激光技術在塑料加工中的應用與案例

陶永亮

(重慶川儀工程塑料有限公司，400712)

激光具有高單色性、相干性、方向性、高能量密度的特點在工業(yè)制造、生物醫(yī)學等眾多領域得到廣泛應用[1]。從十一五起我國將激光技術列為重點發(fā)展的基礎前沿技術，激光行業(yè)在元件開發(fā)、系統(tǒng)研制、工程應用等有了長足發(fā)展，已成為全球最大的激光技術應用市場[2]。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，新材料、微電子制造、光電顯示、新能源汽車等下游應用的需求，將助力激光應用實現(xiàn)快速增長。激光光源短波長、短脈寬、小衍射極限、高能量密度和激光系統(tǒng)小型化、低成本的發(fā)展趨勢，利用激光對材料的加工將是激光技術所面臨的發(fā)展機遇[3]。我國塑料加工產(chǎn)量位列世界第一，其中塑件的二次加工量也巨大，在塑料加工領域中，應用激光對其進行各種形式的加工，發(fā)揮了激光的優(yōu)勢，逐步取代傳統(tǒng)的加工方式，其加工質(zhì)量和加工效率都取得了較好地成效。

1 激光原理與類型分析

激光原理由物理學家愛因斯坦在1916 年發(fā)現(xiàn)，1960年激光被首次成功制造。激光在有理論基礎和生產(chǎn)實踐需求的背景下應運而生，一問世就取得了飛快發(fā)展，激光發(fā)展使古老的光學科學和光學技術獲得了新生，還促進一門新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)。激光可使人類有效地利用前所未有的先進方法，去獲得空前的效應和成果，從而促進社會的發(fā)展[4]。

激光是光與物質(zhì)的相互作用，實質(zhì)上是組成物質(zhì)的微觀粒子吸收或輻射光子，改變自身運動狀況的表現(xiàn)。其原理：在組成物質(zhì)的原子中，有不同數(shù)量的粒子（電子）分布在不同的能級上，在高能級上的粒子受到某種光子的激發(fā)，會從高能級跳到（躍遷）到低能級上，將會輻射出與激發(fā)它的光相同性質(zhì)的光，在某種狀態(tài)下，能出現(xiàn)一個弱光激發(fā)出一個強光的現(xiàn)象。這叫“受激輻射的光放大”，簡稱激光[5]。

激光分類有很多，依據(jù)不同，分類方法也不同。依照國家標準進行分類，常見有幾種分類：

（1）按產(chǎn)生條件分有CO2激光，半導體激光，光纖激光，YAG激光，調(diào)Q激光。

（2）按工作介質(zhì)分有氣體激光、固體激光、液體激光、半導體激光以及光纖激光。

（3）按能量輸出方法分為連續(xù)性、半連續(xù)性和脈沖激光，二氧化碳激光是連續(xù)輸出的激光，脈沖激光可精準地把握能量。

（4）按輸出波段范圍有可見光、近紅外光、中紅外光、遠紅外光，像強脈沖光就是可見光。

（5）按輸出方式有空間輸出，光纖輸出等。

（6）按安全等級分Class I，Class II，Class IIIA，Class IIIB四級[6～9]。由于激光的分類不同，在應用場景有更多的選擇。

激光器發(fā)射激光是朝一個方向射出，光束的發(fā)散度極小，約有0.001弧度，接近平行，具有定向發(fā)光特點。紅寶石激光器發(fā)射的光束在月球上產(chǎn)生的照度約為0.02 lx（光照度的單位），顏色鮮紅，激光光斑肉眼可見。若用功率最強的探照燈照射月球，產(chǎn)生的照度只有約一萬億分之一勒克斯，人眼根本無法察覺。激光亮度極高原因是定向發(fā)光，大量光子集中在一個極小空間范圍內(nèi)射出，能量密度自然極高。激光亮度與陽光之間的比值是百萬級，具有亮度極高特點；激光器輸出的光，波長分布范圍非常窄，顏色極純。輸出紅光的氦氖激光器光的波長分布范圍可窄到2×10-9nm，是氪燈發(fā)射的紅光波長分布范圍的萬分之二，激光具有顏色極純特點；光子能量是用E=hv來計算的，其中h為普朗克常量，v為頻率。頻率越高，能量越高。激光頻率范圍3.846×1014Hz到7.895×1014Hz，具有能量密度極大的特點[4]。

