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1、雷射雕刻介紹一、雷射加工雷射是一種電磁波，波長接近可見光範圍，有許多性質與光線相仿，可用鏡片反射或聚焦，某 些種類雷射甚至可用光纖傳導。雷射因為有以下幾種特性，工業上使用很廣泛。能量集中在一小點，能在瞬間加熱工件。位置控制精密度高 非接觸式加工 加工種類多樣：隨雷射種類不同，有切割、雕刻、表面硬化、標識、焊接、融接、蝕刻等應用。每種材料的吸收光譜都不一樣，要視材料及加工種類，選用適合的雷射。例如C02雷射可切 割壓克力， YAG 雷射對壓克力則幾乎沒反應。二、常見工業用雷射 CO2雷射：波長10,600 nm,般用於金屬切割、塑膠切割、木材雕刻等應用。 YAG雷射：波長1,064 nm,般用於
2、金屬與塑膠標識、金屬與塑膠雕刻、金屬焊接、塑 膠融接、金屬表面硬化。 DIODE（二極體）雷射：8001,100 nm,般作為YAG雷射的激發源或應用在塑膠融接。 Excimer（準分子雷射）：波長193/248/308 nm,般用於晶圓蝕刻。塑膠產品大都採用CO2雷射切割，以YAG雷射雕刻。適用於CO2雷射切割的塑膠材料為 PMMA與ABS, PC煎熱會變焦黑並產生大量煙氣，不適合用雷射切割。YAG雷射在塑膠的 應用很多,主要用於雕刻,特別介紹如下。三、YAG雕刻雷射YAG雷射的雷射來源為Nd:YAG （釹:釔鋁石榴石）晶體雷射由Nd原子產生波長1,064nm, 屬於近紅外線，肉眼無法看到。
3、YAG雷射是工業用雷射中能量最穩定，光點最小的種類。常 見的輸出功率為5100 W,但因為可用Q-Switch將能量轉換成脈衝輸出，實際每次雷射擊發 的能量可高達數千到數百萬瓦。 YAG 雷射構造如下圖：YAG雷射構遇徽參源Diode purmp帙門Shu ne rBearn expander半进明前反射魏 F r a nt - M i rr d rQ-S witch 壬“弓业品質閒關 雷射晶腔La ser rod観反射疏R93M I rr orAperture掃描頭G a I 7 o h a d定位雷时 Laserdiods平場鏡HFl at field lens扌帝揣區Marking f
4、i o I H主要組件：雷射晶體：有Nd:YAG與Nd:YVO4二種，後者的脈衝頻率較高，適合漆雕。廠內的雷射 即為此類。激發源：燈管或是DIODE二極體發出大量光子，刺激雷射晶體的Nd原子產生雷射。DIODE光源效率高，使用壽命長。廠內的雷射即使用DIODE激發源。反射鏡：後反射鏡採用100%反射鏡面。前反射鏡採用70%反射，30%穿透鏡片。雷射晶體、激發源、前後反射鏡等四項零件組成共振腔品質開關：轉換雷射連續波(cw)成為脈衝波(pulse)。掃描頭：利用二塊鏡片控制雷射光束在X與Y軸方向前進，掃描速度相當快，最快可達 9,000mm/s。平場鏡片：將雷射光束聚焦到掃描區平面 常見的有17
5、0x170 mm與120x120 mm兩種。 越大的鏡片掃描區越大，產量較大，但解析度會降低。廠內的雷射掃描區大小 即為 180x180 mm。工作原理：來自激發源的光子刺激雷射晶體內的Nd原子產生雷射，經前後反射鏡多次反射，在共振腔內 逐次累積能量，高能量的雷射光束穿透半透明的前反射鏡，經過一連串的光圈與放大器進入掃 描頭。精密控制掃描頭內的XY反射鏡震動，將雷射導引到預定的位置，利用雷射的熱能加工 物件。四、YAG雕刻雷射的應用YAG雷射有四種效應，各有不同的應用，所需雷射能量由低至高分別為:1. color change （變色）某些塑膠遇熱會變色，例如PC會變黑（附圖A）。因為雷射的光
6、點 很小（約O.O4O.O6mm0）,若材料適合，精密控制每次擊發的雷射 能量產生灰階，可以打出解析度很高灰階點陣圖像（450600dpi）基林變包基材金屬中鈦合金與不銹鋼也有變色效應，顏色有四五種，但沒有灰階 的變化（如附圖B、C）。限制：1. 大部分塑膠吸收雷射能量後沒有變色效應，而是直接燒焦； 少部分塑膠對YAG雷射吸收率很低，例如透明PMMA可完 全穿透雷射，沒有反應；ABS對雷射的吸收率也不高。只有 少數幾種塑膠可以打變色，例如PC。2. 要打灰階點陣圖，除了要選對材料，基材本身的顏色也很重 要，理想的顏色是要與變色後的顏色呈明顯對比。例如PC 用雷射打後會變黑，基材選用白色PC，灰
7、階效果就很明顯。3. 透明PC也會吸收雷射，如附圖Do4. 雷射焦點大小會隨著焦距變化而改變，進而影響能量密度與 灰階深淺，雷射打變色的焦距有效範圍約2mm。若加工件 有曲面，必需考慮焦點大小所造成的影響。5. 雷射是以2D平面作業，打在3D曲面上會變形。若有必要， 需事先在圖稿上作修正。6. 金屬打變色速度慢，而且生產條件很窄，設計限制較多。附圖A： color change （PC灰階點陣圖）附圖B :不鏽鋼變色旬 喝 MM 附圖c：鈦合金變色附圖D ：透明PC變色2. coating removal (漆雕)附圖 E:漆雕(day & night design)利用雷射的熱能將基材表面塗
