激光技術(shù)拓展在塑料加工中的應(yīng)用空間

1917年，在德國柏林大學(xué)任教的物理學(xué)家阿爾伯特?愛因斯坦Albert Einstein (1879-1955)發(fā)現(xiàn)，普通光源可以在他叫作感應(yīng)型或受激型發(fā)射中得到增強(qiáng)。但是，這位後來的諾貝爾獎獲得者的發(fā)現(xiàn)在很長一段時間里僅僅只是一種理論。在首個器於1968年被帶入市場、受激型發(fā)光成為廣泛應(yīng)用的工具之前，半個世紀(jì)已經(jīng)流逝。

　　20世紀(jì)60年代，美國人Theodore Harold Maiman推出了首個工作激光器。他設(shè)計(jì)了laser（激光）這一術(shù)語，直到今日仍作為“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（受激輻射的光放大）”，取各單詞首字母組成的縮寫詞而被使用。

　　作為工具的激光

　　激光在塑料加工業(yè)中已經(jīng)幾乎成為不可或缺之物。在金屬行業(yè)，它們初期主要是用於切割，經(jīng)常會結(jié)合至今仍受歡迎的噴水切割。然而，越來越多地，激光還被應(yīng)用於塑料連接，盡管仍然必須考慮有關(guān)材料和焊接方法的某些局限性。

　　激光在快速原型制作（RP）中絕對是重要的。它們使材料熔化，并被用於建造模型。如有需要，由激光光束制作出來的原型模具甚至可被用於完整的小規(guī)模生產(chǎn)。激光被用於列印和標(biāo)記塑料制品、雕刻列印輥、檢查成品和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的相符性。而且，在工藝結(jié)束時，受檢制品被無人操縱的輸送系統(tǒng)傳送到存儲庫中，這個輸送系統(tǒng)自然是受激光引導(dǎo)的。

　　激光在塑料業(yè)的其他分支領(lǐng)域也攻城拔寨，例如在質(zhì)量保證和生產(chǎn)控制中。由德國卡爾斯魯厄市的Elovis公司生產(chǎn)的測量系統(tǒng)可為其他方式難以測量的材料帶來極高的測量準(zhǔn)確度（圖1）。利用激光技術(shù)，該裝置可以確定出塑料的速度和長度。通過應(yīng)用激光光束，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)地測量，無需校準(zhǔn)，也與所加工材料無關(guān)。  
圖1 利用激光技術(shù)測量產(chǎn)品尺寸

激光技術(shù)在形狀和材料不同的塑料成型件的標(biāo)志標(biāo)識方面也開拓出了想像不到的潛力。字母、數(shù)字、企業(yè)標(biāo)志或編碼都可被印到塑件上，準(zhǔn)確度可達(dá)到0.001mm之內(nèi)。以這種方式，各個部分或整裝產(chǎn)品可以在內(nèi)部物流系統(tǒng)中被識別和跟蹤。德國Rofin Sinar激光公司宣稱可提供廣泛的書寫和整套標(biāo)記系統(tǒng)，它認(rèn)為這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)在於和批量規(guī)模有關(guān)的高靈活性、操作無壓力、無接觸、速度和精度高。

從紅寶石激光器到二極體激光器

激光引人注目的成功故事開始於Maiman發(fā)明的紅寶石激光器，一個所謂的固態(tài)激光器。接下來出現(xiàn)的就是氣體激光器和更晚一點(diǎn)的半導(dǎo)體和二極體激光器（圖2）。每一種激光器的核心都包含有活性介質(zhì)。這種介質(zhì)吸引能量，通常是來自於以泵吸光源而為人所知的裝置的光能?；钚越橘|(zhì)的原子以連貫光束釋放出這種光能，連貫光束是波長和振動類型相同的一束光。然後光作為以不同形式被應(yīng)用的激光光束從部分透光性鏡片中冒出之前，在兩面鏡片之間被反射幾次。

圖2 最新二極體激光器

在今天仍被普遍應(yīng)用的CO2激光器中，活性激光介質(zhì)在氦、氮和碳的混合物中通過發(fā)光而形成。同樣被廣泛應(yīng)用的Nd:YAG激光器是有區(qū)別的。一些早期的固態(tài)激光器，活性介質(zhì)包含了摻有釹的晶體，由化學(xué)元素釔、鋁和石榴石（YAG）所組成。在1980年代末，半導(dǎo)體技術(shù)最終將越來越耐用和高活性的二極體激光器引入了市場。因所產(chǎn)生能量相對少，二極體激光器在CD和DVD驅(qū)動器中很有效，也被用於通過激光焊接對塑料進(jìn)行連結(jié)。

盡管仍處於充滿希望的發(fā)展路程中的初期，但通過聚集的激光光束對塑料產(chǎn)品進(jìn)行焊接證明是最好的聚合物連接方法。這個廣泛領(lǐng)域中的先驅(qū)者之一是德國Jenoptik公司。該公司率先關(guān)注於激光焊接技術(shù)的研發(fā)，已經(jīng)使這種技術(shù)在某些程度上成為熱力和機(jī)械連接工藝、鉚接和粘接的替代方法。一個不無重要的局限性是連接時至少有一方必須能容易吸收特定波長的激光。但是這種方法具有大量的優(yōu)點(diǎn)：不用接觸和施加力，就產(chǎn)生了能量輸入。脆弱和機(jī)械敏感型產(chǎn)品可以容易地被焊接。在實(shí)際焊接過程中，焊接處沒有磨擦和熔體排出。

