第6章

雷射雕刻技術(shù)6.1雷射雕刻原理6.2雷射雕刻在印染業(yè)中的應(yīng)用6.3雷射在印章、證卡業(yè)中的應(yīng)用6.4雷射雕刻在工藝品中的應(yīng)用6.5雷射內(nèi)雕技術(shù)

/sundae_meng6.1雷射雕刻原理6.1.1雷射雕刻的基本原理雷射雕刻的實現(xiàn)主要是利用激光束在材料表面的三種效應(yīng)[1,3]：1.熔蝕效應(yīng)當雷射光束照射到材料表面后，材料吸收雷射的能量并向內(nèi)層傳導，熔蝕就是利用激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并重新流布。雷射在材料表面的熔蝕效應(yīng)會造成非常明顯的目視反差效果/sundae_meng2.汽化效應(yīng)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(fā)，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(fā)物向外噴射，于是出現(xiàn)雕刻痕跡。3.光化學反應(yīng)由雷射所引起的材料的光化學反應(yīng)，主要是發(fā)生在有機化合物上。在利用光化學反應(yīng)雕刻材料時，由于材料分子結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，這種變化在雕刻區(qū)域最直觀的反映，就是材料的顏色會發(fā)生明顯的改變。/sundae_meng一、雷射雕刻的優(yōu)點1.雕刻范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，雷射雕刻的范圍是非常廣泛的。2.雕刻速度快一般的雕刻圖案，只要經(jīng)過計算機的處理，再輸出到雕刻機制作即可，省掉了傳統(tǒng)雕刻技術(shù)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(xiàn)在的雷射雕刻控制系統(tǒng)完全可以保證長期安全工作和精確控制。/sundae_meng3.雕刻品質(zhì)高由于雷射強度高、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(xiàn)精細圖案和云霧狀圖案。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(qū)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，采用了一種能量使用很直接的方式，能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少，而且雕刻過程中操作簡單、保護環(huán)節(jié)少，所以消耗的能量少，并且能夠提高工作效率。/sundae_meng二、雷射雕刻的應(yīng)用雷射雕刻的應(yīng)用主要是在下面幾個方面：(1)工業(yè)中常用雷射去雕刻交通工具標識符、組件編號、裝飾開關(guān)和儀表面板。(2)制造電子產(chǎn)品的公司通常使用雷射雕刻來鑒別成品是否為良品。(3)印刷業(yè)的軟性印刷中網(wǎng)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(yīng)用最早、也是最成功的。(4)雷射雕刻還經(jīng)常用于家庭微型電器的金屬和塑料包裝上的雕刻。(5)在醫(yī)學上做標識，如在試驗用的動物身上做標記。/sundae_meng6.1.2雷射雕刻機的一般構(gòu)造普通的雷射雕刻機主要是由激光器、導光聚焦系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和機械系統(tǒng)四部份組成。/sundae_meng圖6.1普通雷射雕刻機結(jié)構(gòu)圖/sundae_meng一、雕刻用激光器用于雷射雕刻的激光器，主要是CO2激光器、Nd：YAG激光器和準分子激光器三種。CO2激光器輸出波長為10640nm的雷射，脈沖輸出方式輸出能量為幾焦耳，連續(xù)輸出方式輸出功率為幾十到幾千瓦。Nd：YAG激光器輸出波長為1064nm的雷射，脈沖輸出方式輸出能量為幾至幾十焦耳，連續(xù)輸出方式的輸出功率為幾十到幾千瓦。在稀有氣體鹵化物激光器中，XeCl激光器的壽命較長，且308nm的雷射波長比較適合在大氣中傳輸。/sundae_meng影響雕刻質(zhì)量的參數(shù)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(shù)，v為雕刻速度，W為雕刻寬度，d為雕刻深度，

為材料密度，m為材料熔化后汽化的質(zhì)量分數(shù)，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(fā)潛熱。/sundae_meng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(shè)V0為去除材料的體積時，EV的普通表達式為/sundae_meng2.離焦量R1和R2構(gòu)成了激光器的共振腔，L為聚焦透鏡，f0為聚焦激光束腰平面到透鏡的距離，Δf為離焦量，為激光器輸出束腰半徑，以及為聚焦激光束腰半徑。/sundae_meng圖6.2激光器的一般構(gòu)造

