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        光纖激光打標(biāo)工藝對黑色PMMA材料打標(biāo)效果的影響

        2021-08-23 05:20:04李全城易承修
        工程塑料應(yīng)用 2021年8期
        關(guān)鍵詞:深度效果

        李全城,易承修

        (1.廈門理工學(xué)院現(xiàn)代工程訓(xùn)練中心,福建廈門 361024; 2.廈門理工學(xué)院機械與汽車工程學(xué)院,福建廈門 361024)

        激光打標(biāo)技術(shù)作為一種現(xiàn)代和新型的標(biāo)刻、標(biāo)識加工方法,與傳統(tǒng)的機械打標(biāo)、噴油墨和貼標(biāo)簽紙等標(biāo)記方法相比,具有不接觸工件、對環(huán)境友好[1]、速度快、標(biāo)記不褪色不丟失[2]等一系列優(yōu)點。因此目前激光打標(biāo)技術(shù)在金屬[3–6]和塑料[7–10]等多種材料的高端制成品的標(biāo)記、標(biāo)識方面得到了快速的發(fā)展和廣泛的運用。

        聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),又稱有機玻璃或亞克力,具有良好的透光性、極佳的耐候性和良好的熱塑加工性,且拉伸等綜合力學(xué)性能又在通用塑料中位居前列[11–12],因此,成為了繼瓷器和鋼具后又一類人們在生產(chǎn)生活中需求量大、作用性強的材料,被廣泛應(yīng)用在裝飾品、廣告招牌和建材等許多行業(yè)中[13]。

        激光打標(biāo)技術(shù)在PMMA材料上的應(yīng)用是未來的一大發(fā)展趨勢,比如激光打標(biāo)可以用來標(biāo)刻PMMA材料的廣告招牌上的文字、圖案、logo等廣告信息,這些標(biāo)刻的信息在背光照射下,即使在黑夜中也依然能像白天一樣清晰可見。截止目前,關(guān)于PMMA材料的打標(biāo)性能的研究文獻(xiàn)很少,學(xué)者們一般通過添加激光功能顏料[14–15]、采用增韌改性技術(shù)或改變材料配方等[16–17]方式來提高打標(biāo)效果,然而打標(biāo)過程中所選用的打標(biāo)速度和激光功率等打標(biāo)工藝參數(shù)對PMMA制品的最終打標(biāo)效果的影響很大,研究激光打標(biāo)工藝參數(shù)對PMMA打標(biāo)效果的影響具有重要的意義。龍學(xué)文等[18]和曾麗娜等[19]都曾對PPMA材料的激光打標(biāo)工藝進(jìn)行了初探,但現(xiàn)有的研究文獻(xiàn)中,較少有系統(tǒng)、深入地研究光纖激光打標(biāo)工藝參數(shù)對PMMA材料打標(biāo)效果的影響的報道,并且目前的相關(guān)文獻(xiàn)主要通過視覺評價打標(biāo)后的效果,缺少科學(xué)的量化手段。筆者以具有較佳打標(biāo)性能的黑色PMMA材料為打標(biāo)對像,在視覺對比打標(biāo)效果的基礎(chǔ)上,又通過測量打標(biāo)時間、打標(biāo)寬度和打標(biāo)深度等可量化的參數(shù),系統(tǒng)研究了激光打標(biāo)工藝參數(shù)對黑色PMMA材料打標(biāo)性能的影響,并通過分析和總結(jié),篩選出了較為合適的打標(biāo)工藝參數(shù)。

        1 實驗部分

        1.1 主要原材料

        PMMA方料板:尺寸為100 mm×100 mm×3 mm,添加有鏡面高光黑色母,東莞市奇凌塑料制品有限公司。

        1.2 主要儀器與設(shè)備

        光纖激光打標(biāo)機:HZZ–M300型,激光波長1064 nm,峰值功率30 W,聚焦場鏡焦距175 mm,打標(biāo)控制軟件EzCad 2.8,廣州華之尊光電科技有限公司;

        顯微鏡:VHX–500型,基恩士(中國)有限公司。

        1.3 光纖激光打標(biāo)實驗

        光纖激光打標(biāo)機及控制軟件如圖1所示,整個打標(biāo)實驗的流程為:將黑色PMMA方料板在夾具上固定好并確定好打標(biāo)位置→把所要打標(biāo)的圖案內(nèi)容(試驗所打標(biāo)的圖案為10 mm×10 mm的區(qū)域內(nèi)均勻分布的50個長方形網(wǎng)格圖案,每個長方形方格的規(guī)格均為0.2 mm×10 mm)導(dǎo)入EzCad 2.8控制軟件中→在控制軟件中通過改變線間距、激光功率、打標(biāo)速度和激光頻率等工藝參數(shù)中的單一工藝參數(shù)來進(jìn)行4組試驗(如表1),分別研究這4個參數(shù)對打標(biāo)效果的影響→打標(biāo)→控制軟件中讀取打標(biāo)時間→打標(biāo)完成后檢測。

