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基础知识

解决激光刻印机相关的基本问题。从“激光是什么?”学起的问&答全集的“基础知识篇”。


基础知识 vol.1

Q1什么是激光?

laser(激光)这个术语是“light amplification by stimulated emission of radiation(通过受激辐射线的放射达到光的放大)”的首字母缩写。
激光有以下属性:
(1) 杰出的单色性(光束由纯粹单一波长的光波组成),
(2) 杰出的方向性(光束由平行的光波组成,传播时不会扩散),
(3) 高度相干性(光束的所有光波相互之间都是相同的)。

普通的光和激光束之间的区别

激光发出具有高方向性的光束,即组成的光波在一条直线上传播,不会扩散。普通的光源发出的光波会朝各个方向扩散。激光束内的光波都是相同颜色的(此性质叫单色性)。普通的光(比如荧光灯管发出的光)一般来说是几种颜色的光混合后表现为白色。当激光束内的光波传播时,它们以完全同步的波峰和波谷发生振荡,这种特性叫做相干性。当两个激光束相互重叠时,每个光束的波峰和波谷只会相互加强,产生一个干涉图。

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Q2YVO4激光和CO2激光之间有什么区别

以下图表根据应用中的典型用途简要描述了不同种类的激光刻印机。

CO2,YVO4和YAG激光刻印机之间的区别

CO2和YVO4/YAG激光刻印机能产生不同波长的激光,就是说它们各自适合刻印不同类型的材料。这就必须了解每种激光的强项和弱点,从而选择适合您应用的最佳机型

根据波长分类的激光刻印机

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Q3激光刻印机有危险吗?

以下图表根据等级,还有使用每种类型时用户应该注意的事项列出了激光的各个级别。

IEC标准

激光等级 等级定义
1类 在适度可预知的操作条件下,包括使用光学仪器进行光束内视,安全的激光。
1M类 发出激光的波长在302.5nm到4,000nm之间,在适度可预知的操作条件下安全的激光,但是如果用户在光束内使用光学器材可能会有危险。
2类 发出可见光辐射,波长在400nm到700nm之间,通常会产生厌光反应的眼部保护机制,包括瞬目反射的激光。这种反应可以预期,在适度可预知的操作条件下,包括使用光学仪器进行光束内视时要提供足够的保护。
2M类 发出可见光辐射,波长在400nm到700nm之间,通常会产生厌光反应的眼部保护机制,包括瞬目反射的激光。但是,如果用户在光束内使用光学器材,注视输出激光可能更危险。
3R类 发出激光的波长在302.5nm到106nm之间,直接的光束内视有潜在危险,但是危险程度比3B类激光要低,用户采用的制造要求和控制措施比用于3B类激光的要低。
可达到的发射限度在波长在400nm到700nm之间的2级AEL的五倍之内,且在其它波长范围的1级AEL的五倍之内。
3B类 暴露在光束内时通常有危险的激光。
(即NOHD(额定目视危险距离)以内)。注视漫反射通常是安全的。
4类 同时能产生有害漫反射的激光。它们会造成皮肤灼伤,还能形成火灾。使用它们需要极度小心。

CO2 激光刻印机(ML-G系列)和YAG激光刻印机(MD-H9800系列)被归为4类激光。

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Q4激光刻印机背后的原理是什么?

激光通过振荡器内反射镜之间的往复运动被放大。
被放大的激光从输出镜发出,通过fθ镜头在目标表面聚焦。
激光刻印机通过移动带有独立扫描器的X轴,Y轴和Z轴上的焦点来工作。

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Q5激光刻印机能在被刻印部件上产生色彩对比度吗?

根据材料的类型,能达到色彩对比度。YAG/YVO4激光在上色方面比CO2 激光更有优势,尽管还要看与树脂材料的兼容性。

激光刻印的分类

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Q6激光是可见光吗?

激光本身是不可见的。由于激光特有的高度方向性,我们无法看到光束的路线。通常我们只能看到激光在任何物体上的漫反射和反射。在有薄雾或空气中有微粒的环境中,我们能看到光束的路线,因为光被微粒漫反射和反射。

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Q7激光刻印会消失吗?

由于激光通过铭刻或上色对目标进行物理加工,激光刻印是非永久性的。

使用激光刻印机进行物理加工的示例

加工类型 典型的目标材料
熔化表面 树脂
烧灼 纸张,树脂
剥离表面 电镀金色,印刷纸张
氧化表面 金属
铭刻 玻璃,金属
变色 树脂

反应根据树脂的类型而定。
激光类型(CO2或YAG)没有说明。

刻印无法永久性保留

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基础知识 vol.2

Q8有不适于较大范围刻印的目标吗?

