如何采用新一代的激光模切技術(shù)滿足實際應(yīng)用之需

Markus klemm

(Spartanics,3605 Edison Place,Rouing Meadows,IL60008 USA)

(第一部分)

激光模切，又名數(shù)字模切，既利用高功率激光將激光光束路徑上的材料蒸發(fā)掉。激光束的開和關(guān)，以及激光束的路徑都與產(chǎn)品圖形的裁切要求一一對應(yīng)。由于被切割的部分被蒸發(fā)掉了，因此，對于剔除細(xì)小碎片所需的手工或方式復(fù)雜的排廢均被省去。

自20世紀(jì)80年代起激光模切首次被運用以來，有關(guān)其技術(shù)的基本概念沒有改變。然而，新近的激光模切技術(shù)的發(fā)展，特別是那些復(fù)雜的激光模切控制的軟件開發(fā)，使得人們對激光模切的期待有了顯著改善。今天由較便宜的組件組成且成本較低的激光模切系統(tǒng)，其功能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于幾年前設(shè)計且造價昂貴的系統(tǒng)。在高端產(chǎn)品中，最新的激光模切系統(tǒng)能以更寬泛的材料適用性和更嚴(yán)格的公差控制，穩(wěn)定地進(jìn)行更為錯綜復(fù)雜的模切工作。

針對這些頗富挑戰(zhàn)性的要求，在激光模切技術(shù)上的投資，已成為一種對能夠滿足實際需求的最佳設(shè)備的選擇。但是，現(xiàn)有市場上仍然可以看到有些激光模切系統(tǒng)在質(zhì)量和產(chǎn)能方面有所妥協(xié)，而對先進(jìn)激光模切技術(shù)來說，這些妥協(xié)是不能接受的。

另一方面，對于一些要求簡單的應(yīng)用，通常由低成本激光模切系統(tǒng)完成，因為其功率和功能都足以滿足手邊的工作。在本文中，將討論如何使得新一代的激光模切系統(tǒng)滿足實際應(yīng)用之需，并分析激光模切系統(tǒng)的各種功能在質(zhì)量和產(chǎn)出方面是如何體現(xiàn)的。激光模切技術(shù)對比見表1。

1 在激光模切和模具模切系統(tǒng)中進(jìn)行選擇

挑選合適的激光模切技術(shù)的第一步，先要確定激光模切的能力是否符合加工的需要。與模具式模切系統(tǒng)相比，激光模切有很多優(yōu)點。這些優(yōu)勢主要得益于激光模切無模具。因為沒有模具，因此就不存在模具成本，而且不用花費模具制造的時間。這是為什么將激光模切用于快速打樣的主要原因。激光模切系統(tǒng)被稱為數(shù)字模切，是因為可以采取任何矢量數(shù)字圖像，將其導(dǎo)入到操作軟件中，并設(shè)立一個工作活件。目前一流的激光模切系統(tǒng)，采用數(shù)字圖像輸入，只需要幾分鐘的時間就能夠完成活件設(shè)立?！皵?shù)字模切”與激光模切是可以互換的概念，共同代表無模具模切系統(tǒng)所具有的優(yōu)勢。尤其是與數(shù)字印刷配套使用時，從原件到成品的加工，只需幾分鐘，甚至更短既可完成。

對于機械模切，由于其切割模具的邊緣與材料間的物理接觸，總會產(chǎn)生固有的局限性。而激光模切則克服了這些局限性，從而能切割很多模具模切很難或無法完成的材料。例如：激光模切很容易切割黏性材料，因為采用機械模切時，黏性材料容易被粘連。同樣，在切割薄的材料方面，無模具的激光模切系統(tǒng)也具有很大優(yōu)勢。切割薄的材料時，沉重的模具與脆弱的材料之間相互作用，會產(chǎn)生物理上的限制，而激光套準(zhǔn)切割則沒有這種限制。另外，激光模切可以很好地處理研磨性材料。

