雷射雕刻

雷射雕刻

重點摘要

• 雕刻會去除材料，深度大於蝕刻，也遠大於表面打標。
• 波長 10.6 µm 的 CO2 雷射是聚合物的主力，因為聚合物對紅外光吸收強烈。
• 短脈衝可減少熱擴散，產生更乾淨的邊緣與更精細的細節。
• 波長的選擇因材料而異，選錯不但無法加深，還會造成損壞。

雷射雕刻

雷射雕刻是去除材料以形成可量測深度凹槽的製程，與不去除材料、僅改變表面顏色的打標不同。在塑膠上，光束使聚合物超過其汽化閾值，材料以蒸氣與噴出微粒的形式離開，切出通常在 0.05–0.5 mm 範圍內的凹腔，實際深度視掃描次數與設定而定。

深度定義了這項製程，同時也使它比表面打標更慢、熱作用更強烈，對排煙的要求也更高。

雕刻、蝕刻與打標的比較

在不損壞下達到深度

聚合物上的深度來自重複掃描，而非單純提高功率。單次掃描用力過猛，熱量沉積的速度會超過散逸速度，結果就是熔融、變色、內應力，以及凹腔邊緣再凝固材料形成的捲邊。多次較輕的掃描並在兩次之間充分冷卻，可獲得更乾淨的側壁與更佳的尺寸控制。

決定成敗的要點：

• 熔融物再沉積。與金屬不同，熱塑性塑膠先熔融才汽化。被排開的材料可能在邊緣再凝固成隆起的毛邊，需要在設計上加以避開或予以去除。
• 熱影響區。累積的熱量會在凹腔周圍造成霧化、龜裂與殘留應力——這對承載或處於環境應力下的零件是耐久性方面的隱憂。
• 填充策略。在各次掃描之間採用交叉填充並旋轉填充角度，所得的底面比重複沿同一向量方向掃描更平整。
• 填充與填料行為。在玻纖填充樹脂中，聚合物會汽化但玻纖不會，使纖維裸露於表面——相關解決方法請參閱解決玻纖外露問題。

安全與排放

雕刻產生的分解產物遠多於表面打標，而聚合物的化學特性決定其危害程度。PVC 不得進行雷射加工——它會釋出氯化氫，對操作人員、光學元件與機台框架都有腐蝕性。PTFE 等氟聚合物在熱分解時會釋出有害的分解產物。即使是無害的聚合物，也會產生大量微粒與有機蒸氣。

配備適當過濾的區域性局部排氣通風是必要條件，而非可選項，此外還須落實符合 ANSI Z136.1 對 Class 4 設施所要求的光束危害管制，並由指定的雷射安全官負責監督。

何時適合選擇雕刻

當標記必須耐磨耗、耐化學品或長期使用；需要觸感或點字特徵；正在製作模具與工裝型腔，使特徵出現在每個成型零件上；或深度本身具有功能時，請指定雕刻。若需求僅是永久、可讀、高對比的代碼，表面打標速度更快、對材料更溫和，通常也是更好的工程解答。

深度的參數策略

聚合物上的深度是逐步累積而成，而非一次打入。各參數彼此交互作用，調整的順序比數值本身更重要：

雕刻特徵的疑難排解

雕刻特徵的規格制定

雕刻會去除結構材料，因此這是設計決策，而不僅是打標問題。要求雕刻特徵的圖面應包含：

• 附公差的深度，而非標稱值。深度會隨樹脂批次、顏色與成型條件而變，因此未標註公差的要求無法檢驗。
• 雕刻位置的剩餘壁厚，以最小值表示。這是攸關結構完整性的數值，也是最常被遺漏的一項。
• 相對於應力特徵的位置。雕刻應遠離澆口、熔接線、肋條與圓角等殘留應力集中處——那裡的凹腔在使用中會成為裂紋起始點。
• 邊緣狀況要求，因為熱塑性塑膠上出現些許熔融捲邊屬正常現象。應以規定的最大值容許之，或指定二次加工作業。
• 量測方法。觸針式輪廓儀、共軛焦顯微鏡或剖面試樣，在底面呈圓弧的凹腔上所得結果各不相同；註明量測方法才能使公差有意義。

若需求僅是永久可讀的代碼，請重新檢視是否真的需要深度。表面打標速度更快、不去除材料，也不會帶來上述任何限制。

相關術語與延伸閱讀

• 塑膠雷射打標解決方案
• 雷射蝕刻
• 塑膠雷射雕刻問題排除
• 如何以雷射在塑膠上打標

實際生產中的應用

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常見問題

什麼是雷射雕刻？

一種高解析度的材料去除製程，使用聚焦光束燒蝕表面，形成永久的深層標記或圖案。與蝕刻和打標不同，雕刻會實際去除材料，形成凹陷特徵。

雷射雕刻能雕多深？

比只影響最上層數微米的蝕刻更深，也遠大於可能完全不去除材料的打標。實際深度由功率、脈衝寬度與頻率、掃描速度及掃描次數控制。

哪種雷射波長適合聚合物雕刻？

波長 10.6 µm 的 CO2 雷射最廣泛用於聚合物與有機材料，因其紅外光吸收強烈，可直接雕刻，並使周圍區域的熱損傷降到最低。

哪些參數控制雕刻品質？

雷射功率決定材料去除率，但若失控則有熱損傷的風險。脈衝寬度與頻率影響熱擴散，脈衝越短，邊緣越乾淨、細節越精細。掃描速度與焦點則完善整組參數。

應留意哪些問題？

材料特定的吸收特性意味著波長錯誤時，雕刻效果不佳或會損壞零件。過多的熱量會造成熔融、變色或微裂紋。此外，排煙是必要的，因為燒蝕產生的副產物還會污染光學元件。

如何在不損壞零件的情況下增加深度？

靠增加掃描次數，而非提高功率。多次較輕的掃描並在兩次之間設置冷卻延遲，比單次激進掃描能得到更乾淨的側壁、更佳的尺寸控制，以及少得多的殘留應力。深度超過約 0.2 mm 後，須對每次掃描施加焦點偏移，否則光束會隨凹腔加深而離焦，深度就不再增加。

圖面上的雕刻標註應包含哪些內容？

附公差的深度、該位置的最小剩餘壁厚、相對於澆口與熔接線的位置、可接受的邊緣狀況（因為熱塑性塑膠上出現些許熔融捲邊屬正常），以及量測方法。剩餘壁厚是最常被遺漏的數值，卻決定了該特徵在結構上是否可接受。

為什麼凹腔底面會出現條紋？

因為連續的掃描沿同一向量方向進行。在各次掃描之間旋轉填充角度（通常為 45 或 90 度），可使底面明顯更平整。填充間距也很重要——過寬會留下條紋，過密則使表面重複受熱並帶來霧化。

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