雷射雕刻技術
雷射雕刻技術
雷射雕刻原理
雷射雕刻在印染業中的應用
雷射在印章、證卡業中的應用
雷射雕刻在工藝品中的應用
雷射內雕技術
雷射雕刻原理
雷射雕刻的基本原理
雷射雕刻的實現主要是利用雷射光束在材料表面的三種效應：
1.熔蝕效應
當雷射光束照射到材料表面後，材料吸收雷射的能量並向內層傳導，熔蝕就是利用雷射光束的高能量來打斷材料的化學鍵。當斷鍵破壞程度超過一定閾值時，材料表層便會有兩種變化：一種是表層材料形成碎片而剝落。另外一種是材料的表面熔融並重新流佈。雷射在材料表面的熔蝕效應會造成非常明顯的目視反差效果
2.汽化效應
在雷射對材料的作用過程中，被雕刻材料的表面溫度急劇上升，又會加速材料對雷射能量的吸收，當達到材料的汽化溫度時，材料表面會因為瞬時汽化而蒸發，汽化同時會引起瞬間氣壓急劇上升，高速氣流會將大部份蒸發物向外噴射，於是出現雕刻痕跡。
3.光化學反應
由雷射所引起的材料的光化學反應，主要是發生在有機化合物上。在利用光化學反應雕刻材料時，由於材料分子結構會發生變化，這種變化在雕刻區域最直觀的反映，就是材料的顏色會發生明顯的改變。
一、雷射雕刻的優點
1.雕刻範圍廣
雷射的強度極高，不僅能對各種非金屬材料進行雕刻，而且也能對金屬材料進行雕刻，甚至能雕刻耐火度很高，以及硬而脆的材料，雷射雕刻的範圍是非常廣泛的。
2.雕刻速度快
一般的雕刻圖案，只要經過電腦的處理，再輸出到雕刻機製作即可，省掉了傳統雕刻技術中的繁瑣過程，雷射雕刻一般要比其他雕刻方法快到100倍以上，而且現在的雷射雕刻控制系統完全可以保證長期安全工作和精確控制。
3.雕刻品質高
由於雷射強度高、方向性好，光束極細的雷射完全可以做到精細雕刻，雕刻品分辨率很高，可實現精細圖案和雲霧狀圖案。雷射雕刻時間短，所以被雕刻材料氧化、變形和熱膨脹影響的區域都比較小，一般不需要特殊保護就可以完成高精度的雕刻。
4.雕刻耗能少
雷射雕刻與其他雕刻方式相比較，採用了一種能量使用很直接的方式，能量轉換環節少，而且雕刻過程中操作簡單、保護環節少，所以消耗的能量少，並且能夠提高工作效率。
二、雷射雕刻的應用
雷射雕刻的應用主要是在下面幾個方面：
(1)工業中常用雷射去雕刻交通工具識別碼、元件編號、裝飾開關和儀表面板。
(2)製造電子產品的公司通常使用雷射雕刻來鑑別成品是否為良品。
(3)印刷業的軟性印刷中網紋輥的雷射雕刻和軟印版的雷射雕刻，是目前雷射雕刻中應用最早、也是最成功的。
(4)雷射雕刻還經常用於家庭微型電器的金屬和塑料包裝上的雕刻。
(5)在醫學上做標識，如在試驗用的動物身上做標記。
6.1.2 雷射雕刻機的一般構造
普通的雷射雕刻機主要是由雷射器、導光聚焦系統、控制系統和機械系統四部份組成。
一、雕刻用雷射器
用於雷射雕刻的雷射器，主要是CO2雷射器、Nd：YAG雷射器和準分子雷射器三種。CO2雷射器輸出波長為10640nm的雷射，脈衝輸出方式輸出能量為幾焦耳，連續輸出方式輸出功率為幾十到幾千瓦。
Nd：YAG雷射器輸出波長為1064nm的雷射，脈衝輸出方式輸出能量為幾至幾十焦耳，連續輸出方式的輸出功率為幾十到幾千瓦。
在稀有氣體鹵化物雷射器中，XeCl雷射器的壽命較長，且308nm的雷射波長比較適合在大氣中傳輸。
影響雕刻品質的參數
1.雷射能量
通常被雕刻材料吸收的雷射總功率表達式如下
式中，P為吸收總功率，Pi為入射總功率， 為反射率， 為過程效率的倒數，v為雕刻速度，W為雕刻寬度，d為雕刻深度， 為材料密度，m為材料熔化後汽化的質量分數，Ct為材料的比熱容，ΔT為溫度上升至沸點時的溫度差值，Lf為熔化潛熱以及Lv為蒸發潛熱。
雷射刻蝕材料的去除速度表示為
式中， 和 分別為固體和熔融體的密度，C1和C2分別為固體和熔融體的比熱容，以及q為雷射功率密度。
假設V0為去除材料的體積時，EV的普通表達式為
2.離焦量
R1和R2構成了雷射器的共振腔，L為聚焦透鏡，f0為聚焦雷射光束腰平面到透鏡的距離，Δf為離焦量， 為雷射器輸出束腰半徑，以及 為聚焦雷射光束腰半徑。
