激光雕刻

激光雕刻

核心要点

• 雕刻是去除材料的工艺，其深度大于蚀刻，远大于表面打标。
• 10.6 µm 的 CO₂ 激光器是聚合物加工的主力，因为聚合物对红外光吸收很强。
• 短脉冲可减少热扩散，从而获得更干净的边缘和更精细的细节。
• 波长的选择因材料而异，选错波长带来的是损伤而不是深度。

激光雕刻

激光雕刻是去除材料以形成可测深度凹槽的工艺，区别于只改变表面颜色而不去除材料的打标。在塑料上，光束使聚合物升温至气化阈值以上，材料以蒸气和喷出颗粒物的形式离开，形成的凹腔深度通常在 0.05–0.5 mm 范围内，具体取决于扫描次数和设置。

深度是该工艺的定义特征，同时也使其比表面打标更慢、热作用更强、对排风的要求更高。

雕刻、蚀刻与打标的比较

在不造成损伤的前提下获得深度

聚合物上的深度来自多次扫描而非单纯的高功率。单次扫描用力过猛，热量沉积的速度超过其散失速度，结果是熔化、变色、内应力，并在凹腔边缘形成重新凝固材料的卷边。多次较轻的扫描并在其间充分冷却，可获得更干净的侧壁和更好的尺寸控制。

决定成败的要点：

• 熔体再沉积。与金属不同，热塑性塑料在气化之前先熔化。被排出的材料可能在边缘重新凝固成凸起的毛刺，可能需要在设计上加以规避或予以去除。
• 热影响区。累积的热量会在凹腔周围造成雾化、银纹和残余应力——对于承载或受环境应力作用的制件，这关系到耐久性。
• 填充策略。各次扫描之间交叉填充并旋转填充角度，比反复沿同一矢量方向扫描可获得更平整的底面。
• 填料行为。在玻纤增强树脂中，聚合物被气化而玻纤不会，导致表面露出纤维——见解决玻纤外露问题。

安全与排放

雕刻产生的分解产物远多于表面打标，聚合物的化学性质决定其危害程度。PVC 不得进行激光加工——它会释放氯化氢，对操作人员、光学元件和机架均有腐蚀性。PTFE 等含氟聚合物在热分解时会释放有害的分解产物。即使是无害的聚合物，也会大量产生颗粒物和有机蒸气。

配备适当过滤的局部排风是必需项而非可选项，同时还要采取符合 ANSI Z136.1 对 4 类设备要求的光束危害控制措施，并由指定的激光安全官进行监督。

何时选择雕刻

当标记必须耐磨损、耐化学品或经久使用时；当需要触感或盲文特征时；当制作模具和型腔以使特征出现在每个成型件上时；或者当深度本身具有功能时，应选择雕刻。如果只需要永久、可读、高对比度的代码，表面打标更快，对材料更温和，通常也是更好的工程方案。

实现深度的参数策略

聚合物上的深度是逐步累积形成的，而不是强行打入的。各参数相互影响，调整的顺序比数值本身更重要：

雕刻特征的故障排查

雕刻特征的规范要求

雕刻会去除结构材料，因此它是设计决策，而不仅仅是打标问题。要求雕刻特征的图纸应包含：

• 带公差的深度，而不是名义值。深度随树脂批次、颜色和成型条件而变化，因此未标注公差的要求无法检验。
• 雕刻位置处的剩余壁厚，以最小值标明。这是关系到结构完整性的数值，也是最常被遗漏的一项。
• 相对于应力特征的位置。使雕刻远离浇口、熔接线、加强筋和圆角等残余应力集中的部位——那里的凹腔会成为使用中的裂纹起始点。
• 边缘状态要求，因为热塑性塑料上出现一定的熔融卷边属于正常。要么允许其存在并规定最大值，要么规定二次加工工序。
• 测量方法。触针式轮廓仪、共聚焦显微镜或剖面样品，在底部为圆弧形的凹腔上给出的结果各不相同；注明测量方法才能使公差具有意义。

如果只需要永久可读的代码，请重新考虑是否真的需要深度。表面打标更快，不去除材料，也不会带来上述任何限制。

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在生产中的应用

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常见问题

什么是激光雕刻？

一种高分辨率的材料去除工艺，利用聚焦光束烧蚀表面，形成永久性的深标记或图案。与蚀刻和打标不同，雕刻会物理性地去除材料，形成凹陷特征。

激光雕刻能有多深？

比只影响表层几微米的蚀刻更深，远比可能完全不去除材料的打标更深。实际深度由功率、脉冲宽度和频率、扫描速度以及扫描次数控制。

哪种激光波长适合聚合物雕刻？

10.6 µm 的 CO₂ 激光器因对红外光吸收强，是聚合物和有机材料中使用最广泛的类型，可直接雕刻，并将对周围区域的热损伤降至最低。

哪些参数控制雕刻质量？

激光功率决定材料去除速率，但若失控则有热损伤风险。脉冲宽度和频率影响热扩散，较短的脉冲可获得更干净的边缘和更精细的细节。扫描速度和聚焦构成了完整的参数组合。

需要注意哪些问题？

吸收特性因材料而异，波长不对会导致雕刻效果差或损坏制件。热量过大会导致熔化、变色或微裂纹。此外必须进行烟雾抽排，因为烧蚀会产生副产物，也会污染光学元件。

如何在不损坏制件的前提下增加深度？

靠增加扫描次数，而不是功率。多次较轻的扫描并在其间设置冷却延时，比一次激进的扫描可获得更干净的侧壁、更好的尺寸控制以及小得多的残余应力。深度超过约 0.2 mm 后，应对每次扫描施加聚焦偏移，否则随着凹腔加深光束会失焦，深度不再增加。

图纸上的雕刻标注应包含什么？

带公差的深度、该位置的最小剩余壁厚、相对浇口和熔接线的位置、允许的边缘状态（因为热塑性塑料上出现一定的熔融卷边属于正常），以及测量方法。剩余壁厚是最常被遗漏的数值，却决定该特征在结构上是否可接受。

为什么凹腔底面出现条纹？

因为连续几次扫描沿同一矢量方向。各次扫描之间旋转填充角度（通常为 45 或 90 度）可获得明显更平整的底面。填充间距也很重要——过宽会留下条纹，过密则会对表面重复加热并带来雾化。

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