/sundae_meng激光器輸出束腰直徑為2

的高斯光束，通過焦距為f的正透鏡轉(zhuǎn)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

/sundae_meng在整個雷射加工過程中，透鏡L到激光器的距離d2是變化的。由于在雷射加工過程中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(jīng)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(nèi)部了，即出現(xiàn)了負離焦情況。/sundae_meng二、導光和聚焦系統(tǒng)1.雷射傳輸系統(tǒng)[6]移動式的導光系統(tǒng)常用的有兩種，一種是利用鏡片反射原理制作出雷射導光臂，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(tǒng)和光聚焦系統(tǒng)組成/sundae_meng圖6.3

普通導光臂結(jié)構(gòu)圖6.4

光束導向示意/sundae_meng(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范圍的影響，而且減少了其他傳導雷射方式的振動及環(huán)境的影響。

圖6.5光纖傳輸系統(tǒng)示意

/sundae_meng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。所以激光束束腰直徑dM，一定要小于光纖直徑，據(jù)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(shù)的量。

/sundae_meng定義雷射的雕刻系數(shù)為

，（a為透鏡光瞳半徑，

為對象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。由于總是大于，因而擴束對高斯光束的校正倍率總比幾何壓縮比要高。/sundae_meng2.光聚焦系統(tǒng)雷射在聚焦面處功率的密度值，等于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(fā)射角θ，假設(shè)聚焦透鏡的焦距為f，則在聚焦面上光點的直徑d為/sundae_meng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(jīng)過透鏡聚焦后，在聚焦面處得到的雷射功率密度值，會遠大于雕刻所需要的雷射能量密度。/sundae_meng三、控制系統(tǒng)1.雷射雕刻控制系統(tǒng)的硬件部份雷射雕刻控制系統(tǒng)的硬件部份包括圖像接口板，驅(qū)動接口板，行振鏡、場振鏡驅(qū)動器，步進電機驅(qū)動器和電源。/sundae_meng圖6.6雷射雕刻機控制系統(tǒng)流程圖

/sundae_meng攝影機將所需要雕刻的圖案成像在攝影機靶面上，圖像接口板完成視頻訊號的A/D轉(zhuǎn)換和儲存?？梢酝ㄟ^監(jiān)視器自我監(jiān)視，選取滿意圖像并定格，微處理機將儲存圖像送入內(nèi)存，并進行適當?shù)膱D像處理，這就是待雕刻圖像的數(shù)據(jù)。/sundae_meng2.雷射雕刻微機控制軟件部份軟體以硬件為基礎(chǔ)，協(xié)調(diào)硬件各個部份，實現(xiàn)微處理機控制，并完成一些硬件不便完成的功能。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(shù)的設(shè)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)硬件所需的各種控制訊號的協(xié)調(diào)給出。/sundae_meng雷射雕刻微處理機控制是通過軟件控制并協(xié)調(diào)硬件各部份，要求軟件提供的控制訊號[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(zhuǎn)訊號(5)場振鏡偏轉(zhuǎn)訊號(6)調(diào)Q脈沖訊號/sundae_meng四、機械系統(tǒng)[8]1.主軸(1)用DC電機經(jīng)傳動帶帶動主軸，轉(zhuǎn)速可以達到25000r，但是由于使用電刷，壽命比較短。(2)使用變頻無刷電機，轉(zhuǎn)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。對于小范圍的雷射雕刻普遍采用的是線性圓柱導軌。對于大范圍的雷射雕刻多采用線性方形導軌。/sundae_meng3.傳動(1)螺桿驅(qū)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(fā)生卡死現(xiàn)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于它，由于雕刻機一般都是雙向驅(qū)動的，所以滾珠螺桿需要預(yù)緊，正反轉(zhuǎn)進給才不會有間隙產(chǎn)生。(2)鋼帶驅(qū)動，使用合金材料制作而成，特性和鋼絲類似，適用于輕型大范圍的雷射雕刻機。(3)鋼絲傳動帶，此類傳動帶較多的用于木工的雷射雕刻機上，這種機器精度要求不高，但是對雕刻范圍的要求很大。/sundae_meng6.1.3雷射雕刻方法一、黑白圖像的雷射雕刻將圖案的內(nèi)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(nèi)容為陽刻，刻出的圖案稱為陽文。/sundae_meng圖6.7黑白二值圖及其對應(yīng)的陰文和陽文/sundae_meng1.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于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。對于同一個圖像文件，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。/sundae_meng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(zhuǎn)化為偽灰度圖像，可以采用如下幾種方法：(1)一對多方法：將一幅灰度圖像中的一個像素點，轉(zhuǎn)換為偽灰度圖像中的一個正方形區(qū)域內(nèi)的全部點，用偽灰度圖像中的這個正方形區(qū)域內(nèi)陽點所占據(jù)的比例，來表示原來灰度圖像中像素點的灰度。/sundae_meng(2)隨機擾動法：將一幅灰度圖像中的一個像素點，轉(zhuǎn)換為偽灰度圖像中的一個像素點，具體轉(zhuǎn)換成白色點還是黑色點由一個隨機數(shù)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(chǎn)生一個在原灰度圖像灰度的范圍內(nèi)（一般是0～255）的一個隨機數(shù)，再判斷該像素點的灰度值是否大于此隨機數(shù)，如果是大于，則該點轉(zhuǎn)換成偽灰度圖像中的白色點，否則轉(zhuǎn)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(qū)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(zhuǎn)換出的偽灰度圖像陽點盡可能多的橫向連續(xù)在一起。/sundae_meng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。/sundae_meng圖6.9