2 激光在塑料加工中應用

激光技術在塑料加工中是激光系統(tǒng)最常用的場景，按激光束與材料相互作用機理，激光加工分激光熱加工和光化學反應加工兩種。激光熱加工是用激光束投射到材料表面產(chǎn)生的熱效應來完成加工過程，包括3D打印、切割（打孔）、焊接、打標、表面處理（改性）等；光化學反應加工是激光束照射到物體，借助高密度高能光子引發(fā)或控制光化學反應的加工過程，包括激光刻蝕、激光剝漆等[10]。

2.1 3D打印

選擇性激光燒結SLS（Selective Laser Sinterin g）將粉末預熱到稍低于其熔點的溫度，然后在刮平棍子的作用下將粉末鋪平；CO2激光器激光束在計算機控制下根據(jù)分層截面信息進行有選擇地燒結，一層完成后再進行下一層燒結，全部燒結完后去掉多余的粉末，就可得到一燒結好的零件。SLS優(yōu)點在于選材較為廣泛，如尼龍、蠟、ABS、樹脂裹覆砂（覆膜砂）、聚碳酸脂等都可以作為燒結對象，其原理如圖1所示[11]。SLS基于粉末床的激光3D打印技術，高分子基粉末是應用最早、最多、最成功的SLS材料。高分子基粉末具有成型溫度低、燒結所需的激光功率小可用紅外激光器。

圖1 SLS工藝原理圖

3D打印提供了快速成型的方法，汽車制造借助3D打印技術，用于汽車外形設計的研發(fā)，能夠實現(xiàn)小批量定制部件和生產(chǎn)自動化[12]。3D打印方向盤材質(zhì)：FS3200PA（尼龍粉末材料），重量255 g，精度0.10 mm，SLS加工。尼龍材料中加入玻璃微珠、碳纖維等材料能提高尼龍機械性能、耐磨性能、尺寸穩(wěn)定性能和抗熱變形性能[13]。如圖2所示。

圖2 SLS打印尼龍方向盤件示意圖（網(wǎng)圖）

2.2 切割（打孔）

激光切割就是將激光束聚焦在塑件表面，利用激光的高溫特性使材料熔化，用與激光束同軸的壓縮氣體吹走被熔化的塑料產(chǎn)品，并使激光束與塑料產(chǎn)品沿一定軌跡作相對運動，從而切割形成一定外形的加工過程[14]。

激光切割優(yōu)勢：定位精度0.05 mm，重復定位0.02 mm；激光束聚焦成很小的光點，使焦點處達到很高的功率密度，材料很快加熱至氣化程度，蒸發(fā)形成孔洞。隨著光束與材料相對線性移動，使孔洞連續(xù)形成寬度很窄的切縫，切口寬度為0.10～0.20 mm；切割面無毛刺，切口表面粗糙度一般控制在Ra12.5以內(nèi)；切割速度達10 m/min，最大定位速度達70 m/min，比線切割速度快；無接觸切割，切邊受熱影響很小，基本沒有工件熱變形，完全避免材料沖剪時形成的塌邊，切縫不需后加工；可加工任意圖形和切割管材及其它異型材[15]。汽車塑件成型時，模內(nèi)型芯對塑件成型有熔接痕影響其表面質(zhì)量和強度，加工中對模具和成型工藝調(diào)試都是很困難，圖3所示中四個連續(xù)小方孔間隔之間筋段是熔接痕產(chǎn)生地方，現(xiàn)將小方孔做成盲孔便于成型，四個小方孔用激光加工，間隔之間筋段沒有熔接痕，強度得到了保證。