更好的光束質(zhì)量

瑞士塑料焊接設(shè)備制造商萊丹（Leister）公司預(yù)測激光焊接領(lǐng)域有兩種主要趨勢。聚合材料研究上的走勢是趨向於材料改性，以及開發(fā)和原料摻在一起的特種激光添加劑。通過這種方式，可以更高的設(shè)計(jì)自由度用激光光束對塑料進(jìn)行連接。

另外一方面，工藝操作人員和設(shè)備制造商越來越多地合作，以優(yōu)化現(xiàn)有的塑料連接方法。萊丹開發(fā)出了掩罩式焊接（Mask Welding）工藝，特別適用於醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。箔片可以被焊接到微板上，沒有熔體流到縫隙中。掩罩一般也可用於應(yīng)用流體學(xué)中，特別是用於微型流體部件中。這種精密又經(jīng)濟(jì)高效的工藝在娛樂電子產(chǎn)品和電腦周邊產(chǎn)品中找到了應(yīng)用。萊丹開發(fā)的另一種工藝是放射焊接（Radial Welding）。在這種工藝中，合理對接的部件被焊接在一起，不必根據(jù)激光而移動。在醫(yī)學(xué)技術(shù)中，這種工藝被用於焊接導(dǎo)尿管附件。放射焊接也在傳感器技術(shù)、流體學(xué)和汽車工程中找到了應(yīng)用。萊丹獲得專利的GLOBO焊接工藝已在醫(yī)學(xué)技術(shù)中獲得應(yīng)用。它能使接合部分強(qiáng)有力地壓在一起，例如能讓兩塊透明箔片被焊接在一起。通過吸收性黑色基材把熱能輸送到箔片中。此概念可以被用於大面積的部件粘接（圖3）。

圖3 萊丹用於塑料產(chǎn)品三維激光焊接的Globo焊接工藝

德國Optotools公司相信，激光焊接在市場上尚未更強(qiáng)有力地建立起自己地位的原因在於現(xiàn)有激光模式的光束質(zhì)量仍欠佳。該公司通過應(yīng)用最新一代纖維連結(jié)的二極體激光器（圖4），努力彌補(bǔ)這種不足。Optotools的模式化設(shè)計(jì)和極高的光束質(zhì)量，使其可被安裝於所謂的檢流掃描器中。在這種組合之中，新模組能在激光焊接中優(yōu)先實(shí)現(xiàn)接近於同步的連接工藝。由此在周期速率上的提高又決定性地提升了設(shè)備的生產(chǎn)力。

此觀點(diǎn)得到了LPKF激光與電子公司的證實(shí)，其塑料焊接分公司依賴於Optotool的激光模式。LPKF把這種新型連接方法的優(yōu)點(diǎn)看成是超聲波焊接和膠粘連結(jié)的經(jīng)濟(jì)高效又節(jié)省材料的替代方法。激光焊接清潔，輸入能量易被控制，部件上的機(jī)械負(fù)荷輕。當(dāng)加工敏感性材料，如電子零件或敏感性醫(yī)用元件時，激光焊接特別有效，而且顯著降低了廢品產(chǎn)生的機(jī)率。

架構(gòu)與刺穿

激光還在哪些地方證明了它們在塑料加工中的能力？此技術(shù)無可爭議的優(yōu)點(diǎn)還可征服哪些應(yīng)用？一個例子就是微型技術(shù)。塑料的激光架構(gòu)已經(jīng)作為傳統(tǒng)工藝的替代方法而變得成熟起來，特別是在必須減小對敏感性部件影響的場合。利用為這種工藝量身定造的新光源，加工能力范圍可被推進(jìn)到納米級。

Jenoptik公司提供的名為Votan A加工中心，利用了兩種方式的激光能量。這種機(jī)器用於刺穿轎車儀表板上乘客用氣囊的設(shè)計(jì)破裂點(diǎn)，同時形成整個部件的邊界和輪廓。Jenoptik強(qiáng)調(diào)集成在生產(chǎn)中心的兩種激光模式獨(dú)立地工作。但是，因?yàn)槌杀驹颍胀–O2激光源也可以用於較小型生產(chǎn)運(yùn)作中。

塑料加工企業(yè)也可以利用激光技術(shù)來清潔模具上的粘性殘余物，并針對列印或連結(jié)而對各種材料表面進(jìn)行預(yù)處理。這里激光工藝的優(yōu)勢是對部件進(jìn)行非接觸的局部處理，并能將必需的操作融合到生產(chǎn)工藝中，而且操作對生態(tài)非常友好。正是這些因素的匯合，將使激光在塑料加工業(yè)中延續(xù)它們的成功故事，并證明其不可或缺性。