光刻槽的形成

/sundae_meng(2)控制光束的開啟和關(guān)斷時采用繼電設(shè)備，存在一定的時間延遲問題。另外，驅(qū)動光束移動的設(shè)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。圖6.10

機械延時和慣性帶來的延伸

/sundae_meng2.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?shù)哪康摹?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。/sundae_meng6.1.4金屬材料的雷射雕刻金屬材料雕刻的傳統(tǒng)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?shù)窨桃恍└哂操|(zhì)金屬，特別是經(jīng)過淬火后的一些高硬質(zhì)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復雜的工件進行雕刻。應(yīng)用光化學腐蝕的方法進行金屬雕刻，不僅加工的速度慢，而且由于不可避免的側(cè)腐蝕效應(yīng)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質(zhì)量。電解加工方法有其先天的不足，是因為圖案復雜細膩的工件根本就無法作為陰極，而不能雕刻。/sundae_meng由于雷射雕刻金屬不受金屬硬度的限制，其技術(shù)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(shè)備簡單、成本低、加工尺寸大、適用材料范圍廣、精度高且沒有公害。/sundae_meng圖6.12雷射雕刻的金屬制品

/sundae_meng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，并構(gòu)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(qū)。這種機制一般見于燃燒反應(yīng)的熱效應(yīng)較小的金屬和合金，如高碳鋼、合金鋼、銅和鋁等。/sundae_meng2.金屬對雷射的吸收當聚焦激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(nèi)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。/sundae_meng金屬CO2雷射10640nmYAG雷射1064nm準分子雷射0.3

mAl2%10%13%Ag1%3%5%Cu1%8%18%Mo4%42%44%Fe4%35%42%Ni5%25%32%表6.1幾種主要金屬對雷射的吸收情況

/sundae_meng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，常采用下面的方法：(1)選用小于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，當雷射波長大于其臨界波長時，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?shù)耐繉右蕴岣呷肷淅咨涞奈章?。一般是在表面涂敷石墨或磷酸錳，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%。/sundae_meng(3)光學預(yù)先處理對材料表面無污染的吸收增強技術(shù)，多采用具有紫外光譜的準分子雷射與CO2雷射同時或先后處理的技術(shù)，使材料表面對CO2雷射的吸收率有明顯的提高。(4)采用機械的、化學的表面預(yù)處理技術(shù)，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(zhì)將金屬表面腐蝕掉薄層。/sundae_meng三、雷射雕刻金屬材料的一般過程

