一種在塑料上的雷射標記方法
2023-10-26 17:56:12 3
專利名稱：一種在塑料上的雷射標記方法
一種在塑料上的雷射標記方法
技術領域：
本發明涉及一種在塑料上的雷射標記方法，尤其是指在含有色素微粒的塑 料上的雷射標記方法。
背景技術：
塑料作為一種耳熟能詳的材料，早已被廣泛的應用在醫療、電器、電子、 包裝等各行各業。近年來，隨著雷射加工產業的高速發展，雷射加工也已滲透 進了塑料加工這個行業。對於塑料材料，雷射標記憑藉著其實時性，不易掉色 性，無耗材等優勢在慢慢取代原有的油墨噴碼，絲印等傳統標記工藝。
根據塑料本身的特性和雷射波長的特性，雷射在塑料上標記主要分為以下 三種標記工藝原理1.雷射刻蝕法既用雷射在塑料表面進行燒蝕，去除一部 分材料，形成一個雕刻槽，從而產生視覺對比，產生標記效果，這種原理與激 光在金屬上標識原理一樣，雷射能量越大，雕刻槽越深，對比度越高；2.雷射 起泡法雷射作用在塑料表面，使塑料表面溶融後重新凝固，形成一個突起的 氣泡團，此氣泡團與未加工塑料產生視覺對比，產生標記效果；3.雷射變色法 對於一部分含有色素微粒的塑料，選用其色素吸收敏感波段的雷射對其進行加 工，可以使色素微粒顏色改變，而同時對基礎塑料基底不產生損傷，此種方法 加工出來的標記，從表面的平滑度顏色的對比度和標記的解析度，均要比雷射刻蝕法和雷射起泡法要高。
發明內容
本發明提供一種在雷射變色法的基礎上，研究出雷射波長、能量密度、光 斑疊加率、雷射標記光斑尺寸、雷射脈衝重複頻率和標記速度、填充密度、離 焦距離等參數的範圍，使雷射在塑料上產生清晰及高效率標記效果的在塑料上 的雷射標記方法。
本發明所採用的技術方案是提供一種在塑料上的雷射標記方法，選定含有 色素微粒的被標記塑料，該方法包括如下步驟
設置被標記塑料與外光路傳導系統的相對位置；
中央控制系統使雷射發生器發出雷射；
雷射通過外光路傳導系統進入振鏡組；
雷射通過振鏡組高速擺動在被標記塑料上，形成單個標記點； 中央控制系統繼續使雷射發生器發出雷射，使一定能量的雷射通過外光路
傳導系統進入振鏡組雷射通過振鏡組高速擺動在被標記塑料形成一個點陣的填
充標記；其中，雷射每個脈衝標記點互相分開，且每兩個標記點之間距離相等。 其中，所述塑料為用於低壓電器外殼上的防火塑料、或用於電線外包皮的
防火塑料、或用於醫療用途的塑料、或用於工業包裝材料等含有色素微粒的塑料。
其中，所述雷射發生器為波長在150nm到560nm之間的全固體調Q雷射發 生器。 '
其中，雷射脈衝重複頻率在lkHz到100kHz之間。其中，雷射標記光斑直徑在2(Him到250iam之間。
其中，實現雷射標記光斑直徑在20nm到250|im之間變化的方法是，按照 雷射照射到塑料的方向，調節承載塑料樣品的升降工作檯偏離焦點位置，偏離 焦點位置的距離在土20mm之間。
其中，雷射標記速度大於標記光斑直徑乘於脈衝重複頻率，小於標記光斑 直徑加上60pm的和乘於脈衝重複頻率。
其中，雷射填充密度大於標記光斑直徑，小於標記光斑直徑加上60)am。 其中，被標記塑料上被標記單點的能量密度範圍在3J/cr^到8J/cn^之間。 其中，所述外光路傳導系統包括雷射反射鏡、雷射擴束鏡、光學聚焦鏡， 由雷射發生器射出的雷射，雷射通過反射鏡把其傳導進擴束鏡。被擴束後的激 光通過振鏡組的傳導到光學聚焦鏡，通過光學聚焦鏡的聚焦，雷射被聚焦在被 標記塑料上，形成單個標記點。
其中，所述雷射反射鏡是鍍有對加工雷射波長大於98%反射率的膜層，且 反射角度在10度到45度之間。
其中，所述雷射擴束鏡的放大倍率在2倍到8倍之間。 其中，所述光學聚焦鏡的焦距在60mm到650mm之間。 本發明根據塑料中的色素微粒的吸收特性選擇相應波長的雷射，對雷射標 記光斑尺寸、雷射脈衝重複頻率和打標速度、填充密度四個參數綜合考慮統一 設置，使雷射每個脈衝標記點相互分開，且每兩個標記點之間距離相等，使得 雷射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 礎塑料基底的一個值，使雷射在塑料上產生清晰及高效率標記效果的在塑料上 的雷射標記方法。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖1為本發明在塑料上的雷射標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所示方法的雷射能量密度分布與標記單點效果示意圖； 圖4為圖1所示方法的雷射一次照射、兩次照射和三次照射後標記單點效 果示意圖5為圖1所示方法的標記單點重疊後效果示意圖6為採用本發明方法在一種防火塑料上標記的效果示意圖。
