PET基復合材料薄膜激光切割工藝試驗研究

錢 俊，周繼烈，秦 斌，欒叢叢

（1.浙江大學工程訓練中心，浙江杭州310058；2.浙江大學機械工程學院，浙江杭州310058；3.廣州華之尊光電科技有限公司，廣東廣州510630）

隨著科學技術的不斷發(fā)展，高分子材料在現(xiàn)代工業(yè)中的應用越來越多[1]，其中聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）基復合材料因價格合理、性能優(yōu)良等優(yōu)勢，在現(xiàn)代3C行業(yè)、醫(yī)療行業(yè)及汽車工業(yè)中得到越來越廣泛的應用[2-3]。本文通過使用CO2激光切割技術[4]，針對不同PET基復合材料薄膜進行切割研究，為選擇激光切割工藝參數(shù)提供理論與技術指導。

1 CO2激光切割薄膜機理

激光切割是采用聚焦鏡將CO2激光束聚焦在材料表面使溫度快速升高熔化材料，同時利用與激光束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的材料，并使激光束與材料沿一定軌跡作相對運動而形成一定形狀切縫的過程[5]。與傳統(tǒng)加工方式不同，激光切割是無接觸加工，工具與工件的表面不會產生切削力，可實現(xiàn)無磨損快速切割[6]，具體的切割原理見圖1。

圖1 CO2激光切割薄膜原理

如圖1所示，CO2激光器產生一定波長的激光束，并經多面反射鏡由透鏡聚焦為一點，實現(xiàn)將熱量載荷施加在PET基復合材料薄膜之上，從而導致材料發(fā)生熔化或汽化蒸發(fā)[7]。同傳統(tǒng)加工方式類似，工藝參數(shù)對加工質量具有重要影響，研究不同工藝參數(shù)下PET基復合材料薄膜切割質量對于控制產品質量具有重要意義[8]。

2 PET基復合材料薄膜切割試驗

2.1 試驗方式

為了實現(xiàn)對PET基復合材料薄膜的高效和優(yōu)質切割，利用原裝金屬射頻管激光器對不同類型的PET基復合材料分別進行激光切割試驗。考慮激光功率、傳動機構及控制方式可能對切割效果產生的影響[9]，試驗中設定參數(shù)條件：激光器功率60 W和25 W、控制器3NM和SLC、傳動方式“步進電機+皮帶”和“絲杠模組+伺服控制”，通過上述關鍵模塊的組合實現(xiàn)不同的切割效果，主要試驗模塊與組合見圖2。

圖2 主要試驗模塊及組合

針對不同PET基復合材料薄膜切割需求[10]，研究主要采用三種組合方案：

（1）方案一：60 W激光器+3NM控制器+“步進電機+皮帶”；

（2）方案二：25 W激光器+3NM控制器+“步進電機+皮帶”；

（3）方案三：60 W激光器+SLC控制器+“絲杠模組+伺服控制”。

為評價不同類型下的PET基復合材料薄膜切割表面質量，利用掃描電子顯微鏡觀察激光切割后輪廓的特征形貌，進而為PET基復合材料薄膜激光切割工藝參數(shù)提供選擇依據(jù)。

2.2 試驗過程

2.2.1 純PET薄膜切割

以厚度為0.188 mm的純PET薄膜為例，分別采用前述方案二與方案三進行不同工藝參數(shù)下純PET薄膜切割試驗。表1是純PET薄膜切割試驗的主要參數(shù)，其中切割速度是指與設備最大加工速度的比值，切割功率是指與標稱功率的比值，下同。

表1 純PET薄膜切割試驗參數(shù)

2.2.2 PET基復合材料薄膜切割

為進一步研究CO2激光切割PET基復合材料薄膜的加工能力，分別選用四種不同類型的PET基復合材料薄膜進行試驗研究。復材一：“PET+OCA（光學膠）[11]+PET”三層復合材料，厚度0.8 mm；復材二：“PET導電膜+液晶涂層+PET導電膜”雙穩(wěn)態(tài)液晶膜復合材料，厚度0.25 mm；復材三：“PET+墨水膠囊+PET”電子墨水復合材料[12]，厚度0.13 mm；復材四：“PET+鋁箔”復合材料，厚度0.13 mm。PET復合材料薄膜切割試驗的主要參數(shù)見表2。