雷射器輸出束腰直徑為2 的高斯光束，通過焦距為f的正透鏡轉換成一個束腰直徑為2 的高斯光束，下面的公式是對 、 和f0的一般換算
在整個雷射加工過程中，透鏡L到雷射器的距離d2是變化的。由於在雷射加工過程中d2一直在變，d2變大會使 變小，然而在d2增大 減小時，f0又有所增大，即經過透鏡變換的高斯光束束腰 距透鏡的距離變大， 的束腰平面從被雕刻工件的表面移至工件內部了，即出現了負離焦情況。
二、導光和聚焦系統
1.雷射傳輸系統[6]
移動式的導光系統常用的有兩種，一種是利用鏡片反射原理製作出雷射導光臂，另一種是把雷射耦合進入光纖，利用光纖對雷射光進行傳輸。
(1)普通的導光臂主要是由光傳輸系統和光聚焦系統組成
(2)利用光纖傳輸雷射進行雷射雕刻是不受雕刻形式和雕刻範圍的影響，而且減少了其他傳導雷射方式的振動及環境的影響。
如果光纖耦合透鏡的焦距太短，景深太小，光纖輸入端就會偏離最小束腰位置，使雷射不能完全耦合進入光纖而降低耦合效率，甚至燒壞邊緣零件，污染光纖表面。
所以雷射光束束腰直徑dM，一定要小於光纖直徑，據高斯光束理論dM計算公式為[7]
式中，M是反映多模綜合參數的量。
定義雷射的雕刻係數為 ，（a為透鏡光瞳半徑， 為物件主平面處的光斑半徑）。
擴束鏡的校正倍率 為
式中，M為擴束鏡主鏡與副鏡的焦距比，
， 為光束入射在副鏡表面上的光斑半徑。由於
總是大於 ，因而擴束對高斯光束的校正倍率 總比幾何壓縮比要高。
2.光聚焦系統
雷射在聚焦面處功率的密度值，等於雷射輸出功率除以光斑的面積，即
F為聚焦面處的雷射功率密度，P為雷射輸出功率，d為聚焦面處光點的直徑。雖然雷射的方向性很好，但也有一定的發射角θ，假設聚焦透鏡的焦距為f，則在聚焦面上光點的直徑d為
在普通情況下，當雷射功率密度為105～106W/cm2時，各種材料（包括陶瓷）就要被熔化或者汽化，而中等強度的雷射經過透鏡聚焦後，在聚焦面處得到的雷射功率密度值，會遠大於雕刻所需要的雷射能量密度。
三、控制系統
1.雷射雕刻控制系統的硬體部份
雷射雕刻控制系統的硬體部份包括圖像介面板，驅動介面板，行振鏡、場振鏡驅動器，步進電機驅動器和電源。
攝影機將所需要雕刻的圖案成像在攝影機靶面上，圖像介面板完成視頻訊號的A/D轉換和儲存。可以通過監視器自我監視，選取滿意圖像並定格，微處理機將儲存圖像送入內存，並進行適當的圖像處理，這就是待雕刻圖像的數據。
2.雷射雕刻微機控制軟體部份
軟體以硬體為基礎，協調硬體各個部份，實現微處理機控制，並完成一些硬體不便完成的功能。其主要功能分為以下幾個方面：
(1)圖像的獲得及處理。
(2)雕刻參數的設置
(3)圖像的硬拷貝功能，可在圓柱形工件或平面工件上雕刻圖像，也可以打印機輸出圖像。
(4)硬體所需的各種控制訊號的協調給出。
雷射雕刻微處理機控制是通過軟體控制並協調硬體各部份，要求軟體提供的控制訊號[17]如下：
(1)圖像存／取訊號
(2)幅度控制訊號
(3)步進電機步進訊號
(4)行振鏡偏轉訊號
(5)場振鏡偏轉訊號
(6)調Q脈衝訊號
四、機械系統[8]
1.主軸
(1)用DC電機經傳動帶帶動主軸，轉速可以達到25000r，但是由於使用電刷，壽命比較短。
(2)使用變頻無刷電機，轉速很高且無需更換電刷，但是成本較高。
2.導軌
一般用線性圓柱導軌和線性方形導軌。對於小範圍的雷射雕刻普遍採用的是線性圓柱導軌。對於大範圍的雷射雕刻多採用線性方形導軌。
3.傳動
(1)螺桿驅動，螺桿分為普通螺紋螺桿和精密滾珠螺桿。普通螺紋螺桿，就是一般機床上常用的螺桿。普通的螺桿摩擦力大、易損壞、易磨損，在高速運動時容易發生卡死現象。精密滾珠螺桿是雷射雕刻機中最貴的機械零件，雕刻的精度很大程度上都取決於它，由於雕刻機一般都是雙向驅動的，所以滾珠螺桿需要預緊，正反轉進給才不會有間隙產生。
(2)鋼帶驅動，使用合金材料製作而成，特性和鋼絲類似，適用於輕型大範圍的雷射雕刻機。
(3)鋼絲傳動帶，此類傳動帶較多的用於木工的雷射雕刻機上，這種機器精度要求不高，但是對雕刻範圍的要求很大。
6.1.3 雷射雕刻方法
一、黑白圖像的雷射雕刻
