激光雕刻与标记打印技术

当激光技术作为雕刻和标记打印技术时，它将会在模具制造中占有一席之地。

激光雕刻和激光标记打印技术正在模具制造行业中兴起。通过这项技术可以满足对零件识别、制造工艺及成品质量跟踪等需求的日益增长。采用激光技术具有加工表面光滑、在模具上打印纹理图形、节约费用和时间等优势。

模具制造商不但可以利用这种方法在模具上打印标记，还可进行模具的纹理加工和模腔的雕刻加工。所有这一切都不需要增加材料和液体等项目的额外投资费用。模具制造商只要购置一台激光加工机就可以完成这些任务，也可以寻求外协单位帮助解决。

激光器的工作原理

激光器是利用受激发射光波放大原理制成的，通常一种物质通过自然激发会发射出光线，其中有一个原子的电子吸收了能量，当它具有这种能量时，该原子处于一种激发的状态。如果在没有外力的作用下，电子释放出这种多余的能量，就产生了自发射现象。

High-Tech Laser & Polishing公司销售经理Steve Finneseth先生称，激光雕刻技术可以应用于许多不同材料的加工，包括从碳化物材料到各种塑料的加工，其雕刻清晰，分辨率高。High-Tech公司是一家精密激光微型雕刻技术的服务供应商，可为工业模具元件的激光加工提供服务，其中包括模腔、型芯、模具和插件等。他回忆说：“当High-Tech公司购置第一台Nd/Yag激光加工机时，其主要目的是在零件上加工一个可控制的深度，对粗糙度甚至只要求达到车间级水平即可。今天，雕刻的深度可以从0.0002~0.075in（1in=25.4mm），如有必要还可以更大，这取决于客户的要求。”

Finneseth先生解释说：“Nd/Yag激光加工机采用Q开关生成脉冲，脉冲可以调节，这主要取决于需要雕刻的深度。激光束能使材料汽化，使其从固体变成气体。通常当人们听说激光雕刻这个词的时候，他们的头脑中也许只有二氧化碳激光器的概念。一般的二氧化碳激光器为1000W，用于激光切割，与100W的Nd/Yag激光器相比，后者只适用于激光雕刻。YAG这个词来自Yttrium（钇，一种稀有金属）、铝和石榴石。钇铝石榴石激光器可用于雕刻铝材、铜材、碳化物、石墨电极、经热处理或未经热处理的工具钢，以及许多不同的塑料。采用激光器可雕刻模具的侧壁、凹穴或隐藏的型腔，但用户需要有一条直接的视线，只要将激光器倾斜一个角度就能获得这个视线。这好像用手电筒照射一个管子那样，只要视线能达到的地方，激光雕刻就没有问题，而刀具或铣刀则达不到这种能力。激光器的光束只有一个很锐利的圆角，不像铣刀或刀具那样，有一个半径较大的圆角。”

Finneseth 先生补充说：“在使用激光器时，依靠光束来切割材料。光束从激光器导轨后部通过反射镜反射到导轨前部，当其集聚到足够的强度时，该光束就开始工作。一旦当光束达到足够的强度时，Q开关打开，让光线通过光束放大器传送到激光器头部。在激光器头部装有反光镜，将光束反射到需要雕刻的表面上。在有些激光器上，可以通过一个光圈来控制光束的大小。”

根据Crafford LaserStar公司的销售主任Roy Gessman先生的说法，凡是提供激光雕刻设备的公司也设计与该系统工作配套的软件，以帮助保证其重复精度，因为这一切都采用计算机驱动。这样的软件应该能够创建不同的标志和输出序列号。Gessman先生说：“用户能够设置一个可以在模具上打印标记和雕刻各种信息的程序，然后在激光器的工作区将实际工件定位，点击运行程序，激光器就开始打印标记或雕刻这个工件。”

激光器的应用

1.打印标记

Caliber Engraving公司50%的业务来自于模具加工车间，该公司总裁Tim Rose先生解释说：“激光打印标记是将黑色标记打印在钢材或金属的表面上，看起来像很浅的蚀刻加工。许多模具制造商的棒料编码、产品识别和序列编号等均采用这种标记打印方法。激光标记打印法是机电蚀刻和机械冲压打印的新的替代方法，其在元件上打印数据的费用只相当于激光深度雕刻机的一个零头。许多模具制造商在模具元件上打印的标记是他们公司的名称、客户的名字或模具编号等，使整套模具看起来更加专业。”

