專利名稱：一種在塑料上的激光標(biāo)記方法
一種在塑料上的激光標(biāo)記方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在塑料上的激光標(biāo)記方法，尤其是指在含有色素微粒的塑 料上的激光標(biāo)記方法。
背景技術(shù)：
塑料作為一種耳熟能詳?shù)牟牧?，早已被廣泛的應(yīng)用在醫(yī)療、電器、電子、 包裝等各行各業(yè)。近年來，隨著激光加工產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，激光加工也已滲透 進了塑料加工這個行業(yè)。對于塑料材料，激光標(biāo)記憑借著其實時性，不易掉色 性，無耗材等優(yōu)勢在慢慢取代原有的油墨噴碼，絲印等傳統(tǒng)標(biāo)記工藝。
根據(jù)塑料本身的特性和激光波長的特性，激光在塑料上標(biāo)記主要分為以下 三種標(biāo)記工藝原理1.激光刻蝕法既用激光在塑料表面進行燒蝕，去除一部 分材料，形成一個雕刻槽，從而產(chǎn)生視覺對比，產(chǎn)生標(biāo)記效果，這種原理與激 光在金屬上標(biāo)識原理一樣，激光能量越大，雕刻槽越深，對比度越高；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，形成一個突起的 氣泡團，此氣泡團與未加工塑料產(chǎn)生視覺對比，產(chǎn)生標(biāo)記效果；3.激光變色法 對于一部分含有色素微粒的塑料，選用其色素吸收敏感波段的激光對其進行加 工，可以使色素微粒顏色改變，而同時對基礎(chǔ)塑料基底不產(chǎn)生損傷，此種方法 加工出來的標(biāo)記，從表面的平滑度顏色的對比度和標(biāo)記的分辨率，均要比激光刻蝕法和激光起泡法要高。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種在激光變色法的基礎(chǔ)上，研究出激光波長、能量密度、光 斑疊加率、激光標(biāo)記光斑尺寸、激光脈沖重復(fù)頻率和標(biāo)記速度、填充密度、離 焦距離等參數(shù)的范圍，使激光在塑料上產(chǎn)生清晰及高效率標(biāo)記效果的在塑料上 的激光標(biāo)記方法。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是提供一種在塑料上的激光標(biāo)記方法，選定含有 色素微粒的被標(biāo)記塑料，該方法包括如下步驟
設(shè)置被標(biāo)記塑料與外光路傳導(dǎo)系統(tǒng)的相對位置；
中央控制系統(tǒng)使激光發(fā)生器發(fā)出激光；
激光通過外光路傳導(dǎo)系統(tǒng)進入振鏡組；
激光通過振鏡組高速擺動在被標(biāo)記塑料上，形成單個標(biāo)記點； 中央控制系統(tǒng)繼續(xù)使激光發(fā)生器發(fā)出激光，使一定能量的激光通過外光路
傳導(dǎo)系統(tǒng)進入振鏡組激光通過振鏡組高速擺動在被標(biāo)記塑料形成一個點陣的填
充標(biāo)記；其中，激光每個脈沖標(biāo)記點互相分開，且每兩個標(biāo)記點之間距離相等。 其中，所述塑料為用于低壓電器外殼上的防火塑料、或用于電線外包皮的
防火塑料、或用于醫(yī)療用途的塑料、或用于工業(yè)包裝材料等含有色素微粒的塑料。
其中，所述激光發(fā)生器為波長在150nm到560nm之間的全固體調(diào)Q激光發(fā) 生器。 '
其中，激光脈沖重復(fù)頻率在lkHz到100kHz之間。其中，激光標(biāo)記光斑直徑在2(Him到250iam之間。
