專利名稱：激光雕刻方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及印刻商品或其它工件，具體地說，本發(fā)明涉及激光印刻或激光雕刻工件的方法、以及由此制成的終產(chǎn)品和其中用到的混合物。
通常利用隨后填底料的機(jī)械雕刻或表面噴涂方法將文字和圖形轉(zhuǎn)印到金屬、塑料、木材或合成物上。
例如在金屬制品上進(jìn)行隨后填料的機(jī)械雕刻通常是漫長(zhǎng)的多步驟過程。一般情況下，(i)用帶硬質(zhì)刀具的雕刻裝置對(duì)工件進(jìn)行機(jī)械雕刻，(ii)去毛刺、清洗、干燥，(iii)填充以溶劑型的涂料或粉質(zhì)涂料，(iv)在加熱爐中固化，(v)隨后清洗工件以便除去附著在雕刻區(qū)外的多余涂料。
大多數(shù)機(jī)械雕刻裝置僅限于雕刻平面。而且，機(jī)械刀具的強(qiáng)度極限限定了最小刀具直徑并因此限定了沖程寬度。在很多情況下，金屬特別是高鎳合金鋼在切削液的幫助下需要低加工速度。使用這些液體就需要在上涂料前設(shè)置清除工序。填料過程相當(dāng)困難，尤其是復(fù)雜圖形時(shí)更是如此。在該步驟中散布涂料是很重要的，因?yàn)橥苛显诩訜釥t中固化后，錯(cuò)填料或填料過多將使清除工作大費(fèi)手腳。一些金屬如鏡面磨削的不銹鋼或銅很容易劃傷；因此在填料和清洗過程中要特別注意不能損壞它們的表面。
盡管費(fèi)時(shí)，但機(jī)械雕刻出的文字和圖形既耐用又穩(wěn)定。當(dāng)產(chǎn)品被填入彩色涂料后，終產(chǎn)品經(jīng)久不變，而且給人一種藝術(shù)享受。
表面噴涂包括用絲網(wǎng)印制法或噴墨法將文字和圖形轉(zhuǎn)印到工件表面。表面噴涂速度相當(dāng)快，而且它可以涂上全部顏色。但是在很多情況下，本發(fā)明人認(rèn)為耐用性或穩(wěn)定性差是一個(gè)顯著缺陷，這種耐用性或穩(wěn)定性是長(zhǎng)期磨損時(shí)例如電梯室內(nèi)的標(biāo)志所必需的。
近年來，發(fā)展了作為對(duì)材料如金屬、塑料、合成物或木材的機(jī)械雕刻和表面噴涂技術(shù)的換代技術(shù)的激光雕刻和激光印到技術(shù)。例如，傳統(tǒng)激光雕刻裝置使用Nd-YAG或CO2激光。電流計(jì)驅(qū)動(dòng)的電機(jī)裝置或X-Y向機(jī)架裝置控制激光束聚焦在工件表面。
激光雕刻裝置作為萬能雕刻刀很有效由于其精細(xì)的沖程寬度(0.003”-0.010”)，它特別適用于復(fù)雜雕刻以及在適當(dāng)成形的表面上的雕刻。由于激光雕刻是非接觸式加工(方法)，所以不會(huì)有與機(jī)械雕刻相關(guān)的問題，如刀具磨損和重磨、刀具斷裂、切削冷卻液和局部咬刀卡死。另外，可利用現(xiàn)有激光雕刻裝置相對(duì)快速地進(jìn)行局部雕刻。但是，即使用現(xiàn)有激光雕刻裝置，在致密材料如不銹鋼或銅上的雕刻深度還是受到了極大限制。由于例如重熔金屬堆積，邊緣清晰度隨深度加深而顯著降低。隨后的填料工序需要大約0.010”(±10％)的最小深度。這就要求在填料前必須對(duì)雕刻區(qū)進(jìn)行去毛刺和清洗處理。激光雕刻后的填料工序甚至比傳統(tǒng)機(jī)械雕刻更困難，該填料工序包括涂布涂料、固化涂料、去除多余涂料，所有這些都不能損壞光亮表面。與液體涂料相對(duì)的粉質(zhì)涂料較易使用，但整個(gè)填料工序通常是復(fù)雜的多步過程。
