专利名称：基于低功率激光的陶瓷表面打标和雕刻装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种基于低功率激光，在陶瓷类或上有陶瓷釉等硅酸盐类物 质上进行打标和雕刻的装置和方法，属于激光加工领域。
背景技术：
传统的在陶瓷表面加工图案方法，是指在泥坯完成后在表面涂上或画上 有颜色的陶瓷釉等涂料，然后再烧制方可完成。其缺点在于在烧制过程中泥 坯的开裂或釉质的脱落都会导致图案的损坏。并且在烧制完成后图案不能修 改。激光标刻技术在图案质量和图案自由度方面是对传统技术的一次重大改 进。
现有的基于激光的陶瓷表面打标和雕刻装置通常采用功率在50W以上的 二氧化碳激光器，配合扫描振镜或数控加工头，直接将激光引导照射在陶瓷 表面进行标刻，且标刻的线条形式单一，美观程度一般。
现有的基于激光的陶瓷标刻技术要求激光器能输出很大功率(一般在 20W以上)，装置庞大复杂造价昂贵，并且需要庞大的冷却设备，随之而来 的是设备造价以及能耗的增加，同时由于陶瓷对激光的反射及散射，大功率 激光具有较高的危险性，大功率激光器在陶瓷材料上进行标刻从耗能和成本 上考虑都是不适合的。
发明内容
本发明解决了现有技术中低功率(<20W)激光无法在陶瓷表面进行标刻 的问题，提供了一种基于低功率激光的陶瓷表面打标和雕刻装置和方法。实 现了用低功率激光在陶瓷表面标刻比较复杂的图形，降低了陶瓷标刻的成本
和能耗，实现了在陶瓷烧制完成之后再进行外观的改变的过程，并且相对传 统烧制方法大大提高了制造的灵活度和速度。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案 一种基于低功率激光 的陶瓷表面打标和雕刻装置包括控制输出信号频率的计算机、激光器，计算 机与激光器通过数据线连接，激光器上设置有一个伸出的激光控制系统，位 于激光控制系统正下方的，是用于放置基底材料和覆盖材料的加工平台。
所述的激光器，可以是光纤激光器、Nd:YAG固体激光器或二氧化碳激光 器，所使用的激光为连续激光或脉冲激光。
所述的激光控制系统，依具体的图形和材料的不同，可以是扫描振镜或 数控激光加工头。
使用上述的基于低功率激光的陶瓷表面打标和雕刻装置进行打标和雕 刻，其方法如下
1. 在计算机中导入要标刻的图形或文字，应用图形生成软件，使之转换
成为激光控制系统匹配的控制软件能够识别的文件格式；
2. 将基底材料放置在加工平台上，保持基底材料上表面与激光束焦点所 在水平面处于同一平面，将覆盖材料覆盖于基底材料表面，根据覆盖材料的 不同，采用不同的覆盖方法
若使用有工程料板材，则须板材平面能够与基底材料平面完全一致， 直接紧紧覆盖在基底材料表面不留空隙；
若采用有机黏合剂，则直接涂抹在基底材料表面； 若采用酒精或水浸湿的纸张，则用纸张包覆基底材料上表面，注意 排除所有气泡保证覆盖层平整；
若采用干燥纸张，只需在使用浸湿纸张方法之后烘干覆盖材料，注 意要在纸张翘起或褶皱之前进行加工； 3. 调整激光功率和扫描速度，激光功率范围在5W至50W之间，扫描速 度范围为5-60mm/s，优选25-35mm/s，打开激光器，激光控制系统将根据计 算机输出的图形信号进行标刻；
4. 扫描完成后移去覆盖材料；用酒精或水擦拭基底材料表面，留下清晰 锐利的扫描路径组成的线条和图案。
所述的基底材料，包括各种低导热率的氧化物陶瓷或者陶瓷釉、琉璃、 珐琅等硅酸盐类物质，通常他们对较低功率激光的吸收不足以使其物理形态 和化学性质发生变化。
所述的覆盖材料，可以是对所用激光透过率很高的材料，也可以是对所 用激光不透明的材料。如，各种PC、 PVC等有机工程塑料板，纸张，有机黏 合剂。
本发明的工作原理是激光器发出激光，激光束照射到扫描振镜或直接 由数控激光加工头输出，扫描振镜或加数控激光工头由计算机控制，使得激 光可以在加工平台上的基底材料表面按所需图形走过一定路径。
激光束照射在基底材料表面的覆盖层上，由于激光携带的大量能量使得 在覆盖材料与基底材料之间产生大量的热，由此发生伴随光化学反应的热化 学反应，并伴有炸裂的啪啪声或剧烈燃烧的嗞嗞声，并有烟雾产生。
用此方法生成的标刻痕迹经过水、酒精、砂纸、超声波清洗等方法均不 会被去除或破坏。
使用该装置和方法可以使用很低功率的激光，并且可以保持相对较高的 加工速度，产生的标刻痕迹边缘清晰，线条锐利，可以应用在陶瓷成品的后 期利用，如个性化装潢等方面。并且可以提高生产效率，降低劳动强度。
