激光雕刻和激光標(biāo)記打印技術(shù)正在模具制造行業(yè)中興起。通過這項(xiàng)技術(shù)可以滿足對(duì)零件識(shí)別、制造工藝及成品質(zhì)量跟蹤等需求的日益增長(zhǎng)。采用激光技術(shù)具有加工表面光滑、在模具上打印紋理圖形、節(jié)約費(fèi)用和時(shí)間等優(yōu)勢(shì)。 模具制造商不但可以利用這種方法在模具上打印標(biāo)記，還可進(jìn)行模具的紋理加工和模腔的雕刻加工。所有這一切都不需要增加材料和液體等項(xiàng)目的額外投資費(fèi)用。模具制造商只要購(gòu)置一臺(tái)激光加工機(jī)就可以完成這些任務(wù)，也可以尋求外協(xié)單位幫助解決。 激光器的工作原理 激光器是利用受激發(fā)射光波放大原理制成的，通常一種物質(zhì)通過自然激發(fā)會(huì)發(fā)射出光線，其中有一個(gè)原子的電子吸收了能量，當(dāng)它具有這種能量時(shí)，該原子處于一種激發(fā)的狀態(tài)。如果在沒有外力的作用下，電子釋放出這種多余的能量，就產(chǎn)生了自發(fā)射現(xiàn)象。 High-Tech Laser & Polishing公司銷售經(jīng)理Steve Finneseth先生稱，激光雕刻技術(shù)可以應(yīng)用于許多不同材料的加工，包括從碳化物材料到各種塑料的加工，其雕刻清晰，分辨率高。High-Tech公司是一家精密激光微型雕刻技術(shù)的服務(wù)供應(yīng)商，可為工業(yè)模具元件的激光加工提供服務(wù)，其中包括模腔、型芯、模具和插件等。他回憶說：“當(dāng)High-Tech公司購(gòu)置第一臺(tái)Nd/Yag激光加工機(jī)時(shí)，其主要目的是在零件上加工一個(gè)可控制的深度，對(duì)粗糙度甚至只要求達(dá)到車間級(jí)水平即可。今天，雕刻的深度可以從0.0002~0.075in（1in=25.4mm），如有必要還可以更大，這取決于客戶的要求。” Finneseth先生解釋說：“Nd/Yag激光加工機(jī)采用Q開關(guān)生成脈沖，脈沖可以調(diào)節(jié)，這主要取決于需要雕刻的深度。激光束能使材料汽化，使其從固體變成氣體。通常當(dāng)人們聽說激光雕刻這個(gè)詞的時(shí)候，他們的頭腦中也許只有二氧化碳激光器的概念。一般的二氧化碳激光器為1000W，用于激光切割，與100W的Nd/Yag激光器相比，后者只適用于激光雕刻。YAG這個(gè)詞來自Yttrium（釔，一種稀有金屬）、鋁和石榴石。釔鋁石榴石激光器可用于雕刻鋁材、銅材、碳化物、石墨電極、經(jīng)熱處理或未經(jīng)熱處理的工具鋼，以及許多不同的塑料。采用激光器可雕刻模具的側(cè)壁、凹穴或隱藏的型腔，但用戶需要有一條直接的視線，只要將激光器傾斜一個(gè)角度就能獲得這個(gè)視線。這好像用手電筒照射一個(gè)管子那樣，只要視線能達(dá)到的地方，激光雕刻就沒有問題，而刀具或銑刀則達(dá)不到這種能力。激光器的光束只有一個(gè)很銳利的圓角，不像銑刀或刀具那樣，有一個(gè)半徑較大的圓角。” Finneseth 先生補(bǔ)充說：“在使用激光器時(shí)，依靠光束來切割材料。光束從激光器導(dǎo)軌后部通過反射鏡反射到導(dǎo)軌前部，當(dāng)其集聚到足夠的強(qiáng)度時(shí)，該光束就開始工作。一旦當(dāng)光束達(dá)到足夠的強(qiáng)度時(shí)，Q開關(guān)打開，讓光線通過光束放大器傳送到激光器頭部。在激光器頭部裝有反光鏡，將光束反射到需要雕刻的表面上。在有些激光器上，可以通過一個(gè)光圈來控制光束的大? ！? 根據(jù)Crafford LaserStar公司的銷售主任Roy Gessman先生的說法，凡是提供激光雕刻設(shè)備的公司也設(shè)計(jì)與該系統(tǒng)工作配套的軟件，以幫助保證其重復(fù)精度，因?yàn)檫@一切都采用計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)。這樣的軟件應(yīng)該能夠創(chuàng)建不同的標(biāo)志和輸出序列號(hào)。