將圖案的內容刻蝕而保留背景為陰刻，刻出的圖案稱為陰文；將圖案的背景刻蝕而保留圖案內容為陽刻，刻出的圖案稱為陽文。
1.黑白圖像的雷射雕刻方法[9,10,12]
(1)來回掃描法
(2)輪廓掃描法
2.黑白圖像的放大縮小和疏密處理
對於同一幅黑白圖像放大縮小圖像的方法，可以在掃描輸入時，用改變分辨率來改變圖像像素點的多少，在同樣刻畫密度的情況下，像素點多，雕刻的圖像就大，像素點少，雕刻的圖像就小。對於同一個圖像文件，可用改變刻畫點的密度，來改變刻畫圖像的大小，雕刻密度大，則雕刻出的圖像小，雕刻密度小，則刻出的圖像大。
二、灰度圖像的雷射雕刻[9,11]
1.灰度圖像的雷射雕刻方法
將一幅灰度圖像轉化為偽灰度圖像，可以採用如下幾種方法：
(1)一對多方法：將一幅灰度圖像中的一個像素點，轉換為偽灰度圖像中的一個正方形區域內的全部點，用偽灰度圖像中的這個正方形區域內陽點所佔據的比例，來表示原來灰度圖像中像素點的灰度。
(2)隨機擾動法：將一幅灰度圖像中的一個像素點，轉換為偽灰度圖像中的一個像素點，具體轉換成白色點還是黑色點由一個隨機數決定，其具體方法如下：對每一個灰度圖像中的一具體像素點，機器產生一個在原灰度圖像灰度的範圍內（一般是0～255）的一個隨機數，再判斷該像素點的灰度值是否大於此隨機數，如果是大於，則該點轉換成偽灰度圖像中的白色點，否則轉換成偽灰度圖像中的黑色點。
(3)均勻擾動法：均勻擾動法是隨機擾動法的一種改進方法，它即吸收了隨機擾動法的總體均勻性，又避免了隨機擾動法在局部區域的隨機性。
(4)線狀固定擾動法：此方法是對均勻擾動法的改進，其基本想法是在不改變原灰度圖像總體灰度的情況下，使得轉換出的偽灰度圖像陽點盡可能多的橫向連續在一起。
三、雷射雕刻中的失真與補償[13~15]
1.失真
雷射雕刻失真的主要原因如下：
(1)雷射光斑具有一定的直徑，不是一個理想的幾何點，這樣光束在水平方向移動時，形成一個在垂直方向具有一定寬度的光刻槽，使得光刻槽的寬度比光斑的直徑要大。
(2)控制光束的開啟和關斷時採用繼電設備，存在一定的時間延遲問題。另外，驅動光束移動的設備，也存在一定的慣性，使光刻槽在行進的方向上有一定的延伸。
2.補償
針對上述分析，有下面幾種補償方法：
(1)通過控制光束在某點的功率大小，而改變該刻點的直徑大小，達到補償的目的。
(2)通過控制光束的作用時間，改變光刻槽的寬度。
(3)通過圖形處理，適當擴充圖形輪廓，合理選擇雕刻路徑，扺消光刻槽帶來的失真。
6.1.4 金屬材料的雷射雕刻
金屬材料雕刻的傳統方法有三種，即機械加工法、光化學腐蝕法和電解加工方法[23]。機械加工的方法有兩個缺點：一是當雕刻一些高硬質金屬，特別是經過淬火後的一些高硬質合金，因被雕刻材料比雕刻的刀具還硬，無法進行雕刻的。二是不能對圖案精細複雜的工件進行雕刻。應用光化學腐蝕的方法進行金屬雕刻，不僅加工的速度慢，而且由於不可避免的側腐蝕效應的存在，使雕刻深度受到很大的限制，且雕刻邊緣不整齊，如果遇到耐腐蝕性強的金屬，則高精細的圖案雕刻根本就無法保證品質。電解加工方法有其先天的不足，是因為圖案複雜細膩的工件根本就無法作為陰極，而不能雕刻。
由於雷射雕刻金屬不受金屬硬度的限制，其技術難點是如何增加雷射精密雕刻的深度。雷射金屬雕刻機相對其他雕刻方法，設備簡單、成本低、加工尺寸大、適用材料範圍廣、精度高且沒有公害。
一、雷射雕刻金屬的機制
1.機制
雷射雕刻金屬的機制，通常分為兩種[21]：
(1)金屬燃燒在整個熱平衡占主要地位，材料在熔點以下點火和燃燒，並構成液流性氧化物的場合，如低碳鋼、中碳鋼、鈦及其合金等材料。
(2)材料不燃燒，而是熔化，需要用氣流把熔化物排出雕刻區。這種機制一般見於燃燒反應的熱效應較小的金屬和合金，如高碳鋼、合金鋼、銅和鋁等。
2.金屬對雷射的吸收
當聚焦雷射光束照射到金屬表面時，材料所吸收的雷射功率密度，在材料內部依照吸收定律變化[25]，即
式中， 為體功率密度；W/cm3。 為物體表面的體功率密度；W/cm3。R為材料表面的反射率， 為材料的吸收率；cm-1。Z為從材料表面向深處的距離。（1－R）表示材料對雷射的吸收能力。
