CN101564947B - 一种在塑料上的激光标记方法 - Google Patents
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一种在塑料上的激光标记方法，包括如下步骤：中央控制系统使激光发生器发出激光；激光通过外光路传导系统进入振镜组；并通过振镜组高速摆动在含有色素微粒的被标记塑料上形成单个标记点；中央控制系统继续使激光发生器发出激光，使激光通过外光路传导系统进入振镜组，并通过振镜组高速摆动在被标记塑料形成一个点阵的填充标记，所述被标记单点的能量密度范围在3J/cm2到8J/cm2之间。本发明根据塑料中的色素微粒的吸收特性选择相应波长的激光，且每行每列中相邻两个标记点之间距离相等，使得激光在塑料上单点的能量达到一个使塑料中的色素完全变色，但又不伤害到基础塑料基底的一个值，使激光在塑料上产生清晰及高效率标记效果。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种在塑料上的激光标记方法，尤其是指在含有色素微粒的塑料上的激光标记方法。
【背景技术】
塑料作为一种耳熟能详的材料，早已被广泛的应用在医疗、电器、电子、包装等各行各业。近年来，随着激光加工产业的高速发展，激光加工也已渗透进了塑料加工这个行业。对于塑料材料，激光标记凭借着其实时性，不易掉色性，无耗材等优势在慢慢取代原有的油墨喷码，丝印等传统标记工艺。
根据塑料本身的特性和激光波长的特性，激光在塑料上标记主要分为以下三种标记工艺原理：1.激光刻蚀法：既用激光在塑料表面进行烧蚀，去除一部分材料，形成一个雕刻槽，从而产生视觉对比，产生标记效果，这种原理与激光在金属上标识原理一样，激光能量越大，雕刻槽越深，对比度越高；2.激光起泡法：激光作用在塑料表面，使塑料表面溶融后重新凝固，形成一个突起的气泡团，此气泡团与未加工塑料产生视觉对比，产生标记效果；3.激光变色法：对于一部分含有色素微粒的塑料，选用其色素吸收敏感波段的激光对其进行加工，可以使色素微粒颜色改变，而同时对基础塑料基底不产生损伤，此种方法加工出来的标记，从表面的平滑度颜色的对比度和标记的分辨率，均要比激光刻蚀法和激光起泡法要高。
【发明内容】
本发明提供一种在激光变色发的基础上，研究出激光波长、能量密度、光斑叠加率、离焦距距离等参数的范围，使激光在塑料上产生清晰及高效率标记效果的在塑料上的激光标记方法。
本发明所采用的技术方案是提供一种在塑料上的激光标记方法，选定含有色素微粒的被标记塑料，该方法包括如下步骤：
设置被标记塑料与外光路传导系统的相对位置；
中央控制系统使激光发生器发出激光；
激光通过外光路传导系统进入振镜组；
激光通过振镜组高速摆动在被标记塑料上，形成单个标记点；
中央控制系统继续使激光发生器发出具有一定能量的激光，所述激光通过外光路传导系统进入振镜组，并通过振镜组的高速摆动在被标记塑料形成一个点阵的填充标记；其中，激光每个脉冲标记点互相分开，且每行每列中相邻的两个标记点之间距离相等，所述被标记塑料上被标记单点的能量密度范围在3J/cm2到8J/Gm2之间。
其中，所述塑料为用于低压电器外壳上的防火塑料、或用于电线外包皮的防火塑料、或用于医疗用途的塑料等含有色素微粒的塑料。
其中，所述激光发生器为波长在150nm到560nm之间的全固体调Q紫外激光发生器。
其中，激光脉冲重复频率在1kHz到100kHz之间。
其中，激光标记光斑直径在20μm到250μm之间。
其中，激光标记速度大于标记光斑直径乘于脉冲重复频率，小于标记光斑直径加上60μm的和乘于脉冲重复频率。
其中，激光填充密度大于标记光斑直径，小于标记光斑直径加上60μm。
其中，所述外光路传导系统包括：激光反射镜、激光扩束镜、光学聚焦镜，由激光发生器射出的激光，激光通过反射镜把其传导进扩束镜。被扩束后的激光通过振镜组的传导到光学聚焦镜，通过光学聚焦镜的聚焦，激光被聚焦在被标记塑料上，形成单个标记点。
其中，所述激光反射镜是镀有对加工激光波长大于98％反射率的膜层，且反射角度在10度到45度之间。
