CN104722930B - 一种大孔径的薄型材料激光打孔方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大孔径的薄型材料激光打孔方法，解决了激光打孔设备昂贵、打孔效率低、效果较差的问题。方案包括(1)控制系统接收速度信号，计算出当前打孔中心位置参数，控制振镜系统，将激光器发出的激光传输到打孔中心位置；(2)利用振镜系统控制激光，以打孔中心位置为基准点，激光束跟随薄型材料的运动连续地在基准点附近打出多个紧邻相连的微孔；(3)所有相连微孔组合成为一条闭合曲线，闭合曲线围成一个大的透气孔；(4)控制系统继续接收速度信号，依次重复上述步骤(1)‑(3)，即可在薄型材料表面打出下一个透气孔。本发明设备投资低、激光能量利用率高、打孔效果好、加工效率高、可打出大孔径透气孔，形式和分布可控。

Description

一种大孔径的薄型材料激光打孔方法及装置

技术领域

本发明涉及一种激光加工的方法及其装置，具体的是说一种薄型材料的激光打孔方法及其装置。

背景技术

薄型材料是工业材料中的一种基本形式，很多薄型材料需要制备密集的微孔，例如卷烟行业的水松纸激光打孔，又或者是医药行业的橡胶膏剂，再或者是人造革、包装薄膜等也需要进行密集透气孔制备。

以橡胶膏剂这类薄型材料为例，其作为中药的主导剂型产品之一，在中医药的发展中占有重要地位。但传统橡胶膏剂由于透气性差，会给患者带来皮肤红肿、瘙痒、溃烂等副作用。为了解决这个问题，近几年来采用机械接触式冲孔打孔的方法对生产的贴膏产品进行打孔，以增加产品透气性，为橡胶膏剂产品的发展起到了较好的促进作用。该机械打孔方法成本低，但存在刀头难加工、易磨损、产品收率低、外观不美等缺点。近年来，随着科学技术发展，用激光对生产的橡胶膏剂进行打孔，提高了产品收率和质量，且生产效率高，易管理。

河南羚锐集团与华中科技大学激光研究院合作开发的发明名称为″非金属薄型材料激光制孔的方法和设备(申请号02139127.0)″的发明专利中，采用CO₂激光超微切孔技术生产密集微孔贴膏受到了患者的广泛欢迎，但这种打孔方法只能打出0.2-0.5mm孔径的微孔，而为了进一步提高膏药的透气性，有时需要打出0.4-3.0mm甚至更大孔径的透气孔，但是现有技术很难实现，分析原因如下：

大孔径透气孔理论上可以利用激光按照切割的方式在材料上走圆形轨迹，这种切割方式通常用于静态打孔，对于薄型材料而言，其走料速度较快，运动速度最高可达12m/min，采用激光跟随薄型材料跟随打孔时，由于单个孔的打孔时间仅为10ms左右，激光束只能在薄型材料表面划出较浅的痕迹，并不将薄型材料打穿。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种大孔径的薄型材料激光打孔方法，采用连续激光器，利用多个微孔连接出一个更大孔径的透气孔，以获得更好的透气效果的方法。其孔径大小、形式和分布均可调。

本发明还提供一种大孔径的薄型材料激光打孔装置，具有成本低、激光能量利用率高、加工效率高、无接触等优点。

实现本发明的目的所采用的具体技术方案如下：

一种孔径可调的薄型材料激光打孔方法，通过控制系统对振镜系统的控制，并利用平场透镜的聚焦作用，将激光器发出的激光聚焦到薄型材料指定位置，在薄型材料表面打出孔径可调的透气孔，具体步骤如下：

(1)控制系统接收薄型材料运动系统上的速度传感器输出的速度信号，计算出当前打孔中心位置参数，然后控制振镜系统，将激光器发出的激光经平场透镜集焦后传输到薄型材料上的当前打孔中心位置；