激光印刻是作為表面噴涂或與填料結(jié)合的雕刻(機(jī)械或激光雕刻)技術(shù)的換代技術(shù)。這種刻印與在某點(diǎn)形成的明暗對(duì)比度有關(guān)，激光束在該點(diǎn)撞擊或沖擊材料表面。為獲得良好的對(duì)比度，可對(duì)激光功率作最佳調(diào)整以便在光亮的金屬表面產(chǎn)生深棕色或黑色氧化物，或者從預(yù)處理板上除去彩色氧化物或涂料以露出顏色較淺的與之形成反差的基板。激光印刻在很多應(yīng)用方面很有效。但是與絲網(wǎng)印刷技術(shù)或噴黑印刷技術(shù)相比，這些標(biāo)志的有限的耐用性或穩(wěn)定性實(shí)際上排除了將已知激光印刻技術(shù)用于例如電梯室內(nèi)的標(biāo)志的可能性，因?yàn)檫@些標(biāo)志經(jīng)常由于如電梯乘客的手而受到過度的磨損接觸。另外，對(duì)本發(fā)明人而言，用于電梯裝置的現(xiàn)有激光印刻技術(shù)的另一個(gè)缺點(diǎn)是，當(dāng)從側(cè)面觀看閃亮金屬上的平面標(biāo)志時(shí)就感到對(duì)比度差。為詳述一些已知激光印刻裝置和技術(shù)，參見，例如弗羅里達(dá)州奧蘭多市的“激光控制有限公司”-Control LaserCorporation-(1992)出版的《激光印刻的工業(yè)利潤(rùn)》光子化金-Fuming Photons into Dollar-在此參閱該文章的全文。
本發(fā)明認(rèn)為，對(duì)現(xiàn)有激光印刻技術(shù)的改進(jìn)是可以實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明的方法被用來將文字或圖形雕刻到各種材料上，其中包括金屬、塑料、合成物或木材。本發(fā)明的方法既具有機(jī)械雕刻方法的耐用性和穩(wěn)定性，又具有表面噴涂技術(shù)的速度、明暗對(duì)比度和色彩靈活選擇性。本發(fā)明的激光雕刻工藝使用了改進(jìn)的(以后描述)傳統(tǒng)激光印刻裝置，首先把它用作淺刻刀具，接著用作將細(xì)粉質(zhì)填料(如一種合適的聚合物)熔結(jié)于先前刻出的區(qū)域內(nèi)的聚集熱源。例如，使用聚酯或環(huán)氧樹脂填料。用激光能對(duì)填料高度集中地加熱和固化，這取消了漫長(zhǎng)的操作過程、加熱爐中固化時(shí)間以及與帶有后續(xù)填料工序的傳統(tǒng)機(jī)械雕刻和激光雕刻過程的后續(xù)清理工作。因此，根據(jù)本發(fā)明的方向顯著縮短了工件加工時(shí)間，提高了制作經(jīng)久不衰的雕刻藝術(shù)品的能力。最后，本發(fā)明人認(rèn)為，本發(fā)明的方法由于取消了所有與上述現(xiàn)有印刻方法有關(guān)的處理液而顯著減少了危險(xiǎn)廢物。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，工件雕刻方法包括工件準(zhǔn)備，激光照射工件以形成凹坑，將激光可熔物質(zhì)涂布到凹坑中，接著激光照射該物質(zhì)，從而將該物質(zhì)固結(jié)在凹坑內(nèi)。
本發(fā)明的一個(gè)主要目的是以有效方式雕刻工件。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是制造出具有刻印的、耐用性和穩(wěn)定性好的工件。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是利用激光發(fā)射(輻射)能以便在工件上形成凹坑以及用激光發(fā)射能將彩色填料熔結(jié)在工件內(nèi)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種用作填料的激光可熔結(jié)的化學(xué)混合物。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是在激光雕刻工件過程中減少危險(xiǎn)廢物的產(chǎn)生。
當(dāng)結(jié)合附圖來參考以下具體的說明部分時(shí)，本發(fā)明的其他目的將變得更清楚。其中

圖1表示的是根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方法的高級(jí)邏輯流程圖。
圖2A、2B、2C和2D表示的是工件W(圖2A)的立體圖，工件W具有凹坑或凹槽C(圖2B)，適量的即薄薄一層激光可熔結(jié)的填料P被涂布在凹槽C中(圖2C)，用激光將填料P熔結(jié)在凹槽中，從而形成了L層(圖2D)。
圖3表示的是傳統(tǒng)激光印刻裝置的示意框圖，該印刻裝置經(jīng)改裝包括一個(gè)臺(tái)根據(jù)一個(gè)本發(fā)明優(yōu)選方案的填料布料裝置。