這種情況下，機械模切的模切刀會被磨損，并需要經(jīng)常更換，因此成本往往很高。而無模具的激光模切系統(tǒng)則克服了這一問題(見圖1)。

表1 激光技術(shù)對比

圖1 激光模切標(biāo)簽

相對更便捷的加工性也是激光模切明顯的優(yōu)勢。激光模切可以勝任打孔、打虛線、半切、連續(xù)編號、折痕、個性化等一系列特殊加工(見圖2)。運用高級軟件來精確控制激光切割光束的運行，是當(dāng)今激光模切技術(shù)的一大特點。事實上，激光模切系統(tǒng)的唯一缺陷在于其激光束的寬度，例如，最先進(jìn)的切割系統(tǒng)中，在200 mm×200 mm 或大一些的范圍內(nèi)，最好系統(tǒng)的激光束可以小到210 μm。但實際上這不僅僅是激光模切所面臨的挑戰(zhàn)，其他任何模具模切系統(tǒng)同樣都很難實現(xiàn)小于30°轉(zhuǎn)角的精確切割。另外，激光模切省略了機械排廢的步驟，而對模具模切而言，這卻是最基本的需求。

圖2 激光模切的多種應(yīng)用

和任何技術(shù)一樣，激光模切也存在局限性，但對于這些局限性，存在一定的誤解。有人認(rèn)為激光模切僅適合做打樣工具，無法達(dá)到產(chǎn)品批量生產(chǎn)的要求。對許多應(yīng)用，與占主導(dǎo)地位的平版模切機、圓壓圓模切、光電套準(zhǔn)平壓機、沖壓機比較起來，早期的激光模切的確是慢了一些。但實際上，現(xiàn)代激光模切設(shè)備都被用來進(jìn)行完整的個生產(chǎn)。需要注意的一點是，目前的激光模切系統(tǒng)大都使用檢流計型激光，隨著鏡頭角度調(diào)整，激光掃過整個原稿件，而設(shè)置的完成只需幾分鐘。相對于通過幾何xy 構(gòu)架的滑塊來移動整個激光束，或移動材料來進(jìn)行模切，這種僅僅移動激光束的檢流計機械系統(tǒng)要快的多。而更先進(jìn)的檢流技術(shù)通過細(xì)微的軟件調(diào)整，將大多數(shù)操作精確到萬分之一秒，從而將速度提高到更新的水平。激光瓦數(shù)越高，切割時的速度越快。5年之前或更早，200 W 或者400 W的激光模切很貴，而現(xiàn)在價格則很有競爭性。這些新激光也可以生成高質(zhì)量的激光束，確保高速運行時的切割質(zhì)量。綜合這些在速度上的提升，使今天激光模切的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過打樣的作用，被充分用于生產(chǎn)而無任何瓶頸。(注：對很多情況而言，有些制造商關(guān)于激光模切的線速度的說法是毫無意義的。真正的模切速度是由原件的復(fù)雜程度以及軟件對模切圖像的優(yōu)化能力來決定的，如后續(xù)的解釋。)

另一種對激光模切的誤解是認(rèn)為激光模切是危險的操作，因為在工作區(qū)有燃燒帶來的安全風(fēng)險。盡管與我們的常識相悖，但相對模具模切系統(tǒng)來講，激光模切系統(tǒng)在很多方面是更好的選擇。在初次安裝激光模切系統(tǒng)時，如工人未戴安全鏡，需小心注意光束的泄露給工作環(huán)境帶來的危害。而使用模具模切系統(tǒng)時，如操作不當(dāng)，則始終會存在給工人帶來嚴(yán)重傷害的隱患。盡管這種情況很少發(fā)生，但卻是災(zāi)難性的。模具的損壞開支也是很普遍的，例如，當(dāng)機械師把一個小螺絲忘在切割區(qū)內(nèi)時，最終有可能損壞客戶的模具。

通常認(rèn)為激光模切不能處理所有材料也是正確的看法。然而，這個界限隨著激光技術(shù)的改進(jìn)在不斷改變。例如，激光技術(shù)常常無法處理聚碳酸脂材料，因為在切割這種材料時，激光會在材料上留下難看的帶有深棕色的變色邊緣。對于比較厚的聚碳材料還是會發(fā)生。然而，對于(陳舊的激光系統(tǒng)無法處理)較薄的材料情況卻不再如此。(注：不幸的是，市場上還是能找到某些激光模切設(shè)備，在薄的材料上也留下變色的邊緣，但是不能因此而否定這項出色的技術(shù))。許多人仍然認(rèn)為PVC 材與激光模切技術(shù)不匹配，其實這個觀點已經(jīng)過時了。只要在設(shè)備上添加必要的組件，確保靠近激光束附件的部件不受切割PVC 時產(chǎn)生的腐蝕性影響，同時，配備保護(hù)操作人員的有毒煙氣過濾裝置，切割PVC 材料還是有可能的。