二、提高金屬對雷射吸收率的方法
為了提高不同金屬材料在雷射加工時的輻射耦合效率，常採用下面的方法：
(1)選用小於被輻射金屬材料的臨界波長的雷射波長，如Al、Au和Ti的臨界波長分別為1064nm、630nm和10000nm左右，當雷射波長大於其臨界波長時，金屬表面對雷射的反射率陡然上升，吸收率陡然下降，92%以上的入射雷射能量被反射。
(2)金屬表面覆蓋適當的塗層以提高入射雷射的吸收率。一般是在表面塗敷石墨或磷酸錳，由石墨和磷酸錳形成的黑色吸收層，可以使吸收率提高60%～80%。
(3)光學預先處理對材料表面無污染的吸收增強技術，多採用具有紫外光譜的準分子雷射與CO2雷射同時或先後處理的技術，使材料表面對CO2雷射的吸收率有明顯的提高。
(4)採用機械的、化學的表面預處理技術，以提高材料表面對雷射的吸收效率。例如，利用砂輪打磨光潔的金屬表面，利用酸性物質將金屬表面腐蝕掉薄層。
三、雷射雕刻金屬材料的一般過程
雷射雕刻金屬的基本加工過程如下：
(1)雷射與作為指示用的He-Ne雷射，經過反射鏡同光路輸出，這兩路雷射經過反射鏡和擴束鏡，經聚焦鏡把雷射匯聚在工件的表面。
(2)由計算機對雕刻的圖案進行預先處理，包括生成圖像、編輯圖案、生成加工程序數據文件等，再根據編排好所需的圖形、文字以及材料特性，設定好雷射器所需要的調制脈衝數，輸出雷射脈衝。
(3)計算機給出雕刻命令，控制工作檯同步進行升降、旋轉及二維的平面運動，並同時由計算機給聲光驅動電源控制訊號，控制雷射的同步工作。
四、影響雷射雕刻金屬品質的因素
用於金屬雷射雕刻的雷射，首先要有很高的光束品質和峰值功率，為了達到精細雕刻，聚焦的光斑要很小。雷射光束還應該有高的指向穩定性，以保證聚焦光斑位置穩定不變。雷射的模式對於雷射雕刻的品質也有非常大的影響，光束模式與它的聚焦能力有關。
影響雷射雕刻品質的材料特性中，最重要的是材料對雷射的吸收率，其次是材料的熱導率和線膨脹係數，材料的密度、比熱容、熔化潛熱和汽化潛熱也有相當影響。
6.1.5 非金屬材料的雷射雕刻
在雷射照射非金屬材料時，材料吸收的光能轉化為熱能，局部的熱聚集導致主鏈上的鏈不規則斷裂，燒蝕過程就是將斷裂開的低分子鏈，進行瞬時汽化和燃燒。
對於木材而言，被雷射去除的材料瞬間汽化，加工速度快，熱量傳輸不到未加工的基材，雕刻面無炭化，僅有輕微的發暗和釉化，實際加工過程中，由於受雷射輸出功率的波動或光束模式的影響，在瞬間汽化的過程中，同時會伴有燃燒過程。對橡膠加工而言，既無機械變形，刻邊也不會發生硫化，切縫精確，加工速度較快，對於含炭黑的橡膠，有燃燒現象，對於塑料和有機玻璃雕刻，是利用雷射的高功率密度，很快地破壞聚合體材料的聚合鍵實現雕刻。
6.2 雷射雕刻在印染業中的應用
6.2.1 印刷輥筒的雷射雕刻
早期的網紋輥是用機械方法雕刻的銅質輥，並在銅輥上鍍鉻以提高其耐磨性，增加攜墨量。這種鍍鉻輥曾經在相當長的時間內於軟版印刷中發揮了重要的作用，但是鍍鉻網紋輥的使用壽命不長，一般每隔兩、三個月必須修理一次，隨著對印刷品質要求的不斷提高，機械雕刻的鍍鉻網紋輥，逐漸為雷射雕刻的陶瓷網紋輥所替代。
陶瓷輥的雷射雕刻原理是蒸發陶瓷，留下圓形網眼，但在實際中並不是所有陶瓷都被蒸發掉，而有一些熔融的陶瓷流到網眼邊緣，冷卻後在網眼周圍形成一個小小的弧坑，所以在雷射雕刻陶瓷輥後還需要進行表面拋光。
一、雷射雕刻陶瓷網紋輥的基本步驟
雷射雕刻陶瓷網紋輥有四個基本步驟[28]：
(1)製作一只鋼基輥，並對鋼制輥體表面磨砂，以利於清潔和增加輥體表面的結合力。
(2)塗佈陶瓷塗層，用一只電漿噴燈熔化陶瓷粉，高速噴在輥表面上，厚度為0.008～0.010in(1in＝25.4mm)，比機械雕刻陶瓷輥層厚4～6倍。
(3)鑽石輪研磨輥的表面。網紋輥尺寸的精度的一般要求是，直徑的容許公差在±0.001in，圓度偏差維持在0.0005in上，錐度在整個表面上維持在0.001in以內。
(4)雷射雕刻，雷射系統由電子計算機控制，以保證整個輥表面上以及每只輥的雕刻達到精度一致。