圖6.13數(shù)控雷射金屬雕刻機簡圖

/sundae_meng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(jīng)過反射鏡同光路輸出，這兩路雷射經(jīng)過反射鏡和擴束鏡，經(jīng)聚焦鏡把雷射匯聚在工件的表面。(2)由計算器對雕刻的圖案進行預(yù)先處理，包括生成圖像、編輯圖案、生成加工程序數(shù)據(jù)文件等，再根據(jù)編排好所需的圖形、文字以及材料特性，設(shè)定好激光器所需要的調(diào)制脈沖數(shù)，輸出激光脈沖。(3)計算器給出雕刻命令，控制工作臺同步進行升降、旋轉(zhuǎn)及二維的平面運動，并同時由計算器給聲光驅(qū)動電源控制訊號，控制雷射的同步工作。/sundae_meng四、影響雷射雕刻金屬質(zhì)量的因素用于金屬雷射雕刻的雷射，首先要有很高的光束質(zhì)量和峰值功率，為了達到精細雕刻，聚焦的光斑要很小。激光束還應(yīng)該有高的指向穩(wěn)定性，以保證聚焦光斑位置穩(wěn)定不變。雷射的模式對于雷射雕刻的質(zhì)量也有非常大的影響，光束模式與它的聚焦能力有關(guān)。影響雷射雕刻質(zhì)量的材料特性中，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系數(shù)，材料的密度、比熱容、熔化潛熱和汽化潛熱也有相當影響。

/sundae_meng6.1.5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(zhuǎn)化為熱能，局部的熱聚集導致主鏈上的鏈不規(guī)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。對于木材而言，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(fā)暗和釉化，實際加工過程中，由于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(fā)生硫化，切縫精確，加工速度較快，對于含炭黑的橡膠，有燃燒現(xiàn)象，對于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(xiàn)雕刻。/sundae_meng6.2雷射雕刻在印染業(yè)中的應(yīng)用6.2.1印刷輥筒的雷射雕刻圖6.14

墨路印刷單元圖圖6.15

墨穴結(jié)構(gòu)簡圖/sundae_meng圖6.16

雷射雕刻陶瓷網(wǎng)紋輥技術(shù)制造流程圖/sundae_meng早期的網(wǎng)紋輥是用機械方法雕刻的銅質(zhì)輥，并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(jīng)在相當長的時間內(nèi)于軟版印刷中發(fā)揮了重要的作用，但是鍍鉻網(wǎng)紋輥的使用壽命不長，一般每隔兩、三個月必須修理一次，隨著對印刷質(zhì)量要求的不斷提高，機械雕刻的鍍鉻網(wǎng)紋輥，逐漸為雷射雕刻的陶瓷網(wǎng)紋輥所替代。陶瓷輥的雷射雕刻原理是蒸發(fā)陶瓷，留下圓形網(wǎng)眼，但在實際中并不是所有陶瓷都被蒸發(fā)掉，而有一些熔融的陶瓷流到網(wǎng)眼邊緣，冷卻后在網(wǎng)眼周圍形成一個小小的弧坑，所以在雷射雕刻陶瓷輥后還需要進行表面拋光。/sundae_meng一、雷射雕刻陶瓷網(wǎng)紋輥的基本步驟雷射雕刻陶瓷網(wǎng)紋輥有四個基本步驟[28]：(1)制作一只鋼基輥，并對鋼制輥體表面磨砂，以利于清潔和增加輥體表面的結(jié)合力。(2)涂布陶瓷涂層，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)鉆石輪研磨輥的表面。網(wǎng)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(nèi)。(4)雷射雕刻，雷射系統(tǒng)由電子計算器控制，以保證整個輥表面上以及每只輥的雕刻達到精度一致。/sundae_meng二、雷射雕刻陶瓷網(wǎng)紋輥的特點[29,30]1.墨穴雕刻角度網(wǎng)紋輥的表面由無數(shù)大小一致、分布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(zhuǎn)的情況下能有效克服飛墨的現(xiàn)象。采用雷射雕刻網(wǎng)紋輥技術(shù)，可以隨意雕刻角度為30°、45°和60°的墨穴。/sundae_meng圖6.17

