專利名稱：一種基于透明材料的激光熔化刻蝕打標(biāo)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種基于透明材料的激光熔化打標(biāo)裝置，該裝置可以在透明材料表面熔化刻蝕出具有可控深度的圖形或微溝槽，屬于微加工領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
激光打標(biāo)技術(shù)是激光加工最大的應(yīng)用領(lǐng)域之一。激光打標(biāo)是利用高能量密度的激光對工件進行局部照射，使表層材料脫離基材或發(fā)生顏色變化的化學(xué)反應(yīng)，從而留下永久性標(biāo)記的一種打標(biāo)方法。激光打標(biāo)可以打出各種文字、符號和圖案等，字符大小可以從毫米到微米量級，這對產(chǎn)品的防偽有特殊的意義。它具有傳統(tǒng)方法(腐蝕、電火花加工、機械刻劃、印刷等)難以比擬的優(yōu)點。1.具有無接觸，無切削力，熱影響小的優(yōu)點，保證了工件的原有精度。同時，對材料的適應(yīng)性較廣，可以在多種材料的表面制作出非常精細的標(biāo)記且耐久性非常好；2.激光的空間控制性和時間控制性很好，對加工對象的材質(zhì)，形狀，尺寸和加工環(huán)境的自由度都很大，特別適用于自動化加工和特殊面加工。且加工方式靈活，既可以適應(yīng)實驗室式的單項設(shè)計的需要，也可以滿足工業(yè)化大批量生產(chǎn)的要求；3.激光刻劃精細，線條可以達到毫米到微米量級；4.激光加工系統(tǒng)與計算機數(shù)控軟件相結(jié)合，構(gòu)成高效自動化加工設(shè)備，可以根據(jù)需求標(biāo)刻各種文字，符號和圖案，具有優(yōu)良的可控性。激光打標(biāo)技術(shù)已被廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)，為優(yōu)質(zhì)，高效，無污染和低成本的現(xiàn)代加工生產(chǎn)開辟了廣闊的前景。激光打標(biāo)根據(jù)加工材料不同有以下幾種常用的方法，1，激光直接刻蝕打標(biāo)。即將激光器發(fā)出的激光束聚焦在打標(biāo)材料的表面，由于材料本身對所采用的激光吸收率高，無需其他外界條件即可實現(xiàn)汽化過程的打標(biāo)工藝。2，激光間接刻蝕打標(biāo)。某些材料如高反光率的金屬和表面光潔的非金屬材料，采用激光直接刻蝕，無法得到需要的標(biāo)刻效果，需要增大幾倍的功率才足以汽化一定較小深度的材料。間接刻蝕打標(biāo)就是在這些材料表面涂覆一層輔助吸收層，以其汽化過程實現(xiàn)相對低功率激光條件下的打標(biāo)效果，減少能量的損耗。直接打標(biāo)的方法適用于大部分對特定激光器輸出波長吸收率高的材料，加工工藝簡單，效果較好，無需后續(xù)處理，但是對于所加工的材料有較大的限制，不適用于大部分透明材料。間接汽化刻蝕的打標(biāo)工藝適用于那些對特定波長吸收率小的材料，能提高激光能量的利用率。然而，這種工藝相對復(fù)雜，需要找到合適的輔助吸收層也并非容易，還增加了后續(xù)的處理工序，有一定的局限性。