激光模切技術(shù)的真正缺點，也是很多公司將激光模切機與一套或幾套模具模切系統(tǒng)同時使用的原因，即相對于一些機械模切更勝任的長訂單加工來說，激光模切性價比相對比較低。如果活件的幾何圖形易于模具加工，如果材料不是很薄或很黏，或者無磨損性，或者不會對模具造成不良影響，特別是相對長期運行的活件，且模切成本可以被忽略的時侯，模具模切(平版沖壓，圓壓圓模切，光電控間隙沖壓技術(shù))常常會做得更好。

2 質(zhì)量和‘柔性標(biāo)點’標(biāo)準(zhǔn)

幾年前設(shè)計的激光模切系統(tǒng)很難應(yīng)對復(fù)雜圖案的切割，尤其是對于那些帶很多尖角的圖案。今天我們還是可以找到這些技術(shù)陳舊的激光模切機，在整個切割開啟和停止過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)燒穿和穿孔現(xiàn)象(見圖3)。

圖3 燒穿

例如：圖3 表明簡易激光模切很難實現(xiàn)尖角切割。在尖角處能看到黑色燒穿標(biāo)記，可以看出激光在那一點停留很長時間。如同汽車拐彎需要減速，而激光束在此減速，恰恰造成該點的燒穿。

圖4所示，激光模切中出現(xiàn)了相反的問題，為了避免圖4 中燒穿現(xiàn)象，提高了激光束移動速度。然而，這個增速的控制顯然不夠好，不但沒有達(dá)到原圖所要求形成尖角，結(jié)果反而變圓，此時尖角處的激光切割速度過快。

圖4 圓角

新一代的激光模切在軟件技術(shù)上的提高，克服了從前的缺陷。“柔性標(biāo)點”可以使激光束的移動與幾何圖形更好同步，在整個切割次序中嚴(yán)密控制，避免燒穿并完成尖角的切割，效果正如圖5和圖6中所示。由于從初始點上移動激光頭時間較長，舊系統(tǒng)常常在切割初始留下針孔(激光反射鏡引導(dǎo)激光束)。而先進(jìn)的模切系統(tǒng)可以切割出更好的邊緣，切割初始不留針孔，在尖角轉(zhuǎn)彎處也無燒穿。這并不只是因為運用了更好的激光，還在于控制激光移動的反光鏡采用了更高級的軟件算法。對實現(xiàn)激光模切軟件系統(tǒng)控制來說，“柔性標(biāo)點”不僅是激光模切控制軟件所取得的進(jìn)步，也說明只有那些在軟件研發(fā)上有足夠投入的制造商，才能開發(fā)出可以滿足大部分應(yīng)用之需求的無缺陷的“柔性標(biāo)點”技術(shù)。

圖5 柔性標(biāo)點

圖6 最終產(chǎn)品

舉例說明模切速度如何影響質(zhì)量，參見圖7，圖8，圖9和圖10所演示的小折疊盒的模切過程。在圖8 中，激光輸出頻率很低，10 kHz。激光的每次脈沖，只形成一些模切的點，而不是原圖所期望的連成線。而圖8所示，激光的移動沒有針對圖形進(jìn)行優(yōu)化，切割速度非?？?。而切割速度過快，激光掃描頭的鏡面移動無法與原圖幾何同步，結(jié)果則不精確。本來應(yīng)該是尖角卻變圓了。如您所見，圖中便是簡易激光模切系統(tǒng)的效果，軟件無法對大量的激光頭的移動加以適當(dāng)?shù)目刂疲?dāng)切割速度成倍增速時，這個問題更嚴(yán)重。請見圖示9。相反當(dāng)激光模切系統(tǒng)能夠與切割速度匹配，激光開啟和關(guān)閉被相應(yīng)地優(yōu)化，質(zhì)量則有很大的改善，如圖10所示。這里激光模切軟件被用來實現(xiàn)切割的優(yōu)化處理。目前高質(zhì)量的激光模切機的特征，不僅表現(xiàn)為更好的切割邊緣，而且可以持續(xù)精確控制切割運行。例如，早期的激光模切設(shè)備在材料通過系統(tǒng)過程中，無法補償在工作區(qū)內(nèi)材料的旋轉(zhuǎn)。目前高端系統(tǒng)不僅采用高分辨率的攝像頭，并能將攝像頭信息與軟件整合來控制模切。就是說攝像頭確定所有xy 值，通過與控制軟件相互通訊，激光做出相應(yīng)調(diào)整，如果激光模切設(shè)備沒有將攝像頭的信息整合到控制系統(tǒng)，那么激光模切將很難進(jìn)行修正。目前高水準(zhǔn)激光模切技術(shù)的精髓是將一個組件 (攝像頭)與另一個組件(掃描頭)的通訊非常緊密地整合在一起。

