塑料表面激光标刻和变色工艺的研究

摘要

激光打标技术由于具有高速、高效、节能、环保等特点,已经在工业生产中得到了广泛的应用,在塑料制品的加工领域也具有其独特优势。本论文对塑料表面激光打标的结果从形貌和颜色两方面进行了研究。
　　 本论文使用光源为二氧化碳激光和光纤激光的两种标刻系统,分别对ABS、PE、PMMA、PP和PVC五种材料七件样品进行了打标。首先确定打标图案为线段,扫描方式为矢量扫描。将打标的诸多可变工艺参数归结为激光输出功率密度的变化,并推导出根据可调节参数计算功率密度的方法。使用光学显微镜、扫描电镜(SEM)和表面形貌仪,对打标结果的形貌进行了观察和测量,得到了打标结果线宽度和功率密度之间的关系曲线。继而由线性拟合得到了打标线宽和功率密度之间的函数关系。
　　 本论文还研究了塑料在激光辐照后颜色变化的现象,发现其成因可归纳为三种。功率密度较小时,塑料在生产过程中添加的着色剂等添加剂,会在激光辐照后由于热作用发生分解或失效,导致塑料表现出颜色变浅。通过EDS能谱分析发现打标痕迹与原始材料的成分以及成分比例均无变化,可以认为材料内部只有分子结构发生改变。当功率密度达到一定程度后,材料本身会发生高温下的化学反应,在空气环境中表现为氧化甚至燃烧。此反应所残留在材料表面的生成物决定了打标痕迹的颜色。当材料对于某中激光是完全或高度透明的,材料内部的杂质对激光的吸收则可以导致微小区域的温度急剧升高,形成黑色的炭化斑点。通过适当调节激光参数,可以实现对此类黑色斑点分布的控制,其最终效果与激光打标一致。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 激光打标技术

1.1.1 激光打标技术的优点

1.1.2 激光打标方式的演变

1.2 塑料打标的意义

1.3 国内外研究现状

1.4 本课题的主要研究内容

第2章 调制脉冲式光纤激光在塑料表面打标

2.1 打标系统

2.1.1 光纤激光打标系统基本性能

2.1.2 扫描振镜系统

2.1.3 平场聚焦镜(F-Theta镜)

2.1.4 控制系统

2.2 基于实验设备参数的功率密度计算

2.3 实验过程、现象与分析

2.3.1 深灰色聚氯乙烯(PVC)板材打标

2.3.2 聚氯乙烯(PVC)透明片打标

2.3.2 乳白色ABS工程塑料打标

2.3.3 黑色聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)打标

2.4 本章小结

第3章 连续二氧化碳激光在塑料表面打标

3.1 打标系统

3.2 功率密度计算

3.3 无变色现象的五种塑料材料表面打标

3.3.1 半透明乳白色聚丙烯(PP)板材

3.3.2 半透明乳白色聚乙烯(PE)板材

3.3.3 ABS,透明PMMA和黑色PMMA

3.3 两种PVC材料表面打标

3.4 本章小结

第4章 激光打标表面形貌和颜色变化的研究

4.1 表面形貌变化的机理

4.2 打标痕迹颜色变化的机理

4.3 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