其中，實現(xiàn)激光標(biāo)記光斑直徑在20nm到250|im之間變化的方法是，按照 激光照射到塑料的方向，調(diào)節(jié)承載塑料樣品的升降工作臺偏離焦點位置，偏離 焦點位置的距離在土20mm之間。
其中，激光標(biāo)記速度大于標(biāo)記光斑直徑乘于脈沖重復(fù)頻率，小于標(biāo)記光斑 直徑加上60pm的和乘于脈沖重復(fù)頻率。
其中，激光填充密度大于標(biāo)記光斑直徑，小于標(biāo)記光斑直徑加上60)am。 其中，被標(biāo)記塑料上被標(biāo)記單點的能量密度范圍在3J/cr^到8J/cn^之間。 其中，所述外光路傳導(dǎo)系統(tǒng)包括激光反射鏡、激光擴束鏡、光學(xué)聚焦鏡， 由激光發(fā)生器射出的激光，激光通過反射鏡把其傳導(dǎo)進擴束鏡。被擴束后的激 光通過振鏡組的傳導(dǎo)到光學(xué)聚焦鏡，通過光學(xué)聚焦鏡的聚焦，激光被聚焦在被 標(biāo)記塑料上，形成單個標(biāo)記點。
其中，所述激光反射鏡是鍍有對加工激光波長大于98%反射率的膜層，且 反射角度在10度到45度之間。
其中，所述激光擴束鏡的放大倍率在2倍到8倍之間。 其中，所述光學(xué)聚焦鏡的焦距在60mm到650mm之間。 本發(fā)明根據(jù)塑料中的色素微粒的吸收特性選擇相應(yīng)波長的激光，對激光標(biāo) 記光斑尺寸、激光脈沖重復(fù)頻率和打標(biāo)速度、填充密度四個參數(shù)綜合考慮統(tǒng)一 設(shè)置，使激光每個脈沖標(biāo)記點相互分開，且每兩個標(biāo)記點之間距離相等，使得 激光在塑料上單點的能量達到一個試塑料中的色素完全變色，但又不傷害到基 礎(chǔ)塑料基底的一個值，使激光在塑料上產(chǎn)生清晰及高效率標(biāo)記效果的在塑料上 的激光標(biāo)記方法。

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
圖1為本發(fā)明在塑料上的激光標(biāo)記方法的原理示意圖； 圖2為圖1所示方法的局部示意圖3為圖1所示方法的激光能量密度分布與標(biāo)記單點效果示意圖； 圖4為圖1所示方法的激光一次照射、兩次照射和三次照射后標(biāo)記單點效 果示意圖5為圖1所示方法的標(biāo)記單點重疊后效果示意圖6為采用本發(fā)明方法在一種防火塑料上標(biāo)記的效果示意圖。
具體實施方式


本發(fā)明涉及一種在塑料上的激光標(biāo)記方法，尤其是指在含有色素微粒的塑料 上的激光標(biāo)記方法，圖1中IO為中央控制系統(tǒng)；ll為激光發(fā)生器；外光路傳導(dǎo) 系統(tǒng)，包括第一激光反射鏡12、第二激光反射鏡19、激光擴束鏡13及光學(xué) 聚焦鏡15，其中光學(xué)聚焦鏡15為f 9聚焦鏡；16為被標(biāo)記塑料，該塑料含有色素 微粒， 一般用于低壓電器外殼上的防火塑料、或用于電線外包皮的防火塑料、 或用于醫(yī)療用途的塑料、或用于工業(yè)包裝材料的塑料和所有包含色素的塑料； 17為標(biāo)記的點陣；18為升降工作臺，以下為本激光標(biāo)記方法的步驟。