圖7 低頻率輸出激光

圖8 未經(jīng)優(yōu)化處理的激光移動

圖9 同圖7 一樣，切割速度翻倍

圖10 優(yōu)化過的切割

激光源本身的質(zhì)量也有可能對切割效果造成影響，如果控制軟件采用更先進(jìn)的算法，更好地實現(xiàn)小光束激光的精確移動，則出色的更小的激光束(210 μm)可以完成較易碎品的切割。高質(zhì)量的激光與高質(zhì)量的控制軟件相結(jié)合可避免生產(chǎn)過熱，因此適合于標(biāo)簽的應(yīng)用。因為，過熱會導(dǎo)致黏性材料融化而粘接到離型紙上，使其在后續(xù)的加工中很難將標(biāo)簽自動從離型紙上脫離開。

系統(tǒng)所使用激光燈管類型——開放式或封閉式，也會影響激光束的控制及切割的效果。盡管開放式采用無封閉激光，質(zhì)量較有優(yōu)勢，但卻很少被應(yīng)用。開放式激光有幾個本質(zhì)性的問題。二氧化碳是激光燈管中常見氣體，混合著一定比例的氦、氮和氫。這些混合氣體的不同比例影響激光功率，而這個比例取決于開放式燈管的設(shè)計，開發(fā)燈管設(shè)計需要經(jīng)常更換二氧化碳?xì)夤?。因此，幾乎無法維持一致的比例設(shè)置。因為從一個二氧化碳?xì)夤迵Q成另外一個時，幾乎每種氣體的比例都是不同的。而這些比例的改變直接影響激光功率和其切割效果。為實現(xiàn)相同效果的切割質(zhì)量，每當(dāng)更換氣罐時，操作者都會因為調(diào)整所累。盡管如此，也難免出現(xiàn)偏差。相反封閉的激光燈管則不會改變氣體的比例，僅僅在運行10 000 h 后做出更換。因此，更有利于模切的控制，并獲得的持續(xù)結(jié)果。

3 切割速度和料卷速度

新一代的激光模切系統(tǒng)之所以速度更快是多種原因的促成。首先是高功率激光的出現(xiàn)，可以承擔(dān)更快的切割速度，比如當(dāng)大多數(shù)使用者都傾向于使用200 W的系統(tǒng)。其次，新一代的高級激光系統(tǒng)都采用了更復(fù)雜的軟件，可以使每次切割操作精確到萬分之一秒。第三點，在材料速度更快的情況下，目前的切割系統(tǒng)可以優(yōu)化切割次序，這也是目前高質(zhì)量的激光系統(tǒng)速度更快的最重要的因素。為了更好地說明軟件對優(yōu)化材料速度的作用，請見圖11和12所示的美國地圖。在每一張圖中，藍(lán)線表明激光模切停頓，重新定位并轉(zhuǎn)向下一個切割。圖11 中是根本就沒有經(jīng)過軟件優(yōu)化處理的切割次序。在這個未經(jīng)優(yōu)化的切割過程中，激光束的軌跡與最初工作流程或相應(yīng)軟件生成的矢量圖形完全一致。這個未經(jīng)優(yōu)化的切割過程很慢，以至于材料的速度只能稍稍提前。圖12 中經(jīng)過控制軟件的精確計算，材料的速度被明顯提高。在其運行之前，材料速度的提升就已通過活件的設(shè)置被確定好了。圖13和圖14，顯示了經(jīng)過活件設(shè)置來優(yōu)化材料速度之第二步，這里把一個單獨的美國地圖的圖像分成兩張圖像，分割后的圖像再經(jīng)過優(yōu)化處理，材料速度又被提高了17% 。這個優(yōu)化處理也是由軟件自動完成的。實際上，軟件系統(tǒng)可以告訴操作者需要將圖片按單一圖像，還是兩個，4個圖像，以至于更多圖像去模切會更好。目前先進(jìn)的激光模切技術(shù)，可很好的將這些多幅的圖像流暢地銜接在一起。在此案例中可以達(dá)到最高材料速度，其他情況下，則可以加工尺寸超過工作面寬度的圖像。

