CO2激光雕刻几种非金属材料的参数探讨

1、CO2激光雕刻几种非金属材料的参数探讨【摘要】本文采用单因素实验法对亚克力板、即时剪纸、木板和玻璃等材料在适合雕刻范围内的参数进行了研究，通过比较、分析雕刻效果，找出每种材料最佳雕刻工艺参数，为CO2激光雕刻的实际应用提供技术参考，具有一定的实际意义。【关键词】CO2激光器；激光雕刻；工艺参数激光技术是20世纪60年代发展起来的一项重大科技成果，它的出现深化了人们对光的认识，扩展了光为人类服务的领域。目前，激光加工已广泛地应用于切割、打孔、焊接、表面处理、快速成形、电阻微调、激光雕刻等方面1-4。激光雕刻是80年代兴起的一门崭新的工业加工技术，由于其加工速度快、字迹清晰永久、无污染、无磨损等优

2、点，被广泛应用于军工、机械、电子、汽车、广告美术等行业一些发达国家已将该技术作为工业加工的标准工艺之一。激光雕刻有三种方式：CO2激光雕刻，Nd： YAG激光雕刻，准分子激光雕刻。这三种激光雕刻技术都在一些方面体现了它们各自的特性和优点，所以有不同的应用领域。YAG激光器在金属材料加工中具有优势，准分子激光在微细、高精密加工方面具有优势，而非金属材料如塑料、木材、布匹、橡胶等，对CO2激光波长吸收率较高，利用CO2激光器雕刻具有优势。CO2激光器波长106um,能有效地在木材、有机玻璃板、塑料薄板等进行文字图案的切割与雕刻，可雕刻出任意图形，在雕刻过程中没有切屑，没有工具磨损与噪声，加工的边缘

3、没有撕切和绒毛，具有操作简单、工序少、生产周期短、劳动强度低、字体、字型规范丰富等一系列优点激光雕刻参数研究有利于提高雕刻加工时的效率。本文通过单因素实验法对亚克力板、即时剪纸、木板和玻璃等材料在适合雕刻范围内的工艺参数进行了研究。1实验材料与方法1、1实验设备本实验采用GM-960A型CO2激光雕刻机，它主要由CO2激光管、伺服系统、工作台、导轨、电源、冷却系统、排气系统等组成。最大雕刻范围900mm450mm，雕刻工件最大厚度20mm，雕刻速度080mm、，机械分辨率0。025mm，重复精度0。01mm，激光器功率60w。1、2实验材料所用的材料有亚克力板厚度为2mm、木板、即时剪纸、玻璃

4、等。其中亚克力板用途比较广泛，可用于装饰、纪念品等；其次是即时剪纸，它主要用广告牌设计、大型条幅粘贴、室内装饰等方面；木板主要是在它的表面雕刻图案和文字，可以制作出较美丽的文化用品；由于玻璃属于脆性材料，所以对此仅作雕刻和打标方面的研究。1、3实验方法激光雕刻机在雕刻时影响加工效率的主要是速度和光强，本实验采用单因素法研究适合不同材料的雕刻速度和光强。亚克力板，先设定一个具体的光强值来改变速度，把所得到的结果记录到预先制作的表格中，每次变化量为10%。沟边和清扫分开进行，对每一个样本贴上标号以便进一步研究。即时剪纸等纸类，由于厚度较小，在改变光强和速度参数时每次变化量为1%,同时还要改变输入激

5、光雕刻机软件中雕刻深度的数值，也取每次变化量1%。木板，采用和亚克力板相同的实验方案。玻璃，属于脆性材料，不做沟边研究，清扫时也采用与亚克力板相同的实验方案。根据所记录的数据总结实验规律，观察样件的雕刻效果。目测可判断一部分雕刻效果，效果接近的使用仪器检测，如用显微镜观察清扫箪画失真程度，用测量表面粗糙度的仪器测量沟边样本轮廓的粗糙度等。2结果与讨论2、1亚克力板雕刻参数实验与分析2、1、1亚克力板阴刻清扫阴刻清扫，激光头的运动方式选择单向水平雕刻；输入图片采用PLT格式，此类文件属于矢量图，它是根据笔画颜色不同而进行不同的属性设置，用于勾边的实质是将图形的外框直接转换为激光的雕刻路径，清扫方

6、式的实质同勾边一样的，是将图形填色部分通过填满等距离平行线而实现的。雕刻机的性能，主要由雕刻速度、雕刻强度激光光强和光斑大小而决定。利用雕刻机面板调节速度，也可利用计算机的输出软件来调节，范围1%100%，调整幅度是1% ；雕刻强度指照射到材料表面激光的强度，对于特定的雕刻速度，强度越大，切割或雕刻的深度就越大。可利用雕刻机面板调节强度，也可利用计算机的输出软件来调节。在1%到100%的范围内，调整幅度是1%。光束光斑大小可利用不同焦距的透镜进行调节。小光斑的透镜用于高分辨率的雕刻，大光斑的透镜用于较低分辨率的雕刻，并可用于矢量切割。本实验光斑大小已经调好，在实验过程中不变，因此在实验过程中仅

