激光技術(shù)拓展在塑料加工中的應(yīng)用空間

1917年，在德國(guó)柏林大學(xué)任教的物理學(xué)家阿爾伯特?愛(ài)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(lái)的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者的發(fā)現(xiàn)在很長(zhǎng)一段時(shí)間里僅僅只是一種理論。在首個(gè)器於1968年被帶入市場(chǎng)、受激型發(fā)光成為廣泛應(yīng)用的工具之前，半個(gè)世紀(jì)已經(jīng)流逝。

　　20世紀(jì)60年代，美國(guó)人Theodore Harold Maiman推出了首個(gè)工作激光器。他設(shè)計(jì)了laser（激光）這一術(shù)語(yǔ)，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(xiě)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(huì)結(jié)合至今仍受歡迎的噴水切割。然而，越來(lái)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(duì)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(lái)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(shí)，受檢制品被無(wú)人操縱的輸送系統(tǒng)傳送到存儲(chǔ)庫(kù)中，這個(gè)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(guó)卡爾斯魯厄市的Elovis公司生產(chǎn)的測(cè)量系統(tǒng)可為其他方式難以測(cè)量的材料帶來(lái)極高的測(cè)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(zhǎng)度。通過(guò)應(yīng)用激光光束，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)地測(cè)量，無(wú)需校準(zhǔn)，也與所加工材料無(wú)關(guān)。  
圖1 利用激光技術(shù)測(cè)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(shí)方面也開(kāi)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(gè)部分或整裝產(chǎn)品可以在內(nèi)部物流系統(tǒng)中被識(shí)別和跟蹤。德國(guó)Rofin Sinar激光公司宣稱(chēng)可提供廣泛的書(shū)寫(xiě)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(wú)壓力、無(wú)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(kāi)始於Maiman發(fā)明的紅寶石激光器，一個(gè)所謂的固態(tài)激光器。接下來(lái)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(lái)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(zhǎng)和振動(dòng)類(lèi)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(guò)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(lái)越耐用和高活性的二極體激光器引入了市場(chǎng)。因所產(chǎn)生能量相對(duì)少，二極體激光器在CD和DVD驅(qū)動(dòng)器中很有效，也被用於通過(guò)激光焊接對(duì)塑料進(jìn)行連結(jié)。

盡管仍處?kù)冻錆M(mǎn)希望的發(fā)展路程中的初期，但通過(guò)聚集的激光光束對(duì)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(gè)廣泛領(lǐng)域中的先驅(qū)者之一是德國(guó)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(gè)不無(wú)重要的局限性是連接時(shí)至少有一方必須能容易吸收特定波長(zhǎng)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(guò)程中，焊接處沒(méi)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(cè)激光焊接領(lǐng)域有兩種主要趨勢(shì)。聚合材料研究上的走勢(shì)是趨向於材料改性，以及開(kāi)發(fā)和原料摻在一起的特種激光添加劑。通過(guò)這種方式，可以更高的設(shè)計(jì)自由度用激光光束對(duì)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(lái)越多地合作，以?xún)?yōu)化現(xiàn)有的塑料連接方法。萊丹開(kāi)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(méi)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(lè)電子產(chǎn)品和電腦周邊產(chǎn)品中找到了應(yīng)用。萊丹開(kāi)發(fā)的另一種工藝是放射焊接（Radial Welding）。在這種工藝中，合理對(duì)接的部件被焊接在一起，不必根據(jù)激光而移動(dòng)。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(chē)工程中找到了應(yīng)用。萊丹獲得專(zhuān)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(guò)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(guó)Optotools公司相信，激光焊接在市場(chǎng)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(guò)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(lài)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(shí)，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?cè)谒芰霞庸ぶ械哪芰?？此技術(shù)無(wú)可爭(zhēng)議的優(yōu)點(diǎn)還可征服哪些應(yīng)用？一個(gè)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(lái)，特別是在必須減小對(duì)敏感性部件影響的場(chǎng)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(jí)。

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(chē)儀表板上乘客用氣囊的設(shè)計(jì)破裂點(diǎn)，同時(shí)形成整個(gè)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?，普通CO2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(lái)清潔模具上的粘性殘余物，并針對(duì)列印或連結(jié)而對(duì)各種材料表面進(jìn)行預(yù)處理。這里激光工藝的優(yōu)勢(shì)是對(duì)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(duì)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。