CO2激光器在非金屬薄膜中的應(yīng)用

隨著薄膜技術(shù)的發(fā)展，各種非金屬薄膜在軍事工業(yè)產(chǎn)品，3C電子類產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用，非金屬薄膜產(chǎn)品可以用于屏蔽密封、防水密封、導(dǎo)熱、絕緣、外觀裝飾、外觀防護(hù)等，這些薄膜厚度一般在0.1mm~2mm之間，應(yīng)用的場(chǎng)景形態(tài)各異，形狀千變?nèi)f化。由于傳統(tǒng)生產(chǎn)制造方法——刀具切割或者模具成型的局限性，激光切割在非金屬薄膜成型中得到了廣泛的應(yīng)用。

CO2激光輸出激光波長(zhǎng)為10.6um，非金屬薄膜吸收率高于其他波長(zhǎng)激光，所以薄膜加工成型優(yōu)選CO?6?0激光。CO2激光加工薄膜的基本方式為激光光束經(jīng)擴(kuò)束，然后再聚焦焦點(diǎn)在薄膜產(chǎn)品處，焦點(diǎn)內(nèi)的材料被瞬間氣化，從而實(shí)現(xiàn)材料的切割，最終得到各種形狀的薄膜產(chǎn)品。常見CO2激光加工設(shè)備有兩種：振鏡掃描式加工設(shè)備和飛行光路掃描式加工設(shè)備。射頻激勵(lì)擴(kuò)散冷卻板條波導(dǎo)CO2激光器由于具有激光光束質(zhì)量好、峰值功率高、免維護(hù)、體積小等眾多優(yōu)點(diǎn)，成為薄膜切割成型中的首 選推薦激光器。

CO2射頻激光器

使用射頻CO2激光切割成型設(shè)備生產(chǎn)薄膜產(chǎn)品，有以下優(yōu)勢(shì)：

電腦制圖，無(wú)需模具——節(jié)約成本，快速響應(yīng)市場(chǎng)需求，既可以小批量打樣，也可以大批量生產(chǎn)；

所見即所得——對(duì)操作人員素質(zhì)要求低，節(jié)約人工成本；

免維護(hù)，無(wú)耗材——節(jié)約時(shí)間，人工，成本。

PET手機(jī)膜

薄膜加工產(chǎn)品，要求邊緣整齊，無(wú)鋸齒，熱影響區(qū)域小，切邊斜度小，邊緣無(wú)殘?jiān)逊e。射頻CO?6?0激光加工設(shè)備影響加工效果的因素有多個(gè)方面，下面就對(duì)于影響薄膜加工效果的因素進(jìn)行定性的分析：

1、波長(zhǎng)——射頻CO2激光器有10.6um、9.3um、10.2um、9.6um四種波長(zhǎng)，非金屬材料大多為有機(jī)塑料產(chǎn)品和高分子產(chǎn)品，有機(jī)物對(duì)光的吸收率大小，對(duì)光波長(zhǎng)的變化非常敏感，波長(zhǎng)的微小差異，吸收率差別會(huì)非常大。材料對(duì)激光吸收率的差異，對(duì)加工效果有一個(gè)根本的影響，所以波長(zhǎng)的選擇排在影響加工效果的第 一位，這四種波長(zhǎng)商用射頻CO2激光器均可以可靠獲得。激光器均有2萬(wàn)小時(shí)以上的免維護(hù)使用壽命，之后經(jīng)簡(jiǎn)單充氣后，又可以繼續(xù)使用。合理維護(hù)的射頻CO2激光器，其壽命超過(guò)10萬(wàn)小時(shí)。

2、激光功率——射頻CO2激光器，輸出功率從幾瓦到上千瓦不等，根據(jù)薄膜切割的厚度、切割的速度、材料的吸收，選擇合適的功率，選擇合適的激光器。一般情況下，切割時(shí)使用的CO2激光功率不大于激光器最 大輸出功率的80%，易于得到最 佳的性能和效果。

3、聚焦鏡焦距——聚焦鏡的焦距直接影響聚焦光斑的大小，所以選擇合適的聚焦鏡焦距至關(guān)重要。飛行光路式的切割設(shè)備，焦距一般在1英寸到2.5英寸之間選擇。同一焦距，有平凸透鏡和彎月透鏡可以選擇，一般情況彎月透鏡聚焦光斑比平凸透鏡要小。CO2激光振鏡式掃描加工設(shè)備，聚焦場(chǎng)鏡焦距一般選擇80~160mm；對(duì)于效果要求特別精細(xì)的振鏡式掃描加工設(shè)備，需要選擇遠(yuǎn)心掃描場(chǎng)鏡。