(2)控制系统发出控制信号给振镜系统，以打孔中心位置为基准点，控制激光束跟随薄型材料的运动方向连续地在基准点附近打出多个紧邻相连的微孔；

(3)使所有相连微孔组合成为一条闭合曲线，闭合曲线围成一个大的透气孔，从而在薄型材料表面打出一个大孔径透气孔；

(4)控制系统连续接收速度传感器输出的速度信号重复上述步骤(1)-(3)，即可在薄型材料表面打出下一个大孔径透气孔，所述下一个大孔径透气孔与上一个大孔径透气孔间保持设定距离。

所述的激光器为连续激光器。

在步骤(4)中，在打完上一个大孔径透气孔后，再打下一个大孔径透气孔之前，控制系统控制振镜系统将连续激光束跟随上一个大孔径透气孔的打孔中心位置，以使所述下一个大孔径透气孔与上一个大孔径透气孔间保持设定距离。这样就不会影响到薄型材料其他不打孔的部分。

所述闭合曲线围成的大孔径透气孔为对称的圆形，方形、三角形或梅花形图案，或者为其它非对称的图案。

所述微孔的直径为0.2-0.5mm。

所述的大孔径透气孔的直径在0.4mm以上，优选0.6mm以上，透气孔的周长不小于1.2mm，优选不小于1.8mm。

所述薄形材料厚度为不大于1.5mm，薄型材料运动系统的运动速度为4-12m/s。

用于上述方法的激光打孔装置，包括激光器、振镜系统、薄型材料及薄型材料运动系统，所述控制系统的输入端分别与薄型材料运动系统上的速度传感器相连，输出端与振镜系统和激光器相连。

所述的激光器至薄型材料表面的激光传输光路上依次布置有振镜系统和平场透镜。

所述激光器优选为连续激光器，如连续CO₂激光器。

本发明中，一方面，由于振镜的运动速度一般可以达到15m/s，激光以这样高的速度从前一个透气孔的位置运动到后一个透气孔的位置时，在薄型材料表面是不会留下激光的运动痕迹的，这样就不会影响到薄型材料的整体美观，也就不需要将连续的激光输出，调制成脉冲形式，可以使用常用的连续激光器；另一方面，虽然连续激光器无法直接动态打出大孔径孔，但利用连续激光器可打出微孔的特点，通过打出多个微孔相连成为一个闭合曲线形成一个大孔径的透气孔，巧妙的实现了利用低成本的连续激光器替代射频激励CO₂激光器的目的，既可以节省设备成本，提高激光能量的利用率，又可以简化控制程序，降低控制成本。

薄型材料在运动时，其速度可能会发生变化，控制系统可根据时实检测的薄型材料的速度，修正激光打孔的位置。通过接收薄型材料速度传感器输出的速度信号，在每个透气孔的打孔过程中，控制系统给振镜系统增加一个实时的速度跟随量，使单个的透气孔形式和整体的打孔间距和排列都能始终保持一致。

薄型材料表面的透气孔是通过多个微孔相连成为一个闭合曲线而切下来的，通过调整每一个微孔相对打孔中心位置的距离，即可实现每个透气孔孔径的改变——微孔距离中心位置远则透气孔孔径大，反之则孔径小。另外，通过调整微孔的排列分布，可以改变透气孔的形式，比如排列成圆形、星型或者梅花形，在透气的同时还能起到防伪的作用，极为灵活可靠。

有益效果：

1)通过在薄型材料表面打出多个相连的微孔，使多个微孔形成一个闭合的曲线，最终形成大孔径透孔，通过控制系统控制振镜系统采用上述打孔方法使激光作用于高速运行中的薄型材料上，快速完成动态打孔过程，解决了过去在难以对薄型材料在动态下打出大孔径透孔的问题，对厚度达1.5mm以下薄型材料也能形成大的透气孔，大大提高了激光薄型材料打孔的工作效率。

2)通过本发明方法无需采用切割的方法打孔，无需使用高功率、高成本的射频激励CO₂激光器，而仅需低功率(功率为80-200W)、低成本的连续激光器即可实现，从而大大降低了设备投资和运行成本。

3)由于连续激光器打出的是微孔，其穿透好，多个微孔相连后形成的大孔径透气孔也能够保证100％的有效穿透孔，大大提高了打孔有效率。

4)通过对控制系统程序的预设定，使得打出的大孔径透气孔的孔径可调、形式可调，非常灵活方便。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图；