原则上能在任何材料上进行刻印。但是,某些材料根据所使用激光刻印机的类型而无法刻印。因此,激光刻印机的类型一定要根据目标材料和用途来选择。无法利用某些激光刻印机刻印的典型材料示例列出如下。

用CO2激光刻印机(30W级)难以刻印的材料

大多数金属,锆陶瓷

用YVO4/ YAG激光刻印机难以刻印的材料

透明物体

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Q9激光刻印是怎样产生色彩对比度的?

有色刻印的原理被分为四种类型:
  1. 发泡刻印
  2. 冷凝刻印(需添加剂)
  3. 碳化刻印(需添加剂)
  4. 通过化学效应刻印


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Q10运行成本是多少?

零成本
原则上说,除了日常的电力成本以外无需任何成本。用光刻印使激光刻印机具备了“无需耗材”和“长使用寿命”两大特点。激光刻印机显著减少了许多材料管理的步骤,而且无需墨水和标签的成本。

比较运行成本

标签/墨水方式, 激光刻印机


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Q11可以直视激光吗?

切勿直视激光,被镜面反射的激光或漫反射的激光。

如果眼睛直接暴露在激光下,可能会导致失明。

使用激光设备时,操作员必须戴上专用的防护镜保护眼睛。


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Q12“刻印空间”是什么意思?

用于三轴控制激光刻印机的术语“刻印空间”就是指用于常规激光刻印机的术语“刻印区域”。常规激光刻印机只能进行2D刻印,即“区域”。另一方面,三轴控制激光刻印机提供了一个体积或“空间”的概念,因为焦点是不断变化。所以,对于三轴控制激光刻印机,要用“空间”表达,而不是“区域”。

常规(2D控制)激光刻印机

→ 刻印区域:120 x 120mm(示例)

焦点调整只能在平面基础上进行,即2D。

三轴控制激光刻印机

→ 刻印空间:120 x 120 x 42mm(示例)

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基础知识 vol.3

Q13激光刻印机怎样创建打印图像?

被放大的激光束把光聚集在目标表面。利用被称为扫描镜的镜子来扫描这个聚集点,激光就能在一次通过后创建打印图像。以前的机型使用二轴控制,有一个X轴扫描器和一个Y轴扫描器,只能在平面上进行刻印。KEYENCE 最新的机型还有Z轴扫描器,能进行高度控制。它们能在各种 3 维形状上清晰地刻印。

Z 轴扫描器能在 3 维形状上进行清晰地刻印

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Q14哪些行业会用到激光刻印机?

激光刻印机传统上应用于电器产品,电子元件和金属部件。
今天,它们的用途已经延伸到了医药,汽车,食品和药品,以及其它众多的消费行业。


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Q15在预先打印好的盒子上刻印用什么更好,激光刻印机还是喷墨打印机?

相比喷墨打印机,激光刻印机拥有更好的打印质量,较低的运行成本,以及少的多的维护工作。
用激光刻印预先打印好的盒子时,创建一个统一的打印背景,增加了打印的可见度。在白色背景上打印时,激光刻印机能打印出烙印图案。


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Q16激光刻印机的打印是永久性的吗?

激光刻印机的一大特点是能打印半永久性的打印图像。
请注意,由于激光刻印机是对目标表面进行物理加工,所以打印的图像无法像用油墨打印的图像那样容易去除。这种特点使得激光刻印机在安全应用方面(防止伪造)在近年来日益受到青睐。

打印图像尺寸(典型), 标志, 条码, 2D 代码, RSS代码, BMP数据,JPEG数据

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Q17什么是“单一模式”以及它具有那些优势?

单一模式的激光束聚集到一个点上的截面,并展现点对称。单一模式光束较之多模式光束能进行更精细,更高质量的刻印,因为后者的功率分布不一致。

MD-V LASER(超级单一模式激光) 常规的 YAG(多模式)激光

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Q18激光刻印机还能进行其它哪些处理?

[激光处] 激光应用分为三个种类:去除,接合与表面重整处理

虽然 KEYENCE 的大多数激光刻印机都用来刻印,还是有一大部分被用于加工处理,比如以下这些。

激光刻印机处理示例

CO2 激光: 切割和钻孔是 CO2 激光刻印机主要的两项处理应用。

薄膜加工

YVO4 激光: 高精度刻印是 YVO4 激光刻印机主要的处理应用。

数码相机外壳底色(阳极电镀铝层)

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基础知识 vol.4

Q19“峰值功率”是什么意思?

