经验分享|塑料产品镭雕二维码的工艺参数选择以及质量评价

文摘   2024-09-21 07:20   江苏  
观点 / Champion   


在之前的文章中,我有简单谈到过镭雕二维码的相关知识,感兴趣的可以查阅:


经验分享|产品二维码在汽车零部件行业应用


加上最近工作中,又遇到了类似的话题,所以想借此机会分享下我知道的和能够查询到的相关知识经验,以便于对有相同问题困惑的朋友们能够带来些启迪。


01. 激光的原理


首先,光是“电磁波”的一种。“电磁波”存在波长这一标准,波长由长到短分别被称为电波、红外线、可见光、紫外线、 X 射线、Y 射线等。

其次,当射到物体上的光有一部分波长无法被物体吸收而被反射回来,并被人眼(视网膜)接收到时,这种波长就被我们感知为物体的“颜色”。

根据波长不同,光的折射率也会有所变化,因此光呈发散状态。其结果就是,我们能够感知到各种各样不同的“颜色”。例如红色的苹果(当人眼接收到包含红色特定波长光线的白昼光时)仅反射红色波长的光 (600 至 700 nm),其他波长的光均被其吸收。※黑色物体可以吸收所有的光,因此看上去呈黑色。

上面这些知识,我们应该在初中和高中物理时都已经学习过。

电磁波中人类肉眼可感知的波长范围被称为“可见光”。可见光的短波长约为360 至 400 nm,长波长约为 760 至 830 nm,如果波长超出“可见光”的波长范围(更短或更长),就超出了人眼所能够感知的范围。


最后,普通光(灯光等)与激光存在哪些区别呢?

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。


LASER 是由英文“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” 的各单词首字母组成的缩写词,意思是“通过受激发射光扩大”。

原子(分子)从外部吸收能量后,从下准位(低能级状态)跃迁至上准位(高能级状态)。这种状态被称为受激状态。

受激状态是一种不稳定的状态,将会很快返回至低能级状态。这一行为被称为“跃迁”。此时会辐射出相当于跃迁能量的光。这种现象被称为自发发射。辐射出的光碰撞到同样处于受激状态的其他原子,也会激励其发生相同的跃迁。这种受到诱导而辐射出的光称为受激发射。


02. 激光的种类


大致可分为固体、气体、液体 3 种类型。由于目标加工用途不同,适用的激光也有所不同。


▪ 固体


YAG 激光(Nd:YAG),Nd:YVO4 (1064 nm),Yb:光纤 (1090 nm),LD( 650 至 905 nm)。


气体


CO2 (10.6μm),He-Ne 激光(630 nm),准分子激光(193 nm),氩激光(488 至 514 nm)。


▪ 液


Dye(330 至 1300 nm)。



03. 激光加工质量的影响因素


在激光加工过程中,影响激光加工质量的因素较多,其中的主要因素有激光器的工

作参量、标刻速度、激光的聚焦特性和材料对激光的吸收率等。


其中,激光器的工作参量包括工作方式、平均功率、波长、脉冲重复频率和脉宽等。


▪ 激光器


激光工作方式:


按照工作方式来对激光器分类,可以分成连续波激光器和脉冲激光器,在激光加工

领域,连续型激光适合非金属材料的加工,而脉冲型激光适合金属材料的加工。与连续型激光相比,脉冲型激光具有更高的峰值功率和加热速度,因其单个脉冲时间小于0.25s,带来的热扩散会更小,因此脉冲型激光加工比连续型激光加工更容易控制热量的输入,获得更好的加工质量。


激光平均功率:


影响加工线槽的深度与宽度的重要因素,当其他加工参数固定不变时,随着激光平均功率增大,单位时间内作用在材料表面的激光能量增加,加工线槽的宽度与深度随着激光平均功率的增加而增大。


激光波长:

重复脉冲频率:

脉冲重复频率指的是单位时间内,脉冲出现的次数。当设置不同的脉冲重复频率时,可获得不同的激光功率,并在某一个频率段得到一个最大值,同时,激光的脉宽也会随着脉冲重复频率的变化而变化,导致激光峰值功率改变,影响激光加工的质量。


激光脉宽:

