璃材料，采用第二種方法。通過實驗得到玻璃雕刻（圖4）時的最佳參數為：速度30%，光強30%，雕刻深度50。3 結語實驗采用單因素法，依次對亞克力板、即時剪紙、木板和玻璃等材料進行實驗，對實驗結果進行記錄，從所記錄的數據中實驗規(guī)律性的結論，觀察樣件的效果，用目測判斷和儀器檢測評判雕刻效果優(yōu)劣等。實驗結果得到的最優(yōu)化的參數為：亞克力板2mm厚度的在陰刻清掃和陽刻清掃時光強都選擇80%