首先，根據(jù)被標(biāo)記塑料16中的色素微粒的吸收特性選擇相應(yīng)波長的激光， 根據(jù)塑料16中的色素吸收譜線的特性，可選紅外波段，可見波段和紫外波段的 激光，而大部分色素對于紫外到可見波段激光反應(yīng)敏感，優(yōu)選150nm到560nm 波段的激光，本實施例中選取了激光發(fā)生器11波長為355nm的全固體調(diào)Q紫外激光發(fā)生器。激光脈沖重復(fù)頻率的選取，主要根據(jù)激光發(fā)生器11輸出特性可從1Hz到200kHz,考慮到作用在塑料上的能量密度需求和控制系統(tǒng)速度的限制，激光脈沖 重復(fù)頻率優(yōu)選于1kHz到100kHz。接著，通過中央控制系統(tǒng)IO使激光發(fā)生器11出激光，激光通過外光路傳 導(dǎo)系統(tǒng)激光進入振鏡組14， g卩激光首先通過第一激光反射鏡12，改變激光傳 輸方向進入第二激光反射鏡19，再把激光傳導(dǎo)進擴束鏡13，其中，第一、第二 激光反射鏡12、 19是鍍有對加工激光波長大于98%反射率的膜層，且反射角度 在10度到45度之間；擴束鏡13為2到8倍的可變倍數(shù)擴束鏡，根據(jù)激光聚焦 原理，擴束倍數(shù)越大，焦點處最小光斑的直徑越?。槐粩U束后的激光通過振鏡 組14的傳導(dǎo)到光學(xué)聚焦鏡15上，通過光學(xué)聚焦鏡15的聚焦功能，激光被聚焦 在被標(biāo)記塑料16上，形成單個標(biāo)記點，接著調(diào)節(jié)升降工作臺18可以使被標(biāo)記 塑料16上下移動，從而可選擇正焦標(biāo)記和偏焦標(biāo)記。最后，通過在中央控制系統(tǒng)10中對激光發(fā)生器11和振鏡組14的參數(shù)設(shè)置， 使一定能量的激光通過振鏡組14的高速擺動在被標(biāo)記塑料16形成一個點陣的 填充標(biāo)記。激光每個脈沖標(biāo)記點互相分開，每兩個標(biāo)記點之間相互分開且距離相等， 距離應(yīng)該小于60pm，當(dāng)大于60)im時，總體標(biāo)記的宏觀顏色會變淡，同時分辨 率降低，人眼可明顯看出單點形狀。本標(biāo)記方法的局部示意圖如圖2所示，圖中16為被標(biāo)記塑料；20為激光標(biāo) 記的"H"字母圖案；21為放大"H"字母圖案觀察到的激光標(biāo)記的單點；22 為激光標(biāo)記的每個單點間的距離。由于激光標(biāo)記的單點21是由單一一個激光脈沖作用在被標(biāo)記塑料16上形成的。激光標(biāo)記的單點21的直徑大小是由擴束鏡13，光學(xué)聚焦鏡15，升降工 作臺18決定的。其中，擴束鏡13調(diào)節(jié)的擴束倍數(shù)越大，焦點處光斑的直徑越 小，反之則相反；所選取的光學(xué)聚焦鏡15的焦距越大，焦點處光斑的直徑越大， 反之則相反；調(diào)節(jié)升降工作臺18的升降，使被標(biāo)記塑料16表面在焦點位置時， 光斑的直徑最小，當(dāng)偏離焦點位置后，無論是上升還是下降，光斑的直徑都開 始變大，偏離焦點位置越大，光斑的直徑越大。對于擴束鏡13，優(yōu)選的擴束倍率在2到8倍之間；光學(xué)聚焦鏡15的優(yōu)選焦 距在60mm到650mm之間；對激光標(biāo)記光斑尺寸，通過調(diào)節(jié)擴束鏡13倍率， 選取光學(xué)聚焦鏡15焦距，和改變距焦點位置可以實現(xiàn)標(biāo)記光斑直徑從6|am到 10mm，但考慮到激光器輸出能量的限制和分辨率不宜太低的情況，標(biāo)記光斑直 徑優(yōu)選于2(^m到250pm之間，g卩激光光斑直徑在20pm到250jim之間；升 降工作臺18的離焦距離優(yōu)選于土20mm之間。為了避免總體標(biāo)記的宏觀顏色變淡，同時分辨率降低，人眼可明顯看出單 點形狀的情況，激光標(biāo)記的每個單點間的距離22應(yīng)在0|am到60pm之間。