其中，所述激光扩束镜的放大倍率在2倍到8倍之间。
其中，所述光学聚焦镜的焦距在60mm到650mm之间。
本发明根据塑料中的色素微粒的吸收特性选择相应波长的激光，对激光标记光斑尺寸、激光脉冲重复频率和打标速度、填充密度四个参数综合考虑统一设置，使激光每个脉冲标记点相互分开，且每行每列中相邻两个标记点之间距离相等，使得激光在塑料上单点的能量达到一个试塑料中的色素完全变色，但又不伤害到基础塑料基底的一个值，使激光在塑料上产生清晰及高效率标记效果的在塑料上的激光标记方法。
【附图说明】
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明在塑料上的激光标记方法的原理示意图；
图2为图1所示方法的局部示意图；
图3为为图1所示方法的激光能量密度分布与标记单点效果示意图；
图4为图1所示方法的激光一次照射、两次照射和三次照射后标记单点效果示意图；
图5为图1所示方法的标记单点重叠后效果示意图；
图6为采用本发明方法在一种防火塑料上标记的效果示意图。
【具体实施方式】
本发明涉及一种在塑料上的激光标记方法，尤其是指在含有色素微粒的塑料上的激光标记方法，图1中10为中央控制系统；11为激光发生器；外光路传导系统，包括：第一激光反射镜12、第二激光反射镜40、激光扩束镜13及光学聚焦镜15，其中光学聚焦镜15为fθ聚焦镜；16为被标记塑料，该塑料含有色素微粒，一般用于低压电器外壳上的防火塑料、或用于电线外包皮的防火塑料、或用于医疗用途的塑料和所有包含色素的塑料；17为标记的点阵；18为升降工作台，以下为本激光标记方法的步骤。
首先，根据被标记塑料16中的色素微粒的吸收特性选择相应波长的激光，根据塑料16中的色素吸收谱线的特性，可选红外波段，可见波段和紫外波段的激光，而大部分色素对于紫外到可见波段激光反应敏感，优选150nm到560nm波段的激光，本实施例中选取了激光发生器11波长为355nm的全固体调Q紫外激光发生器。
激光脉冲重复频率的选取，主要根据激光发生器11输出特性可从1Hz到200kHz，考虑到作用在塑料上的能量密度需求和控制系统速度的限制，激光脉冲 重复频率优选于1kHz到100kHz。
接着，通过中央控制系统10使激光发生器11出激光，激光通过外光路传导系统激光进入振镜组14，即：激光首先通过第一激光反射镜12，改变激光传输方向进入第二激光反射镜40，再把激光传导进扩束镜13，其中，第一、第二激光反射镜12、40是镀有对加工激光波长大于98％反射率的膜层，且反射角度在10度到45度之间；扩束镜13为2到8倍的可变倍数扩束镜，根据激光聚焦原理，扩束倍数越大，焦点处最小光斑的直径越小；被扩束后的激光通过振镜组14的传导到光学聚焦镜15上，通过光学聚焦镜15的聚焦功能，激光被聚焦在被标记塑料16上，形成单个标记点，接着调节升降工作台18可以使被标记塑料16上下移动，从而可选择正焦标记和偏焦标记。
最后，通过在中央控制系统10中对激光发生器11和振镜组14的参数设置，使一定能量的激光通过振镜组14的高速摆动在被标记塑料16形成一个点阵的填充标记。
激光每个脉冲标记点互相分开，每行每列中相邻的两个标记点之间相互分开且距离相等，距离应该小于60μm，当大于60μm时，总体标记的宏观颜色会变淡，同时分辨率降低，人眼可明显看出单点形状。
本标记方法原理如图2所示，图中16为被标记塑料；20为激光标记的“H”字母图案；21为放大“H”字母图案观察到的激光标记的单点；22为激光标记的每个单点间的距离。
由于激光标记的单点21是由单一一个激光脉冲作用在被标记塑料16上形成的。激光标记的单点21的直径大小是由扩束镜13，光学聚焦镜15，升降工作台18决定的。其中，扩束镜13调节的扩束倍数越大，焦点处光斑的直径越小，反之则相反；所选取的光学聚焦镜15的焦距越大，焦点处光斑的直径越大，反之则相反；调节升降工作台18的升降，使被标记塑料16表面在焦点位置时，光斑的直径最小，当偏离焦点位置后，无论是上升还是下降，光斑的直径都开始变大，偏离焦点位置越大，光斑的直径越大。