雷射雕刻陶瓷網(wǎng)紋輥墨穴角度

/sundae_meng2.墨穴雕刻形狀雷射雕刻網(wǎng)紋輥多采用正六邊形開口，正六邊形的開口供墨方式，可以有效避免穆爾條紋的產(chǎn)生圖6.18雷射雕刻陶瓷網(wǎng)紋輥墨穴開口形狀

/sundae_meng3.網(wǎng)紋輥網(wǎng)線數(shù)網(wǎng)線數(shù)一般是根據(jù)印刷品的網(wǎng)線來確定的，要獲得質(zhì)量優(yōu)良的印品，網(wǎng)紋輥的網(wǎng)線數(shù)應(yīng)與印版加網(wǎng)線數(shù)，保持一定的比例關(guān)系，網(wǎng)紋輥的網(wǎng)線數(shù)一般應(yīng)為印版加網(wǎng)線數(shù)的4倍左右。/sundae_meng三、雷射雕刻陶瓷網(wǎng)紋輥的優(yōu)點(1)壽命長：雷射雕刻的陶瓷網(wǎng)紋輥高硬度、高致密度、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)耐沖擊：一般來講不會受損，除非是強烈沖擊削弱了下面的鋼基。(3)精確性好：網(wǎng)眼深度精確到幾微米之內(nèi)，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(wǎng)格有很平滑的網(wǎng)墻且網(wǎng)墻面積減小，輥表面的平整度高，于是油墨薄，傳遞一致且精確。(5)品質(zhì)高：雷射雕刻的網(wǎng)穴頂部與底部相差不大，而且同樣網(wǎng)線數(shù)的網(wǎng)紋輥，雷射雕刻出來的網(wǎng)穴其開口比金屬輥大，因而傳墨量也相對增大，這對于印刷滿版、色彩鮮艷、吸墨量大的印刷品來講，意義很大。/sundae_meng四、YAG雷射和CO2雷射雕刻陶瓷網(wǎng)紋輥的比較YAG雷射和CO2雷射雕刻陶瓷網(wǎng)紋輥的比較，見表6.2。參數(shù)YAG雷射雕刻網(wǎng)紋輥CO2雷射雕刻網(wǎng)紋輥備注網(wǎng)線數(shù)范圍400～2500線/in50～1200線/inYAG雕刻常用范圍800～1500線/in同線數(shù)下孔深較深較淺網(wǎng)孔容積大小通常YAG1400線的網(wǎng)孔容積相當于CO2800線的網(wǎng)孔容積重熔堆積物少多網(wǎng)孔截面形狀直筒碗狀表6.2

YAG雷射和CO2雷射雕刻陶瓷網(wǎng)紋輥的比較/sundae_meng參數(shù)YAG雷射雕刻網(wǎng)紋輥CO2雷射雕刻網(wǎng)紋輥備注網(wǎng)壁及強度薄且陡直，強度差，表面偏圓結(jié)點稍大有坡度，強度較好YAG雕刻采用新技術(shù)，可刻得正六邊形和四邊形油墨適性適于用UV墨，最不適合用水性墨水性墨不易堵塞出發(fā)考慮，YAG雕刻的深孔長管型網(wǎng)孔有堵孔傾向刮刀接觸面原噴涂陶瓷重熔陶瓷性能好壞取決于重熔陶瓷的性能網(wǎng)孔容積分布均勻性稍差均勻性較好高線數(shù)網(wǎng)紋800～900線/in800～900線/inCO2雷射雕刻重熔可部份彌補陶瓷層中的缺陷輥雕刻單次：壁厚雙次：壁薄大于1000線仍能獲得較好密度單次：孔淺雙次：孔深大于1000線較難獲取適當?shù)拿芏戎狄筇沾赏繉淤|(zhì)量高網(wǎng)紋輥清洗較難清洗較易清洗與孔形有關(guān)深度／開口>33%控制在23%～33%表6.2