圖3 汽車塑料配件（網(wǎng)圖）

激光切割塑件水口，切割質(zhì)量好，屬于無接觸性切割，切邊受熱影響很小，無工件熱變形，激光切縫光滑平整，不需后加工。激光切割加工塑膠新產(chǎn)品樣品可提高新產(chǎn)品開發(fā)速度，產(chǎn)品圖紙形成后可進行激光加工，在最短時間內(nèi)得到塑料新產(chǎn)品樣品[14]。激光切割塑料產(chǎn)品，可選擇激光種類主要為CO2激光器和Nd:YAG激光器。CO2激光切割機適合范圍廣，而Nd:YAG激光器不太適合透明的塑料，比如PMMA、PC和PS，這類材料首先考慮CO2激光器[16]。

2.3 激光焊接

塑料激光焊接利用透射焊接原理。一般選用紅外激光作為焊接熱源，由于800～1 100 nm波段的激光對絕大多數(shù)種類的透明或有色熱塑性塑料吸收率較低，激光透過塑料損失的能量較少。透射焊接一般采用搭接接頭，需一定夾緊力夾具固定。上下兩層材料必須滿足一定的要求：對于所采用激光，上層材料能最大程度透過激光，下層材料能最大程度吸收激光。激光透過上層材料射到下層材料表面，下層材料對激光具有較高的吸收率，激光在結合面處被吸收并產(chǎn)生大量的熱量，熱量通過熱傳導由下層材料傳到上層材料，使得結合面處塑料熔化，在夾緊力的作用下二次聚合，冷卻后在結合面處形成焊縫，即焊接在一起[17]。

激光焊接的前燈（圖4所示），激光焊接對燈體與燈罩產(chǎn)品的零件狀態(tài)一致性要求嚴格。其步驟為：

圖4 激光焊接前燈樣品

（1）通過治具夾具固定待焊接的兩個部件。

（2）上下治具合模兩部件壓緊在一起，并以近紅外線激光NIR（波長810～1 064 nm），透射過第一個部件，被第二個部件吸收所，所吸收的近紅外線激光化為熱能，將兩個部件接觸表面熔化形成焊接區(qū)。

（3）施加壓力，使焊接區(qū)牢固[18]。

激光塑料焊接方法有2種，一種是利用遠紅外CO2激光焊接塑料－非接觸激光焊接（簡稱NCLW）；另一種是利用近紅外激光焊接熱塑性塑料－透過激光塑料焊接（簡稱TTLE）[19]。目前使用的透過激光塑料焊接。

車燈激光焊接操作需導入FMEA（設計潛在失效模式）的工作，分析出會產(chǎn)生影響產(chǎn)品質(zhì)量的潛在隱患，導致車燈機能不良甚至有發(fā)生交通事故的可能，提供了幾種在設計階段保證產(chǎn)品質(zhì)量的分析方式，在試制與量產(chǎn)后對品質(zhì)進行管理的常用方法[20]。

2.4 表面打標

表面打標是在塑件表面做標識，以前用機械打標機，絲網(wǎng)印刷等，現(xiàn)用激光打標，提高了加工效益，更重要是提高產(chǎn)品防偽性，廣泛用于包裝打標、票據(jù)打標、防偽標識打標等。激光打標基本原理：激光發(fā)生器生成高能量的連續(xù)激光光束，聚焦后的激光作用于承印材料，使表面材料瞬間熔融，甚至氣化，通過控制激光在材料表面的路徑，從而形成需要的圖文標記。激光打標的特點是非接觸加工，可在任何異型表面標刻，工件無變形和內(nèi)應力，適于塑料等材料的標記。

激光打標機采用掃描法打標，即將激光束入射到兩反射鏡上，利用計算機控制掃描電機帶動反射鏡分別沿X、Y軸轉動，激光束聚焦后落到被標記的工件上，從而形成了激光標記的痕跡。大灣區(qū)把激光打標按Laser音譯稱為激光鐳射加工[21]。

激光打標機價位比傳統(tǒng)打標機較貴，但從運行成本而看，使用激光打標機要低得多。打印一個塑料件成本在0.005～0.01元之間。激光打標能滿足在極小的塑料制件上印制大量數(shù)據(jù)的需要。可印制要求更精確，清晰度更高的二維條碼，與壓印或噴射打標方式相比，有更強的市場競爭力。激光打標技術應用包括ABS鍵盤，HDPE、PP、PET和PVC剛性容器和容器蓋，尼龍和PBT元器件，HDPE開關按鈕，PVC管件等的標記印刷[22]，圖5所示。

