激光技术拓展在塑料加工中的应用空间

作者：王优游    来源：雅式工业专网2009-1-13

     1917年，在德国柏林大学任教的物理学家阿尔伯特•爱因斯坦Albert Einstein (1879-1955)发现，普通光源可以在他叫作感应型或受激型发射中得到增强。但是，这位後来的诺贝尔奖获得者的发现在很长一段时间里仅仅只是一种理论。在{sg}CO2激光器於1968年被带入市场、受激型发光成为广泛应用的工具之前，半个世纪已经流逝。

       20世纪60年代，美国人Theodore Harold Maiman推出了{sg}工作激光器。他设计了laser（激光）这一术语，直到今日仍作为“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（受激辐射的光放大）”，取各单词首字母组成的缩写词而被使用。

作为工具的激光

     激光在塑料加工业中已经几乎成为不可或缺之物。在金属行业，它们初期主要是用於切割，经常会结合至今仍受欢迎的喷水切割。然而，越来越多地，激光还被应用於塑料连接，尽管仍然必须考虑有关材料和焊接方法的某些局限性。

    激光在快速原型制作（RP）中{jd1}是重要的。它们使材料熔化，并被用於建造模型。如有需要，由激光光束制作出来的原型甚至可被用於完整的小规模生产。激光被用於列印和标记塑料制品、雕刻列印辊、检查成品和质量标准的相符性。而且，在工艺结束时，受检制品被无人操纵的输送系统传送到存储库中，这个输送系统自然是受激光引导的。

    激光在塑料业的其他分支领域也攻城拔寨，例如在质量保证和生产控制中。由德国卡尔斯鲁厄市的Elovis公司生产的测量系统可为其他方式难以测量的材料带来极高的测量准确度（图1）。利用激光技术，该装置可以确定出塑料的速度和长度。通过应用激光光束，可实现精准地测量，无需校准，也与所加工材料无关。

图1 利用激光技术测量产品尺寸

    激光技术在形状和材料不同的塑料成型件的标志标识方面也开拓出了想像不到的潜力。字母、数字、企业标志或编码都可被印到塑件上，准确度可达到0.001mm之内。以这种方式，各个部分或整装产品可以在内部物流系统中被识别和跟踪。德国Rofin Sinar激光公司宣称可提供广泛的书写和整套标记系统，它认为这种方法的主要优点在於和批量规模有关的高灵活性、操作无压力、无接触、速度和精度高。

从红宝石激光器到二极体激光器

    激光引人注目的成功故事开始於Maiman发明的红宝石激光器，一个所谓的固态激光器。接下来出现的就是气体激光器和更晚一点的半导体和二极体激光器（图2）。每一种激光器的核心都包含有活性介质。这种介质吸引能量，通常是来自於以泵吸光源而为人所知的装置的光能。活性介质的原子以连贯光束释放出这种光能，连贯光束是波长和振动类型相同的一束光。然後光作为以不同形式被应用的激光光束从部分透光性镜片中冒出之前，在两面镜片之间被反射几次。

图2 {zx1}二极体激光器

    在今天仍被普遍应用的CO2激光器中，活性激光介质在氦、氮和碳的混合物中通过发光而形成。同样被广泛应用的Nd:YAG激光器是有区别的。一些早期的固态激光器，活性介质包含了掺有钕的晶体，由化学元素钇、铝和石榴石（YAG）所组成。在1980年代末，半导体技术最终将越来越耐用和高活性的二极体激光器引入了市场。因所产生能量相对少，二极体激光器在CD和DVD驱动器中很有效，也被用於通过激光焊接对塑料进行连结。

