CO₂激光雕刻幾種非金屬材料的參數(shù)探討

武文一　李菊麗　秦錄芳

【摘 要】本文采用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(nèi)的參數(shù)進行了研究，通過比較、分析雕刻效果，找出每種材料最佳雕刻工藝參數(shù)，為CO2激光雕刻的實際應(yīng)用提供技術(shù)參考，具有一定的實際意義。

【關(guān)鍵詞】CO2激光器；激光雕刻；工藝參數(shù)

中圖分類號： TS932 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）31-0251-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.31.121

激光技術(shù)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(xiàn)深化了人們對光的認識，擴展了光為人類服務(wù)的領(lǐng)域。目前，激光加工已廣泛地應(yīng)用于切割、打孔、焊接、表面處理、快速成形、電阻微調(diào)、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(shù)，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(yīng)用于軍工、機械、電子、汽車、廣告美術(shù)等行業(yè) 。一些發(fā)達國家已將該技術(shù)作為工業(yè)加工的標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)分子激光雕刻。這三種激光雕刻技術(shù)都在某些方面體現(xiàn)了它們各自的特性和優(yōu)點， 所以有不同的應(yīng)用領(lǐng)域。YAG激光器在金屬材料加工中具有優(yōu)勢， 準(zhǔn)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10.6μm，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(chǎn)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(shù)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(nèi)的工藝參數(shù)進行了研究。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗設(shè)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(dǎo)軌、電源、冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)等組成。最大雕刻范圍900mm×450mm，雕刻工件最大厚度20mm，雕刻速度0～80mm/s， 機械分辨率0.025mm， 重復(fù)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(shè)計、大型條幅粘貼、室內(nèi)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(biāo)方面的研究。

1.3 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(shè)定一個具體的光強值來改變速度，把所得到的結(jié)果記錄到預(yù)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(biāo)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(shù)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(shù)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(jù)所記錄的數(shù)據(jù)總結(jié)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(jié)果與討論

2.1 亞克力板雕刻參數(shù)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(jù)筆畫顏色不同而進行不同的屬性設(shè)置，用于勾邊的實質(zhì)是將圖形的外框直接轉(zhuǎn)換為激光的雕刻路徑，清掃方式的實質(zhì)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(xiàn)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(diào)節(jié)速度，也可利用計算機的輸出軟件來調(diào)節(jié)，范圍1%～100%，調(diào)整幅度是1%；雕刻強度指照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(diào)節(jié)強度，也可利用計算機的輸出軟件來調(diào)節(jié)。在1%到100%的范圍內(nèi)，調(diào)整幅度是1%。光束光斑大小可利用不同焦距的透鏡進行調(diào)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(jīng)調(diào)好，在實驗過程中不變，因此在實驗過程中僅調(diào)節(jié)雕刻速度和強度這兩個參數(shù)。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(shù)清掃時速度和光強關(guān)系數(shù)據(jù)記錄。在顯微鏡下觀察三種具有代表性的樣本，如圖1所示。

由這些顯微鏡圖片可以看出，光強小速度大時清掃不完全，出現(xiàn)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(shù)才能清掃出較好的效果，此參數(shù)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(jié)果可以得出這樣的結(jié)論：陽刻清掃光強為80%，速度30%為最佳的參數(shù)。

2.1.3 亞克力板勾邊

亞克力板勾邊實驗見表2。

由表2結(jié)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(shù)據(jù)得知，相同的速度時光強越大勾邊時邊沿的質(zhì)量越好；相同的光強時速度越小勾邊時輪廓的質(zhì)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(shù)

即時剪紙在廣告牌設(shè)計、大型標(biāo)語粘貼、室內(nèi)裝飾等方面應(yīng)用很廣泛，以前用針型刻字機來實現(xiàn)，現(xiàn)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(shù)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(shù)實驗與分析

激光是通過去除玻璃表面局部材料來實現(xiàn)玻璃雕刻或打標(biāo)的，因而在玻璃上出現(xiàn)微量的裂紋是允許的，但過量的裂紋會導(dǎo)致標(biāo)記不清晰、材料強度下降，更嚴重的是導(dǎo)致基片變疏松。在雕刻或打標(biāo)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(chǎn)生的裂紋類型和數(shù)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(chǎn)生輪廓鮮明的可見標(biāo)記，但是標(biāo)記打印之后，一些微裂紋和應(yīng)力將向垂直于激光移動的方向擴展，會擴展到原標(biāo)記外附近區(qū)域形成碎片，從而影響標(biāo)記的清晰度。利用多次激光輻射，使與標(biāo)記區(qū)域相鄰的區(qū)域通過熱傳導(dǎo)被加熱，從而使這些區(qū)域形成應(yīng)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(biāo)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。玻璃通過加熱和冷卻循環(huán)產(chǎn)生低密度環(huán)狀裂紋。玻璃被加熱時膨脹擠壓周圍材料，當(dāng)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(dāng)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)和標(biāo)準(zhǔn)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(xué)材料和回火玻璃、化學(xué)增強玻璃或者普通鈉鈣浮法玻璃上打標(biāo)。

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(chǎn)生的標(biāo)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(biāo)記區(qū)域產(chǎn)生格狀裂紋。用所產(chǎn)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(zhì)表面，所以用于高質(zhì)量的汽車玻璃打印標(biāo)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(shù)為：速度30%，光強30%，雕刻深度50。

3 結(jié)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(jié)果進行記錄，從所記錄的數(shù)據(jù)中總結(jié)實驗規(guī)律性的結(jié)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(jié)果得到的最優(yōu)化的參數(shù)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%，速度30%，溝邊時光強80%，速度2%；即時剪紙在切割即時剪紙時機器光強10%，速度5%。雕刻木板陰刻清掃光強80%，速度30%。速度30%。雕刻玻璃光強30%，雕刻深度50。

由于在機器和雕刻軟件中都有光強和速度參數(shù)的設(shè)置，當(dāng)在軟件中默認速度時實際雕刻速度按機器上設(shè)置，在軟件中設(shè)置時軟件參數(shù)就是實際雕刻的參數(shù)，而機器的參數(shù)是無效的；光強在軟件沒有體現(xiàn)，以機器上參數(shù)為準(zhǔn)。

【參考文獻】

[1]楊立軍.激光加工技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與未來發(fā)展[J].金屬加工（熱加工），2016（4）：10-12.

[2]郭華鋒，李菊麗，孫濤.激光切割技術(shù)的研究進展[J].徐州工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，30（4）：71-77.

[3]鄭錦生，陳松青.激光雕刻技術(shù)的發(fā)展[J].機床與液壓， 2006，（8）：228-231.

[4]白基成，劉晉春，郭永豐，等.特種加工[M].6版.北京：機械工業(yè)出版社，2013：141-156.