同時，為保證激光標(biāo)記的單點21的顏色深度和均勻性，根據(jù)激光標(biāo)記的單 點21直徑的大小，計算出單點的表面積，通過調(diào)節(jié)中央控制系統(tǒng)10中的參數(shù)， 改變激光發(fā)生器11的激光輸出單脈沖能量大小，使得單脈沖能量除于單點的表 面積所得到的能量密度的值是一個可以使塑料中的色素完全變色，但又不傷害 到基礎(chǔ)塑料基底的數(shù)值，通過實驗證明此值在3J/ci^到8J/cn^之間。當(dāng)小于 3J/cm^寸，激光標(biāo)記的單點21的顏色會變淡；當(dāng)大于8J/crr^時，被標(biāo)記塑料16 的基礎(chǔ)塑料基底會被損傷。圖3為激光能量密度分布與標(biāo)記單點效果示意圖，圖3中的30表示3J/cm2 的激光能量密度值；31表示8J/cn^的激光能量密度值；32為第一種激光能量密 度分布情況；33為第二種激光能量密度分布情況；34為第一種激光能量密度分 布情況標(biāo)記的單點橫截面；35為第二種激光能量密度分布情況標(biāo)記的單點橫截 面。從圖3中可以看出第一種激光能量密度分布情況32，它在小于3J/cm2， 3J/cm2到8J/cm2，大于8J/cm2三個部分都有能量密度分布，從第一種激光能量 密度分布情況標(biāo)記的單點橫截面34可看出，能量密度小于3J/cm2的部分無法在 被標(biāo)記塑料16上形成顏色；能量密度在3J/cn^到8J/cm2的部分讓被標(biāo)記塑料 16上被照部分的色素完全變色，形成了標(biāo)記點；而能量密度大于8J/cm2的部分 把被標(biāo)記塑料16的表面燒蝕出了一個凹坑。從第二種激光能量密度分布情況33 可看出，它在小于3J/cm2， 3J/ci^到8J/cr^之間，兩個部分有能量密度分布， 從第二種激光能量密度分布情況標(biāo)記的單點橫截面35可看出，能量密度小于 3J/cm2的部分無法在被標(biāo)記塑料16上形成顏色；能量密度在3J/cm2到8J/cm2的 部分在讓被標(biāo)記塑料16上被照部分的色素完全變色，形成了標(biāo)記點，同時，被 標(biāo)記塑料16的塑料基底未受損傷，標(biāo)記點均勻。激光標(biāo)記光斑尺寸、激光脈沖重復(fù)頻率和打標(biāo)速度、填充密度的具體選擇 應(yīng)該滿足能量密度達到一個使塑料中的色素完全變色，但又不傷害到基礎(chǔ)塑料 基底的一個值，通過實驗證明此值在3J/cm2到8J/cm2之間。具體標(biāo)記速度的范圍可根據(jù)下面公式計算出來激光標(biāo)記速度大于標(biāo)記光 斑直徑乘于脈沖重復(fù)頻率，小于標(biāo)記光斑直徑加上60pm的和乘于脈沖重復(fù)頻 率。標(biāo)記光斑直徑x脈沖重復(fù)頻率 < 標(biāo)記速度 < (標(biāo)記光斑直徑+60nm) x 脈沖重復(fù)頻率其中，激光填充密度大于標(biāo)記光斑直徑，小于標(biāo)記光斑直徑加上60pm。本發(fā)明一種在塑料上的激光標(biāo)記方法，標(biāo)記中的單點是由單一一個激光脈 沖實現(xiàn)的，如果多個激光脈沖在同一個標(biāo)記點疊加，其標(biāo)記單點的效果會變差。 圖4為激光一次照射、兩次照射和三次照射后標(biāo)記單點效果示意圖，把單一加 工脈沖的能量密度控制在3J/cn^到8J/cn^之間，標(biāo)記出的單點效果如激光一次 照射標(biāo)記單點效果40。當(dāng)同一個脈沖在激光一次照射標(biāo)記單點40上再照射一次 后，就形成了激光兩次照射標(biāo)記單點41，而此單點中心的被標(biāo)記塑料16的基底 會被損傷，產(chǎn)生凹坑及飛賤顆粒，影響標(biāo)記單點的黑度和均勻性。主要原因是 第一次照射標(biāo)記單點40已經(jīng)變黑，再進行第二次照射時，被標(biāo)記塑料16的吸 收率會比第一次照射時高，同時能量累加超過了被標(biāo)記塑料16的基底損傷的閾 值。