专利名称：一种基于透明材料的激光熔化刻蚀打标装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于透明材料的激光熔化打标装置，该装置可以在透明材料表面熔化刻蚀出具有可控深度的图形或微沟槽，属于微加工领域。
背景技术：
激光打标技术是激光加工最大的应用领域之一。激光打标是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料脱离基材或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种打标方法。激光打标可以打出各种文字、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。它具有传统方法(腐蚀、电火花加工、机械刻划、印刷等)难以比拟的优点。1.具有无接触，无切削力，热影响小的优点，保证了工件的原有精度。同时，对材料的适应性较广，可以在多种材料的表面制作出非常精细的标记且耐久性非常好；2.激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质，形状，尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工和特殊面加工。且加工方式灵活，既可以适应实验室式的单项设计的需要，也可以满足工业化大批量生产的要求；3.激光刻划精细，线条可以达到毫米到微米量级；4.激光加工系统与计算机数控软件相结合，构成高效自动化加工设备，可以根据需求标刻各种文字，符号和图案，具有优良的可控性。激光打标技术已被广泛的应用于各行各业，为优质，高效，无污染和低成本的现代加工生产开辟了广阔的前景。激光打标根据加工材料不同有以下几种常用的方法，1，激光直接刻蚀打标。即将激光器发出的激光束聚焦在打标材料的表面，由于材料本身对所采用的激光吸收率高，无需其他外界条件即可实现汽化过程的打标工艺。2，激光间接刻蚀打标。某些材料如高反光率的金属和表面光洁的非金属材料，采用激光直接刻蚀，无法得到需要的标刻效果，需要增大几倍的功率才足以汽化一定较小深度的材料。间接刻蚀打标就是在这些材料表面涂覆一层辅助吸收层，以其汽化过程实现相对低功率激光条件下的打标效果，减少能量的损耗。直接打标的方法适用于大部分对特定激光器输出波长吸收率高的材料，加工工艺简单，效果较好，无需后续处理，但是对于所加工的材料有较大的限制，不适用于大部分透明材料。间接汽化刻蚀的打标工艺适用于那些对特定波长吸收率小的材料，能提高激光能量的利用率。然而，这种工艺相对复杂，需要找到合适的辅助吸收层也并非容易，还增加了后续的处理工序，有一定的局限性。
实用新型内容本实用新型旨在解决目前使用激光直接或间接刻蚀打标的方法，透明材料对激光吸收率低难以实现汽化过程刻蚀打标的难题，提出了一种基于透明材料的激光熔化刻蚀打标装置和方法。该装置和方法刻蚀工艺简单，能在透明材料表面熔化刻蚀出具有可控刻蚀深度的各种图案，且加工速度快，无需复杂的后续处理工艺。为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案。本实用新型中的激光熔化刻蚀打标装置包括计算机、激光器、安装于激光器的激光运动控制系统、工作台、夹具、凹槽底座、导热介质、透明材料盖板；其中激光器与计算机相连，工作台置于激光运动控制系统的下方，导热介质均勻平铺在凹槽底座的槽中，并用透明材料盖板作盖板，通过夹具将其夹紧，固定在工作台上方，激光器为光纤激光器或Nd:YAG固体激光器。使用上述装置进行熔化刻蚀打标时，其具体的打标方法如下(1)将要打标的图像导入到计算机中；(2)将导热介质平铺在凹槽底座的槽底，并用透明材料盖板作盖板，通过夹具将其夹紧，固定在工作台上方，透明材料盖板的下表面与激光器发出的激光束聚焦后的焦点所在平面处于同一平面；所述的导热介质为熔点在1500°C以上，常温下导热系数为8W/m · K以上的材料， 与透明材料具有难溶性，对辐照激光吸收率高。