圖4A是圖3的填料布料裝置的側(cè)視圖，圖4B是圖3的填料布料裝置的俯視圖。
圖1表示的是一根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方法(步驟A-D)，圖2A-2D表示的是工件W的立體圖。
計(jì)算機(jī)控制的激光將圖形或文字刻到工件W上。例如，工件是由金屬、塑料、木材或合成物制成的，并且該工件放在工作臺(tái)14上。參見圖1的步驟A和B、圖2A、圖2B和圖3。該標(biāo)志或刻痕需要停留在材料內(nèi)的時(shí)間長(zhǎng)短決定了雕刻的深淺(例如1-5密耳)。使雕刻區(qū)的表面形態(tài)或表面粗糙度適于作為隨后的聚合物熔結(jié)的合適的“基層”。例如，刻槽C(圖2B)或其他凹坑(未畫出)縱橫交叉，從而形成了待填入聚合物P的附加儲(chǔ)存區(qū)，在熔結(jié)步驟D中，上述聚合物作為L(zhǎng)層被固結(jié)在刻槽C中。或者，在步驟B中控制激光束以便在雕刻表面產(chǎn)生凹坑(未畫出)，于是可以使聚合物固結(jié)(未畫出)，從而為熔固聚合物提供了更可靠的附著基礎(chǔ)。
在步驟C中，將薄薄一層激光可熔物質(zhì)P(如粉末)涂布在步驟B中刻出的文字或圖形中?？蓮娜斯ど⒉挤勰?，但也可以通過布料裝置18自動(dòng)散布粉末。按配方制成黑色或其他顏色的聚合物粉末P，從而通過吸收例如波長(zhǎng)如約為1×10-6m的近紅外線(Nd-YAG)激光能量而熔結(jié)。所有粉粒的平均直徑約為1×10-6m，聚合物P薄層的平均厚度如約為3密耳?？刂萍す馐嫦蛟俅螔呙栉淖只驁D形，同時(shí)對(duì)激光參數(shù)進(jìn)行調(diào)整以便使粉質(zhì)聚合物熔結(jié)于刻出的文字或圖形內(nèi)(步驟D)。高度聚焦的激光束能量使粉質(zhì)聚合物只熔結(jié)在雕刻區(qū)內(nèi)。結(jié)果，這種熔結(jié)生成了熔固聚合物層L(圖2D)?；蛘?，當(dāng)完成第一次逆向再次掃描后，另一層聚合物P被加到先熔結(jié)的聚合物上，然后重復(fù)步驟C和D。連續(xù)進(jìn)行上述過程直到所需厚度d的熔固物被填入刻出的文字或圖形區(qū)內(nèi)。見圖2D。一種優(yōu)選的黑色聚合物粉末具有以下化學(xué)成分由Xerox公司出品的Xerox 5760/65/90呈色劑構(gòu)成的少量部分聚酯，R1-[R2COO]nR3碳黑，C二氧化鈦，TiO2由Oasis Imaging Products生產(chǎn)的Oasis Sierra EX呈色劑構(gòu)成的主要部分苯乙烯/丙烯酸聚合物，R1[CH2CH2(C6H5)]x-[CH2CH(COOR2)]y-R3氧化鐵，F(xiàn)e3O4聚烯烴，R1-[CH2CHR2]n-R3二氧化硅，SiO2在一個(gè)粉末P的優(yōu)選實(shí)施例中，該混合物包括作為少量部分的Xerox 5760/65/90呈色劑和作為主要成分的Sierra EX呈色劑。該少量部分最好占整個(gè)混合物重量的5％-20％。前一種呈色劑形成高拋光面，后一種呈色劑形成半拋光面。因此，如果Xerox呈色劑含量增加，表面光潔度就提高。
當(dāng)所需文字和/或圖形經(jīng)激光印刻成型后，在移動(dòng)終產(chǎn)品之前，將多余的未熔結(jié)聚合物粉末去掉(如刷除或吸取-未畫出)。一件終產(chǎn)品(商品)的總加工時(shí)間取決于雕刻復(fù)雜程度，與傳統(tǒng)雕刻技術(shù)通常所需的數(shù)以小時(shí)計(jì)算的終產(chǎn)品總加工時(shí)間相比，本發(fā)明的終產(chǎn)品總加工時(shí)間只用數(shù)分鐘。
例如，根據(jù)本發(fā)明的方法的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例包括以下1-9個(gè)步驟1、將待雕刻的工件W放在激光雕刻裝置中(圖3)。