YAG雷射和CO2雷射雕刻陶瓷網(wǎng)紋輥的比較（續(xù)）/sundae_meng6.2.2紙箱印字版的雷射雕刻傳統(tǒng)紙箱制版行業(yè)有明顯的缺點[37]：制作周期長，人為因素影響大。樹脂版制作費用高（主要是版材成本很高），且程序繁雜（要經(jīng)過計算機制作效果，再輸出制作底片，再經(jīng)過制版機曬版、洗版等），耗材昂貴且稍有不慎就會出現(xiàn)廢版等。橡膠版的制作還是以手工制作為主，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。/sundae_meng雷射雕刻就是集中了樹脂版優(yōu)勢（效果好）和橡膠版優(yōu)勢（成本低）的新技術(shù)，目前的計算機雕刻機制成的橡膠版印刷，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(shù)據(jù)并通過微處理機傳遞給雷射頭，由計算器控制雕刻過程。人工效率是手工雕刻的4～8倍，且勞動力大大降低。

/sundae_meng圖6.19

雷射雕刻的印字版圖案

/sundae_meng一、紙箱印字版雷射雕刻過程激光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(tǒng)將掃描光束聚焦在加工件上，于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(zhuǎn)，依照預(yù)定的程序進行掃描，便可在工件上雕刻出所需的文字來。/sundae_meng圖6.20

印字版雷射雕刻機簡圖

/sundae_meng二、雕刻文字管理印字版雷射雕刻機的文字管理系統(tǒng)很重要，軟件需要處理很多參數(shù)，如勾邊、陽刻、陰刻、深度、速度、區(qū)域輸出，是否帶斜邊雕刻以及斜坡等技術(shù)參數(shù)。系統(tǒng)還要設(shè)置有包括大部份漢字、常用符號和少量外文組成的字庫。

/sundae_meng圖6.21刻字管理程序流程圖/sundae_meng三、雷射雕刻印字版的特點1.雷射雕刻印字版優(yōu)點[36]雷射對材料的硬度、表面質(zhì)量等均沒有要求，雷射刀頭與工件無接觸，不會影響加工件本身的質(zhì)量，雕刻痕跡細膩光滑，特別適合于雕刻橡膠一類的軟物質(zhì)。其極細的光束完全可以做到“精雕細刻”，能充分顯現(xiàn)圖案的細微部份，非常適合雕刻微小工件。/sundae_meng目前雷射雕刻印字板可以達到下面規(guī)格：(1)最小的網(wǎng)點：150線／in的1%網(wǎng)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(wǎng)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，激光器光束質(zhì)量顯得不太穩(wěn)定，還不能進行大量的精細雕刻，需要進一步研究開發(fā)。/sundae_meng6.3雷射在印章、證卡業(yè)中的應(yīng)用6.3.1印章的雷射雕刻圖6.22雷射雕刻的印章/sundae_meng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激光束通過，匯聚到被雕刻材料上，使焦點處材料的溫度迅速升高并汽化，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：一是激光器輸出的雷射，必須功率足夠大且連續(xù)可調(diào)，并且發(fā)散角小，光電開關(guān)的時間短。二是伺服控制系統(tǒng)必須有足夠快的掃描速度和足夠大的掃描范圍，定位精度和重復精度要很高。/sundae_meng圖6.23雷射雕刻印章原理