實用新型內(nèi)容本實用新型旨在解決目前使用激光直接或間接刻蝕打標(biāo)的方法，透明材料對激光吸收率低難以實現(xiàn)汽化過程刻蝕打標(biāo)的難題，提出了一種基于透明材料的激光熔化刻蝕打標(biāo)裝置和方法。該裝置和方法刻蝕工藝簡單，能在透明材料表面熔化刻蝕出具有可控刻蝕深度的各種圖案，且加工速度快，無需復(fù)雜的后續(xù)處理工藝。為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取了如下技術(shù)方案。本實用新型中的激光熔化刻蝕打標(biāo)裝置包括計算機、激光器、安裝于激光器的激光運動控制系統(tǒng)、工作臺、夾具、凹槽底座、導(dǎo)熱介質(zhì)、透明材料蓋板；其中激光器與計算機相連，工作臺置于激光運動控制系統(tǒng)的下方，導(dǎo)熱介質(zhì)均勻平鋪在凹槽底座的槽中，并用透明材料蓋板作蓋板，通過夾具將其夾緊，固定在工作臺上方，激光器為光纖激光器或Nd:YAG固體激光器。使用上述裝置進行熔化刻蝕打標(biāo)時，其具體的打標(biāo)方法如下(1)將要打標(biāo)的圖像導(dǎo)入到計算機中；(2)將導(dǎo)熱介質(zhì)平鋪在凹槽底座的槽底，并用透明材料蓋板作蓋板，通過夾具將其夾緊，固定在工作臺上方，透明材料蓋板的下表面與激光器發(fā)出的激光束聚焦后的焦點所在平面處于同一平面；所述的導(dǎo)熱介質(zhì)為熔點在1500°C以上，常溫下導(dǎo)熱系數(shù)為8W/m · K以上的材料， 與透明材料具有難溶性，對輻照激光吸收率高?？蔀楸砻婀鉂嵍雀?表面粗糙度Ra小于 500nm)的固體板材，也可以是顆粒度小于5微米的粉末顆粒。若介質(zhì)為固體板材，則將板材置于透明材料蓋板下方，光潔面與蓋板緊貼，并用夾具將二者夾緊固定；若介質(zhì)為粉末顆粒，則將粉末均勻平鋪在凹槽底座板的凹槽中，用透明材料蓋板壓實，并用夾具將三者夾緊固定。(3)通過安裝于計算機的激光打標(biāo)系統(tǒng)軟件讀取待打標(biāo)圖像，設(shè)置激光熔化刻蝕打標(biāo)工藝參數(shù)，參數(shù)包括激光輸出功率、光點掃描速度和激光器重復(fù)頻率，導(dǎo)熱介質(zhì)在該激光作用下能吸收光能，并迅速轉(zhuǎn)化成熱能升高溫度，到達熔化點下；(4)打開激光器，激光運動控制系統(tǒng)根據(jù)計算機輸出的圖像信號進行光點掃描，高能量的激光束透過透明材料蓋板輻照在導(dǎo)熱介質(zhì)與蓋板界面，在透明蓋板下表面上進行激光熔化標(biāo)刻；(5)當(dāng)圖像掃描完畢，松開夾具，取下透明材料蓋板，清除粘附于刻痕周圍的導(dǎo)熱介質(zhì)。所述的夾具將凹槽底座、導(dǎo)熱介質(zhì)和透明材料蓋板從下到上呈包圍狀固定，并可調(diào)節(jié)夾持的松緊度保持透明材料蓋板受力均勻程度與壓力大小。所述的激光運動控制系統(tǒng)為掃描振鏡、數(shù)控激光加工頭或能夠?qū)崿F(xiàn)二維或三維加工的數(shù)控機床。所述的透明材料板為玻璃板或有機高分子透明材料。本實用新型的工作原理是將導(dǎo)熱介質(zhì)置于透明材料下方并保證二者接觸良好， 使用夾具控制二者的接觸壓力，使待刻蝕打標(biāo)面與導(dǎo)熱介質(zhì)整體勻力無縫接觸。激光穿透透明材料蓋板照射在蓋板與介質(zhì)界面的導(dǎo)熱介質(zhì)上，導(dǎo)熱介質(zhì)對使用的激光器輸出波長具有高的吸收率，在吸收輻照的激光能量后，光能在極短時間內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱能，溫度升高，由于導(dǎo)熱介質(zhì)具有良好的導(dǎo)熱性能，將絕大部分熱能快速傳導(dǎo)給緊貼的透明材料，透明材料吸收熱量，溫度達到其熔化點，熔化后脫離基材，從而熔化形成刻痕，達到標(biāo)刻的效果。隨著激光束的移動，打標(biāo)出與激光掃描路徑一致的圖案。[0028]本方法和裝置還可以在透明材料上實現(xiàn)溝槽的刻蝕，且溝槽刻蝕的深度和寬度可以通過控制輸出的激光功率，激光束與導(dǎo)熱介質(zhì)的離焦量，導(dǎo)入圖像的線寬以及掃描次數(shù)來控制。