2、調(diào)整激光能源10的參數(shù)和激光束的傳播速率，從而在工件上完成對(duì)文字凹坑和圖形凹坑的雕刻?；蛘?，經(jīng)過多束激光照射從而達(dá)到由應(yīng)用要求所確定的雕刻深度。
3、調(diào)整激光能源10參數(shù)和激光束的傳播速率以完成對(duì)雕刻區(qū)的清理工作(如去毛刺)。在雕刻區(qū)內(nèi)完成表面清理工序。該清理工序?qū)⒍嘤嗟闹厝畚镔|(zhì)(如金屬)清除出雕刻區(qū)。
4、調(diào)整激光能源10參數(shù)和激光束的傳播速率以便在雕刻區(qū)內(nèi)形成理想的表面形態(tài)。在雕刻區(qū)內(nèi)完成表面準(zhǔn)備工序。使表面形態(tài)或表面粗糙度適于為激光可熔填料提供理想的固結(jié)“基層”。
5、利用干燥的壓縮氣體或其他流體(例如空氣或惰性氣體如氮?dú)?的高壓(大約75psi)對(duì)工件的雕刻區(qū)進(jìn)行處理，從而將疏松物質(zhì)清除出雕刻區(qū)。疏松物質(zhì)可能對(duì)填入雕刻區(qū)內(nèi)的填料的附著產(chǎn)生不利影響。
6、使用聚合物散布設(shè)備(聚合物布料裝置，圖3和圖4)將薄薄一層填料涂布(如散播)在雕刻區(qū)內(nèi)。
7、調(diào)整激光能源10參數(shù)和激光束傳播速率以便熔結(jié)這些彩色填料。在雕刻區(qū)內(nèi)完成熔固工序。
8、或者，重復(fù)以上步驟6和7直到獲得所需的填料厚度/深度d。
9、在完成熔固工序后，將多余填料從工件上去除以利回收(如刷除或吸取)。隨后用水或其他適當(dāng)?shù)囊后w清洗工件，接著干燥工件(如擦去液體)。該優(yōu)選實(shí)施例的工件雕刻工藝到此為止。
圖3畫出了用于實(shí)施本發(fā)明上述兩個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的優(yōu)選激光雕刻裝置的各部件。
10、計(jì)算機(jī)控制的Nd-YAG或CO2激光能源。選定激光能源的具體參數(shù)(即平均功率、最大功率、脈沖頻率、激光輸出方式、光點(diǎn)尺寸)以便提供工件和填料所要求的工藝參數(shù)。
12、計(jì)算機(jī)控制的激光束轉(zhuǎn)向裝置12.1電流計(jì)驅(qū)動(dòng)的X和Y光束轉(zhuǎn)向鏡，激光束通過平物鏡裝置聚焦。
12.2 X-Y機(jī)架移動(dòng)光鏡光學(xué)裝置12.3固定的激光束發(fā)射鏡，工件是通過計(jì)算機(jī)控制的X-Y工作臺(tái)14移動(dòng)的。
14、用于調(diào)整工件的計(jì)算機(jī)控制的X-Y工作臺(tái)。
16、用于在加工中抽取氣化物和蒸汽的計(jì)算機(jī)控制的抽氣裝置。
18、計(jì)算機(jī)控制的聚合物布料裝置。
20、用于容納氣體和激光防護(hù)的外殼。
22、用于雕刻者操作的操作界面和應(yīng)用軟件，例如其中包括實(shí)施圖1的步驟B、C和D的軟件。該軟件以傳統(tǒng)方式被妥當(dāng)?shù)卮鎯?chǔ)在控制計(jì)算機(jī)24的存儲(chǔ)器中。
24、控制計(jì)算機(jī)，它包括CPU、存儲(chǔ)器(RAM、ROM等)、I/O口、總線、控制器、輸入設(shè)備(如鍵盤、鼠標(biāo))和輸出設(shè)備(如顯示器、打印機(jī))。
那些熟知計(jì)算機(jī)和與本文有關(guān)的激光印刻技術(shù)人員能以適當(dāng)方式編碼并且將軟件和其他合適的計(jì)算機(jī)指令和數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)24的存儲(chǔ)器中，從而適當(dāng)?shù)乜刂萍す馐⒐ぷ髋_(tái)、抽氣裝置和填料布料裝置，結(jié)果對(duì)所有步驟1-9產(chǎn)生影響并且以不同方式實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明。例如，聚合物(填料)布料裝置(圖4和3)是現(xiàn)成品，它可以和General Scanning，Inc.