附图为本发明的基本构造系统示意图
l-计算机，2-激光器，3-激光控制系统，4-加工平台，5-基底材料， 6-覆盖材料。
具体实施例方式
如图所示，本发明的一种低功率激光的陶瓷表面打标和雕刻装置的基本
构造主要包括控制输出信号频率的计算机l、 二氧化碳激光器2，计算机l
与二氧化碳激光器2通过数据线连接，二氧化碳激光器2上设置有一个伸出 的激光控制系统3，本处选用的是数控激光加工头，位于数控激光加工头正下 方的，是用于放置基底材料5和覆盖材料6的加工平台4。
有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理 解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术熟练人员可以根据上述本发明 的内容对本发明作出 一些非本质的改进和调整。
所述的激光器2，还可以选用光纤激光器或Nd:YAG固体激光器，使用的 激光为连续激光或脉冲激光。
所述的激光控制系统3，还可以是扫描振镜。
使用上述的基于低功率激光的陶瓷表面打标和雕刻装置进行打标和雕 刻，其方法如下
1. 在计算机1中导入要标刻的图形或文字，应用图形生成软件，使之转 换成为激光控制系统3匹配的控制软件能够识别的文件格式；
2. 将基底材料放置在加工平台4上，保持基底材料5上表面与激光束焦 点所在水平面处于同一平面，将覆盖材料6覆盖于基底材料表面；
3. 调整激光功率和扫描速度，激光功率范围在5W至50W之间，扫描速 度范围为5-60mm/s，优选25-35mm/s，打开激光器2，激光控制系统将根据 计算机1输出的图形信号进行标刻；
4.扫描完成后移去覆盖材料6;用酒精或水擦拭基底材料5表面，留下
清晰锐利的扫描路径组成的线条和图案。
以下根据覆盖材料的不同，给出不同的应用实例 应用实例l:
1. 在计算机中导入要标刻的图形或文字，应用图形生成软件，使之转换 成为激光控制系统能够识别的文件格式；
2. 将基底材料氧化铝陶瓷放置在激光束焦点所在平面的加工平台上，保 持氧化铝陶瓷的上表面与激光束焦点所在水平面处于同一平面，在氧化铝陶 瓷的表面覆盖一块吸收率很低、透过率很高的有机工程塑料板，使有机工程 塑料板的平面能够与基底材料平面完全一致，直接紧紧覆盖在氧化铝陶瓷表 面不留空隙；
3. 将激光功率调整为15瓦，扫描速度为35mm/s，打开激光器，激光控 制系统将根据计算机输出的图形信号进行标刻；激光透过上层有机工程塑料 板照射在氧化铝陶瓷表面，由于覆盖了有机工程塑料板，因此短时间内热能 将储存在激光扫描过的线条部分，在此处形成一个高温区，此区域内发生热 化学反应，使得陶瓷表面形状改变留下痕迹；
4. 扫描完成后移去有机工程塑料板；用酒精或水擦拭氧化铝陶瓷表面， 留下清晰锐利对比度很高的黑色的扫描路径组成的线条和图案。
应用实例2
1. 在计算机中导入要标刻的图形或文字，应用图形生成软件，使之转换 成为激光控制系统能够识别的文件格式；
2. 将基底材料黏土陶瓷放置在激光束焦点所在平面的加工平台上，保持 黏土陶瓷的上釉面与激光束焦点所在水平面处于同一平面，在黏土陶瓷上釉 面涂抹lmm左右厚的有机黏合剂； 3. 将激光功率调整为15瓦，扫描速度为35mm/s，打开激光器，激光控 制系统将根据计算机输出的图形信号进行标刻；此时激光扫描线条部分的有 机黏合剂会受热汽化，同时此区域黏土陶瓷上釉面同时也会参与反应，形成 与覆盖有机板材时不完全相同但同样高质量的线条痕迹；
4. 扫描完成后，用酒精或水擦拭黏土陶瓷上釉面表面，留下清晰锐利的 扫描路径组成的线条和图案。线条中心略微凹陷，呈黑褐色。
应用实例3
1. 在计算机中导入要标刻的图形或文字，应用图形生成软件，使之转换 成为激光控制系统能够识别的文件格式；
2. 将基底材料黏土陶瓷放置在激光束焦点所在平面的加工平台上，保持 黏土陶瓷的上釉面与激光束焦点所在水平面处于同一平面，用酒精浸湿纸张， 将纸张包覆住黏土陶瓷上釉面，纸张厚度为l-3mm左右，排除所有气泡以保 证覆盖层平整；
3. 将激光功率调整为5瓦，扫描速度为25mm/s,打开激光器，激光控制 系统将根据计算机输出的图形信号进行标刻；此时激光扫描线条部分的纸张 会剧烈燃烧，同时此区域基底材料会同时也会参与反应，形成与覆盖有机板 材时不完全相同但同样高质量的线条痕迹；
4. 扫描完成后，用酒精或水擦拭黏土陶瓷上釉面，留下清晰锐利的扫描 路径组成的线条和图案。线条略微凸起，呈淡绿色宝石或玉石状。