当单脉冲能量一定时,激光脉宽决定峰值功率的大小。激光脉宽越小,单个脉冲的

作用时间越短,能获得更高的激光峰值功率,从而减小热影响区域,提升加工精度。


▪ 标刻速度


标刻速度是指扫描振镜的扫描速度。在激光加工过程当中,激光束会按照一定的频

率与一定的标刻速度以打点的形式先后作用在材料的表面,前后邻近的两个激光光斑可能会产生堆叠现象,形成连续的加工线槽,而两个光斑堆叠的面积与光斑面积的百分比就称为光斑重叠率c。


▪ 激光聚焦特性


焦距:


平行光束经聚焦透镜聚焦后,汇聚于一点,称为焦点,焦点到聚焦透镜的距离就是

焦距,在激光加工中通常采用两种焦距的聚焦镜进行工作,一种是短焦距聚焦镜,另一种是长焦距聚焦镜。相比于长焦距聚焦镜,短焦距聚焦镜的优势在于能汇聚出更小的光斑和更高的功率密度。


焦深:


在焦点前后的一小段距离内,激光束的直径可以达到最小,此时,激光束的功率密

度最高,能量最强,焦点附近能量密度最高的区域深度,称为焦深。


离焦量:


焦点与工件表面的距离定义为离焦量A,一般来说,当离焦量A=0 时,激光束直径最小,能获得的激光功率密度最大;当离焦量A<0 和A>0 时,分别定义为负离焦和正离焦,此时的激光束直径D 较大,激光功率密度无法达到最大。


下图就是一种焦距偏移带来的二维码质量等级的不同现象:


▪ 材料对激光的吸收率


材料对激光的吸收率一般与波长、表层粗糙度有关。首先,材料不同,对激光的吸

收率自然也不同。


材料的表面粗糙度对激光吸收率的影响体现在激光的入射角度,由于材料的表面平整度与光洁度不同,会造成激光的入射角度产生变化,激光会在材料表层进行多次反射,因此材料吸收激光能量的次数增加,从而提高了激光吸收率。



04. UV紫外激光


UV激光波长为基本波长激光的1/3,也被称为THG(Third Harmonic Generation:第3谐波)激光。将1064 nm基本波长通过非线性晶体转换成532 nm的波长加上基本波长,再通过另一个单晶,转换为355 nm的波长。


一般来说,UV激光与基本波长激光(IR/1064 nm)或绿色激光(SHG/532 nm)相比,对材料的吸收率更高,刻印面会有效地吸收照射的光。因此,无需提升功率即可实现高可见度的刻印。


因此,我们可以选用UV紫外激光对于塑料树脂产品表面进行镭雕打码。



05. 镭雕二维码的质量验证


可被识别读取

二维码应该能被产线的扫码识别器识别,这是最基本的要求。当然,这些首要需要前期初步通过少量的样品,来固化一版镭雕的参数。然后,再根据质量验收设备或者一个工站的流程,比如取125pcs样件,做5组分组,由于这种是识别性的评估,可分为三个等级:-1、0和1。-1代表不能被识别,0代表需要三次以内能被扫描,1代表一次被识别,运用数据分析样品,从而初步评价二维码的基本性能。

二维码等级标准≥B

具体可参考ISO/IEC 15415&15416,通常采用基恩士的SR-2000类型的激光打码评级设备。

可靠性测试(试验完成后,依然能够被扫码器识别可读)

1. 温度冷热冲击试验;(根据不同项目产品的可靠性试验要求)
2. 化学品耐受试验;(针对不同产品有具体的化学物质要求,此项主要为外部裸露的产品打码)
3. 酒精摩擦耐磨试验;(温度23℃,湿度55%,荷重50g,次数100次)
4. RCA纸带耐磨试验;(温度23℃,湿度55%,荷重50g,次数100次



写在最后

关于二维码标签内容的一周,通常要求预留静默区,主要是为了用于识别信息的开头和结尾,为扫描器提示扫描的时机。


单边距离内容区通常为0.5-1.0mm,有的标准至少为1个模块的单元大小。

参考文献:


1. 基恩士激光刻印讲堂;

2. 355nm紫外激光打标机实用样机的研制-欧佐元


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