图2(a)、图2(b)、图2(c)为微孔8连接成不同形状的大孔径透气孔9示意图；

图3为薄型材料整体打孔示意图。

其中，1-激光器、2-振镜系统、3-平场透镜、4-速度传感器、5-薄型材料运动系统、6-薄型材料、7-控制系统、8-微孔、9-透气孔。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。

参照图1，本发明的装置包括：激光器1、振镜系统2、平场透镜3以及控制系统7。其中，激光器1为连续CO₂激光器，激光器1至薄型材料6表面的激光传输光路上依次布置有振镜系统2和平场透镜3。薄型材料运动系统5中，501为放卷，502为收卷，在放卷501和收卷502之间的某一个辊轴503上，装有检测薄型材料运动的速度传感器4，控制系统7的输入端与速度传感器4连接，输出端分别与激光器1和振镜系统2连接。通过传感器4将薄型材料6运行速度传递给控制系统7，控制系统7以此为基础，输出相应的控制信息给振镜系统2和激光器1控制激光打孔。

实施例1：

本实施例中：薄型材料6为0.2mm厚橡胶膏剂，其宽度为100mm，运动速度为8m/min，位置在平场透镜3的焦平面处，激光器1发出的激光经平场透镜3聚焦后，在薄型材料表面的光斑直径为0.3mm。薄型材料单个透气孔9孔径1.0mm，孔间距10mm，两边界处透气孔9与边界相距5mm，每排需要打10个孔，因此，每个透气孔9的打孔时间为7.5ms。

具体打孔过程为：开启薄型材料运动系统5，速度传感器4检测薄型材料运动速度并传输给控制系统7，人工开启激光器1，或者通过控制系统7开启激光器，并控制振镜系统2，使激光经平场透镜聚焦到薄型材料第一个透气孔的打孔中心位置。

以该打孔中心位置为基准点，透气孔9直径1.0mm，微孔8直径0.3mm，则微孔8应排列成一以基准点为圆心，半径为0.35mm的圆环。圆环周长2.2mm，只需要8个微孔8便能将整个圆环连接起来，对0.2mm厚橡胶膏剂，采用100W连续CO₂激光器，激光聚焦在橡胶膏剂表面0.5ms便能将膏剂材料打穿，这样，每个透气孔的打孔时间为4ms。

在打孔过程中，由于橡胶膏剂(即薄型材料6)在不停运动，每个微孔打完之后，橡胶膏剂便相对振镜向前移动了0.07mm，因此，振镜控制激光的运动过程为：

(1)控制激光到距离基准点0.35mm位置处，并在此处停留0.5ms，打出第一个微孔；

(2)以基准点为圆心相对第一个微孔旋转45°，并在橡胶膏剂运动方向上增加0.07mm的跟随量，得到第二个微孔位置，控制激光在此处停留0.5ms；

(3)继续以基准点为圆心，相对第一个微孔以同样方向旋转90°，并加上橡胶膏剂运动方向上0.14mm的跟随量，得到第三个微孔位置，同样的，控制激光在此处停留0.5mm…如此重复下去，直到8个微孔全部打完，8个微孔形成一个大的透气孔9，形状如图2(a)中所示。

打完所有微孔之后，还剩3.5ms，可以保持激光跟随在透气孔的中心位置，这样就不会影响到橡胶膏剂其他不打孔的部分。

第一个透气孔打完之后，控制系统7根据膏药速度信号，控制振镜系统2使激光在橡胶膏剂运动方向上向前移动1mm，并在垂直橡胶膏剂运动方向上移动10mm，保证每一排的透气孔在同一直线上，且两透气孔之间间距为10mm。

以打第一个透气孔相同的方式打完第二个透气孔，然后再打第三个孔…，直到打完整个膏药面，经检查，该薄型材料6上的透气孔9有效穿透率是100％。橡胶膏剂所有透气孔都是完全打穿的，但由于激光管功率和橡胶膏剂厚度会有部分波动，因此透气孔的孔径会在0.9mm-1.1mm之间波动。