此外，夾具所在的流動的氣氛環(huán)境具有保護和冷卻的功能，對于控制熱影響區(qū)具有較好的作用，能提高熔化刻痕的邊緣清晰度，降低槽底部的粗糙度。本實用新型實驗裝置簡單，成本低廉，易于操作。通過選擇相應(yīng)不同形狀的平面或曲面凹槽底座，可以實現(xiàn)在不同形狀透明材料基板上的熔化刻蝕打標(biāo)，且打標(biāo)圖案的分辨率和邊緣清晰度高。本實用新型還可以在透明材料上刻蝕微通道，通道的深淺和寬窄通過激光參數(shù)和所設(shè)計圖形控制，成形質(zhì)量高于直接激光打標(biāo)刻蝕。

圖1本實用新型中的基于透明材料的激光熔化打標(biāo)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖圖中1，計算機，2，激光器，3，激光運動控制系統(tǒng)，4，夾具，5，打標(biāo)透明材料，6，導(dǎo)熱介質(zhì)，7，凹槽底座，8，工作臺。圖2本實用新型中使用的夾具及工件的放置方法示意圖具體實施方式
結(jié)合附圖對本實用新型作進一步說明本實用新型采用的激光熔化刻蝕打標(biāo)裝置包括的激光器通過數(shù)據(jù)線與安裝的激光打標(biāo)系統(tǒng)軟件的計算機1相連，計算機將控制的激光功率，掃描速度，重復(fù)頻率信號輸入到激光器，激光器2為光纖激光器或Nd: YAG固體激光器。激光器上配備激光運動控制系統(tǒng) 3，將光束導(dǎo)向下方的工作臺上。導(dǎo)熱介質(zhì)盛放在凹槽底座7中，透明材料5蓋在導(dǎo)熱介質(zhì) 6上，被夾具4夾緊，置于加工工作臺8上。使用上述基于透明材料的激光熔化打標(biāo)裝置進行打標(biāo)，其方法如下(1)將要打標(biāo)的圖像導(dǎo)入到計算機中；(2)將導(dǎo)熱介質(zhì)平鋪在凹槽底座的槽底，并用透明材料蓋板作蓋板，通過夾具將其夾緊，固定在工作臺上方，透明材料蓋板的下表面與激光器發(fā)出的激光束聚焦后的焦點所在平面處于同一平面；所述的導(dǎo)熱介質(zhì)為熔點在1500°C以上，常溫下導(dǎo)熱系數(shù)為8W/m · K以上的材料； 導(dǎo)熱介質(zhì)為表面粗糙度Ra小于500nm的固體板材，或是顆粒度小于5微米的粉末顆粒；若介質(zhì)為固體板材，則將板材置于透明材料蓋板下方，光潔面與蓋板緊貼，并用夾具將二者夾緊固定；若介質(zhì)為粉末顆粒，則將粉末均勻平鋪在凹槽底座板的凹槽中，用透明材料蓋板壓實，并用夾具將三者夾緊固定。(3)通過安裝于計算機的激光打標(biāo)系統(tǒng)軟件讀取待打標(biāo)圖像，設(shè)置激光熔化刻蝕打標(biāo)工藝參數(shù)，參數(shù)包括激光輸出功率、光點掃描速度和激光器重復(fù)頻率，導(dǎo)熱介質(zhì)在該激光作用下能吸收光能，并迅速轉(zhuǎn)化成熱能升高溫度，到達熔化點下；(4)打開激光器，激光運動控制系統(tǒng)根據(jù)計算機輸出的圖像信號進行光點掃描，高能量的激光束透過透明材料蓋板輻照在導(dǎo)熱介質(zhì)與蓋板界面，在透明蓋板下表面上進行激光熔化標(biāo)刻；[0043](5)當(dāng)圖像掃描完畢，松開夾具，取下透明材料蓋板，清除粘附于刻痕周圍的導(dǎo)熱介質(zhì)。所述的夾具將凹槽底座、導(dǎo)熱介質(zhì)和透明材料蓋板從下到上呈包圍狀固定，并可調(diào)節(jié)夾持的松緊度保持透明材料蓋板受力均勻程度與壓力大小。所述的激光運動控制系統(tǒng)為掃描振鏡、數(shù)控激光加工頭或能夠?qū)崿F(xiàn)二維或三維加工的數(shù)控機床。所述的透明材料板為玻璃板或有機高分子透明材料。