按照Crafford LaserStar公司Gessman先生的说法，标记打印实际上只是改变颜色而已。Gessman先生说：“当材料比较敏感或壁厚较薄时，采用激光标记打印要比激光雕刻更为合适。有时候，金属密度不允许切除一部分，因此就必须采用永久性的激光打印标记。”

2.雕刻

激光雕刻实际上是已经切入到金属的表面，并将切除一部分金属。Virtek Laser Systems North America公司是一家提供高价值激光样板、激光检验、产品标记打印、雕刻技术，以及成套解决方案的供应商。按照该公司产品营销经理Linda Mclntosh女士的说法，在模具制造行业中，激光雕刻的应用范围一般包括：模具上的纹理和图形雕刻、直接在模具上深度雕刻、对EDM电极的雕刻、金属零件上产品编号、序列号的雕刻，以及金属零件的退火。

按照Caliber Engraving公司Rose先生的说法，深度激光雕刻可以代替传统的铣削加工和化学蚀刻方法，其雕刻加工的深度范围为0.0002~0.125in。Rose先生解释说：“在深度雕刻加工过程中，通常都使用这样的深度范围。这样，就可以看清模具产品上雕刻加工的图像。当塑料填充到雕刻的纹路中时，可以看到塑料零件上的图像。激光雕刻是大部分客户比较喜欢的一种加工方法。客户特别关注模具加工的细节和精度，因为他们已经在模具和模具元件的制造中花费了几万美元。”

激光加工的优点

1.EDM/铣削加工的替代方法

Virtek Laser Systems公司的McIntosh女士解释说：“在中小型模腔加工中，激光雕刻加工实际上可以代替铣削加工或EDM放电加工。在今天这个充满竞争的模具制造世界中，制造商必须采用更快、更好的加工方法，以便取得一种能够超越国外模具制造商的优势。”

2.节约时间和资金

Mclntosh女士评论说：“加工车间发现，节约时间只是使用激光标记打印和激光雕刻加工的其中一部分原因（如表1）。它们还可以节约材料费用（一般不需要使用石墨或铜），不需要制造石墨电极，降低了维护保养费用，减少了介质液体、铣削用冷却液等消耗品费用（如表2）。”

表1

表2

Caliber Engraving公司的Rose先生能够证明其比较快速的转换时间。他认为：“与传统的方法相比，用激光加工一个模腔所需的时间较快，加工质量也要高得多，而且工件转换的速度也要快得多。其环境也更容易控制；由于先将激光投射到表面上，调试设置的预见性较强，可以事先对激光投射到零件表面上的图像进行微调，然后再开始进行实际切削工作。”

3.使用寿命较长

High-Tech Laser公司的Finneseth先生认为，激光光束不会像电极那样易于磨损。他说：“激光器的维护保养主要是更换清水和过滤器。在激光器上，灯泡也通常是一个需要更换的零件，经过几千小时的工作以后，才需要更换Q开关、Nd/Yag棒和光学元件。”

4.表面质量较好

McIntosh女士解释说：“与铣削加工的表面相比，激光雕刻加工的表面质量极好，小面积加工的外形轮廓极为精细。采用激光雕刻加工的表面，模具制造商无需再进行手工抛光或打磨。与铣削加工的表面比较，激光雕刻加工的表面也比较光滑。在大多数情况下，激光雕刻加工都能够满足所需要的质量要求。激光器加工能够达到良好的（Ra<0.8μm）质量的要求。包装工业，如化妆品包装和硬币制造业正在推动加工设备制造商找到更好的方法，以提高模具的精加工水平（如图1）。”

图1 激光雕刻加工后金属边缘所呈现的情况

Caliber Engraving公司的Rose先生补充说：“采用激光雕刻加工的表面质量大大减少了抛光工人二次抛光作业的工作量，在大部分情况下，由于激光加工的表面光洁度比较精致，因此无需二次研磨。采用激光加工的质量要好得多。”

5.雕刻型面容易

Precision Laser Technology公司的技术主任James Garcia先生解释说：“采用激光器雕刻加工型面非常容易，而采用铣削方法加工型面则非常困难。激光可以在有限的范围内沿着一个零件的型面移动。如果采用传统的CNC数控铣床，同样的雕刻加工需要增加额外的编程。此外，激光雕刻加工是一个非常环保的加工工艺，不需要使用任何化学物质。”

6.模具的应力/磨损少

此外，按照Mclntosh女士的说法，激光雕刻加工不会对大部分金属成品的表面硬度产生影响，其水平与EDM加工相同。她说：“而EDM加工所影响的区域会造成微型裂缝，这对于航天和医疗行业来说是不能接受的。图2所示为激光雕刻加工和EDM加工表面的金相显微图，从图片中可以清楚地看到其边缘区域的差距。”