二、雷射雕刻陶瓷網紋輥的特點[29,30]
1.墨穴雕刻角度
網紋輥的表面由無數大小一致、分佈均勻的細小凹孔組成，這些凹孔稱為墨穴。墨穴作為油墨載體，具有儲墨和均墨的作用，在高速運轉的情況下能有效克服飛墨的現象。採用雷射雕刻網紋輥技術，可以隨意雕刻角度為30°、45°和60°的墨穴。
2.墨穴雕刻形狀
雷射雕刻網紋輥多採用正六邊形開口，正六邊形的開口供墨方式，可以有效避免莫爾條紋的產生
3.網紋輥網線數
網線數一般是根據印刷品的網線來確定的，要獲得品質優良的印品，網紋輥的網線數應與印版加網線數，保持一定的比例關係，網紋輥的網線數一般應為印版加網線數的4倍左右。
三、雷射雕刻陶瓷網紋輥的優點
(1)壽命長：雷射雕刻的陶瓷網紋輥高硬度、高緻密度、無裂紋，所以有很強的耐磨性和耐腐蝕性，而有非常長的使用壽命。
(2)耐衝擊：一般來講不會受損，除非是強烈衝擊削弱了下面的鋼基。
(3)精確性好：網眼深度精確到幾微米之內，輥的尺寸和同心度精確到0.127～0.254mm之間。
(4)一致性好：雷射雕刻出的網格有很平滑的網牆且網牆面積減小，輥表面的平整度高，於是油墨薄，傳遞一致且精確。
(5)品質高：雷射雕刻的網穴頂部與底部相差不大，而且同樣網線數的網紋輥，雷射雕刻出來的網穴其開口比金屬輥大，因而傳墨量也相對增大，這對於印刷滿版、色彩鮮艷、吸墨量大的印刷品來講，意義很大。
四、YAG雷射和CO2雷射雕刻陶瓷網紋輥的
比較
YAG雷射和CO2雷射雕刻陶瓷網紋輥的比較，見表6.2。
6.2.2 紙箱印字版的雷射雕刻
傳統紙箱製版行業有明顯的缺點[37]：製作週期長，人為因素影響大。樹脂版製作費用高（主要是版材成本很高），且程序繁雜（要經過電腦製作效果，再輸出製作底片，再經過製版機曬版、洗版等），耗材昂貴且稍有不慎就會出現廢版等。橡膠版的製作還是以手工製作為主，對人員的熟練程度、體力和眼力要求很高，且稍微精細一點的圖文都無法雕刻，尤其對一些有特殊要求的圖案，很難達到要求。
雷射雕刻就是集中了樹脂版優勢（效果好）和橡膠版優勢（成本低）的新技術，目前的電腦雕刻機製成的橡膠版印刷，能達到精美印刷的效果，而所需要的橡膠版材價格是樹脂版材的1/10。使用雷射雕刻紙箱印字版，操作簡單，紙箱印字版的一般雕刻程序就是先把被雕刻版材黏附在滾筒上，準備印前數據並通過微處理機傳遞給雷射頭，由計算機控制雕刻過程。人工效率是手工雕刻的4～8倍，且勞動力大大降低。
一、紙箱印字版雷射雕刻過程
雷射器輸出的雷射通過擴束器，射向第一個振鏡，使光束在X方向掃描，第二個振鏡使光束在Y方向掃描，聚焦系統將掃描光束聚焦在加工件上，於是雷射就可以在工件上雕刻出一個凹坑。如果由微處理機來控制振鏡偏轉，依照預定的程序進行掃描，便可在工件上雕刻出所需的文字來。
二、雕刻文字管理
印字版雷射雕刻機的文字管理系統很重要，軟體需要處理很多參數，如勾邊、陽刻、陰刻、深度、速度、區域輸出，是否帶斜邊雕刻以及斜坡等技術參數。系統還要設置有包括大部份漢字、常用符號和少量外文組成的字庫。
三、雷射雕刻印字版的特點
1.雷射雕刻印字版優點[36]
雷射對材料的硬度、表面品質等均沒有要求，雷射刀頭與工件無接觸，不會影響加工件本身的品質，雕刻痕跡細膩光滑，特別適合於雕刻橡膠一類的軟物質。
其極細的光束完全可以做到"精雕細刻"，能充分顯現圖案的細微部份，非常適合雕刻微小工件。
目前雷射雕刻印字板可以達到下面規格：
(1)最小的網點：150線／in的1%網點。
(2)最小的線條寬度：0.01cm。
(3)最小的陽文或陰文的2磅大小的字。
2.雷射雕刻印字版的缺點
在進行垂直加工時，所雕刻圖文沒有錐度，雖然較好地避免了網點擴大的問題，但容易引起字體印刷變形的缺陷，需要在版材上加以改進。
在進行精細雕刻時，雷射器光束品質顯得不太穩定，還不能進行大量的精細雕刻，需要進一步研究開發。
6.3 雷射在印章、證卡業中的應用
6.3.1 印章的雷射雕刻
一、雷射雕刻印章的基本原理