具體實施方式
本發明涉及一種在塑料上的雷射標記方法，尤其是指在含有色素微粒的塑料 上的雷射標記方法，圖1中IO為中央控制系統；ll為雷射發生器；外光路傳導 系統，包括第一雷射反射鏡12、第二雷射反射鏡19、雷射擴束鏡13及光學 聚焦鏡15，其中光學聚焦鏡15為f 9聚焦鏡；16為被標記塑料，該塑料含有色素 微粒， 一般用於低壓電器外殼上的防火塑料、或用於電線外包皮的防火塑料、 或用於醫療用途的塑料、或用於工業包裝材料的塑料和所有包含色素的塑料； 17為標記的點陣；18為升降工作檯，以下為本雷射標記方法的步驟。
首先，根據被標記塑料16中的色素微粒的吸收特性選擇相應波長的雷射， 根據塑料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 雷射，而大部分色素對於紫外到可見波段雷射反應敏感，優選150nm到560nm 波段的雷射，本實施例中選取了雷射發生器11波長為355nm的全固體調Q紫外雷射發生器。雷射脈衝重複頻率的選取，主要根據雷射發生器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速度的限制，雷射脈衝 重複頻率優選於1kHz到100kHz。接著，通過中央控制系統IO使雷射發生器11出雷射，雷射通過外光路傳 導系統雷射進入振鏡組14， g卩雷射首先通過第一雷射反射鏡12，改變雷射傳 輸方向進入第二雷射反射鏡19，再把雷射傳導進擴束鏡13，其中，第一、第二 雷射反射鏡12、 19是鍍有對加工雷射波長大於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倍的可變倍數擴束鏡，根據雷射聚焦 原理，擴束倍數越大，焦點處最小光斑的直徑越小；被擴束後的雷射通過振鏡 組14的傳導到光學聚焦鏡15上，通過光學聚焦鏡15的聚焦功能，雷射被聚焦 在被標記塑料16上，形成單個標記點，接著調節升降工作檯18可以使被標記 塑料16上下移動，從而可選擇正焦標記和偏焦標記。最後，通過在中央控制系統10中對雷射發生器11和振鏡組14的參數設置， 使一定能量的雷射通過振鏡組14的高速擺動在被標記塑料16形成一個點陣的 填充標記。雷射每個脈衝標記點互相分開，每兩個標記點之間相互分開且距離相等， 距離應該小於60pm，當大於60)im時，總體標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。本標記方法的局部示意圖如圖2所示，圖中16為被標記塑料；20為雷射標 記的"H"字母圖案；21為放大"H"字母圖案觀察到的雷射標記的單點；22 為雷射標記的每個單點間的距離。由於雷射標記的單點21是由單一一個雷射脈衝作用在被標記塑料16上形成的。雷射標記的單點21的直徑大小是由擴束鏡13，光學聚焦鏡15，升降工 作臺18決定的。其中，擴束鏡13調節的擴束倍數越大，焦點處光斑的直徑越 小，反之則相反；所選取的光學聚焦鏡15的焦距越大，焦點處光斑的直徑越大， 反之則相反；調節升降工作檯18的升降，使被標記塑料16表面在焦點位置時， 光斑的直徑最小，當偏離焦點位置後，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。對於擴束鏡13，優選的擴束倍率在2到8倍之間；光學聚焦鏡15的優選焦 距在60mm到650mm之間；對雷射標記光斑尺寸，通過調節擴束鏡13倍率， 選取光學聚焦鏡15焦距，和改變距焦點位置可以實現標記光斑直徑從6|am到 10mm，但考慮到雷射器輸出能量的限制和解析度不宜太低的情況，標記光斑直 徑優選於2(^m到250pm之間，g卩雷射光斑直徑在20pm到250jim之間；升 降工作檯18的離焦距離優選於土20mm之間。為了避免總體標記的宏觀顏色變淡，同時解析度降低，人眼可明顯看出單 點形狀的情況，雷射標記的每個單點間的距離22應在0|am到60pm之間。