Gessman先生說：“用戶能夠設(shè)置一個(gè)可以在模具上打印標(biāo)記和雕刻各種信息的程序，然后在激光器的工作區(qū)將實(shí)際工件定位，點(diǎn)擊運(yùn)行程序，激光器就開始打印標(biāo)記或雕刻這個(gè)工件。” 激光器的應(yīng)用 1.打印標(biāo)記 Caliber Engraving公司50%的業(yè)務(wù)來自于模具加工車間，該公司總裁Tim Rose先生解釋說：“激光打印標(biāo)記是將黑色標(biāo)記打印在鋼材或金屬的表面上，看起來像很淺的蝕刻加工。許多模具制造商的棒料編碼、產(chǎn)品識(shí)別和序列編號(hào)等均采用這種標(biāo)記打印方法。激光標(biāo)記打印法是機(jī)電蝕刻和機(jī)械沖壓打印的新的替代方法，其在元件上打印數(shù)據(jù)的費(fèi)用只相當(dāng)于激光深度雕刻機(jī)的一個(gè)零頭。許多模具制造商在模具元件上打印的標(biāo)記是他們公司的名稱、客戶的名字或模具編號(hào)等，使整套模具看起來更加專業(yè)。” 按照Crafford LaserStar公司Gessman先生的說法，標(biāo)記打印實(shí)際上只是改變顏色而已。Gessman先生說：“當(dāng)材料比較敏感或壁厚較薄時(shí)，采用激光標(biāo)記打印要比激光雕刻更為合適。有時(shí)候，金屬密度不允許切除一部分，因此就必須采用永久性的激光打印標(biāo)記。” 2.雕刻 激光雕刻實(shí)際上是已經(jīng)切入到金屬的表面，并將切除一部分金屬。Virtek Laser Systems North America公司是一家提供高價(jià)值激光樣板、激光檢驗(yàn)、產(chǎn)品標(biāo)記打? ⒌窨碳際酰約俺商捉餼齜槳傅墓┯ι獺０湊嶄霉靜酚鞮inda Mclntosh女士的說法，在模具制造行業(yè)中，激光雕刻的應(yīng)用范圍一般包括：模具上的紋理和圖形雕刻、直接在模具上深度雕刻、對(duì)EDM電極的雕刻、金屬零件上產(chǎn)品編號(hào)、序列號(hào)的雕刻，以及金屬零件的退火。 按照Caliber Engraving公司Rose先生的說法，深度激光雕刻可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的銑削加工和化學(xué)蝕刻方法，其雕刻加工的深度范圍為0.0002~0.125in。Rose先生解釋說：“在深度雕刻加工過程中，通常都使用這樣的深度范圍。這樣，就可以看清模具產(chǎn)品上雕刻加工的圖像。當(dāng)塑料填充到雕刻的紋路中時(shí)，可以看到塑料零件上的圖像。激光雕刻是大部分客戶比較喜歡的一種加工方法。客戶特別關(guān)注模具加工的細(xì)節(jié)和精度，因?yàn)樗麄円呀?jīng)在模具和模具元件的制造中花費(fèi)了幾萬美元。” 激光加工的優(yōu)點(diǎn) 1.EDM/銑削加工的替代方法 Virtek Laser Systems公司的McIntosh女士解釋說：“在中小型模腔加工中，激光雕刻加工實(shí)際上可以代替銑削加工或EDM放電加工。在今天這個(gè)充滿競(jìng)爭(zhēng)的模具制造世界中，制造商必須采用更快、更好的加工方法，以便取得一種能夠超越國(guó)外模具制造商的優(yōu)勢(shì)。” 2.節(jié)約時(shí)間和資金 Mclntosh女士評(píng)論說：“加工車間發(fā)現(xiàn)，節(jié)約時(shí)間只是使用激光標(biāo)記打印和激光雕刻加工的其中一部分原因（如表1）。它們還可以節(jié)約材料費(fèi)用（一般不需要使用石墨或銅），不需要制造石墨電極，降低了維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用，減少了介質(zhì)液體、銑削用冷卻液等消耗品費(fèi)用（如表2）。”Caliber Engraving公司的Rose先生能夠證明其比較快速的轉(zhuǎn)換時(shí)間。他認(rèn)為：“與傳統(tǒng)的方法相比，用激光加工一個(gè)模腔所需的時(shí)間較快，加工質(zhì)量也要高得多，而且工件轉(zhuǎn)換的速度也要快得多。