圖5 激光打標塑件示意圖（網(wǎng)圖）

激光通過在樹脂上照射使工件本身發(fā)色，不同樹脂材料，激光使其發(fā)色的原理也不一樣。激光對樹脂的影響，對材質(zhì)的吸收率因波長而異，根據(jù)紅外（1064），綠光（532），紫外（355）對不同樹脂材質(zhì)透過率的實驗數(shù)據(jù)[23]，可知紫外、綠光激光對PVC、ABS、聚苯乙烯的透過率均低、吸收率均高，可進行良好的刻印。YAG激光打標，CO2激光打標，光纖打標機等都可進行選擇性的使用[24]。激光打標用于汽車塑件裝飾紋理加工，圖6所示，包括透明件打裝飾啞光花紋加工，屬于類似于平面加工，立體感還是做不到，這樣可簡化模具加工，激光加工簡單，成本低且環(huán)保。也可在塑料模具進行紋理加工。

2.5 表面處理（改性）

激光對高聚物表面改性引起了更多人的關注，激光是目前唯一一種能同時將表面物理形貌控制及表面化學結構改變相結合的技術手段，其工藝簡單，無污染，直接對納米及微米級的區(qū)域進行操控的優(yōu)勢，使其成為生物材料等表面改性中有著發(fā)展?jié)摿Φ母男苑椒ā?93 nm激光光子能量與高分子材料的化學鍵鍵能非常接近，通過光子能量的吸收可導致高分子主鏈或側鏈的斷裂，形成自由基，從而引發(fā)大分子的接枝反應[25～26]。應用激光束中光子的能量，使高聚物特定位置上鍵發(fā)生斷裂，產(chǎn)生出特有的自由基，因而易引入其他的功能性基團，這是激光輻照高聚物改性的原理[27]。

PET材料（Polyethylene terephthalate）即聚對苯二甲酸乙二醇酯，也稱滌綸樹脂，是熱塑性聚酯中主要的品種[28]。分子結構中所含羰基是典型的發(fā)色團。PET作為改性基質(zhì)，置于氨氣氣氛中，利用激光激發(fā)材料表面及氨氣形成自由基，通過肽鍵縮合同各種生物分子鍵合的基團來改善PET表面反應特性，促進氨基在材料表面接枝。改性后測試結果表明，材料表面粗糙度沒有顯著變化，但水接觸角的減小表明表面化學結構發(fā)生了某種變化。傅里葉變換紅外光譜（FTIR/ATR）圖譜在3 352和1 613 cm-1處出現(xiàn)了新的氨基吸收峰，證實了表面接枝了氨基。X射線光電子能譜（XPS）也證明了材料表面C—N鍵的存在，其C1s結合能為285.5 eV，N1s為 398.9 eV。飛行時間二次離子質(zhì)譜（Tof-SMS）檢測到含氨基的分子碎片，其碎片成像圖顯示接枝僅發(fā)生在激光輻照部位。氨基接枝通過激光光子引發(fā)氨氣N—H及PET材C—H 鍵分解形成自由基，通過自由基反應實現(xiàn)的。氨氣壓力對氨基在乙基上的接枝量有較明顯的影響，氨基接枝僅發(fā)生在激光輻照的區(qū)域，實現(xiàn)了對材料表面局部化學結構的可選擇性控制。實驗結果表明，激光能在生物材料表面進行局部區(qū)域的選擇性接枝[29]。