以下實例選用體積小、光束質(zhì)量好、加工方便的光纖激光器，波長為1064nm，激光控制系統(tǒng)采用掃描振鏡，加工速度快；以熔點2050°C，常溫下導(dǎo)熱系數(shù)為10W/m · K，粉末顆粒直徑Ium的氧化鋁Al2O3粉末，以及表面粗糙度為500nm的氧化鋁陶瓷片為導(dǎo)熱介質(zhì)，；以 Imm厚透明有機玻璃板材為凹槽底座；選擇3. 2mm厚超白玻璃和2mm厚的透明亞克力為材料進行熔化打標(biāo)及精密劃線。實施例1 在3. 2mm厚超白玻璃上制作“兔年吉祥”圖案將Al2O3粉末均勻鋪陳在有機玻璃凹槽底座中，直至填滿整個凹槽，刮去多于的粉末，使粉末上表面與凹槽底座上表面持平，凹槽深度為1mm，平面尺寸為32mmX22mm。將 3. 2mm厚，平面尺寸為30mmX 18mm的超白玻璃蓋在粉末上，均勻壓實，放在夾具上夾緊。然后將其放于工作臺上，激光聚焦于超白玻璃與導(dǎo)熱粉末接觸的平面上。所需標(biāo)刻的圖案輪廓尺寸為30mmX20mm，圖片像素為300dpi。導(dǎo)入到計算機后，通過激光器發(fā)出的指示激光對準(zhǔn)打標(biāo)的透明亞克力板輪廓。設(shè)置加工參數(shù)為激光功率20W，掃描速度300mm/s頻率 20KHZ。打開激光器，使激光按照設(shè)定的加工參數(shù)進行掃描，掃描次數(shù)為2次。掃描完畢松開夾具，取出超白玻璃，以流動的自來水沖除熔化刻蝕過程中，由于熔化黏附在刻痕周圍的粉末并用超聲波清洗，即可在超白玻璃上得到刻痕清晰，圖像空間分辨率為12線對/毫米的熔化打標(biāo)圖案。實施例2 在3. 2mm厚超白玻璃上制作精密劃線將Al2O3粉末均勻鋪陳在有機玻璃凹槽底座中，直至填滿整個凹槽，刮去多于的粉末，使粉末上表面與凹槽底座上表面持平，凹槽深度為1mm，平面尺寸為32mmX22mm。將 3. 2mm厚，平面尺寸為30mmX 15mm的超白玻璃蓋在粉末上，均勻壓實，放在夾具上夾緊。然后將其放于工作臺上，激光聚焦于透明亞克力與導(dǎo)熱粉末接觸的平面上。在計算機的控制軟件中繪制長度為20mm，線寬為0. 15mm的水平直線，設(shè)置加工參數(shù)為激光功率20W，掃描速度300mm/s頻率20KHZ。打開激光器，使激光按照設(shè)定的加工參數(shù)進行掃描，掃描次數(shù)根據(jù)刻蝕深度設(shè)定。掃描完畢松開夾具，取出超白玻璃蓋板，以流動的自來水沖除熔化刻蝕過程中，由于熔化黏附在刻痕周圍的粉末。并用超聲波清洗，即可在超白玻璃上得到刻寬度為 0. 18mm,深度為320 μ m,底面粗糙度Ra = 2. 62 μ m的微溝槽。實施例3 在2mm厚透明亞克力上制作“兔年吉祥”圖案將Al2O3粉末均勻鋪陳在有機玻璃凹槽底座中，直至填滿整個凹槽，刮去多于的粉末，使粉末上表面與凹槽底座上表面持平，凹槽深度為1mm，平面尺寸為32mmX 22mm。將2mm 厚，平面尺寸為30mmX 20mm的透明亞克力蓋在粉末上，均勻壓實，放在夾具上夾緊。然后將其放于工作臺上，激光聚焦于透明亞克力與導(dǎo)熱粉末接觸的平面上。所需標(biāo)刻的小兔圖案輪廓尺寸為30mmX20mm，圖片像素為300dpi，導(dǎo)入到計算機后，通過激光器發(fā)出的指示激光對準(zhǔn)打標(biāo)的透明亞克力板輪廓。設(shè)置加工參數(shù)為激光功率20W，掃描速度300mm/s頻率 20KHZ。打開激光器，使激光按照設(shè)定的加工參數(shù)進行掃描，掃描次數(shù)為2次。掃描完畢松開夾具，取出透明亞克力蓋板，以流動的自來水沖除熔化刻蝕過程中，由于熔化黏附在刻痕周圍的粉末并用超聲波清洗，即可在透明亞克力板材上得到圖像輪廓邊緣清楚，分辨率高的熔化打標(biāo)圖案。