可为表面光洁度高(表面粗糙度Ra小于 500nm)的固体板材，也可以是颗粒度小于5微米的粉末颗粒。若介质为固体板材，则将板材置于透明材料盖板下方，光洁面与盖板紧贴，并用夹具将二者夹紧固定；若介质为粉末颗粒，则将粉末均勻平铺在凹槽底座板的凹槽中，用透明材料盖板压实，并用夹具将三者夹紧固定。(3)通过安装于计算机的激光打标系统软件读取待打标图像，设置激光熔化刻蚀打标工艺参数，参数包括激光输出功率、光点扫描速度和激光器重复频率，导热介质在该激光作用下能吸收光能，并迅速转化成热能升高温度，到达熔化点下；(4)打开激光器，激光运动控制系统根据计算机输出的图像信号进行光点扫描，高能量的激光束透过透明材料盖板辐照在导热介质与盖板界面，在透明盖板下表面上进行激光熔化标刻；(5)当图像扫描完毕，松开夹具，取下透明材料盖板，清除粘附于刻痕周围的导热介质。所述的夹具将凹槽底座、导热介质和透明材料盖板从下到上呈包围状固定，并可调节夹持的松紧度保持透明材料盖板受力均勻程度与压力大小。所述的激光运动控制系统为扫描振镜、数控激光加工头或能够实现二维或三维加工的数控机床。所述的透明材料板为玻璃板或有机高分子透明材料。本实用新型的工作原理是将导热介质置于透明材料下方并保证二者接触良好， 使用夹具控制二者的接触压力，使待刻蚀打标面与导热介质整体勻力无缝接触。激光穿透透明材料盖板照射在盖板与介质界面的导热介质上，导热介质对使用的激光器输出波长具有高的吸收率，在吸收辐照的激光能量后，光能在极短时间内转化为热能，温度升高，由于导热介质具有良好的导热性能，将绝大部分热能快速传导给紧贴的透明材料，透明材料吸收热量，温度达到其熔化点，熔化后脱离基材，从而熔化形成刻痕，达到标刻的效果。随着激光束的移动，打标出与激光扫描路径一致的图案。[0028]本方法和装置还可以在透明材料上实现沟槽的刻蚀，且沟槽刻蚀的深度和宽度可以通过控制输出的激光功率，激光束与导热介质的离焦量，导入图像的线宽以及扫描次数来控制。此外，夹具所在的流动的气氛环境具有保护和冷却的功能，对于控制热影响区具有较好的作用，能提高熔化刻痕的边缘清晰度，降低槽底部的粗糙度。本实用新型实验装置简单，成本低廉，易于操作。通过选择相应不同形状的平面或曲面凹槽底座，可以实现在不同形状透明材料基板上的熔化刻蚀打标，且打标图案的分辨率和边缘清晰度高。本实用新型还可以在透明材料上刻蚀微通道，通道的深浅和宽窄通过激光参数和所设计图形控制，成形质量高于直接激光打标刻蚀。
图1本实用新型中的基于透明材料的激光熔化打标装置的结构示意图图中1，计算机，2，激光器，3，激光运动控制系统，4，夹具，5，打标透明材料，6，导热介质，7，凹槽底座，8，工作台。图2本实用新型中使用的夹具及工件的放置方法示意图具体实施方式
结合附图对本实用新型作进一步说明本实用新型采用的激光熔化刻蚀打标装置包括的激光器通过数据线与安装的激光打标系统软件的计算机1相连，计算机将控制的激光功率，扫描速度，重复频率信号输入到激光器，激光器2为光纤激光器或Nd: YAG固体激光器。激光器上配备激光运动控制系统 3，将光束导向下方的工作台上。导热介质盛放在凹槽底座7中，透明材料5盖在导热介质 6上，被夹具4夹紧，置于加工工作台8上。使用上述基于透明材料的激光熔化打标装置进行打标，其方法如下(1)将要打标的图像导入到计算机中；(2)将导热介质平铺在凹槽底座的槽底，并用透明材料盖板作盖板，通过夹具将其夹紧，固定在工作台上方，透明材料盖板的下表面与激光器发出的激光束聚焦后的焦点所在平面处于同一平面；所述的导热介质为熔点在1500°C以上，常温下导热系数为8W/m · K以上的材料； 导热介质为表面粗糙度Ra小于500nm的固体板材，或是颗粒度小于5微米的粉末颗粒；若介质为固体板材，则将板材置于透明材料盖板下方，光洁面与盖板紧贴，并用夹具将二者夹紧固定；若介质为粉末颗粒，则将粉末均勻平铺在凹槽底座板的凹槽中，用透明材料盖板压实，并用夹具将三者夹紧固定。