峰值功率是激光一次脉冲能量除以其脉冲宽度的值。它以瓦特表示(W)。

峰值功率大:非常适合铭刻金属或给树脂着色。脉冲宽度小:在目标物体上的热应力小。


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Q20KEYENCE 的激光刻印机是在红外线频率上工作吗?

KEYENCE 的 CO2 激光刻印机与 YAG/YVO4 激光刻印机使用的是红外激光。这表示光束的波长要大于 780 nm。
一般来说,激光刻印机有许多不同的波长——某些在可见光谱中(380 到 780 nm),其它在紫外光范围中。

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Q21“扫描”和“遮蔽”二者有什么区别?

如同对问题 13 的回答中所作的论述,扫描型激光刻印机把一条单一的激光束在目标上进行扫描,一次通过后就打印出图像。遮蔽型激光刻印机把光束以平面形式发射,通过一个 LC 遮罩或金属遮罩。只有通过遮罩的部分会在目标物体上 进行打印。

扫描

优点

  • - 打印的数据能根据每一次打印任务变化,能进行“批量”和“系列”的打印应用。
  • - 消除了更改设置的需要。
    目标物体可以频繁更换,因为只需改变寄存的数据即可。
  • - 能在移动的物体上打印

缺点

  • - 打印时间随着打印数据的增加而延长。

遮蔽

优点

  • - 高速连续打印相同数据的能力
  • - 高分辨率

缺点

  • - 许多应用需要辅助气体,造成高运行成本。
  • - 不能在移动物体上打印。
  • - 需要遮罩(模板)。
  • - 设备相对比较大。

扫描激光能达到较高的速度,克服了此方式的限制,使得扫描成为打印的主流方式。

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Q22YVO4 激光刻印机是怎样工作的?

YVO4 代表钒酸钇(Y 即钇,VO4 即四氧化钒)。YVO4 激光使用 Nd(钕)和一个晶体作为激光介质。用一个灯或激光二极管(LD)作为光源,它们把波长固定的光照到 YVO4 晶体上,从而产生波长为 1064 nm的光束——YVO4 激光本身,经常用YAG(钇铝石榴石)代替 YVO4 晶体作为振荡 1064 nm 激光的介质。这种激光就被称作 YAG 激光。

YVO4 激光刻印机的工作原理

  1. 激发光从 LD 模块中发出,通过光纤光学电缆到达激光器。
  2. 光离开终端,照射 YVO4 晶体(端面抽运),产生高度聚合以及能量分布均匀的激光束(单一模式光束)。
  3. 激光束在全反射镜和输出镜之间被放大,然后通过 f-theta 镜头,在目标物体表面聚集。
  4. 聚合的的激光点利用 X 轴和 Y 轴扫描电动机进行扫描,在目标物体表面产生打印图像。

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Q23什么是半导体激光?

简而言之,产生激光需要半导体材料。当p侧的孔与 n 侧的电子结合时,在 p-n 结合点之间的激发层会产生光。

该结构非常类似于二极管。唯一的区别是用 GaAs 做主体,能量在它身上表现为光而非热量,从而把二极管变成了 LED(发光二极管)。
半导体晶体(激发层)把光放大,其构造能防止漏光。半导体激光主要用于通信,光盘,以及激光激发源等用途。

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Q24什么是三轴控制激光?

顾名思义,三 轴控制激光能在目标物体上打印具有 3 维形状的清晰图像。常规的激光刻印机只能控制 X 轴和 Y 轴,所以它们只能在平面(2 维)上打印。具备 三 轴控制的激光刻印机能在 X 和 Y 轴以及 Z 轴上进行操作。这样的 三 轴控制能在几乎所有的形状上进行多种打印,包括圆柱形,锥形,和倾斜的表面,甚至高度不一的表面。

[3D 打印] 经设置能精确校准曲线,进行多种打印。

常规打印使用 f-theta 镜头把焦点校准到打印区域的边缘。三 轴激光刻印机能使用 Z 轴控制在打印区域的每个刻印位置上校准焦点,大大增加了在曲面和平面上刻印的精度。

由于 三 轴激光刻印机不使用 f-theta 镜头,所以不会有 f-theta 特性造成的打印图像错位的效果。Z 轴扫描器控制大大增加了平面度与定位的精度。

三 轴控制特点

3D 控制激光刻印机设定示例

3D 控制激光刻印机打印示例

树脂包装(在不同高度的表面上打印)


大大减少更改设置所需的工时

需要夹具或高度调节装置。


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