實施例4 在2mm厚透明亞克力上精密劃線將Al2O3粉末均勻鋪陳在有機玻璃凹槽底座中，直至填滿整個凹槽，刮去多于的粉末，使粉末上表面與凹槽底座上表面持平，凹槽深度為1mm，平面尺寸為32mmX 22mm。將2mm 厚，平面尺寸為30mmX 20mm的透明亞克力蓋在粉末上，均勻壓實，放在夾具上夾緊。然后將其放于工作臺上，激光聚焦于透明亞克力與導(dǎo)熱粉末接觸的平面上。在計算機的控制軟件中繪制長度為20mm，線寬為0. 15mm的水平直線，設(shè)置加工參數(shù)為激光功率20W，掃描速度 300mm/s頻率20KHZ。打開激光器，使激光按照設(shè)定的加工參數(shù)進行掃描，掃描次數(shù)根據(jù)刻蝕深度設(shè)定。掃描完畢松開夾具，取出透明亞克力蓋板，以流動的自來水沖除熔化刻蝕過程中，由于熔化黏附在刻痕周圍的粉末并用超聲波清洗，即可在透明亞克力板材上得到刻寬度為0. 21mm,深度為200 μ m,底面粗糙度Ra = 1. 43 μ m的微溝槽。實施例5 使用氧化鋁陶瓷片為導(dǎo)熱介質(zhì)在在3. 2mm厚超白玻璃上刻字將氧化鋁陶瓷片及超白玻璃用超聲波清洗機清洗干凈，晾干后將二者光潔面緊貼，放在夾具上夾緊，放于工作臺上，激光聚焦于超白玻璃與氧化鋁陶瓷片接觸的平面上。 所需標(biāo)刻的字體輪廓尺寸為15mmX2mm，導(dǎo)入到計算機后，通過激光器發(fā)出的指示激光對準(zhǔn)氧化鋁陶瓷和超白玻璃接觸位置。設(shè)置加工參數(shù)為激光功率20W，掃描速度300mm/s頻率 20KHZ。打開激光器，使激光按照設(shè)定的加工參數(shù)進行掃描，掃描次數(shù)為2次。掃描完畢松開夾具，取出超白玻璃，以流動的自來水沖除熔化刻蝕過程中，黏附在刻痕周圍的熔渣。并用超聲波清洗，即在超白玻璃上得到刻痕清晰，邊緣突出的激光熔化標(biāo)刻文字，其空間分辨率為20線對/毫米。
權(quán)利要求1. 一種基于透明材料的激光熔化刻蝕打標(biāo)裝置，其特征在于包括計算機、激光器、安裝于激光器的激光運動控制系統(tǒng)、工作臺、夾具、凹槽底座、導(dǎo)熱介質(zhì)、透明材料蓋板；其中 激光器與計算機相連，工作臺置于激光運動控制系統(tǒng)的下方，導(dǎo)熱介質(zhì)均勻平鋪在凹槽底座的槽中，并用透明材料蓋板作蓋板，通過夾具將其夾緊，固定在工作臺上方，激光器為光纖激光器或Nd: YAG固體激光器。
專利摘要本實用新型公開了一種基于透明材料的激光熔化刻蝕打標(biāo)裝置，解決了對透明材料高透射率的激光打標(biāo)的難題，屬微加工領(lǐng)域。該裝置包括激光器、計算機、激光打標(biāo)系統(tǒng)軟件、運動控制系統(tǒng)、工作臺、夾具、凹槽底座、導(dǎo)熱介質(zhì)、透明材料板。激光器與計算機相連，工作臺置于運動控制系統(tǒng)下方，導(dǎo)熱介質(zhì)平鋪在凹槽底座，透明材料作蓋板，用夾具將其固定在工作臺上方。打標(biāo)時激光通過運動控制系統(tǒng)聚焦在透明材料與導(dǎo)熱介質(zhì)的接觸面，介質(zhì)吸收激光能量轉(zhuǎn)化為熱量傳導(dǎo)給緊密接觸的透明材料，使其在極短時間達到熔化點，從而脫離基材，實現(xiàn)刻痕。本實用新型實現(xiàn)在透明材料上的激光熔化刻蝕打標(biāo)，打標(biāo)圖案的分辨率和邊緣銳度高，微溝槽底面粗糙度在微米級。
文檔編號B41J2/435GK202053685SQ201120113919
公開日2011年11月30日 申請日期2011年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月18日
發(fā)明者何超, 劉富榮, 李曉剛, 陳繼民 申請人:北京工業(yè)大學(xué)