圖11 未經(jīng)優(yōu)化過的切割

圖13 優(yōu)化過的激光模切

圖14 分割圖像

重要的是不要被各種各樣的制造商對切割速度的說法所迷惑，因為在許多實際應(yīng)用中切割速度與實際材料速度無關(guān)，而材料速度才是實際生產(chǎn)中最重要的考量。圖15和圖16 針對同樣的扇貝邊緣加工，分別是未經(jīng)速度優(yōu)化處理的舊技術(shù)所能完成的效果，以及由新一代高級的激光模切系統(tǒng)經(jīng)切割次序優(yōu)化并提高了材料速度的加工效果。需要注意的是，標(biāo)示速度(也就是切割速度)在這兩個案例中都是0.6 s。然而，切割次序未被優(yōu)化的材料速度只有圖16所顯示的經(jīng)次序優(yōu)化的材料速度的9%。

圖14 分割圖像

圖15 模切中沒有優(yōu)化處理

圖16 優(yōu)化模切

圖17 沒有優(yōu)化

圖18 切割速度優(yōu)化處理

圖19 材料速度優(yōu)化處理

圖17、18、19(三排Spartanics 公司LOGO)進(jìn)一步舉例說明沒有優(yōu)化的切割，僅僅優(yōu)化最大切割速度，以及同時優(yōu)化了材料速度切割之間的對比。圖17 中沒有做任何切割次序的優(yōu)化，整個次序只是按照原始的圖形切割。這是最差的情形，也是那些缺乏軟件改善的原始激光模切的典型案例。在這個例子中，其切割速度只相當(dāng)于如圖18所示的37%，而后者為提高切割速度進(jìn)行了次序的優(yōu)化處理。不久前，這還是激光模切可以達(dá)到的最好情形。然而目前高級的激光模切系統(tǒng)則能做的更出色，通過全新的算法對切割次序進(jìn)行調(diào)整，并將材料的速度一并加以考慮。舉例說明，如果材料從右向左移動，那么靠近最左面的圖像幾何圖像最先被切割，這也意味著掃描頭的移動取決于材料運行速度。圖19 顯示，不僅僅優(yōu)化切割速度，切割的次序同樣根據(jù)材料速度而優(yōu)化，由此材料速度被提高到了350%。也就是說，僅僅靠優(yōu)化切割速度，會導(dǎo)致較慢的材料速度。因此忠告激光模切系統(tǒng)的購買者，不要輕信制造商對切割速度的一些說法，而要關(guān)注于系統(tǒng)軟件在優(yōu)化材料速度方面的能力。在高級的激光模切系統(tǒng)上，這些材料速度的優(yōu)化是自動進(jìn)行的，無需任何對操作者的培訓(xùn)。

如今高級的激光模切設(shè)備運用了非常精確的軟件算法，對材料速度進(jìn)行優(yōu)化，同時提供了難以置信的工作能力，可以完成長度超過工作區(qū)一半的活件。過時的激光模切系統(tǒng)只能優(yōu)化切割速度，而非材料速度，因此，圖像的尺寸只能限于工作區(qū)的一半之內(nèi)。優(yōu)化材料速度的算法還會將兩個圖像合并時所帶來的過度切割及質(zhì)量上的問題減少90%。這一切割在新一代高級的激光模切設(shè)備上是自動處理的，而在過時的機型上需要操作者手工完成切割次序再設(shè)置，以避免在原件上出現(xiàn)過量(重復(fù))切割。