如果透气孔9的打孔时间比较长，我们也可以增加每个微孔的打孔时间，或者增加微孔的数目，使的整个透气孔看起来更圆滑。

通过调节微孔与基准点的距离，可以改变整个透气孔的孔径，以适应不同的透气度要求。另外，调整微孔8的排列方式，可以改变透气孔的形式，例如图2中(b)、(c)所示的排列成星型或者梅花型的透气孔，这样在达到透气效果的同时，还能有防伪的作用。

实施例2

当薄型材料6为1.5mm厚橡胶膏剂，运动速度为12m/min，透气孔直径9为1.0mm时，由于橡胶膏剂厚度增加，采用200W连续CO₂激光管，单个微孔的打孔时间为2ms。激光管功率增加、微孔打孔时间增长后，微孔的孔径也会稍微增大，为0.4mm。

透气孔9直径1.0mm，微孔8直径0.4mm，则微孔8应排列成一以打孔中心位置为圆心，半径为0.3mm的圆环。圆环周长1.9mm，5个微孔8便能将整个圆环连接起来，此时，打完整个透气孔9的时间为10ms。

为了配合12m/min的橡胶膏剂生产速度，透气孔9的孔间距应增大到14mm，或者，将打孔设备的打孔幅宽减小到50mm，这样，分配给每个透气孔的打孔时间超过10ms。经检查，该薄型材料6上的透气孔9有效穿透率是100％。

实施例3

当薄型材料6为0.2mm厚、100mm宽的橡胶膏剂，运动速度为4m/min，透气孔孔间距为10mm时，由于橡胶膏剂运动速度降低，每个透气孔的打孔时间增长为15ms。采用80W连续CO₂激光管，每个微孔的打孔时间为0.6ms，这样每个透气孔一共可以打25个微孔，每个微孔孔径为0.3mm。所有微孔连接起来后，周长为7.5mm，即可构成一个直径为2.5mm的透气孔，经检查，该薄型材料6上的透气孔9有效穿透率是100％。

Claims (6)

1.一种大孔径的薄型材料激光打孔方法，其特征在于，通过控制系统对振镜系统的控制，并利用平场透镜的聚焦作用，将激光器发出的激光聚焦到薄型材料指定位置，在薄型材料表面打出孔径可调的透气孔，具体步骤如下：

(1)控制系统接收薄型材料运动系统上的速度传感器输出的速度信号，计算出当前打孔中心位置参数，然后控制振镜系统，将激光器发出的激光经平场透镜集焦后传输到薄型材料上的当前打孔中心位置；

(2)控制系统发出控制信号给振镜系统，以打孔中心位置为基准点，控制激光束跟随薄型材料的运动方向连续地在基准点附近打出多个紧邻相连的微孔；

(3)使所有相连微孔组合成为一条闭合曲线，闭合曲线围成一个大的透气孔，从而在薄型材料表面打出一个大孔径透气孔；

(4)控制系统连续接收速度传感器输出的速度信号重复上述步骤(1)-(3)，即可在薄型材料表面打出下一个大孔径透气孔，在打完上一个大孔径透气孔后，再打下一个大孔径透气孔之前，控制系统控制振镜系统将连续激光束跟随上一个大孔径透气孔的打孔中心位置，以使所述下一个大孔径透气孔与上一个大孔径透气孔间保持设定距离。

2.根据权利要求1所述的一种大孔径的薄型材料激光打孔方法，其特征在于，所述的激光器为连续激光器。

3.根据权利要求1或2所述的一种大孔径的薄型材料激光打孔方法，其特征在于，所述闭合曲线围成的大孔径透气孔为对称的圆形，方形、三角形或梅花形图案，或者为其它非对称的图案。

4.根据权利要求1或2所述一种大孔径的薄型材料激光打孔方法，其特征在于，所述微孔的直径为0.2-0.5mm。

5.根据权利要求1或2所述的一种大孔径的薄型材料激光打孔方法，其特征在于，所述的大孔径透气孔的直径在0.4mm以上，透气孔的周长不小于1.2mm。

6.根据权利要求1或2所述的一种大孔径的薄型材料激光打孔方法，其特征在于，所述薄型材料厚度不大于1.5mm，薄型材料运动系统的运动速度为4-12m/min。