其環(huán)境也更容易控制；由于先將激光投射到表面上，調(diào)試設(shè)置的預(yù)見性較強(qiáng)，可以事先對(duì)激光投射到零件表面上的圖像進(jìn)行微調(diào)，然后再開始進(jìn)行實(shí)際切削工作。” 3.使用壽命較長(zhǎng) High-Tech Laser公司的Finneseth先生認(rèn)為，激光光束不會(huì)像電極那樣易于磨損。他說：“激光器的維護(hù)保養(yǎng)主要是更換清水和過濾器。在激光器上，燈泡也通常是一個(gè)需要更換的零件，經(jīng)過幾千小時(shí)的工作以后，才需要更換Q開關(guān)、Nd/Yag棒和光學(xué)元件。” 4.表面質(zhì)量較好 McIntosh女士解釋說：“與銑削加工的表面相比，激光雕刻加工的表面質(zhì)量極好，小面積加工的外形輪廓極為精細(xì)。采用激光雕刻加工的表面，模具制造商無需再進(jìn)行手工拋光或打磨。與銑削加工的表面比較，激光雕刻加工的表面也比較光滑。在大多數(shù)情況下，激光雕刻加工都能夠滿足所需要的質(zhì)量要求。激光器加工能夠達(dá)到良好的（Ra<0.8μm）質(zhì)量的要求。包裝工業(yè)，如化妝品包裝和硬幣制造業(yè)正在推動(dòng)加工設(shè)備制造商找到更好的方法，以提高模具的精加工水平（如圖1）。” 圖1 激光雕刻加工后金屬邊緣所呈現(xiàn)的情況Caliber Engraving公司的Rose先生補(bǔ)充說：“采用激光雕刻加工的表面質(zhì)量大大減少了拋光工人二次拋光作業(yè)的工作量，在大部分情況下，由于激光加工的表面光潔度比較精致，因此無需二次研磨。采用激光加工的質(zhì)量要好得多。” 5.雕刻型面容易 Precision Laser Technology公司的技術(shù)主任James Garcia先生解釋說：“采用激光器雕刻加工型面非常容易，而采用銑削方法加工型面則非常困難。激光可以在有限的范圍內(nèi)沿著一個(gè)零件的型面移動(dòng)。如果采用傳統(tǒng)的CNC數(shù)控銑床，同樣的雕刻加工需要增加額外的編程。此外，激光雕刻加工是一個(gè)非常環(huán)保的加工工藝，不需要使用任何化學(xué)物質(zhì)。” 6.模具的應(yīng)力/磨損少 此外，按照Mclntosh女士的說法，激光雕刻加工不會(huì)對(duì)大部分金屬成品的表面硬度產(chǎn)生影響，其水平與EDM加工相同。她說：“而EDM加工所影響的區(qū)域會(huì)造成微型裂縫，這對(duì)于航天和醫(yī)療行業(yè)來說是不能接受的。圖2所示為激光雕刻加工和EDM加工表面的金相顯微圖，從圖片中可以清楚地看到其邊緣區(qū)域的差距。” 圖2 銑削加工的表面（左圖）與激光雕刻加工表面的比較激光加工的局限性 激光設(shè)備制造商和激光雕刻機(jī)制造商都指出，激光加工技術(shù)只是EDM加工和銑削加工的一種補(bǔ)充，而不能作為替代技術(shù)。Virtek公司的Mclntosh女士認(rèn)為：“如果需要切削加工大量的材料，激光雕刻加工無法代替銑削加工。” Caliber Engraving公司的Rose先生也同意這個(gè)觀點(diǎn)。他說：“對(duì)于模腔類材料的加工，不適于采用激光雕刻加工，銑削加工的效率要遠(yuǎn)高于激光加工。激光雕刻的優(yōu)點(diǎn)在于其能夠承擔(dān)EDM無法加工的超精細(xì)區(qū)域的加工。一般來說，我不推薦使用激光加工來替代EDM加工或銑削加工。” 圖3 這個(gè)插件上帶有激光雕刻的微小文字協(xié)調(diào)工作 對(duì)于模具制造商而言，如果他們需要加工的是小型復(fù)雜的工件，那么采用激光雕刻/標(biāo)記打印工藝也許是一種切實(shí)可行的替代方法。如果將激光加工與EDM加工和銑削加工技術(shù)結(jié)合起來一起使用，能夠幫助模具制造商縮短加工周期、節(jié)約生產(chǎn)時(shí)間和資金、延長(zhǎng)刀具使用壽命和提高表面質(zhì)量。這些工藝的綜合使用，不但有利于提高工藝水平，而且有利于模具加工車間提高競(jìng)爭(zhēng)能力。 圖4 一個(gè)LaserStar激光標(biāo)記打印/雕刻系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例，采用這個(gè)系統(tǒng)可以加工模腔插件的識(shí)別標(biāo)志廠內(nèi)加工還是尋求外協(xié)？ 