7、调节雕刻速度和强度这两个参数。由于雕刻速度过快时，激光头的空行程比较大，雕刻的效果差，效率很低，所以速度大于60%不做记录。表1为亚克力板雕刻参数清扫时速度和光强关系数据记录。在显微镜下观察三种具有代表性的样本，如图1所示。由这些显微镜图片可以看出，光强小速度大时清扫不完全，出现高低不一致的突起；光强太大速度太小时，清扫的边沿被过度熔化，只有在合适的参数才能清扫出较好的效果，此参数是：光强80%,速度30%。2、1、2亚克力板阳刻清扫阳刻清扫，输入图片一种是用BMP格式的文件，另一种是在CorelDRAW软件中制作出PLT格式的文件，此格式文件用于阳刻可以留出边框，有利于刻章或工艺品。激光头的

8、运动方式选择单向水平雕刻。由实验结果可以得出这样的结论：阳刻清扫光强为80%,速度30%为最佳的参数。2、1、3亚克力板勾边斐克力板勾边实验见表2。由表2结果可知，速度大于3%时，无论什么样的光强都不能刻透，所以在沟边时的速度要小；刻透的样件边沿轮廓的粗糙度也不一样，用测量表面粗糙度的方法进一步测量样本勾边效果表3。由表中数据得知，相同的速度时光强越大勾边时边沿的质量越好；相同的光强时速度越小勾边时轮廓的质量越好。一般勾边时取光强为80%,速度为2%。2、2即时剪纸雕刻参数即时剪纸在广告牌设计、大型标语粘贴、室内装饰等方面应用很广泛，以前用针型刻字机来实现，现在用激光雕刻来做大大减少了成本。通

9、过实验得知，在切割即时剪纸时机器光强10%,速度5%较为合适。2、3木版雕刻参数实验与分析2、4玻璃雕刻参数实验与分析激光是通过去除玻璃表面局部材料来实现玻璃雕刻或打标的，因而在玻璃上出现微量的裂纹是允许的，但过量的裂纹会导致标记不清晰、材料强度下降，更严重的是导致基片变疏松。在雕刻或打标过程中精确控制材料的裂纹量就能避免这些问题，一般有三种方法可用于控制玻璃表面上产生的裂纹类型和数量。第一种是采用多次激光辐射。采用一次激光辐射可在玻璃上产生轮廓鲜明的可见标记，但是标记打印之后，一些微裂纹和应力将向垂直于激光移动的方向扩展，会扩展到原标记外附近区域形成碎片，从而影响标记的清晰度。利用多次激光辐

10、射，使与标记区域相邻的区域通过热传导被加热，从而使这些区域形成应力梯度，减少二次破裂的可能性。采用这种方法在钠钙玻璃和硼硅酸盐玻璃上打标十分有效。第二种方法是利用一系列环状裂纹形成文字、条形码、方块或矩形码以及其他形状码图案。玻璃通过加热和冷却循环产生低密度环状裂纹。玻璃被加热时膨胀挤压周围材料，当温度升高到软化点温度时，玻璃快速膨胀形成一个低密度材料的凸出玻璃表面的圆顶。由于光斑能量呈高斯分布，因此光斑中心处的温度较高。当这个高温区冷却回到接近起始位置时，在低密度形成区和标准密度区之间的接合处形成稳定的环状裂纹。这种方法适合于在普通光学材料和回火玻璃、化学增强玻璃或者普通钠钙浮法玻璃上打标。

11、第三种方法也是采用同样的加热和冷却过程，都是使其中一特定体积的玻璃表面发生变化。但是此方法所用光斑的尺寸比较大，在两种密度区域接合处的界线没有环状裂纹方法那样分明。这种方法产生的标记不是立即就能看得见的，要求稍微加压之后才开始沿激光标记区域产生格状裂纹。用所产生的无碎片龟裂状条纹填充图案形成文字、图形和各种码。因为这种方法要求纯质表面，所以用于高质量的汽车玻璃打印标记。本实验使用普通玻璃材料，采用第二种方法。通过实验得到玻璃雕刻图4时的最佳参数为：速度30%,光强30%，雕刻深度50。3结语实验采用单因素法，依次对亚克力板、即时剪纸、木板和玻璃等材料进行实验，对实验结果进行记录，从所记录的数据中总结实验规律性的结论，观察样件的效果，用目测判断和仪器检测评判雕刻效果优劣等。实验结果得到的最优化的参数为：亚克力板2mm厚度的在阴刻清扫和阳刻清扫时光强都选择80%，速度30%,沟边