/sundae_meng二、一般印章雷射雕刻機的參數(shù)要求1.激光器特性參數(shù)包括單脈沖能量（≧0.2J）、重復頻率（≧50Hz）、光斑尺寸（0～0.5mm可調(diào)）、輸出穩(wěn)定性（≦±5%）、連續(xù)工作時間（≧6h）。2.雷射刻字技術(shù)參數(shù)包括材料（橡膠、有機玻璃等）、字寬（依印章制作需要設(shè)計可調(diào)）、字深（≦1mm）、面積（可調(diào)）、方向（可在圓方向刻字）、刻距（任意可調(diào)）。3.計算器印章排版軟件具體功能字庫種類（楷、宋、仿宋、黑、魏碑、隸書、行書及多種變形的簡繁體）、字體大?。?～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）。/sundae_meng三、雷射雕刻印章的一般工序雷射雕刻印章一般采用光柵掃描式雕刻：(1)將所需要雕刻的章形輸入計算器，由計算器進行處理，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(guān)，在印章上得到凹凸的痕跡，根據(jù)所要保留的是陰文或陽文選擇汽化點。(3)通過調(diào)整工作臺選擇適當高度，使工件的表面與雷射的焦點適應(yīng)，選擇適當?shù)慕股詈碗x焦量，以獲得最佳的雕刻效果。(4)雷射依照向量方向移動，計算器控制雷射頭根據(jù)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，重復到掃描完整個圖像，完成一次輸出的過程。/sundae_meng四、影響印章雕刻質(zhì)量的主要因素(1)雷射能量：對于尺寸較小的扁私章，面積有限、字體較小，當雷射能量過大時，字體邊緣燃燒效應(yīng)明顯，筆劃變細，導致某些地方殘缺不全。對于尺寸較大的印章，雕刻效果較好。(2)雷射重復頻率：隨著雷射重復頻率的增加，雷射能量也會隨之增加。(3)雕刻速度：當?shù)窨趟俣葴p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(qū)域內(nèi)材料所吸收的雷射能量也相應(yīng)增加，導致雕刻深度過大且加劇邊緣燃燒效應(yīng)，使印章字面模糊。(4)焦距：當焦距調(diào)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(yīng)增強，章面字體筆劃變細。(5)光束品質(zhì)：雷射的光束質(zhì)量對雕刻效果影響很大，可以通過激光器共振腔的合理設(shè)計，采用選模技術(shù)以保證雷射輸出的光束質(zhì)量。(6)印章材料：材料不同，雷射雕刻技術(shù)參數(shù)不同，這需要通過大量的技術(shù)試驗，來摸索最佳的雕刻條件和技術(shù)規(guī)范。/sundae_meng五、不同材質(zhì)的雷射印章雕刻(1)儲墨墊：在雕刻時容易出現(xiàn)燃燒結(jié)塊的現(xiàn)象，且輪廓不清晰。需要在材料表面預(yù)先熱壓0.1mm左右的成形粉，并在雷射雕刻之前，使之均勻濕水，這樣處理后的儲墨墊，在雷射雕刻時，不會發(fā)生燃燒起火現(xiàn)象，且印章的表面和底部平整，邊緣清晰，章形美觀，印章品質(zhì)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(yīng)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(tǒng)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，采用壓縮空氣側(cè)吹的方法，可以較好地解決這個問題。/sundae_meng6.3.2雷射雕刻防偽證卡證卡雷射雕刻機是將經(jīng)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(nèi)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采用的激光器類型為Nd：YAG激光器，功率一般在10W單模、30W多模，波長為1064nm。其硬件部份主要由激光器、激光器電子控制單元、激光器微處理機控制單元、雷射平臺、卡或護照的傳送單元、系統(tǒng)控制微處理機等組成。軟件部份一般包括系統(tǒng)控制軟件、激光器控制軟件、卡或護照的個人化處理軟件等。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(shù)據(jù)采集終端一樣廣泛的應(yīng)用。/sundae_meng6.4雷射雕刻在工藝品中的應(yīng)用6.4.1雷射雕刻木材制品當雷射作用在木制品的表面時，其表層木材立即汽化，顯露出帶黑色的立體圖案。/sundae_meng圖6.24雷射雕刻木制品