究竟是尋求外協(xié)廠家?guī)椭€是自己購(gòu)置加工設(shè)備，取決于各個(gè)加工車間的具體情況。High-Tech公司銷售經(jīng)理Finneseth先生解釋說：“由于激光加工機(jī)械的費(fèi)用問題，模具制造商往往會(huì)尋求外協(xié)激光加工廠幫助。僅僅是為了雕刻加工而購(gòu)置這樣的激光加工機(jī)械是十分困難的。模具制造工藝的這部分費(fèi)用要比其他部分的費(fèi)用低得多。他們可以在模具設(shè)計(jì)和制造方面，而不是在雕刻加工方面來賺取更多的金錢，因?yàn)樵谀＞呓M裝件中，這種加工元件的費(fèi)用較低。”雕刻加工服務(wù)提供商所需要的一切無非是一個(gè)電子文件，這種文件可采用各種格式發(fā)送，如DXF、DWG、STEP、X_T、IGS、AI和EPS等格式，只要有這些文件就可以完成雕刻加工。就加工材料而言，服務(wù)提供商可雕刻加工各類工具鋼、鋁材、銅材、碳化物材料、電極用石墨和各種塑料。 另一方面，Virtek Laser公司的產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理Mclntosh女士指出，是尋求外協(xié)幫助還是自己購(gòu)置加工系統(tǒng)，取決于費(fèi)用問題。她說：“我認(rèn)為公司有必要作一次ROI分析，然后確定是否值得購(gòu)置這樣的加工設(shè)備。外協(xié)工廠的加工費(fèi)用對(duì)于一個(gè)加工車間而言也是不菲的，而且加工周期也是一個(gè)很大的問題，因?yàn)槟闶怯星笥谌耍疫€有其他的人排在你的前面。曾經(jīng)有潛在的客戶告訴我，他們準(zhǔn)備購(gòu)置屬于他們自己的加工系統(tǒng)，因?yàn)樗麄兊墓ぷ髁恳呀?jīng)達(dá)到了‘臨界’的狀態(tài)。” Caliber Engraving公司的總裁Rose先生解釋說：“在開始學(xué)習(xí)使用激光雕刻加工的時(shí)候，只要用戶熟悉使用CAD和相關(guān)的軟件，其學(xué)習(xí)周期就不會(huì)很長(zhǎng)。然而，這是一種應(yīng)留給專家從事的“藝術(shù)創(chuàng)作”。一般來說，雕刻加工涉及到圖像，這是投入到模具包生產(chǎn)加工中一切工作的最終代表，因此必須正確無誤地完成這項(xiàng)工作。激光技術(shù)的應(yīng)用涉及到將圖像投射到工件的表面（在大多數(shù)情況下是3D圖像），以及圖像的操作控制，以便在應(yīng)用過程中達(dá)到正確和精確的視覺。”在日常工作中，經(jīng)過培訓(xùn)的雕刻工人，始終以藝術(shù)家的眼光結(jié)合精密的激光技術(shù)，提供最高質(zhì)量的雕刻圖像。一個(gè)經(jīng)過培訓(xùn)的雕刻專家應(yīng)具有藝術(shù)家的眼光來處理工作，他與一個(gè)未經(jīng)培訓(xùn)的和沒有藝術(shù)家眼光的雕刻工人是完全不同的，這種不同體現(xiàn)在加工的零件上，這就是“平庸和偉大”之間的區(qū)別。 激光雕刻技術(shù)：激光雕刻技術(shù)是激光加工最大的應(yīng)用領(lǐng)域之一。這種技術(shù)能夠與計(jì)算機(jī)相互配合，控制激光束移動(dòng)。把要雕刻的圖案放在光電掃描儀上，掃描儀輸出的信號(hào)經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理后，用來控制激光束的動(dòng)作，就可以自動(dòng)地在木板、玻璃、皮革上按照?qǐng)D樣雕刻了。同時(shí)，聚焦起來的激光束很細(xì)，相當(dāng)于非常靈巧的雕刻刀，雕刻的線條細(xì)，圖案上的細(xì)節(jié)也能夠雕刻出來。激光雕刻可以打出各種文字、符號(hào)和圖案等，字符大小可以從毫米到微米量級(jí)，這對(duì)產(chǎn)品的防偽有特殊的意義。近幾年，激光雕刻已經(jīng)發(fā)展至可以實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)雕刻，被廣泛用于微電子工業(yè)和生物工程。