第三次照射的過程和第二次照射一樣，形成第三次照射標(biāo)記單點42，產(chǎn)生 了更深更大的凹坑及更多飛賤顆粒，更差的標(biāo)記單點效果。所以本發(fā)明涉及一 種對于塑料上的激光標(biāo)記方法中的標(biāo)記單點是由單一一個激光脈沖實現(xiàn)的。本發(fā)明一種在塑料上的激光標(biāo)記方法中的標(biāo)記單點互相之間不重疊，且每 個單點間的距離22應(yīng)在Opm到60|iim之間。圖5為標(biāo)記單點重疊后效果示意圖，50為標(biāo)記單點；51為標(biāo)記單點的重疊 部分。標(biāo)記單點的重疊部分51中會出現(xiàn)凹坑及飛賤顆粒等影響標(biāo)記的顏色深度 和均勻性，其產(chǎn)生的原理和激光兩次照射標(biāo)記單點效果41形成的原理一樣。所 以本發(fā)明要求標(biāo)記單點互相之間不重疊。圖6為采用本發(fā)明方法在一種防火塑料上標(biāo)記的效果示意圖，標(biāo)記參數(shù)為標(biāo)記單點直徑70)im;激光脈沖頻率20kHz;填充密度0.08mm;標(biāo)記速度1600mm/s; 標(biāo)記單點能量密度3.7J/cm2。本發(fā)明根據(jù)塑料中的色素吸收特性選擇相應(yīng)波長的激光，對激光標(biāo)記光斑 尺寸、激光脈沖重復(fù)頻率和標(biāo)記速度、填充密度四個參數(shù)綜合考慮統(tǒng)一設(shè)置， 使激光每個脈沖標(biāo)記點互相分開，且每兩個標(biāo)記點之間距離相等。同時，根據(jù) 激光標(biāo)記光斑尺寸，調(diào)節(jié)激光輸出參數(shù)，使其在塑料上單點的能量密度達到一 個使塑料中的色素完全變色，但又不傷害到基礎(chǔ)塑料基底的一個值。通過一套 外光路整形傳導(dǎo)系統(tǒng)和軟件振鏡控制系統(tǒng)，把設(shè)置好的激光按一定速度和填充 密度作用到塑料上，產(chǎn)生一個標(biāo)記。標(biāo)記點與標(biāo)記點之間的分開有助于在保證 效果的同時提高標(biāo)記的效率。
權(quán)利要求
1.一種在塑料上的激光標(biāo)記方法，選定含有色素微粒的被標(biāo)記塑料(16)，其特征在于，該方法包括如下步驟設(shè)置被標(biāo)記塑料(16)與外光路傳導(dǎo)系統(tǒng)的相對位置；中央控制系統(tǒng)(10)使激光發(fā)生器(11)發(fā)出激光；激光通過外光路傳導(dǎo)系統(tǒng)進入振鏡組(14)；激光通過振鏡組(14)高速擺動在被標(biāo)記塑料(16)上，形成單個標(biāo)記點；中央控制系統(tǒng)(10)繼續(xù)使激光發(fā)生器(11)發(fā)出激光，使一定能量的激光通過外光路傳導(dǎo)系統(tǒng)進入振鏡組(14)激光通過振鏡組(14)高速擺動在被標(biāo)記塑料(16)形成一個點陣的填充標(biāo)記；其中，激光每個脈沖標(biāo)記點互相分開，且每兩個標(biāo)記點之間距離相等。
2. 如權(quán)利要求1所述的在塑料上的激光標(biāo)記方法，其特征在于所述塑料為用 于低壓電器外殼上的防火塑料、或用于電線外包皮的防火塑料、或用于醫(yī)療用 途的塑料、或用于工業(yè)包裝材料等含有色素微粒的塑料。
3. 如權(quán)利要求1所述的在塑料上的激光標(biāo)記方法，其特征在于所述激光發(fā)生器為波長在150nm到560nm之間的全固體調(diào)Q激光發(fā)生器。