应用实例4
1. 在计算机中导入要标刻的图形或文字，应用图形生成软件，使之转换 成为激光控制系统能够识别的文件格式；
2. 将基底材料黏土陶瓷上釉面放置在激光束焦点所在平面的加工平台 上，保持黏土陶瓷上釉面与激光束焦点所在水平面处于同一平面，用水浸湿
纸张，将纸张包覆黏土陶瓷上釉面，纸张厚度为l-3mm左右，排除所有气泡 保证覆盖层平整，将纸张烘干，在纸张即将翘起或褶皱时进行标刻；
3. 将激光功率调整为20瓦，扫描速度为35mm/s，打开激光器，激光控 制系统将根据计算机输出的图形信号进行标刻；
4. 扫描完成后，用酒精或水擦拭黏土陶瓷上釉面，留下清晰锐利的扫描 路径组成的线条和图案。线条略微凸起，呈淡绿色宝石或玉石状，边缘有很 细的黑色轮廓线。
权利要求
1、一种基于低功率激光的陶瓷表面打标和雕刻装置，包括控制输出信号频率的计算机(1)和激光器(2)，其特征在于，计算机(1)与激光器(2)通过数据线连接，激光器(2)上设置有一个伸出的激光控制系统(3)，位于激光控制系统(3)正下方的，是用于放置基底材料(5)和覆盖材料(6)的加工平台(4)。
2、 根据权利要求1所述的一种基于低功率激光的陶瓷表面打标和雕刻装 置，其特征在于，所述的激光器(2)，可以是光纤激光器、Nd:YAG固体激光 器或二氧化碳激光器中的一种，所使用的激光为连续激光或脉冲激光。
3、 根据权利要求1所述的一种基于低功率激光的陶瓷表面打标和雕刻装 置，其特征在于，所述的激光控制系统(3)，依具体的图形和材料的不同， 可以是扫描振镜，也可以是激光数控加工头。
4、 利用权利要求1所述的一种基于低功率激光的陶瓷表面打标和雕刻装 置进行打标和雕刻的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤1. 在计算机(1)中导入要标刻的图形或文字，应用图形生成软件， 使之转换成为激光控制系统(3)匹配的控制软件能够识别的文件格式；2. 将基底材料(5)放置在加工平台(4)上，保持基底材料(5)上 表面与激光束焦点所在水平面处于同一平面，将覆盖材料(6)覆盖于基 底材料(5)表面；3. 调整激光功率和扫描速度，激光功率范围在5W至50W之间，扫 描速度范围为5-60 mm/s，优选25-35mm/s，打开激光器(2)，激光控制 系统(3)将根据计算机(1)输出的图形信号进行标刻；4. 扫描完成后移去覆盖材料(6);用酒精或水擦拭基底材料(5)表 面，留下清晰锐利的扫描路径组成的线条和图案。
5、 根据权利要求4所述的一种基于低功率激光的陶瓷表面打标和雕刻方 法，其特征在于，所述的基底材料(5)，包括各种低导热率的氧化物陶瓷或 者陶瓷釉、琉璃、珐琅等硅酸盐类物质。
6、 根据权利要求4所述的一种基于低功率激光的陶瓷表面打标和雕刻方 法，其特征在于，所述的覆盖材料(6)，可以是对所用激光透过率很高的材 料，也可以是对所用激光不透明的材料，如各种PC、PVC等有机工程塑料板、 纸张或有机黏合剂。
7、 根据权利要求4所述的一种基于低功率激光的陶瓷表面打标和雕刻的 方法，其特征在于，覆盖材料(6)若使用有工程料板材，则须板材平面能够 与基底材料(5)平面完全一致，直接紧紧覆盖在基底材料(5)表面不留空 隙；若采用有机黏合剂，则直接涂抹在基底材料(5)表面；若采用酒精或水 浸湿的纸张，则用纸张包覆基底材料(5)上表面，排除所有气泡保证覆盖层 平整；若采用干燥纸张，只需在使用浸湿纸张方法之后烘干覆盖材料，并且 要在纸张翘起或褶皱之前进行加工。
全文摘要
本发明公开了一种基于低功率激光的陶瓷表面打标和雕刻的装置和方法，属于激光加工领域。包括激光器，激光控制系统，需要打标的基体材料，和辅助完成打标的覆盖材料。根据不同的基底材料、覆盖材料以及图形的特征属性来调整激光的功率参数和扫描参数，将覆盖材料紧贴于基底材料之上，激光照射在覆盖材料上由于该材料对激光的高吸收率产生巨大的热能，使两种材料贴合部分发生反应，在陶瓷表面留下可控制的标刻痕迹。由于本发明采用低功率激光作为光源，设备简单成本低廉，能耗低，放热量少，在加工过程中不需要庞大的冷却装置，并且由于可以采用扫描振镜控制的方法，标刻速度快，图案清晰美观。
文档编号B41M5/24GK101352975SQ200810222220
公开日2009年1月28日 申请日期2008年9月12日 优先权日2008年9月12日
发明者吕鹏飞, 威 杨, 陈继民 申请人:北京工业大学