表2 PET基復合材料薄膜切割試驗參數(shù)

除了切割速度和切割功率外，分辨率對加工質量也有重要影響。為了解分辨率對切割效果影響，采用方案三的試驗模塊，以厚度為0.5 mm的PET基防窺膜[13]為例，研究特定切割速度與激光功率下，不同分辨率對PET復合材料薄膜切割效果的影響，具體切割試驗參數(shù)見表3。

表3 PET防窺膜復合材料試驗參數(shù)

3 結果與分析

3.1 純PET薄膜切割

圖3是采用二次元測量儀在特定工藝參數(shù)下切割純PET薄膜的觀察結果?？梢姡敳捎梅桨付懈顣r，設置切割速度3%、切割功率8%時，切割邊緣存在熔邊和卷邊的現(xiàn)象（圖3a）；而采用方案三切割時，設置切割速度27%、切割功率設置16%時，切割邊緣比較光滑（圖3b）；進一步采用方案三切割，設置切割速度30%、切割功率12%時，可實現(xiàn)較好的半切效果，熔邊可達0.04 mm（圖3c）。

圖3 不同組別下純PET薄膜切割效果

3.2 PET基復合材料薄膜切割

圖4是采用二次元測量儀在特定工藝參數(shù)下切割PET基復合材料薄膜的觀察結果。對于復材一而言，當采用方案一、切割速度為18%、切割功率為80%時，可實現(xiàn)薄膜的全切斷，且切割邊緣比較光滑；同樣復材二采用方案一切割，當切割速度為25%、切割功率為18%時，可實現(xiàn)薄膜的半切斷，且可獲得較好的半切效果（圖4a）；對于復材二，當采用方案三、切割速度為30%、切割功率為38%時，可實現(xiàn)良好的切割效果，且上下兩層無導通現(xiàn)象（圖4b）；對于復材三，當采用方案三、切割速度為30%、切割功率為20%時，會出現(xiàn)較大的切割熔邊，通過減小分辨率和出光頻率值可有效改善切割質量（圖4c）；對于復材四，當采用方案三、切割速度為30%、切割功率為6.5%時，可實現(xiàn)良好的加工效果，無發(fā)黃發(fā)黑現(xiàn)象（圖4d）。

圖4 不同組別下PET基復合材料薄膜切割效果

圖5是采用二次元測量儀在特定工藝參數(shù)下切割PET防窺膜復合材料的觀察結果?？梢娗?組切割熔邊均偏大且不光滑，熔邊尺寸分別為310、220、240、150μm，而第5組試驗參數(shù)可獲得較好的切割效果，熔邊光滑且尺寸較小，約100μm。

圖5 不同組別下PET基防窺膜切割效果

圖6是不同切割參數(shù)對PET防窺膜復合材料的切割效果影響。固定切割速度為30%，激光功率為42%～44%，可見增加分辨率可顯著降低熔邊大?。划斍懈钏俣葹?0%、激光功率為44%（26.4 W）、分辨率為4064 ppi時，可獲得最小的熔邊大小。

圖6 不同切割參數(shù)下的PET防窺膜復合材料熔邊大小

4 結論

通過構建不同功率激光器、傳動機構及控制方式組合的試驗模塊，開展了不同工藝參數(shù)下PET基復合材料薄膜切割實驗，獲得了純PET薄膜及不同類型PET基復合材料薄膜的較優(yōu)工藝參數(shù)，為激光切割提供參考依據(jù)，得到以下結論：

（1）CO2激光切割適合于PET基復合材料薄膜加工，但不同類型的PET基復合材料對工藝參數(shù)比較敏感，需根據(jù)材料類型選擇合適的工藝參數(shù)。

（2）PET基復合材料薄膜切割宜選用低切割功率（＜30 W）；且除切割速度、切割功率外，分辨率對PET基復合材料薄膜切割效果也具有重要影響，隨著分辨率的提高，切割熔邊逐漸減小，可獲得較好的切割邊緣效果。