(3)通过安装于计算机的激光打标系统软件读取待打标图像，设置激光熔化刻蚀打标工艺参数，参数包括激光输出功率、光点扫描速度和激光器重复频率，导热介质在该激光作用下能吸收光能，并迅速转化成热能升高温度，到达熔化点下；(4)打开激光器，激光运动控制系统根据计算机输出的图像信号进行光点扫描，高能量的激光束透过透明材料盖板辐照在导热介质与盖板界面，在透明盖板下表面上进行激光熔化标刻；[0043](5)当图像扫描完毕，松开夹具，取下透明材料盖板，清除粘附于刻痕周围的导热介质。所述的夹具将凹槽底座、导热介质和透明材料盖板从下到上呈包围状固定，并可调节夹持的松紧度保持透明材料盖板受力均勻程度与压力大小。所述的激光运动控制系统为扫描振镜、数控激光加工头或能够实现二维或三维加工的数控机床。所述的透明材料板为玻璃板或有机高分子透明材料。以下实例选用体积小、光束质量好、加工方便的光纤激光器，波长为1064nm，激光控制系统采用扫描振镜，加工速度快；以熔点2050°C，常温下导热系数为10W/m · K，粉末颗粒直径Ium的氧化铝Al2O3粉末，以及表面粗糙度为500nm的氧化铝陶瓷片为导热介质，；以 Imm厚透明有机玻璃板材为凹槽底座；选择3. 2mm厚超白玻璃和2mm厚的透明亚克力为材料进行熔化打标及精密划线。实施例1 在3. 2mm厚超白玻璃上制作“兔年吉祥”图案将Al2O3粉末均勻铺陈在有机玻璃凹槽底座中，直至填满整个凹槽，刮去多于的粉末，使粉末上表面与凹槽底座上表面持平，凹槽深度为1mm，平面尺寸为32mmX22mm。将 3. 2mm厚，平面尺寸为30mmX 18mm的超白玻璃盖在粉末上，均勻压实，放在夹具上夹紧。然后将其放于工作台上，激光聚焦于超白玻璃与导热粉末接触的平面上。所需标刻的图案轮廓尺寸为30mmX20mm，图片像素为300dpi。导入到计算机后，通过激光器发出的指示激光对准打标的透明亚克力板轮廓。设置加工参数为激光功率20W，扫描速度300mm/s频率 20KHZ。打开激光器，使激光按照设定的加工参数进行扫描，扫描次数为2次。扫描完毕松开夹具，取出超白玻璃，以流动的自来水冲除熔化刻蚀过程中，由于熔化黏附在刻痕周围的粉末并用超声波清洗，即可在超白玻璃上得到刻痕清晰，图像空间分辨率为12线对/毫米的熔化打标图案。实施例2 在3. 2mm厚超白玻璃上制作精密划线将Al2O3粉末均勻铺陈在有机玻璃凹槽底座中，直至填满整个凹槽，刮去多于的粉末，使粉末上表面与凹槽底座上表面持平，凹槽深度为1mm，平面尺寸为32mmX22mm。将 3. 2mm厚，平面尺寸为30mmX 15mm的超白玻璃盖在粉末上，均勻压实，放在夹具上夹紧。然后将其放于工作台上，激光聚焦于透明亚克力与导热粉末接触的平面上。在计算机的控制软件中绘制长度为20mm，线宽为0. 15mm的水平直线，设置加工参数为激光功率20W，扫描速度300mm/s频率20KHZ。打开激光器，使激光按照设定的加工参数进行扫描，扫描次数根据刻蚀深度设定。扫描完毕松开夹具，取出超白玻璃盖板，以流动的自来水冲除熔化刻蚀过程中，由于熔化黏附在刻痕周围的粉末。并用超声波清洗，即可在超白玻璃上得到刻宽度为 0. 18mm,深度为320 μ m,底面粗糙度Ra = 2. 62 μ m的微沟槽。实施例3 在2mm厚透明亚克力上制作“兔年吉祥”图案将Al2O3粉末均勻铺陈在有机玻璃凹槽底座中，直至填满整个凹槽，刮去多于的粉末，使粉末上表面与凹槽底座上表面持平，凹槽深度为1mm，平面尺寸为32mmX 22mm。