雷射雕刻印章的機制是用高功率密度的雷射光束通過，匯聚到被雕刻材料上，使焦點處材料的溫度迅速升高並汽化，這樣在材料上就留下了具有一定深度的點。
雷射雕刻印章需要滿足兩個基本要求：一是雷射器輸出的雷射，必須功率足夠大且連續可調，並且發散角小，光電開關的時間短。二是伺服控制系統必須有足夠快的掃描速度和足夠大的掃描範圍，定位精度和重複精度要很高。
二、一般印章雷射雕刻機的參數要求
1.雷射器特性參數
包括單脈衝能量（≧0.2J）、重複頻率（≧50Hz）
、光斑尺寸（0～0.5mm可調）、輸出穩定性（≦±5%）、連續工作時間（≧6h）。
2.雷射刻字技術參數
包括材料（橡膠、有機玻璃等）、字寬（依印章製作需要設計可調）、字深（≦1mm）、面積（可調）、方向（可在圓方向刻字）、刻距（任意可調）。
3.計算機印章排版軟體具體功能
字庫種類（楷、宋、仿宋、黑、魏碑、隸書、行書及多種變形的簡繁體）、字體大小（1～10標準字號）、章形（條形、圓形、橢圓形及擴展章形）、輸出方式（單個或整版）。
三、雷射雕刻印章的一般工序
雷射雕刻印章一般採用光柵掃描式雕刻：
(1)將所需要雕刻的章形輸入計算機，由計算機進行處理，把雕刻圖形變成向量點（即只有黑白二值的點）輸出。
(2)通過控制雷射的開與關，在印章上得到凹凸的痕跡，根據所要保留的是陰文或陽文選擇汽化點。
(3)通過調整工作臺選擇適當高度，使工件的表面與雷射的焦點適應，選擇適當的焦深和離焦量，以獲得最佳的雕刻效果。
(4)雷射依照向量方向移動，計算機控制雷射頭根據輸出圖形在工件上逐行進行雕刻，每雕刻完一行，雷射頭空走到下一行，重複到掃描完整個圖像，完成一次輸出的過程。
四、影響印章雕刻品質的主要因素
(1)雷射能量：對於尺寸較小的扁私章，面積有限、字體較小，當雷射能量過大時，字體邊緣燃燒效應明顯，筆劃變細，導致某些地方殘缺不全。對於尺寸較大的印章，雕刻效果較好。
(2)雷射重複頻率：隨著雷射重複頻率的增加，雷射能量也會隨之增加。
(3)雕刻速度：當雕刻速度減小時，雷射作用在印章材料單位面積上的時間就相對增長，該區域內材料所吸收的雷射能量也相應增加，導致雕刻深度過大且加劇邊緣燃燒效應，使印章字面模糊。
(4)焦距：當焦距調整得比較準確時，焦平面上的雷射能量最大，雕刻深度明顯增加，字體邊緣燃燒效應增強，章面字體筆劃變細。
(5)光束品質：雷射的光束品質對雕刻效果影響很大，可以通過雷射器共振腔的合理設計，採用選模技術以保證雷射輸出的光束品質。
(6)印章材料：材料不同，雷射雕刻技術參數不同，這需要通過大量的技術試驗，來摸索最佳的雕刻條件和技術規範。
五、不同材質的雷射印章雕刻
(1)儲墨墊：在雕刻時容易出現燃燒結塊的現象，且輪廓不清晰。需要在材料表面預先熱壓0.1mm左右的成形粉，並在雷射雕刻之前，使之均勻濕水，這樣處理後的儲墨墊，在雷射雕刻時，不會發生燃燒起火現象，且印章的表面和底部平整，邊緣清晰，章形美觀，印章品質好。
(2)有機玻璃：雕刻時可以不加任何輔助措施，不過在雕刻時外加一定量的壓縮空氣，可以將汽化的有機玻璃吹走，使雷射能更直接地照射到有機玻璃表面，而達到快速雕刻的目的。
(3)橡塑、牛角、塑料等材料：對其進行雷射雕刻時，應該加吹壓縮空氣，這樣可以帶走一部份熱量，加大對材料的冷卻作用，使筆劃的邊緣不塌陷，同時底部均勻。加吹壓縮空氣還可以有保護鏡片、防止污染導光系統的作用。
(4)石材：在雕刻石材時要注意石材粉末飛濺對雷射聚焦鏡片的污染，採用壓縮空氣側吹的方法，可以較好地解決這個問題。
6.3.2 雷射雕刻防偽證卡
證卡雷射雕刻機是將經過控制的雷射射到聚碳酸酯(PC)或聚氯乙烯(PVC)薄膜上，精細燒刻照片和其他圖文訊息，利用膜材料的焦化程度，來反映圖形圖像的層次和灰度。雷射或使卡的不同內層全部焦化，或使卡的表層焦化，也可通過控制雷射的焦點位置和功率來獲得表面有無凸感的不同效果[40]。
目前證卡雷射雕刻機採用的雷射器類型為Nd：YAG雷射器，功率一般在10W單模、30W多模，波長為1064nm。其硬體部份主要由雷射器、雷射器電子控制單元、雷射器微處理機控制單元、雷射平臺、卡或護照的傳送單元、系統控制微處理機等組成。軟體部份一般包括系統控制軟體、雷射器控制軟體、卡或護照的個人化處理軟體等。雷射雕刻機的所有功能均由微處理機來控制，這就使其擁有與數據採集終端一樣廣泛的應用。