        表1 光纖激光打標(biāo)實驗的工藝參數(shù)

        1.4 性能測試

        (1)通過視覺和顯微鏡觀察打標(biāo)后的整體效果。

        (2)由于激光打標(biāo)加工時間的長短會影響注入PMMA基材的激光能量的多少,進(jìn)而對整體打標(biāo)效果產(chǎn)生影響;且打標(biāo)后圖案里的單條線條的標(biāo)記寬度和整體圖案的標(biāo)記深度,也都會影響圖案的整體效果,因此,筆者在觀察圖案整體效果的基礎(chǔ)上,還對激光打標(biāo)時間、單條線條的標(biāo)記寬度和整體圖案的標(biāo)記深度進(jìn)行考察。激光打標(biāo)時間直接在EzCad 2.8控制軟件中讀取,單條線條的打標(biāo)寬度和整體圖案的打標(biāo)深度則分別通過顯微鏡的測量功能和景深功能獲得(對每個打標(biāo)后的PMMA樣品進(jìn)行3次測量,然后取平均值作為各自的最終測量結(jié)果)。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 線間距對黑色PMMA激光打標(biāo)效果的影響

        線間距是指激光在黑色PMMA基材上掃過的兩條相鄰激光掃描線間的距離,會影響最終的打標(biāo)效果。在研究不同的線間距對黑色PMMA材料激光打標(biāo)效果的影響過程中,固定激光功率10%、打標(biāo)速度300 mm/s和激光頻率60 kHz的條件下,獲得的不同線間距下的激光打標(biāo)效果對比圖、打標(biāo)深度變化曲線及打標(biāo)時間分別如圖2、圖3和表2所示。

        圖2 不同線間距的黑色PMMA打標(biāo)效果

        圖3 線間距與打標(biāo)深度的關(guān)系

        表2 不同線間距的激光打標(biāo)時間 s

        從圖2的效果對比圖可以看出,線間距小于0.09 mm時PMMA基材出現(xiàn)了比較明顯的燒焦現(xiàn)象,特別是當(dāng)線間距在0.01~0.05 mm時,甚至出現(xiàn)了非常明顯的汽化現(xiàn)象,基材表面凹凸波動非常大,且整體顏色不均勻,效果極差。線間距在0.13 mm時,打標(biāo)圖案的各處顏色和間距都不均勻,整體的打標(biāo)效果不好。線間距在0.25 mm時,隨著線間距的增大,打標(biāo)出來的圖案顏色偏暗、線條間距偏大,打標(biāo)效果也不好。線間距為0.17~0.21 mm時,打標(biāo)圖案整體顏色均勻,線條邊界清晰、間距合適,且基體表面平整,打標(biāo)效果較好。因此對于本次的黑色PMMA材料打標(biāo)實驗,較為合適的線間距為0.17~0.21 mm。

        從圖3可以看出,線間距為0.01~0.13 mm時,打標(biāo)深度變化很小,線間距為0.13~0.17 mm時,打標(biāo)深度急劇變小,而線間距為0.17~0.25 mm時,打標(biāo)深度又基本不變。這是因為在0.01~0.13 mm范圍內(nèi),線間距過小,這一方面導(dǎo)致了打標(biāo)時間過長(如表2),另一方面又使激光的掃描重疊率過高,進(jìn)而造成了黑色PMMA基材的嚴(yán)重熔化、汽化現(xiàn)象。而當(dāng)線間距過大時(大于0.25 mm),又容易造成打標(biāo)線條間距過大,加工程度不夠,打標(biāo)圖案內(nèi)容不夠清晰。與此同時,因為激光光斑的能量幾乎不受線間距的影響,所以打標(biāo)寬度幾乎不受線間距的影響。在激光功率10%、打標(biāo)速度300 mm/s、激光頻率60 kHz、線間距0.21 mm時測得的打標(biāo)寬度為171 μm,如圖4所示。因此,結(jié)合圖2、圖3、表2和圖4,當(dāng)線間距為0.17~0.21 mm、打標(biāo)時間為1.75~2.12 s、打標(biāo)深度為35.22~36.22 μm、打標(biāo)寬度為171 μm左右時,黑色PMMA的打標(biāo)效果較好。