8、層去除，例如噴漆或VM層（附圖E、 F）。汽車溫控按鍵的透光功能（day & night design）,大都以雷射漆 雕加工。若雷射的能量控制精密度夠高，漆雕也可用於打虛擬灰階點陣圖 （附圖G）。塗層去除基材限制：1. 雷射漆雕會產生汽化煙霧，不適合在無塵室中作業。2. 所有的漆料都可用於雷射漆雕，但漆料與各種基材的咬合層 厚度不同，會影響雷雕效果（殘漆）。接案前要先做雷雕實驗， 瞭解兩者的咬合程度。必要時可分二次漆雕，第一次能量較 高，去除漆層；第二次能量較低，用來打光去殘漆。3. 若基材是透明材料，雷射可將漆料去除乾淨，但基材表面會 變得些微不透明（白霧狀）但若是VM雷射可將VM層去除
9、而且維持基材（PMMA）的透明度。4. 漆雕圖檔的佈線（hatchi ng）設計非常重要，好的設計可有效去 除漆層並加快生產速度。尤其是圖檔有銳角時，只能用特殊 的佈線設計才能達成。5. 雷射焦點大小會隨著焦距變化而改變，進而影響能量密度。 若焦距變化太大，會產生殘漆或燒焦現象。雷射漆雕的焦距 有效範圍較變色為大，約3mm。若加工件有曲面，需考慮 焦點大小改變所造成影響。6. 雷射是以2D平面作業，打在3D曲面上會變形。若有必要， 需事先在圖稿上作修正。7. 廠內的雷射掃瞄範圍為120x120 mm，若加工範圍大於此 值，需使用XY TABLE移動工件。但要考慮到移動工件後， 兩個掃描區交接處
10、的漆雕連續性，最好在圖檔設計時就避免 在交接處漆雕。附圖F:漆雕（鋁VM鍍在PMMA 上）附圖G:漆雕（虛擬灰階點陣圖）附圖H: PC料浮雕附圖I: PC料凹雕3. foami ng (浮雕)若雷射加熱能量略低於基材的汽化溫度臨界點，基材有部份開始汽 化，但因為表面冷凝較夬，封住了汽化物質的出路，在基材內部產 生汽化胞，凸出於表面，例如附圖H。限制：1. 並非所有的塑膠都可打出浮雕，較好的材料為PC。2. 浮雕的生產條件很窄，設計時要多注意。3. 浮雕的耐磨程度較差。4. en gravi ng (凹雕)當雷射能量高於基材汽化溫度時，可以在基材上劃下一道凹痕，是 為凹雕。塑膠凹雕的融膠堆積（火
11、山效應）很嚴重，外觀不佳（附圖 1）。|般雷射凹雕應用在金屬較多，例如（附圖J）。近來用雷射深雕 模具的技術越來越成熟（附圖K）,是雷射凹雕的主要發展方向。附圖 J:金屬凹雕(source: ROFIN LASER)限制：1. 凹雕所需的能量很高，應用在塑膠上會同時產生汽化/融熔/ 燒焦三種現象，外觀很差，只適合作標記，不適合用於裝飾。附圖 K:模具深雕(source: FOBA LASER)2. 金屬凹雕要使用大功率雷射（50W以上），而且加工時間很 長，例如附圖K的深雕人頭模具約須2個小時。五、雷射安全規範因雷射能量極高，為避免使用不當造成人體傷害（尤其是眼睛），ANSI訂出5個等級的雷射
12、安 全規範。等級定義管制規範CLASS 1正常操作下不會對人體產生危害者無小CLASS 2能量小於1mW的可見光雷射，”直視” 10秒以上會 傷害眼睛，但閉上眼即可避免傷害的雷射。作業場所需標誌警告（附圖L）標示CLASS 3a能量在15mW的可見或不可見雷射，會因雷射” 反射”或眼睛”直視”造成傷害，但閉上眼即可避 免傷害的雷射。作業場所需標誌警告及危險（附圖M）標示CLASS 3b能量在5500mW的可見或不可見雷射，會因雷 射”反射”、眼睛”直視”造成傷害，或是因雷射” 漫射”可能造成傷害，且閉上眼也不能完全避免。作業場所需標誌危險標示，雷射 需安裝遮蔽罩與扣鎖。CLASS 4能量在50
13、0mW以上的可見或不可見雷射，高危險 性，有著火的可能。雷射”反射”、”漫射”或眼睛” 直視”都會造成眼睛傷害，照射到皮膚也會造成傷 害。作業場所需標誌危險（附圖N）標 示，雷射需安裝遮蔽罩與扣鎖。要設 立管制區，未穿著保護裝備者，不得 進入。公司採購的雷射是10W不可見光雷射，屬於CLASS 4等級，危險性極高。必須加裝專 用的雷射安全工作罩，將安全性提昇到CLASS 1, 才能在工廠中作業。公司的客戶大都來自 歐美，極重視工安，雖然加裝雷射安全工作罩會增加成本而且影響產能，我們仍需遵守。附圖L:警告標示附圖N: CLASS 4危險標示CAUTION附圖M: CLASS 3a危險標示LASER RADIAnO?；AVOID DIRECT EXFO5L RE. TO BE-AMDANGERRADIATIONDO NOT STARE INTO BEAMLASER RADIATJOXAVOHJ EYE OR SKIS EXPsKCRETO DIREt T OR MATTEREDRADIATIOX