6.4 雷射雕刻在工藝品中的應用
6.4.1 雷射雕刻木材製品
當雷射作用在木製品的表面時，其表層木材立即汽化，顯露出帶黑色的立體圖案。
一、雷射雕刻木材的物理過程[39]
雷射雕刻木材有兩種不同的過程，即燃燒和瞬間汽化，兩種過程需要不同的功率密度。瞬間汽化需要在較高的功率密度下才能完成，木材在聚焦雷射光束的照射下，形成刻槽的速度很快，雕刻面無炭化，是一種比較理想的機制。
用雷射雕刻木材時，雕刻部位附近的木材產生劣化現象，產生這種熱劣化的部份稱為熱影響層。根據劣化程度，可將熱影響層分為三層，分別是炭化層、熱分解層和初期熱分解層。炭化層是材料炭化的部份，由黑色粉末構成。熱分解層的炭化程度比較輕微，呈現茶色。初期熱分解層與原材料的顏色幾乎相同，用肉眼難以分辨，只是密度與原材料相比要低一些。
二、影響雕刻品質的主要因素
影響雕刻品質的主要因素，是雷射輸出功率和雕刻速度。
(1)雷射加工木材時，輸出功率對刻槽寬度的影響程度很大。當輸出功率為50W時，刻槽寬度為0.5mm左右，而當輸出功率為250W時，刻槽寬度約為1mm。在雕刻速度一定的情況下，輸出功率對雕刻深度的影響，以及在雕刻深度一定的情況下，雕刻速度與輸出功率之間的關係，也滿足上述規律。
(2)在雕刻速度一定的情況下，各不同雕刻方向上雕刻深度與輸出功率之間的關係，應以保證形成汽化機制為好。雕刻深度與輸出功率之間的關係，應以經濟性和加工品質來綜合考慮，無論何種雕刻方向，雕刻深度都隨著輸出功率的增大而變大，但同時也應該考慮雕刻方向對雕刻深度的影響。
三、雷射雕刻木材的特點
(1)在木材上進行雷射雕刻很容易，而且顏色較淺的木材會產生較好的對比，如櫻桃木或楓木。
(2)在加工過程中沒有鋸屑，可在任意方向上雕刻出任意圖形，沒有工具磨損與噪聲。
(3)雷射雕刻精細，加工的邊緣沒有撕切和絨毛。
(4)雕刻邊緣略呈燃黑是雷射雕刻的特徵，尤其是當雕刻深度大、需要放慢雕刻速度時，雕刻面有較深的炭化痕跡。這一特性，可以雕刻出藝術效果很強的雕刻品。
6.4.2 雷射雕刻工藝陶瓷
一、雷射雕刻工藝陶瓷的機制
雷射刻陶是高能量雷射光束與陶瓷釉面的相互作用的結果。釉面是附著於陶瓷坯體表面上均勻的玻璃層，其厚度約為0.4～0.6mm，其表面平滑而光亮，既硬又脆。適於刻陶的中溫色釉，其中包括黑無光釉、鐵紅釉、藍釉等，這些釉的燒成溫度為1250～1280℃，汽化溫度達2980℃。中溫色釉機械強度較高，而導熱性很差。為了實現雷射刻陶加工，必須將雷射光束匯聚在極小的範圍內，光束直徑約為0.4mm。由釉層吸收光能後，迅速轉變熱能，瞬時上升到汽化溫度後，而引起照射區內釉層材料的大量汽化蒸發，瞬時氣壓急劇上升，高速氣流猛烈向外噴射，在照射點上立即形成一個凹坑，這就是雷射刻陶的機制。
二、雷射雕刻工藝陶瓷的特點
(1)人工刻陶每人每天只能加工1～2件作品，採用雷射刻陶每件只需4～5min，刻陶速度約提高了45倍，其經濟效益顯著，適合大量自動化生產。
(2)保持了藝術作品的高度一致性、重複性，成品率高達100%。
(3)改善了噪聲和粉塵污染。
(4)發揮了光、機、電及計算機等多學科的綜合特點，為傳統刻陶工藝開闢了一條新途徑。
6.4.3 雷射雕刻皮革
皮革的雷射雕刻系統是集合雷射、自動控制、精密機械、計算機CAM控制等技術於一體的高科技系統，對複雜的圖形雕刻、雕花和鏤空都能夠準確進行，主要有下面一些特點：
(1)採用計算機成圖，可以製作各種文字和圖形，字體豐富、規範，圖形生成快，並可以任意處理。
(2)由計算機直接控制機床運行，使圖形再現更加精確可靠。
(3)採用精確步進電機，運行平穩誤差小，走位精度高，重複性好，鑲嵌性好。
(4)採用專門的控制軟體，人機對話界面友好，操作簡便。
6.5 雷射內雕技術
