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激光标记印刷技术的原理

激光是一种与普通光源截然不同的相干光源,由于具有高方向性、高单色性和高能量的特点,激光在印刷业主要应用在计算机直接制版系统、激光照排机、激光打印机、全息图像印刷、电子出版、激光标记印刷等方面。其中,激光标记印刷已占到激光加工业的45.3%,且应用领域仍在发展和扩大。

  激光标记印刷也称激光打标、激光印标,近年来在印刷领域,如包装印刷、票据印刷、防伪标识印刷中的应用越来越多,有些已用于联机生产。本文将系统介绍激光标记印刷技术及相关设备。

  激光标记印刷原理

  激光标记印刷是通过激光打标机实现图文印刷的,其基本原理是,由激光发生器生成高能量的连续激光光束,当激光作用于承印材料时,处于基态的原子跃迁到较高能量状态;处于较高能量状态的原子是不稳定的,会很快回到基态,当原子返回基态时,会以光子或量子的形式释放出额外的能量,并由光能转换为热能,使表面材料瞬间熔融,甚至气化,从而形成图文标记。

  1.激光发生器

  下文将以氪灯激光打标系统为例,说明激光发生器的原理。氪灯通电后,以20kV的高压击穿氪灯中的氪气后,电源自动转换输出电压为100V(5A),维持氪灯连续的弧光放电。在激光发生器中,氪灯位于椭圆形聚光腔的1个焦点上,氪灯产生的弧光经聚光腔反射后,再全部聚焦在另一个焦点--晶体钇铝石榴石(YAG)上,YAG吸收泵浦光后,形成波长为1060nm的连续激光,连续激光在谐振腔中垂直于光轴的前镜和后镜间往返振荡,并从前镜输出。

  2.打标原理

  射频驱动器(RFDriver)控制Q-开关的开关状态,连续激光在Q-开关的作用下,变成峰值功率达110kW的脉冲光波,经过光孔的脉冲光达到阈值后,由谐振腔输出到达扩束镜,光束经扩束镜放大后传输到扫描镜,由伺服电机带动X轴、Y轴方向的扫描镜片旋转进行光扫描,最后经平面聚焦场将激光的功率进一步放大后,聚焦在工作平面上进行打标。整个过程由计算机按程序控制。

  3.激光打标的特点

  激光打标机因其特殊的工作原理,与传统标记方式(移印、喷码、电腐蚀等)相比,具有许多优越性;

  1)非接触加工

  可在任何规则或不规则表面打印标记,且打标后工件不会产生内应力;

  2)材料适用面广

  可在金属、塑料、陶瓷、玻璃、纸张、皮革等不同种类或不同硬度的材料上打印;

  3)可与生产线上的其他设备集成,提高生产线的自动化程度;

  4)标记清晰、持久、美观,并可有效防伪;

  5)使用寿命长、无污染;

  6)运行成本低

  打标速度快且标记一次成型,能耗小,因而运行成本低。

  虽然激光打标机的设备投资比传统标记设备大,但从运行成本而言,使用激光打标机要低得多。

  ①塑封三极管打标:打标机工作速度为10个/秒,若设备折旧以5年计算,打标费用为0.00048元/个。如果使用移印机,其综合运行成本约为0.002元/个,甚至更高。

  ②轴承表面打标:若轴承三等分打字,总共18个4号字,采用振镜式打标机,以氪灯灯管的使用寿命为700小时计算,则每个轴承的打标综合成本为0.00915元。电腐蚀刻字的成本约为0.015元/个。以年产量400万套轴承计算,仅打标一项,1年最少可以降低成本约6.5万元。

  7)加工效率高

  计算机控制下的激光光束可以高速移动(速度达5~7米/秒),打标过程可在数秒内完成。1个标准计算机键盘的印字可在12秒内完成。激光打标系统均配有计算机控制系统,可以与高速流水线灵活配合。

  8)开发速度快

  由于激光技术和计算机技术的结合,用户只要在计算机上编程即可实现激光打印输出,并可随时变换打印设计,从根本上替代了传统的模具制作过程,为缩短产品升级换代周期和柔性生产提供了便利工具。

  9)加工精度高

  激光能以极细的光束作用于材料表面,最细线宽可达到0.05mm。为精密加工和增加防伪功能开创了宽广的应用空间。

  激光印标能满足在极小的塑料制件上印制大量数据的需要。例如,可印制要求更精确,清晰度更高的二维条码,与压印或喷射打标方式相比,有更强的市场竞争力。

  10)维护成本低

  激光打标是非接触式打标,不像模版印标工艺有使用寿命的限制,在批量加工中的维护成本极低。

  11)具有环保性

  激光打标为非接触式打标,节约能源,相对于腐蚀法,避免了化学污染;相对于机械式打标,也可减少噪声污染。

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