        圖4 激光功率10%、打標(biāo)速度300 mm/s、激光頻率60 kHz、線間距0.21 mm時的打標(biāo)寬度

        2.2 激光功率對黑色PMMA激光打標(biāo)效果的影響

        試驗所用的激光器的峰值功率為固定值30 W,所以打標(biāo)時只需通過EzCad 2.8控制軟件直接改變峰值功率的百分比,就可以改變激光功率的大小。圖5、圖6分別為不同激光功率下的黒色PMMA激光打標(biāo)效果對比圖和打標(biāo)深度、打標(biāo)寬度變化曲線圖(線間距從2.1節(jié)確定的較好的打標(biāo)效果的區(qū)間內(nèi)選取,為了與圖案的線條間距一致,故將線間距定為0.2 mm,打標(biāo)速度為300 mm/s,激光頻率為20 kHz)。

        從圖5的效果對比圖可以看出,當(dāng)激光功率為40%時,黑色PMMA基材出現(xiàn)了比較明顯的燒焦現(xiàn)象,打標(biāo)線條圖案顏色不均勻,邊界不清晰,表面凹凸不平。隨著激光功率從40%增大85%,熱輸入越來越大,燒焦的現(xiàn)象越來越嚴(yán)重,打標(biāo)效果越來越差。相比之下,當(dāng)激光功率為10%~25%時,打標(biāo)線條圖案顏色均勻,線條清晰,表面平整,打標(biāo)效果相對較好。因此對于本次的黑色PMMA材料的打標(biāo)實驗,比較理想的激光功率為10%~25%。

        圖5 不同激光功率的黑色PMMA打標(biāo)效果

        從圖6可以看出,在其它條件固定的情況下,隨著激光功率從10%增大到85%,打標(biāo)寬度和打標(biāo)深度均增加。這是因為,激光功率越大,激光能量越強,激光和黑色PMMA基材之間的熱作用越強,導(dǎo)致了所打標(biāo)的線條圖案的打標(biāo)寬度和打標(biāo)深度也都逐漸變大。當(dāng)激光功率過大時,會導(dǎo)致基材的燒焦、汽化現(xiàn)象,打標(biāo)效果變差。而當(dāng)激光功率過小時,又會造成打標(biāo)力度不足,打標(biāo)線條圖案不清晰,利用率不足。與此同時,本節(jié)實驗測得的激光打標(biāo)時間始終在1.83 s左右,幾乎不受激光功率的影響。因此,結(jié)合圖5和圖6,當(dāng)激光功率為10%~25%、打標(biāo)寬度和打標(biāo)深度分別為131~144 μm和30.38~39.72 μm、打標(biāo)時間為1.83 s左右時,黑色PMMA的打標(biāo)效果較好。

        圖6 激光功率與打標(biāo)寬度、打標(biāo)深度的關(guān)系

        2.3 打標(biāo)速度對黑色PMMA激光打標(biāo)效果的影響

        在研究打標(biāo)速度變化對黑色PMMA材料激光打標(biāo)效果的影響規(guī)律過程中,分別固定線間距、激光功率和激光頻率為0.2 mm,10% (激光功率從2.2節(jié)確定的較好的打標(biāo)效果的區(qū)間內(nèi)選取,考慮到激光功率為10%時,打標(biāo)圖案效果最好),20 kHz的條件下,獲得的不同打標(biāo)速度的激光打標(biāo)效果對比圖、打標(biāo)寬度與打標(biāo)深度變化曲線及打標(biāo)時間分別如圖7、圖8和表3所示。

        表3 不同打標(biāo)速度的激光打標(biāo)時間 s

        圖7 不同打標(biāo)速度的黑色PMMA打標(biāo)效果

        圖8 打標(biāo)速度與打標(biāo)寬度、打標(biāo)深度的關(guān)系

        從圖7的效果對比圖可以看出,當(dāng)打標(biāo)速度為100 mm/s時,黑色PMMA基材出現(xiàn)了比較明顯的燒焦現(xiàn)象,打標(biāo)線條圖案顏色不均勻,表面凹凸波動大,線條間距過密。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是打標(biāo)速度過小,導(dǎo)致熱輸入過大,對黑色PMMA基材的燒蝕嚴(yán)重。而從打標(biāo)速度700 mm/s開始,打標(biāo)線條圖案開始變暗,打標(biāo)速度達(dá)到1100 mm/s時打標(biāo)線條圖案變暗的現(xiàn)象尤為明顯,甚至出現(xiàn)了有些線條沒能被完整地打標(biāo)出來的現(xiàn)象。相比之下,打標(biāo)速度為300~500 mm/s時,打標(biāo)線條圖案顏色均勻,線條清晰,間距適中,表面平整,打標(biāo)效果較好。因此對于本次的黑色PMMA材料的打標(biāo)實驗,較為理想的打標(biāo)速度為300~500 mm/s。