同時，為保證雷射標記的單點21的顏色深度和均勻性，根據雷射標記的單 點21直徑的大小，計算出單點的表面積，通過調節中央控制系統10中的參數， 改變雷射發生器11的雷射輸出單脈衝能量大小，使得單脈衝能量除於單點的表 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 到基礎塑料基底的數值，通過實驗證明此值在3J/ci^到8J/cn^之間。當小於 3J/cm^寸，雷射標記的單點21的顏色會變淡；當大於8J/crr^時，被標記塑料16 的基礎塑料基底會被損傷。圖3為雷射能量密度分布與標記單點效果示意圖，圖3中的30表示3J/cm2 的雷射能量密度值；31表示8J/cn^的雷射能量密度值；32為第一種雷射能量密 度分布情況；33為第二種雷射能量密度分布情況；34為第一種雷射能量密度分 布情況標記的單點橫截面；35為第二種雷射能量密度分布情況標記的單點橫截 面。從圖3中可以看出第一種雷射能量密度分布情況32，它在小於3J/cm2， 3J/cm2到8J/cm2，大於8J/cm2三個部分都有能量密度分布，從第一種雷射能量 密度分布情況標記的單點橫截面34可看出，能量密度小於3J/cm2的部分無法在 被標記塑料16上形成顏色；能量密度在3J/cn^到8J/cm2的部分讓被標記塑料 16上被照部分的色素完全變色，形成了標記點；而能量密度大於8J/cm2的部分 把被標記塑料16的表面燒蝕出了一個凹坑。從第二種雷射能量密度分布情況33 可看出，它在小於3J/cm2， 3J/ci^到8J/cr^之間，兩個部分有能量密度分布， 從第二種雷射能量密度分布情況標記的單點橫截面35可看出，能量密度小於 3J/cm2的部分無法在被標記塑料16上形成顏色；能量密度在3J/cm2到8J/cm2的 部分在讓被標記塑料16上被照部分的色素完全變色，形成了標記點，同時，被 標記塑料16的塑料基底未受損傷，標記點均勻。雷射標記光斑尺寸、雷射脈衝重複頻率和打標速度、填充密度的具體選擇 應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。具體標記速度的範圍可根據下面公式計算出來雷射標記速度大於標記光 斑直徑乘於脈衝重複頻率，小於標記光斑直徑加上60pm的和乘於脈衝重複頻 率。標記光斑直徑x脈衝重複頻率 < 標記速度 < (標記光斑直徑+60nm) x 脈衝重複頻率其中，雷射填充密度大於標記光斑直徑，小於標記光斑直徑加上60pm。本發明一種在塑料上的雷射標記方法，標記中的單點是由單一一個雷射脈 衝實現的，如果多個雷射脈衝在同一個標記點疊加，其標記單點的效果會變差。 圖4為雷射一次照射、兩次照射和三次照射後標記單點效果示意圖，把單一加 工脈衝的能量密度控制在3J/cn^到8J/cn^之間，標記出的單點效果如雷射一次 照射標記單點效果40。當同一個脈衝在雷射一次照射標記單點40上再照射一次 後，就形成了雷射兩次照射標記單點41，而此單點中心的被標記塑料16的基底 會被損傷，產生凹坑及飛賤顆粒，影響標記單點的黑度和均勻性。主要原因是 第一次照射標記單點40已經變黑，再進行第二次照射時，被標記塑料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，形成第三次照射標記單點42，產生 了更深更大的凹坑及更多飛賤顆粒，更差的標記單點效果。所以本發明涉及一 種對於塑料上的雷射標記方法中的標記單點是由單一一個雷射脈衝實現的。本發明一種在塑料上的雷射標記方法中的標記單點互相之間不重疊，且每 個單點間的距離22應在Opm到60|iim之間。圖5為標記單點重疊後效果示意圖，50為標記單點；51為標記單點的重疊 部分。標記單點的重疊部分51中會出現凹坑及飛賤顆粒等影響標記的顏色深度 和均勻性，其產生的原理和雷射兩次照射標記單點效果41形成的原理一樣。所 以本發明要求標記單點互相之間不重疊。圖6為採用本發明方法在一種防火塑料上標記的效果示意圖，標記參數為標記單點直徑70)im;雷射脈衝頻率20kHz;填充密度0.08mm;標記速度1600mm/s; 標記單點能量密度3.7J/cm2。本發明根據塑料中的色素吸收特性選擇相應波長的雷射，對雷射標記光斑 尺寸、雷射脈衝重複頻率和標記速度、填充密度四個參數綜合考慮統一設置， 使雷射每個脈衝標記點互相分開，且每兩個標記點之間距離相等。同時，根據 雷射標記光斑尺寸，調節雷射輸出參數，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，但又不傷害到基礎塑料基底的一個值。通過一套 外光路整形傳導系統和軟體振鏡控制系統，把設置好的雷射按一定速度和填充 密度作用到塑料上，產生一個標記。標記點與標記點之間的分開有助於在保證 效果的同時提高標記的效率。