4、薄膜切割速度——切割速度決定了激光加工的時(shí)間和薄膜材料吸收的激光能量的大小，進(jìn)而影響切割熱影響區(qū)的大小。薄膜切割，飛行光路式的方式，切割速度通常大于100mm/s；振鏡式掃描激光加工方式，通常速度大于500mm/s。如果切割速度達(dá)到數(shù)千米每秒，要注意激光調(diào)制頻率和速度的配合，以得到平滑的邊緣。

5、焦點(diǎn)位置——薄膜雖然很薄，但也是有一定的厚度。焦點(diǎn)位置在材料上表面，材料中間，材料下表面，甚至上離焦和下離焦。不同焦點(diǎn)位置的選擇，可以影響加工效率和加工效果。

6、激光模式——激光模式描述激光光束垂直于傳輸方向上的橫截面內(nèi)激光能量的分布。激光模式分為橫模和縱模，絕大多數(shù)射頻CO2激光器為橫模，在應(yīng)用時(shí)簡(jiǎn)單的把射頻CO2激光器模式分為基模和多模，為了得到精細(xì)的加工效果，往往選擇基模光斑?；］敵龅募す馄鳎涔馐|(zhì)量因子M2比較小，一般小于1.5。根據(jù)聚焦光斑計(jì)算公式：

其中spot為聚焦光斑的直徑 ，λ為激光波長(zhǎng)，F(xiàn)為聚焦鏡的焦距，D為入射到聚焦鏡上的光斑大小。從計(jì)算公式可以看出，聚焦光斑大小和光束質(zhì)量因子M2成正比。所以選擇基模，選擇光束質(zhì)量因子小的激光器可以得到小的聚焦光斑，獲得更好的加工效果。

7、輔助氣體——輔助氣體可以吹走切口處產(chǎn)生的煙霧；防止廢渣和煙霧污染光學(xué)鏡；為激光熱能進(jìn)行導(dǎo)流，使得激光能量能夠更加集中地作用于材料上，增強(qiáng)了激光切割能力。根據(jù)切割需要，可以選擇助燃或者阻燃的不同氣體。

8、薄膜材料材質(zhì)——激光切割材料時(shí)，作用過(guò)程十分復(fù)雜，一般而言，激光切割塑料等高分子材料時(shí)，包括光能向熱能的轉(zhuǎn)化、熱能在工件上的轉(zhuǎn)化與分布和工件與周圍環(huán)境熱交換。簡(jiǎn)而言之，薄膜材料有一項(xiàng)基本的光學(xué)性質(zhì)便是吸收率和轉(zhuǎn)化率。薄膜材料在單位時(shí)間內(nèi)吸收的激光能量決定了整體的吸收能量，激光光能輻照在材料表面之上，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為熱能，表面溫度較高。加熱材料、汽化材料和移動(dòng)汽化區(qū)三者的能量總和構(gòu)成了材料上能量的分布。

PET film 聚酯薄膜

對(duì)于薄膜材料常見的PET材料， 屬于一種性能優(yōu)良的 IMD 薄膜材料，且屬于熱塑性的高分子聚合物材料，具有復(fù)雜的分子鏈結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。PET 是一種具有優(yōu) 秀物理化學(xué)性能的復(fù)合材料，因?yàn)槠渚哂袃?yōu)良的機(jī)械與傳熱性能，熱穩(wěn)定性以及光學(xué)透明性。下表為 PET薄膜材料的熱學(xué)性能，從表中可以發(fā)現(xiàn) PET 材料無(wú)論是單層薄膜材料、氨基化以后還是多層 PET 薄膜材料，其熔化溫度始終在 261℃。

PET薄膜材料的熱學(xué)性能

從PET膜的熱學(xué)性能分析，不同樣品差別不大，決定切割效果和效率的，就是PET膜對(duì)激光的吸收效率，PET膜對(duì)10.6um波長(zhǎng)的吸收系數(shù)為0.5，所以可以選用10.6um的激光切割PET薄膜。最近一些PET薄膜實(shí)驗(yàn)，選用9.3um激光，10.2um激光，9.6um激光，得到了優(yōu)于10.6um激光的效果，這也說(shuō)明激光波長(zhǎng)選擇對(duì)于薄膜切割的重要性。

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