2.6 表面刻蝕

聚碳酸酯（PC）優(yōu)良熱穩(wěn)定性，光學透明性等得到廣泛應用，但材料表面能較低，表面呈現(xiàn)化學惰性，表面的吸附性和粘接性較低限制了在某些方面的應用，需通過表面處理技術改善其相關的表面性能。采用激光刻蝕技術具有無需掩模、柔性化程度高、加工速度快等優(yōu)點，可選擇性改變材料區(qū)域表面的潤濕性[30～31]。利用波長1 046 nm的Nd:YAG脈沖激光刻蝕改性PC使其表面發(fā)生光熱作用，使其表面接觸角從70°減小到40°[32]。當248 nm準分子激光和355 nm的全固態(tài)紫外Nd:YAG激光刻蝕改性PC材料時，由于紫外激光具有較高的單光子能量，激光能量密度較小時，材料表面僅發(fā)生光化學反應，PC材料表面的潤濕性幾乎未發(fā)生改變[33～34]；激光能量密度較大時，使PC材料表面發(fā)生光熱和光化學作用[34～35]，PC表面性能發(fā)生顯著變化。刻蝕改性對PC表面潤濕性能的影響規(guī)律，激光功率密度較低（小于0.27×108W/cm2）刻蝕時，PC表面的親水性會有所增加；激光功率密度較高（1.15×108～10.19×108）W/cm2刻蝕時，PC表面會由親水性變?yōu)槭杷?。潤濕性改變的主要原因是激光刻蝕改變了PC表面的微觀形貌，對材料表面接觸角有著重要的影響，使PC表面潤濕性能有相應的改變，加工簡單效率高，拓展了PC材料應用范圍[36]。

2.7 激光剝漆

透光塑料是一種具有高透光性和高強度的塑料材料，應用于汽車、電子、醫(yī)療、玩具等領域。在加工中為了提高透光塑件的美觀性和功能性，通常需在其表面涂覆一層油漆或涂層，然后通過剝漆方式在透光塑件上制作文字、圖案或窗口等。傳統(tǒng)的剝漆方法主要有機械剝漆、化學剝漆和熱剝漆等，但這些方法都有缺點。機械剝漆使用刀具或砂紙等工具，容易使塑料表面的劃傷、磨損或變形；化學剝漆使用溶劑或酸堿等化學試劑，容易使塑料表面的腐蝕、變色或開裂；熱剝漆使用火焰或高溫氣體等熱源，容易使塑料表面的燒焦、變形或氣泡。

紫外激光塑料剝漆技術是利用紫外激光器發(fā)出的高能量紫外光束對透光塑料表面進行剝漆的技術。采用冷光源剝漆方式，通過細小的光斑在透明塑料上劃動，經(jīng)由光斑的高能量對透明塑件進行剝漆。在塑件上進行剝漆時，不產(chǎn)生熱效應，熱影響區(qū)域小，對材料的耗損問題也迎刃而解，圖7所示。紫外激光塑件剝漆技術有如下優(yōu)勢。高效：設定好程序，快速對透明塑料進行精準剝漆，生產(chǎn)效率和質(zhì)量都大幅度提升。環(huán)保：加工時不產(chǎn)生有害氣體或廢液，綠色環(huán)保。精準：使用計算機控制激光器，會根據(jù)預設圖案或文字進行精確加工，以輕松剝漆不規(guī)則圖形或文字。靈活：能根據(jù)不同的透光塑料材料和油漆類型參數(shù)調(diào)節(jié)，最大限度發(fā)揮激光器性能，適應各種剝漆需求和難度。紫外激光塑料剝漆技術是一種利用紫外激光器對透光塑料表面進行剝漆的技術，具有高效、環(huán)保、精準、靈活、穩(wěn)定等優(yōu)點，已經(jīng)在多個領域和行業(yè)得到了廣泛的應用和認可[37]。

圖7 紫外激光塑料件剝漆示意圖（網(wǎng)圖）

3 結束語

激光從1960年發(fā)明以來，目前與各個學科結合，成了人類認識世界和改造世界的重要的工具，激光技術形成產(chǎn)業(yè)化，推動了經(jīng)濟的發(fā)展。近年激光在塑料加工中的應用得到較大地發(fā)展，激光技術在塑料加工中得到了廣泛的應用與日益成熟，逐步取代傳統(tǒng)塑料中加工手段，以其獨特的優(yōu)越性，成為未來塑料加工手段，是“21世紀的加工技術”，激光加工屬非接觸式加工，對塑件本身無機械沖擊力，工件不會變形，熱影響區(qū)小，工件內(nèi)部不易產(chǎn)生殘余熱應力。激光加工在未來的塑料加工中占有比例逐步提高，將會有更多應用場景開發(fā)，這為塑料材料拓展了應用范圍。