图2 铣削加工的表面（左图）与激光雕刻加工表面的比较

激光加工的局限性

激光设备制造商和激光雕刻机制造商都指出，激光加工技术只是EDM加工和铣削加工的一种补充，而不能作为替代技术。Virtek公司的Mclntosh女士认为：“如果需要切削加工大量的材料，激光雕刻加工无法代替铣削加工。”

Caliber Engraving公司的Rose先生也同意这个观点。他说：“对于模腔类材料的加工，不适于采用激光雕刻加工，铣削加工的效率要远高于激光加工。激光雕刻的优点在于其能够承担EDM无法加工的超精细区域的加工。一般来说，我不推荐使用激光加工来替代EDM加工或铣削加工。”

图3 这个插件上带有激光雕刻的微小文字

协调工作

对于模具制造商而言，如果他们需要加工的是小型复杂的工件，那么采用激光雕刻/标记打印工艺也许是一种切实可行的替代方法。如果将激光加工与EDM加工和铣削加工技术结合起来一起使用，能够帮助模具制造商缩短加工周期、节约生产时间和资金、延长刀具使用寿命和提高表面质量。这些工艺的综合使用，不但有利于提高工艺水平，而且有利于模具加工车间提高竞争能力。 

厂内加工还是寻求外协？

究竟是寻求外协厂家帮助还是自己购置加工设备，取决于各个加工车间的具体情况。High-Tech公司销售经理Finneseth先生解释说：“由于激光加工机械的费用问题，模具制造商往往会寻求外协激光加工厂帮助。仅仅是为了雕刻加工而购置这样的激光加工机械是十分困难的。模具制造工艺的这部分费用要比其他部分的费用低得多。他们可以在模具设计和制造方面，而不是在雕刻加工方面来赚取更多的金钱，因为在模具组装件中，这种加工元件的费用较低。”雕刻加工服务提供商所需要的一切无非是一个电子文件，这种文件可采用各种格式发送，如DXF、DWG、STEP、X_T、IGS、AI和EPS等格式，只要有这些文件就可以完成雕刻加工。就加工材料而言，服务提供商可雕刻加工各类工具钢、铝材、铜材、碳化物材料、电极用石墨和各种塑料。

图4 一个LaserStar激光标记打印/雕刻系统的应用
实例，采用这个系统可以加工模腔插件的识别标志

另一方面，Virtek Laser公司的产品营销经理Mclntosh女士指出，是寻求外协帮助还是自己购置加工系统，取决于费用问题。她说：“我认为公司有必要作一次ROI分析，然后确定是否值得购置这样的加工设备。外协工厂的加工费用对于一个加工车间而言也是不菲的，而且加工周期也是一个很大的问题，因为你是有求于人，而且还有其他的人排在你的前面。曾经有潜在的客户告诉我，他们准备购置属于他们自己的加工系统，因为他们的工作量已经达到了‘临界’的状态。”

Caliber Engraving公司的总裁Rose先生解释说：“在开始学习使用激光雕刻加工的时候，只要用户熟悉使用CAD和相关的软件，其学习周期就不会很长。然而，这是一种应留给专家从事的“艺术创作”。一般来说，雕刻加工涉及到图像，这是投入到模具包生产加工中一切工作的最终代表，因此必须正确无误地完成这项工作。激光技术的应用涉及到将图像投射到工件的表面（在大多数情况下是3D图像），以及图像的操作控制，以便在应用过程中达到正确和精确的视觉。”在日常工作中，经过培训的雕刻工人，始终以艺术家的眼光结合精密的激光技术，提供最高质量的雕刻图像。一个经过培训的雕刻专家应具有艺术家的眼光来处理工作，他与一个未经培训的和没有艺术家眼光的雕刻工人是完全不同的，这种不同体现在加工的零件上，这就是“平庸和伟大”之间的区别。

激光雕刻技术：激光雕刻技术是激光加工最大的应用领域之一。这种技术能够与计算机相互配合，控制激光束移动。把要雕刻的图案放在光电扫描仪上，扫描仪输出的信号经过计算机处理后，用来控制激光束的动作，就可以自动地在木板、玻璃、皮革上按照图样雕刻了。同时，聚焦起来的激光束很细，相当于非常灵巧的雕刻刀，雕刻的线条细，图案上的细节也能够雕刻出来。激光雕刻可以打出各种文字、符号和图案等，字符大小可以从毫米到微米量级，这对产品的防伪有特殊的意义。近几年，激光雕刻已经发展至可以实现亚微米级雕刻，被广泛用于微电子工业和生物工程。