出品的Hi-Mark400YAG激光印刻裝置組裝起來。接著直接對(duì)該裝置編程，從而影響本發(fā)明的任何一個(gè)步驟或所有步驟，但特別是對(duì)通過由激光照射填料而引起的化學(xué)熔結(jié)和/或物理附著而將填料固結(jié)在凹坑中的步驟D(圖1)產(chǎn)生影響。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)利用具有上述成分的可熔聚合物雕刻不銹鋼工件時(shí)，以下激光參數(shù)(光束功率、光束傳播速率等等)特別適用用于雕刻23watts，15khz脈沖頻率；240mm/sec激光束傳播速率；
用于熔結(jié)1watt，50khz脈沖頻率；240mm/sec激光束傳播速率；激光束產(chǎn)生了深度約為3密耳的凹坑。
未熔結(jié)的填料P厚度約為3密耳。
雖然本發(fā)明以最佳方式畫出并描述了上述實(shí)施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，在不脫離本發(fā)明主旨和范圍的基礎(chǔ)上，可以在形式和內(nèi)容上產(chǎn)生其他不同的變化或增減。例如，填料可以是任何一種合適的干燥涂料，或者甚至可以是液體的涂料；激光源可利用各種合適的水晶、氣體、玻璃、液體或半導(dǎo)體作為激光介質(zhì)。
權(quán)利要求
1.一種工件雕刻方法，包括工件準(zhǔn)備；用激光照射該工件以產(chǎn)生凹坑；將激光可熔物質(zhì)涂布于該凹坑內(nèi)；隨后用激光照射該物質(zhì)，從而使該物質(zhì)固化在該凹坑內(nèi)。
2.一種如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述用激光照射上述物質(zhì)的步驟包括用激光將上述物質(zhì)熔結(jié)于該工件內(nèi)。
3.一種如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，該方法還包括在用激光照射該物質(zhì)的步驟之后從工件上清除多余的激光可熔物質(zhì)。
4.一種按照權(quán)利要求1所述的方法生產(chǎn)出的工件。
5.一種如權(quán)利要求4所述的工件，其特征在于，該工件具有一塊帶凹坑的金屬基板以及位于該凹坑內(nèi)的聚合物。
6.一種如權(quán)利要求5所述的工件，其特征在于，該凹坑是細(xì)長(zhǎng)形的。
7.一種如權(quán)利要求5所述的工件，其特征在于，該聚合物包括聚酯。
8.一種如權(quán)利要求5所述的工件，其特征在于，該聚合物包括環(huán)氧樹脂。
9.一種激光可熔混合物，包括包括聚酯、碳黑和二氧化鈦在內(nèi)的少量部分；包括苯乙烯/丙烯酸聚合物、氧化鐵、聚烯烴和二氧化硅在內(nèi)的主要部分。
10.一種如權(quán)利要求9所述的混合物，其特征在于，該少量部分約占上述混合物的5％-20％。
11.一種如權(quán)利要求9所述的混合物，其特征在于，該混合物可以在近紅外線光譜范圍內(nèi)熔結(jié)。
12.一種雕刻工件的方法，包括工件準(zhǔn)備；用激光照射該工件以產(chǎn)生凹槽；將激光可熔涂料涂布在該凹槽內(nèi)；隨后用激光照射該涂料從而使該涂料固結(jié)在該凹坑內(nèi)，隨后將多余涂料從工件上除去。
13.一種如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述用激光照射該涂料的步驟包括用近紅外線能量激光照射上述涂料。
全文摘要
一種工件雕刻方法，包括用激光照射工件以產(chǎn)生凹坑或基他缺口，將激光可熔聚合物涂布在凹坑內(nèi)，隨后用激光照射該物質(zhì)從而使其熔結(jié)在凹坑內(nèi)。該激光可熔聚合物最好可以在近紅外線光譜范圍內(nèi)熔結(jié)。
文檔編號(hào)B23K26/18GK1165753SQ9710297
公開日1997年11月26日 申請(qǐng)日期1997年1月29日 優(yōu)先權(quán)日1996年1月30日
發(fā)明者D·J·布德尼克, D·A·康迪特 申請(qǐng)人:奧蒂斯電梯公司