雷射內雕技術是將脈衝強雷射在透明體內部聚焦，產生微米量級大小的汽化微裂紋，通過計算機控制微裂紋在玻璃體內的空間位置，使這些微裂紋三維排列而構成立體圖像。這種微裂紋是奈秒雷射的基頻或倍頻，與玻璃的非線性相互作用而產生的災變性的破壞，由於微裂紋的散射，圖像呈白色，如果利用飛秒雷射還能實現奈秒雷射所不能實現的超精細加工。
6.5.1 內雕用雷射器
常用的雷射內雕機，一般採用Nd：YAG雷射器或倍頻Nd：YAG雷射器[42,44,45]，輸出波長分別為1064nm和532nm，Q開關方式工作，單脈衝雷射能量在十幾到幾十毫焦，脈衝寬度小於20ns，重複頻率可達100Hz或者更高。
6.5.2 玻璃體的雷射內雕技術
一、玻璃體雷射內雕的物理過程
玻璃體雷射內雕技術的簡單描述，是先通過適當方式確定玻璃表面輻射強度處於破壞閾值以下，在玻璃部件內部將雷射光束聚焦強度調到破壞閾值以上，雷射和玻璃相互作用引起局部熔化，產生裂縫。
根據雷射的能量密度、脈衝頻率等條件的變化，導致微結構的變化，大致可以分為以下四種類型[42,43]：
(1)熔融和雷射衝擊波引起的微小孔隙。
(2)光學擊穿引起的微裂紋。
(3)缺陷和形成局域緻密引起的折射率的變化。
(4)由於光活性離子的氧化還原，所引起的著色。
二、玻璃體對雷射的吸收過程
玻璃內部的光束吸收，可以用兩種效應來解釋[44]：
(1)最小的顯微效應，可能在玻璃中通過吸收導致局部熔融甚至破壞。這種效應除了主要取決於雷射光束強度外，還取決於外來粒子的種類、大小和密度。
(2)在高強度時，非線性係數γ就有了很重要的意義。這時正常的折射率n0與光強度 I 的關係為
由於玻璃非線性係數的典型值 ，在光強度I＞1GW/cm2時，該效應會明顯出現。
三、熔融區理論尺寸
電介質擊穿引起以動力學能量形式來吸收光子能量，使玻璃分子電離化。假設射束強度I，吸收面積A，離子動能，時間dt內產生的離子數dN以及其他能量轉換dQ，能量平衡公式為[44]
（6.16）
設吸收的射束能量完全轉換成動能（即dQ＝0），為離子的平均速度，m為離子質量， 為玻璃密度，則 ，又 ，則離子平均速度最終為
（6.17）
以式（6.17）列出的速度，離子流在玻璃中徑向對稱擴散。在脈寬td內產生的熔融區的理論尺寸L為
四、內雕品質和主要影響因素
1.內雕品質主要由點的品質和點的分佈品質決定
(1)點的品質要求細膩和均勻，不能使玻璃有炸裂紋，主要由聚焦雷射能量和雷射脈衝寬度來決定。
(2)點的分佈品質要求表示實體的點表面均勻，最主要的是兩方面，一是不能由於缺陷而導致圖案失真。二是不能因為太近而導致點的炸裂或炸花。
2.影響內雕品品質的主要因素是雷射功率和掃描速度[45,46]
(1)當雷射功率較高時，會引起較大範圍的微爆炸，使雕刻品質下降。當雷射功率較低時，引起微爆炸的範圍較小，有些區域吸收的雷射能量不足以使材料變形，雕刻面看起來像是由一些散點組成，很不均勻。
(2)當掃描速度較慢時，在相同區域內，雷射滯留時間比較長，則玻璃吸收的能量很高，引起了該區域熔融與變性，雕刻面極其不均勻，雕刻面上出現了雜亂的紋路。當掃描速度較快時，由於使用的是脈衝雷射，只有在雷射脈衝到來時玻璃才能吸收能量，此時在該區域引起微爆炸，在雷射脈衝尚未到來時，該區域幾乎不能吸收雷射能量，因此雕刻面看起來，就像由一些散點組成，很不均勻。
五、雷射玻璃體內雕系統
1.雷射內雕機的工作過程
(1)在PC機3Dmax等三維圖形製作軟體中，將做好的三維圖形保存，經過專用的圖形處理軟體，處理成一定的數據格式文件輸出到控制器。
(2)控制系統是雷射內雕機的重要組成部份，當接受由PC機傳遞過來的雕刻數據文件後，根據該文件完成對雕刻技術的過程控制，同時控制雷射光閘的開關，控制振鏡的偏轉角度以及驅動三台步進電機協同工作。
(3)啟動控制系統進行雕刻，控制頻率為100Hz左右的雷射脈衝的發送，雕刻過程採用振鏡片掃描的方式。
2.對雷射雕刻機的要求
(1)可靠性高，連續工作時間長，雕刻速度快。
(2)有獨立的圖像處理功能。
(3)豐富的軟體，可採集、製作各種立體圖案、平面圖案。
(4)非接觸式加工，保證加工件表面原有的光度。
留言列表