将2mm 厚，平面尺寸为30mmX 20mm的透明亚克力盖在粉末上，均勻压实，放在夹具上夹紧。然后将其放于工作台上，激光聚焦于透明亚克力与导热粉末接触的平面上。所需标刻的小兔图案轮廓尺寸为30mmX20mm，图片像素为300dpi，导入到计算机后，通过激光器发出的指示激光对准打标的透明亚克力板轮廓。设置加工参数为激光功率20W，扫描速度300mm/s频率 20KHZ。打开激光器，使激光按照设定的加工参数进行扫描，扫描次数为2次。扫描完毕松开夹具，取出透明亚克力盖板，以流动的自来水冲除熔化刻蚀过程中，由于熔化黏附在刻痕周围的粉末并用超声波清洗，即可在透明亚克力板材上得到图像轮廓边缘清楚，分辨率高的熔化打标图案。实施例4 在2mm厚透明亚克力上精密划线将Al2O3粉末均勻铺陈在有机玻璃凹槽底座中，直至填满整个凹槽，刮去多于的粉末，使粉末上表面与凹槽底座上表面持平，凹槽深度为1mm，平面尺寸为32mmX 22mm。将2mm 厚，平面尺寸为30mmX 20mm的透明亚克力盖在粉末上，均勻压实，放在夹具上夹紧。然后将其放于工作台上，激光聚焦于透明亚克力与导热粉末接触的平面上。在计算机的控制软件中绘制长度为20mm，线宽为0. 15mm的水平直线，设置加工参数为激光功率20W，扫描速度 300mm/s频率20KHZ。打开激光器，使激光按照设定的加工参数进行扫描，扫描次数根据刻蚀深度设定。扫描完毕松开夹具，取出透明亚克力盖板，以流动的自来水冲除熔化刻蚀过程中，由于熔化黏附在刻痕周围的粉末并用超声波清洗，即可在透明亚克力板材上得到刻宽度为0. 21mm,深度为200 μ m,底面粗糙度Ra = 1. 43 μ m的微沟槽。实施例5 使用氧化铝陶瓷片为导热介质在在3. 2mm厚超白玻璃上刻字将氧化铝陶瓷片及超白玻璃用超声波清洗机清洗干净，晾干后将二者光洁面紧贴，放在夹具上夹紧，放于工作台上，激光聚焦于超白玻璃与氧化铝陶瓷片接触的平面上。 所需标刻的字体轮廓尺寸为15mmX2mm，导入到计算机后，通过激光器发出的指示激光对准氧化铝陶瓷和超白玻璃接触位置。设置加工参数为激光功率20W，扫描速度300mm/s频率 20KHZ。打开激光器，使激光按照设定的加工参数进行扫描，扫描次数为2次。扫描完毕松开夹具，取出超白玻璃，以流动的自来水冲除熔化刻蚀过程中，黏附在刻痕周围的熔渣。并用超声波清洗，即在超白玻璃上得到刻痕清晰，边缘突出的激光熔化标刻文字，其空间分辨率为20线对/毫米。
权利要求1. 一种基于透明材料的激光熔化刻蚀打标装置，其特征在于包括计算机、激光器、安装于激光器的激光运动控制系统、工作台、夹具、凹槽底座、导热介质、透明材料盖板；其中 激光器与计算机相连，工作台置于激光运动控制系统的下方，导热介质均勻平铺在凹槽底座的槽中，并用透明材料盖板作盖板，通过夹具将其夹紧，固定在工作台上方，激光器为光纤激光器或Nd: YAG固体激光器。
专利摘要本实用新型公开了一种基于透明材料的激光熔化刻蚀打标装置，解决了对透明材料高透射率的激光打标的难题，属微加工领域。该装置包括激光器、计算机、激光打标系统软件、运动控制系统、工作台、夹具、凹槽底座、导热介质、透明材料板。激光器与计算机相连，工作台置于运动控制系统下方，导热介质平铺在凹槽底座，透明材料作盖板，用夹具将其固定在工作台上方。打标时激光通过运动控制系统聚焦在透明材料与导热介质的接触面，介质吸收激光能量转化为热量传导给紧密接触的透明材料，使其在极短时间达到熔化点，从而脱离基材，实现刻痕。本实用新型实现在透明材料上的激光熔化刻蚀打标，打标图案的分辨率和边缘锐度高，微沟槽底面粗糙度在微米级。
文档编号B41J2/435GK202053685SQ201120113919
公开日2011年11月30日 申请日期2011年4月18日 优先权日2011年4月18日
发明者何超, 刘富荣, 李晓刚, 陈继民 申请人:北京工业大学