对于扩束镜13，优选的扩束倍率在2到8倍之间；光学聚焦镜15的优选焦距在60mm到650mm之间；对激光标记光斑尺寸，通过调节扩束镜13倍率，选取光学聚焦镜15焦距，和改变距焦点位置可以实现标记光斑直径从6μm到10mm，但考虑到激光器输出能量的限制和分辨率不宜太低的情况，标记光斑直径优选于20μm到250μm之间，即：激光光斑直径在20μm到250μm之间；升降工作台18的离焦距离优选于±20mm之间。
为了避免总体标记的宏观颜色变淡，同时分辨率降低，人眼可明显看出单点形状的情况，激光标记的每个单点间的距离22应在0μm到60μm之间。
同时，为保证激光标记的单点21的颜色深度和均匀性，根据激光标记的单点21直径的大小，计算出单点的表面积，通过调节中央控制系统10中的参数，改变激光发生器11的激光输出单脉冲能量大小，使得单脉冲能量除于单点的表面积所得到的能量密度的值是一个可以使塑料中的色素完全变色，但又不伤害到基础塑料基底的数值，通过实验证明此值在3J/cm2到8J/cm2之间。当小于3J/cm2时，激光标记的单点21的颜色会变淡；当大于8J/cm2时，被标记塑料16的基础塑料基底会被损伤。
图3为激光能量密度分布与标记单点效果示意图，图3中的30表示3J/cm2的激光能量密度值；31表示8J/cm2的激光能量密度值；32为第一种激光能量密度分布情况；33为第二种激光能量密度分布情况；34为第一种激光能量密度分布情况标记的单点横截面；35为第二种激光能量密度分布情况标记的单点横截面。
从图3中可以看出：第一种激光能量密度分布情况32，它在小于3J/cm2，3J/cm2到8J/cm2，大于8J/cm2三个部分都有能量密度分布，从第一种激光能量密度分布情况标记的单点横截面34可看出，能量密度小于3J/cm2的部分无法在被标记塑料16上形成颜色；能量密度在3J/cm2到8J/cm2的部分让被标记塑料16上被照部分的色素完全变色，形成了标记点；而能量密度大于8J/cm2的部分把被标记塑料16的表面烧蚀出了一个凹坑。从第二种激光能量密度分布情况33可看出，它在小于3J/cm2，3J/cm2到8J/cm2之间，两个部分有能量密度分布，从第二种激光能量密度分布情况标记的单点横截面35可看出，能量密度小于3J/cm2的部分无法在被标记塑料16上形成颜色；能量密度在3J/cm2到8J/cm2的部分在让被标记塑料16上被照部分的色素完全变色，形成了标记点，同时，被标记塑料16的塑料基底未受损伤，标记点均匀。
激光标记光斑尺寸、激光脉冲重复频率和打标速度、填充密度的具体选择应该满足能量密度达到一个使塑料中的色素完全变色，但又不伤害到基础塑料基底的一个值，通过实验证明此值在3J/cm2到8J/cm2之间。
具体标记速度的范围可根据下面公式计算出来：激光标记速度大于标记光斑直径乘于脉冲重复频率，小于标记光斑直径加上60μm的和乘于脉冲重复频率。
标记光斑直径x脉冲重复频率＜标记速度＜(标记光斑直径+60μm)x脉冲重复频率
其中，激光填充密度大于标记光斑直径，小于标记光斑直径加上60μm。
本发明一种在塑料上的激光标记方法，标记中的单点是由单一一个激光脉冲实现的，如果多个激光脉冲在同一个标记点叠加，其标记单点的效果会变差。图4为激光一次照射、两次照射和三次照射后标记单点效果示意图，把单一加工脉冲的能量密度控制在3J/cm2到8J/cm2之间，标记出的单点效果如激光一次照射标记单点效果40。当同一个脉冲在激光一次照射标记单点40上再照射一次后，就形成了激光两次照射标记单点41，而此单点中心的被标记塑料16的基底会被损伤，产生凹坑及飞贱颗粒，影响标记单点的黑度和均匀性。主要原因是第一次照射标记单点40已经变黑，再进行第二次照射时，被标记塑料16的吸收率会比第一次照射时高，同时能量累加超过了被标记塑料16的基底损伤的阈值。第三次照射的过程和第二次照射一样，形成第三次照射标记单点42，产生了更深更大的凹坑及更多飞贱颗粒，更差的标记单点效果。所以本发明涉及一种对于塑料上的激光标记方法中的标记单点是由单一一个激光脉冲实现的。