    尽管仍处於充满希望的发展路程中的初期，但通过聚集的激光光束对塑料产品进行焊接证明是{zh0}的聚合物连接方法。这个广泛领域中的先驱者之一是德国Jenoptik公司。该公司率先关注於激光焊接技术的研发，已经使这种技术在某些程度上成为热力和机械连接工艺、铆接和粘接的替代方法。一个不无重要的局限性是连接时至少有一方必须能容易吸收特定波长的激光。但是这种方法具有大量的优点：不用接触和施加力，就产生了能量输入。脆弱和机械敏感型产品可以容易地被焊接。在实际焊接过程中，焊接处没有磨擦和熔体排出。

更好的光束质量

    瑞士塑料焊接设备制造商莱丹（Leister）公司预测激光焊接领域有两种主要趋势。聚合材料研究上的走势是趋向於材料改性，以及开发和原料掺在一起的特种激光添加剂。通过这种方式，可以更高的设计自由度用激光光束对塑料进行连接。

    另外一方面，工艺操作人员和设备制造商越来越多地合作，以优化现有的塑料连接方法。莱丹开发出了掩罩式焊接（Mask Welding）工艺，特别适用於医学领域。箔片可以被焊接到微板上，没有熔体流到缝隙中。掩罩一般也可用於应用流体学中，特别是用於微型流体部件中。这种精密又经济高效的工艺在娱乐电子产品和电脑周边产品中找到了应用。莱丹开发的另一种工艺是放射焊接（Radial Welding）。在这种工艺中，合理对接的部件被焊接在一起，不必根据激光而移动。在医学技术中，这种工艺被用於焊接导尿管附件。放射焊接也在传感器技术、流体学和汽车工程中找到了应用。莱丹获得专利的GLOBO焊接工艺已在医学技术中获得应用。它能使接合部分强有力地压在一起，例如能让两块透明箔片被焊接在一起。通过吸收性黑色基材把热能输送到箔片中。此概念可以被用於大面积的部件粘接（图3）。

图3 莱丹用於塑料产品三维激光焊接的Globo焊接工艺

     德国Optotools公司相信，激光焊接在市场上尚未更强有力地建立起自己地位的原因在於现有激光模式的光束质量仍欠佳。该公司通过应用{zx1}一代纤维连结的二极体激光器（图4），努力弥补这种不足。Optotools的模式化设计和极高的光束质量，使其可被安装於所谓的检流扫描器中。在这种组合之中，新模组能在激光焊接中优先实现接近於同步的连接工艺。由此在周期速率上的提高又决定性地提升了设备的生产力。

    此观点得到了LPKF激光与电子公司的证实，其塑料焊接分公司依赖於Optotool的激光模式。LPKF把这种新型连接方法的优点看成是超声波焊接和胶粘连结的经济高效又节省材料的替代方法。激光焊接清洁，输入能量易被控制，部件上的机械负荷轻。当加工敏感性材料，如电子零件或敏感性医用元件时，激光焊接特别有效，而且显着降低了废品产生的机率。

架构与刺穿

     激光还在哪些地方证明了它们在塑料加工中的能力？此技术无可争议的优点还可征服哪些应用？一个例子就是微型技术。塑料的激光架构已经作为传统工艺的替代方法而变得成熟起来，特别是在必须减小对敏感性部件影响的场合。利用为这种工艺量身定造的新光源，加工能力范围可被推进到纳米级。

       Jenoptik公司提供的名为Votan A加工中心，利用了两种方式的激光能量。这种机器用於刺穿轿车仪表板上乘客用气囊的设计破裂点，同时形成整个部件的边界和轮廓。Jenoptik强调集成在生产中心的两种激光模式独立地工作。但是，因为成本原因，普通CO2激光源也可以用於较小型生产运作中。

    塑料加工企业也可以利用激光技术来清洁模具上的粘性残余物，并针对列印或连结而对各种材料表面进行预处理。这里激光工艺的优势是对部件进行非接触的局部处理，并能将必需的操作融合到生产工艺中，而且操作对生态非常友好。正是这些因素的汇合，将使激光在塑料加工业中延续它们的成功故事，并证明其不可或缺性。