權利要求
1.一種在塑料上的雷射標記方法，選定含有色素微粒的被標記塑料(16)，其特徵在於，該方法包括如下步驟設置被標記塑料(16)與外光路傳導系統的相對位置；中央控制系統(10)使雷射發生器(11)發出雷射；雷射通過外光路傳導系統進入振鏡組(14)；雷射通過振鏡組(14)高速擺動在被標記塑料(16)上，形成單個標記點；中央控制系統(10)繼續使雷射發生器(11)發出雷射，使一定能量的雷射通過外光路傳導系統進入振鏡組(14)雷射通過振鏡組(14)高速擺動在被標記塑料(16)形成一個點陣的填充標記；其中，雷射每個脈衝標記點互相分開，且每兩個標記點之間距離相等。
2. 如權利要求1所述的在塑料上的雷射標記方法，其特徵在於所述塑料為用 於低壓電器外殼上的防火塑料、或用於電線外包皮的防火塑料、或用於醫療用 途的塑料、或用於工業包裝材料等含有色素微粒的塑料。
3. 如權利要求1所述的在塑料上的雷射標記方法，其特徵在於所述雷射發生器為波長在150nm到560nm之間的全固體調Q雷射發生器。
4. 如權利要求1所述的在塑料上的雷射標記方法，其特徵在於雷射脈衝重複 頻率在lkHz到100kHz之間。
5. 如權利要求l所述的在塑料上的雷射標記方法，其特徵在於雷射標記光斑 直徑在20pm到250)im之間。
6. 如權利要求5所述的在塑料上的雷射標記方法，其特徵在於實現雷射標記光斑直徑在2(Hun到250pm之間變化的方法是，按照雷射照射到塑料的方向， 調節承載塑料的升降工作檯偏離焦點位置，偏離焦點位置的距離在土20mm之間。
7. 如權利要求1所述的在塑料上的雷射標記方法，其特徵在於雷射標記速度 大於標記光斑直徑乘於脈衝重複頻率，小於標記光斑直徑加上60pm的和乘於脈 衝重複頻率。
8. 如權利要求1所述的在塑料上的雷射標記方法，其特徵在於雷射填充密度 大於標記光斑直徑，小於標記光斑直徑加上60|am。
9. 如權利要求1所述的在塑料上的雷射標記方法，其特徵在於被標記塑料上 被標記單點的能量密度範圍在3J/cm2到8J/cn^之間。
10. 如權利要求1所述的在塑料上的雷射標記方法，其特徵在於所述外光路傳導系統包括雷射反射鏡、雷射擴束鏡、光學聚焦鏡，由雷射發生器射出的雷射，雷射通過反射鏡把其傳導進擴束鏡。被擴束後的雷射通過振鏡組的傳導到 光學聚焦鏡，通過光學聚焦鏡的聚焦，雷射被聚焦在被標記塑料上，形成單個標記點。
11. 如權利要求10所述的在塑料上的雷射標記方法，其特徵在於所述雷射反射鏡是鍍有對加工雷射波長大於98%反射率的膜層，且反射角度在10度到45 度之間。
12. 如權利要求10所述的在塑料上的雷射標記方法，其特徵在於所述雷射擴束鏡的放大倍率在2倍到8倍之間。
13. 如權利要求10所述的在塑料上的雷射標記方法，其特徵在於所述光學聚焦鏡的焦距在60mm到650mm之間。
全文摘要
一種在塑料上的雷射標記方法，選定含有色素微粒的被標記塑料，該方法包括如下步驟設置被標記塑料與外光路傳導系統的相對位置；中央控制系統使雷射發生器發出雷射；雷射通過外光路傳導系統進入振鏡組；雷射通過振鏡組高速擺動在被標記塑料上，形成單個標記點；中央控制系統繼續使雷射發生器發出雷射，使一定能量的雷射通過外光路傳導系統進入振鏡組雷射通過振鏡組高速擺動在被標記塑料形成一個點陣的填充標記。本發明根據塑料中的色素微粒的吸收特性選擇相應波長的雷射，且每兩個標記點之間距離相等，使得雷射在塑料上單點的能量達到一個使塑料中的色素完全變色，但又不傷害到基礎塑料基底的一個值，使雷射在塑料上產生清晰及高效率標記效果。
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 優先權日2009年5月25日
發明者呂啟濤, 周宇超, 馬淑貞, 高雲峰 申請人:深圳市大族雷射科技股份有限公司