/sundae_meng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，木材在聚焦激光束的照射下，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(chǎn)生劣化現(xiàn)象，產(chǎn)生這種熱劣化的部份稱為熱影響層。根據(jù)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(gòu)成。熱分解層的炭化程度比較輕微，呈現(xiàn)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。/sundae_meng二、影響雕刻質(zhì)量的主要因素影響雕刻質(zhì)量的主要因素，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(guān)系，也滿足上述規(guī)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(guān)系，應(yīng)以保證形成汽化機制為好。雕刻深度與輸出功率之間的關(guān)系，應(yīng)以經(jīng)濟性和加工品質(zhì)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(yīng)該考慮雕刻方向?qū)Φ窨躺疃鹊挠绊憽?sundae_meng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(chǎn)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征，尤其是當?shù)窨躺疃却蟆⑿枰怕窨趟俣葧r，雕刻面有較深的炭化痕跡。這一特性，可以雕刻出藝術(shù)效果很強的雕刻品。/sundae_meng6.4.2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激光束與陶瓷釉面的相互作用的結(jié)果。釉面是附著于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。適于刻陶的中溫色釉，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(xiàn)雷射刻陶加工，必須將激光束匯聚在極小的范圍內(nèi)，光束直徑約為0.4mm。由釉層吸收光能后，迅速轉(zhuǎn)變熱能，瞬時上升到汽化溫度后，而引起照射區(qū)內(nèi)釉層材料的大量汽化蒸發(fā)，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。/sundae_meng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，采用雷射刻陶每件只需4～5min，刻陶速度約提高了45倍，其經(jīng)濟效益顯著，適合大量自動化生產(chǎn)。(2)保持了藝術(shù)作品的高度一致性、重復性，成品率高達100%。(3)改善了噪聲和粉塵污染。(4)發(fā)揮了光、機、電及計算器等多學科的綜合特點，為傳統(tǒng)刻陶工藝開辟了一條新途徑。/sundae_meng6.4.3雷射雕刻皮革圖6.26雷射雕刻皮革

/sundae_meng皮革的雷射雕刻系統(tǒng)是集合雷射、自動控制、精密機械、計算器CAM控制等技術(shù)于一體的高科技系統(tǒng)，對復雜的圖形雕刻、雕花和鏤空都能夠準確進行，主要有下面一些特點：(1)采用計算器成圖，可以制作各種文字和圖形，字體豐富、規(guī)范，圖形生成快，并可以任意處理。(2)由計算器直接控制機床運行，使圖形再現(xiàn)更加精確可靠。(3)采用精確步進電機，運行平穩(wěn)誤差小，走位精度高，重復性好，鑲嵌性好。(4)采用專門的控制軟件，人機對話界面友好，操作簡便。

/sundae_meng6.5雷射內(nèi)雕技術(shù)雷射內(nèi)雕技術(shù)是將脈沖強雷射在透明體內(nèi)部聚焦，產(chǎn)生微米量級大小的汽化微裂紋，通過計算器控制微裂紋在玻璃體內(nèi)的空間位置，使這些微裂紋三維排列而構(gòu)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(chǎn)生的災(zāi)變性的破壞，由于微裂紋的散射，圖像呈白色，如果利用飛秒雷射還能實現(xiàn)奈秒雷射所不能實現(xiàn)的超精細加工。

/sundae_meng圖6.27精美的雷射內(nèi)雕工藝品

/sundae_meng6.5.1內(nèi)雕用激光器常用的雷射內(nèi)雕機，一般采用Nd：YAG激光器或倍頻Nd：YAG激光器[42,44,45]，輸出波長分別為1064nm和532nm，Q開關(guān)方式工作，單脈沖雷射能量在十幾到幾十毫焦，脈沖寬度小于20ns，重復頻率可達100Hz或者更高。/sundae_meng6.5.2玻璃體的雷射內(nèi)雕技術(shù)一、玻璃體雷射內(nèi)雕的物理過程玻璃體雷射內(nèi)雕技術(shù)的簡單描述，是先通過適當方式確定玻璃表面輻射強度處于破壞閾值以下，在玻璃部件內(nèi)部將激光束聚焦強度調(diào)到破壞閾值以上，雷射和玻璃相互作用引起局部熔化，產(chǎn)生裂縫。/sundae_meng根據(jù)雷射的能量密度、脈沖頻率等條件的變化，導致微結(jié)構(gòu)的變化，大致可以分為以下四種類型[42,43]：(1)熔融和雷射沖擊波