本发明一种在塑料上的激光标记方法中的标记单点互相之间不重叠，且每个单点间的距离22应在0μm到60μm之间。
图5为标记单点重叠后效果示意图，50为标记单点；51为标记单点的重叠部分。标记单点的重叠部分51中会出现凹坑及飞贱颗粒等影响标记的颜色深度和均匀性，其产生的原理和激光两次照射标记单点效果41形成的原理一样。所以本发明要求标记单点互相之间不重叠。
图6为采用本发明方法在一种防火塑料上标记的效果示意图，标记参数为： 标记单点直径70μm；激光脉冲频率20kHz；填充密度0.08mm；标记速度1600mm/s；标记单点能量密度3.7J/cm2。
本发明根据塑料中的色素吸收特性选择相应波长的激光，对激光标记光斑尺寸、激光脉冲重复频率和标记速度、填充密度四个参数综合考虑统一设置，使激光每个脉冲标记点互相分开，且每行每列中相邻两个标记点之间距离相等。同时，根据激光标记光斑尺寸，调节激光输出参数，使其在塑料上单点的能量密度达到一个使塑料中的色素完全变色，但又不伤害到基础塑料基底的一个值。通过一套外光路整形传导系统和软件振镜控制系统，把设置好的激光按一定速度和填充密度作用到塑料上，产生一个标记。标记点与标记点之间的分开有助于在保证效果的同时提高标记的效率。
Claims (11)
1.一种在塑料上的激光标记方法，选定含有色素微粒的被标记塑料(16)，其特征在于，该方法包括如下步骤：
设置被标记塑料(16)与外光路传导系统的相对位置；
中央控制系统(1 0)使激光发生器(11)发出激光；
激光通过外光路传导系统进入振镜组(14)；
激光通过振镜组(14)高速摆动在被标记塑料(16)上，形成单个标记点；
中央控制系统(10)继续使激光发生器(11)发出具有一定能量的激光，所述激光通过外光路传导系统进入振镜组(14)，并通过振镜组(14)的高速摆动在被标记塑料(16)形成一个点阵的填充标记；其中，激光每个脉冲标记点互相分开，且每行每列中相邻的两个标记点之间距离相等，所述被标记塑料上被标记单点的能量密度范围在3J/cm2到8J/cm2之间。
2.如权利要求1所述的在塑料上的激光标记方法，其特征在于：所述塑料为用于低压电器外壳上的防火塑料、或用于电线外包皮的防火塑料、或用于医疗用途的塑料等含有色素微粒的塑料。
3.如权利要求1所述的在塑料上的激光标记方法，其特征在于：所述激光发生器为波长在150nm到560nm之间的全固体调Q紫外激光发生器。
4.根据权利要求1所述的在塑料上的激光标记方法，其特征在于：激光脉冲重复频率在1kHz到100kHz之间。
5.根据权利要求1所述的在塑料上的激光标记方法，其特征在于：激光标记光斑直径在20μm到250μm之间。
6.根据权利要求1所述的在塑料上的激光标记方法，其特征在于：激光标记速度大于标记光斑直径乘于脉冲重复频率，小于标记光斑直径加上60μm的和乘于脉冲重复频率。
7.根据权利要求1所述的在塑料上的激光标记方法，其特征在于：激光填充密度大于标记光斑直径，小于标记光斑直径加上60μm。
8.根据权利要求1所述的在塑料上的激光标记方法，其特征在于：所述外光路传导系统包括：激光反射镜、激光扩束镜、光学聚焦镜，由激光发生器射出的激光，激光通过反射镜把其传导进扩束镜。被扩束后的激光通过振镜组的传导到光学聚焦镜，通过光学聚焦镜的聚焦，激光被聚焦在被标记塑料上，形成单个标记点。
9.根据权利要求8所述的在塑料上的激光标记方法，其特征在于：所述激光反射镜是镀有对加工激光波长大于98％反射率的膜层，且反射角度在10度到45度之间。
10.根据权利要求8所述的在塑料上的激光标记方法，其特征在于：所述激光扩束镜的放大倍率在2倍到8倍之间。
11.根据权利要求8所述的在塑料上的激光标记方法，其特征在于：所述光学聚焦镜的焦距在60mm到650mm之间。
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