射頻 CO2 激光器在非金屬薄膜成型中的應用要點

來源:SPT斯派特激光    關鍵詞:激光, 斯派特激光, 激光技術,    發布時間:2019-11-04

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隨著薄膜技術的發展,各種非金屬薄膜在軍事工業產品,3C電子類產品中得到廣泛的應用,非金屬薄膜產品可以用于屏蔽密封、防水密封、導熱、絕緣、外觀裝飾、外觀防護等,這些薄膜厚度一般在0.1mm~2mm之間,應用的場景形態各異,形狀千變萬化。由于傳統生產制造方法——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用。CO2激光輸出激光波長為10.6um,非金屬薄膜吸收率高于其他波長激光,所以薄膜加工成型優選CO2激光。
 
CO2 射頻激光器
 
CO2激光加工薄膜的基本方式為激光光束經擴束,然后再聚焦焦點在薄膜產品處,焦點內的材料被瞬間氣化,從而實現材料的切割,最終得到各種形狀的薄膜產品。常見CO2激光加工設備有兩種:振鏡掃描式加工設備和飛行光路掃描式加工設備。射頻激勵擴散冷卻板條波導CO2激光器由于具有激光光束質量好、峰值功率高、免維護、體積小等眾多優點,成為薄膜切割成型中的首選推薦激光器。
 
使用射頻CO2激光切割成型設備生產薄膜產品,有以下優勢:
 
◆電腦制圖,無需模具——節約成本,快速響應市場需求,既可以小批量打樣,也可以大批量生產;
 
◆所見即所得——對操作人員素質要求低,節約人工成本;
 
◆免維護,無耗材——節約時間,人工,成本。
 
薄膜加工產品,要求邊緣整齊,無鋸齒,熱影響區域小,切邊斜度小,邊緣無殘渣堆積。射頻CO2激光加工設備影響加工效果的因素有多個方面,下面就對于影響薄膜加工效果的因素進行定性的分析:
 
◆波長——射頻CO2激光器有10.6um、9.3um、10.2um、9.6um四種波長,非金屬材料大多為有機塑料產品和高分子產品,有機物對光的吸收率大小,對光波長的變化非常敏感,波長的微小差異,吸收率差別會非常大。材料對激光吸收率的差異,對加工效果有一個根本的影響,所以波長的選擇排在影響加工效果的第一位,這四種波長商用射頻CO2激光器均可以可靠獲得。激光器均有2萬小時以上的免維護使用壽命,之后經簡單充氣后,又可以繼續使用。合理維護的射頻CO2激光器,其壽命超過10萬小時。
 
◆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。
 
◆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重要。飛行光路式的切割設備,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備,聚焦場鏡焦距一般選擇80~160mm;對于效果要求特別精細的振鏡式掃描加工設備,需要選擇遠心掃描場鏡。
 
PET 手機膜
 
◆薄膜切割速度——切割速度決定了激光加工的時間和薄膜材料吸收的激光能量的大小,進而影響切割熱影響區的大小。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。如果切割速度達到數千米每秒,要注意激光調制頻率和速度的配合,以得到平滑的邊緣。
 
PET film 聚酯薄膜
 
◆焦點位置——薄膜雖然很薄,但也是有一定的厚度。焦點位置在材料上表面,材料中間,材料下表面,甚至上離焦和下離焦。不同焦點位置的選擇,可以影響加工效率和加工效果。
 
◆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激光能量的分布。激光模式分為橫模和縱模,絕大多數射頻CO2激光器為橫模,在應用時簡單的把射頻CO2激光器模式分為基模和多模,為了得到精細的加工效果,往往選擇基模光斑。基模輸出的激光器,其光束質量因子M2比較小,一般小于1.5。根據聚焦光斑計算公式:
 
 
其中spot為聚焦光斑的直徑,λ為激光波長,F為聚焦鏡的焦距,D為入射到聚焦鏡上的光斑大小。從計算公式可以看出,聚焦光斑大小和光束質量因子M2成正比。所以選擇基模,選擇光束質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生的煙霧;防止廢渣和煙霧污染光學鏡;為激光熱能進行導流,使得激光能量能夠更加集中地作用于材料上,增強了激光切割能力。根據切割需要,可以選擇助燃或者阻燃的不同氣體。
 
8、薄膜材料材質——激光切割材料時,作用過程十分復雜,一般而言,激光切割塑料等高分子材料時,包括光能向熱能的轉化、熱能在工件上的轉化與分布和工件與周圍環境熱交換。簡而言之,薄膜材料有一項基本的光學性質便是吸收率和轉化率。薄膜材料在單位時間內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,進而轉化為熱能,表面溫度較高。加熱材料、汽化材料和移動汽化區三者的能量總和構成了材料上能量的分布。
 
對于薄膜材料常見的PET材料,屬于一種性能優良的IMD薄膜材料,且屬于熱塑性的高分子聚合物材料,具有復雜的分子鏈結構和聚集態結構。PET是一種具有優秀物理化學性能的復合材料,因為其具有優良的機械與傳熱性能,熱穩定性以及光學透明性。下表為PET薄膜材料的熱學性能,從表中可以發現PET材料無論是單層薄膜材料、氨基化以后還是多層PET薄膜材料,其熔化溫度始終在261℃。
 
PET 薄膜材料的熱學性能
 
從PET膜的熱學性能分析,不同樣品差別不大,決定切割效果和效率的,就是PET膜對激光的吸收效率,PET膜對10.6um波長的吸收系數為0.5,所以可以選用10.6um的激光切割PET薄膜。最近一些PET薄膜實驗,選用9.3um激光,10.2um激光,9.6um激光,得到了優于10.6um激光的效果,這也說明激光波長選擇對于薄膜切割的重要性。
 
以上分析表明,射頻CO2激光器切割薄膜設備,核心器件為激光器。正確的選擇激光器的波長,匹配材料的吸收率,是做到最佳切割效果的基礎,然后配合合理的整機器件選擇,合適的工藝參數,可以得到最佳的效果和效率。當然還有其他影響薄膜激光切割的軟件參數,如Q頻率、釋放時間、加工引線等等。
 
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