        從圖8可以看出,打標(biāo)寬度和打標(biāo)深度均隨著打標(biāo)速度的增大而減小。這是由于,在其它條件固定不變的情況下,隨著打標(biāo)速度的增大,一方面打標(biāo)時間變短(如表3),使作用在黑色PMMA基材上的激光能量變少,導(dǎo)致打標(biāo)寬度和打標(biāo)深度變小;另一方面激光脈沖重疊率變小,注入基材的能量也減小,使打標(biāo)寬度和打標(biāo)深度變小。因此,結(jié)合圖7、圖8、表3,當(dāng)打標(biāo)速度為300~500 mm/s、打標(biāo)時間為1.14~1.86 s、打標(biāo)寬度為63~130 μm、打標(biāo)深度為18.56~30.38 μm左右時,黑色PMMA的打標(biāo)效果較理想。

        2.4 激光頻率對黑色PMMA激光打標(biāo)效果的影響

        利用前三節(jié)的研究結(jié)果,把線間距、激光功率和打標(biāo)速度分別定為0.2 mm,10%,300 mm/s (相較于500 mm/s,打標(biāo)速度為300 mm/s時打標(biāo)圖案更明亮)的條件下,研究不同的激光頻率對黑色PMMA基材激光打標(biāo)效果的影響,獲得的打標(biāo)效果對比圖和打標(biāo)深度、打標(biāo)寬度變化曲線分別如圖9和圖10所示。從圖9的效果對比圖可以看出,激光頻率對黑色PMMA基材的打標(biāo)效果影響很小,僅當(dāng)激光頻率在60~120 kHz時,打標(biāo)線條圖案偏暗,而當(dāng)激光頻率為20~40 kHz時(特別是20 kHz時),打標(biāo)線條圖案比較明亮。因此對于本次的黑色PMMA材料的打標(biāo)實驗,比較理想的激光頻率為20~40 kHz。從圖10可以看出,當(dāng)激光頻率為20~120 kHz時,黑色PMMA基材的打標(biāo)寬度隨著激光頻率的增大而略微有所減小,而打標(biāo)深度隨激光頻率的變動幅度很小。這是因為頻率的變大,一方面使得激光打標(biāo)點變多,打過的點又被再次燒蝕掉,導(dǎo)致打標(biāo)線條變暗;另一方面又使得激光脈沖能量縮小,造成熱輸入變小。這兩方面的綜合影響,導(dǎo)致了打標(biāo)深度和打標(biāo)寬度的變化幅度都很小。與此同時,本節(jié)實驗在不同頻率條件下測得的激光打標(biāo)時間始終在1.84 s左右,幾乎不受激光頻率的影響。因此,結(jié)合圖9和圖10,當(dāng)激光頻率為20~40 kHz、打標(biāo)寬度為130~131 μm、打標(biāo)深度為29.35~30.38 μm、打標(biāo)時間在1.84 s左右時,黑色PMMA的打標(biāo)效果較好。

        圖9 激光頻率對黑色PMMA打標(biāo)效果的影響

        圖10 激光頻率與打標(biāo)寬度、打標(biāo)深度的關(guān)系

        在線間距0.2 mm,激光功率10%、打標(biāo)速度300 mm/s、激光頻率20 kHz時測得的打標(biāo)寬度、打標(biāo)深度和打標(biāo)時間分別為130 μm,30.38 μm和1.86 s,如圖11所示。

        圖11 線間距0.2 mm、激光功率10%、打標(biāo)速度300 mm/s、激光頻率20 kHz時的打標(biāo)寬度和打標(biāo)深度

        3 結(jié)論

        (1)線間距、激光功率、打標(biāo)速度對黑色PMMA材料的激光打標(biāo)效果有著重要的影響,而激光頻率的影響比較小。線間距過小、激光功率過大、打標(biāo)速度過慢都會使黑色PMMA出現(xiàn)燒焦、打標(biāo)線條圖案顏色不均勻、表面凹凸不平等現(xiàn)象;線間距過大、激光功率過小、打標(biāo)速度過快都會導(dǎo)致打標(biāo)線條圖案偏暗、模糊甚至斷線、缺失等狀況。

        (2)打標(biāo)時間、打標(biāo)寬度和打標(biāo)深度會間接反應(yīng)出黑色PMMA的打標(biāo)效果,它們過大或過小都不利于打標(biāo)出理想的線條圖案。

        (3)本實驗中的黑色PMMA材料的理想激光打標(biāo)參數(shù)的區(qū)間為線間距0.17~0.21 mm,激光功率10%~25%,打標(biāo)速度300~500 mm/s,激光頻率20~40 kHz。特別地,當(dāng)線間距為0.2 mm、激光功率為10%、打標(biāo)速度為300 mm/s、激光頻率為20 kHz時,打標(biāo)寬度、打標(biāo)深度和打標(biāo)時間分別為130 μm,30.38 μm和1.86 s,此時黑色PMMA的打標(biāo)效果最佳。

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