4. 如權(quán)利要求1所述的在塑料上的激光標(biāo)記方法，其特征在于激光脈沖重復(fù) 頻率在lkHz到100kHz之間。
5. 如權(quán)利要求l所述的在塑料上的激光標(biāo)記方法，其特征在于激光標(biāo)記光斑 直徑在20pm到250)im之間。
6. 如權(quán)利要求5所述的在塑料上的激光標(biāo)記方法，其特征在于實現(xiàn)激光標(biāo)記光斑直徑在2(Hun到250pm之間變化的方法是，按照激光照射到塑料的方向， 調(diào)節(jié)承載塑料的升降工作臺偏離焦點位置，偏離焦點位置的距離在土20mm之間。
7. 如權(quán)利要求1所述的在塑料上的激光標(biāo)記方法，其特征在于激光標(biāo)記速度 大于標(biāo)記光斑直徑乘于脈沖重復(fù)頻率，小于標(biāo)記光斑直徑加上60pm的和乘于脈 沖重復(fù)頻率。
8. 如權(quán)利要求1所述的在塑料上的激光標(biāo)記方法，其特征在于激光填充密度 大于標(biāo)記光斑直徑，小于標(biāo)記光斑直徑加上60|am。
9. 如權(quán)利要求1所述的在塑料上的激光標(biāo)記方法，其特征在于被標(biāo)記塑料上 被標(biāo)記單點的能量密度范圍在3J/cm2到8J/cn^之間。
10. 如權(quán)利要求1所述的在塑料上的激光標(biāo)記方法，其特征在于所述外光路傳導(dǎo)系統(tǒng)包括激光反射鏡、激光擴束鏡、光學(xué)聚焦鏡，由激光發(fā)生器射出的激光，激光通過反射鏡把其傳導(dǎo)進擴束鏡。被擴束后的激光通過振鏡組的傳導(dǎo)到 光學(xué)聚焦鏡，通過光學(xué)聚焦鏡的聚焦，激光被聚焦在被標(biāo)記塑料上，形成單個標(biāo)記點。
11. 如權(quán)利要求10所述的在塑料上的激光標(biāo)記方法，其特征在于所述激光反射鏡是鍍有對加工激光波長大于98%反射率的膜層，且反射角度在10度到45 度之間。
12. 如權(quán)利要求10所述的在塑料上的激光標(biāo)記方法，其特征在于所述激光擴束鏡的放大倍率在2倍到8倍之間。
13. 如權(quán)利要求10所述的在塑料上的激光標(biāo)記方法，其特征在于所述光學(xué)聚焦鏡的焦距在60mm到650mm之間。
全文摘要
一種在塑料上的激光標(biāo)記方法，選定含有色素微粒的被標(biāo)記塑料，該方法包括如下步驟設(shè)置被標(biāo)記塑料與外光路傳導(dǎo)系統(tǒng)的相對位置；中央控制系統(tǒng)使激光發(fā)生器發(fā)出激光；激光通過外光路傳導(dǎo)系統(tǒng)進入振鏡組；激光通過振鏡組高速擺動在被標(biāo)記塑料上，形成單個標(biāo)記點；中央控制系統(tǒng)繼續(xù)使激光發(fā)生器發(fā)出激光，使一定能量的激光通過外光路傳導(dǎo)系統(tǒng)進入振鏡組激光通過振鏡組高速擺動在被標(biāo)記塑料形成一個點陣的填充標(biāo)記。本發(fā)明根據(jù)塑料中的色素微粒的吸收特性選擇相應(yīng)波長的激光，且每兩個標(biāo)記點之間距離相等，使得激光在塑料上單點的能量達到一個使塑料中的色素完全變色，但又不傷害到基礎(chǔ)塑料基底的一個值，使激光在塑料上產(chǎn)生清晰及高效率標(biāo)記效果。
文檔編號B41M5/26GK101564947SQ200910107528
公開日2009年10月28日 申請日期2009年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月25日
發(fā)明者呂啟濤, 周宇超, 馬淑貞, 高云峰 申請人:深圳市大族激光科技股份有限公司