ABS 材料光纖激光打標的工藝參數

李全法，蘇志從

（泉州師范學院 物理與信息工程學院，福建 泉州 362000）

ABS 材料（又稱ABS 樹脂）是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，英文名為Acrylonitrile Butadiene Styrene，簡稱ABS。它具有耐熱、表面硬度高、尺寸穩定、易于加工成型以及良好的電、化學性能等優異的綜合性能，在汽車、3D 打印、建材和日用品等眾多領域有著廣泛的應用[1]。在ABS 材料制品的使用過程中，為了正確識別制品的屬性和質量狀態等信息，往往需要使制品具有可辨識性和可追溯性。因此，為了方便對制品的辨識和溯源，必須對其進行標識。傳統的ABS 材料表面標識方法主要有噴油墨、機械打標和貼標簽紙等標記方法，這些方法不僅效率低，而且容易對制品造成二次污染，更甚者在制品的儲存、運輸和使用過程中容易出現標識模糊和丟失的狀況，無法確保所標識信息的安全。為解決這些問題，激光打標技術應運而生。特別是近年來，隨著核心光學器件、激光器和計算機等技術的不斷創新和發展，激光打標技術憑借著其不接觸工件、無污染、高效率、高質量等一系列優點，正逐漸取代傳統的標刻方法，在電子元器件、汽車配件、PVC 管材、塑料按鈕、建材等許許多多的行業中有著越來越廣泛的應用[2-4]。據報道，在打標印刷行業中，激光打標的市占率已達90%以上[5]；在ABS 材料制品的標識方面，激光打標也已經得到了越來越多的重視和應用[6-7]。

國內外的學者對激光打標工藝開展了大量的研究。山東大學崔新凱等[8]通過使用CO2激光器在PVC塑料表面標刻二維條碼的試驗研究，得到了PVC 塑料標刻二維條碼的最佳激光功率和掃描速度的打標參數組合；殷年偉等[9]通過對黑色PBT 材料激光打標的發泡機理進行研究，得出了黑色PBT 材料的激光打標機理就是其發泡機理，且泡孔覆蓋率和泡壁吸收系數是影響其激光打標效果的主要影響因素；梁惠強等[10]采用不同電流強度、步長和頻率參數對黑色次磷酸鹽阻燃尼龍66 (PA66) 和MCA 阻燃PA6 兩種材料進行激光打標，獲得了兩種材料的最佳打標工藝參數；盧柄希等[11]利用光纖激光打標機對鎂合金進行打標試驗，得出了激光功率、掃描速度和激光光點直徑對打標質量有著重要的影響；伍珊紅等[12]采用Nd:YAG 激光器對不銹鋼進行打標試驗，得出了激光功率、掃描速度、電流等打標參數對打標效果的影響；HZ Bai 等[13]通過使用60 W 的CO2激光器切割加工木材等非金屬材料的試驗研究，提出并修正了根據不同材料性能和切削速度估算切削深度的理論模型；H.Hayakawa[14]使用Nd:YAG 激光打標設備成功在玻璃制品上標刻了條碼；C.Leone 等[15]利用Nd:YAG 激光打標設備對304 不銹鋼進行激光打標試驗，構建了最佳激光打標效果的經驗模型。

然而，學者們對激光打標工藝的研究更多的是以PVC 塑料、鎂合金、不銹鋼和玻璃制品等材料作為研究對象，較少以ABS 材料作為研究對象進行激光打標工藝的研究。雖然蔣世磊等[16]利用Nd：YAG 1 064 nm端泵激光器分別對白、粉、紅、藍和黑5 種不同顏色的ABS 材料進行紅外激光打標試驗，獲得了這5 種材料的紅外激光打標工藝參數。但是由于光纖激光器和端泵激光器這兩種激光器的組成構造不同且對ABS 材料的激光打標性能的影響又不盡相同，因此無法為ABS 材料的大批量高效自動化流水線的光纖激光打標工藝參數選擇和打標機理分析提供足夠的理論支撐，因此，筆者對ABS 材料的光纖激光打標工藝進行研究和優化，能為它們的高效高質量的自動化流水線打標提供一定的借鑒。

1 試驗方法和條件

激光打標試驗是在華之尊HZZ-M300 型激光打標機（其主要技術指標參數為：激光波長1 064 nm、激光功率30 W、場鏡焦距175 mm）上進行的，其打標試驗平臺如圖1 所示，它是由電源控制部分、工控機及控制軟件、激光器、振鏡掃描系統和工件等組成，其打標控制系統采用EzCad 2.8 控制軟件，具體試驗流程如下：

圖1 激光打標試驗平臺Fig.1 Laser marking experimental setup

確定好打標位置和內容并固定好工件把所要打標的圖案內容導入EzCad 2.8 控制軟件中根據所要打標的工件和內容設置好相應的功率、掃描速度等相關工藝參數打標觀察打標效果并進行微觀檢測；

激光打標效果的好壞與激光打標工藝參數、圖案內容和材料等有著顯著的關系[8-17]。筆者經過多次的試驗后，確定白、黃、紅、黑4 種不同顏色的ABS 方料的打標試驗工藝參數如表1 所示，試驗所用試件的規格為200 mm×100 mm×3 mm 的方料，所打標圖案的區域為10 mm×10 mm，打標完成后觀察其整體打標效果，使用華為nova7 型號的手機進行拍照，利用VHX-500型號的超景深顯微鏡放大200 倍觀察其微觀結構。

表1 激光打標的試驗參數Tab.1 Laser marking test parameters

2 試驗結果及分析

2.1 白色基底ABS 材料的打標效果及分析

圖2 和圖3 分別為白色基底的ABS 材料在3 種不同的打標加工工藝參數下，獲得的整體效果圖和對應的微觀結構圖。從圖中可看出，圖2 和圖3 中的（a）樣品打標后顏色發黑，圖案模糊，主要原因是功率過大，激光能量過大，掃描速度過小，使得局部區域的能量過大，導致工件表面局部發黑、模糊。圖2 和圖3 中的（b）樣品效果不明顯，主要原因是激光功率偏小，掃描速度偏快，使得單位間距的激光能量不足，無法對工件進行完整標識，線條結構不明顯。圖2 和圖3 中的（c）樣品打標線條結構清晰、均勻，打標效果較好。

圖2 白色基底ABS 材料不同打標參數下的打標效果圖Fig.2 The effect pictures of white ABS by laser marking

圖3 白色基底ABS 材料不同打標參數下的微觀結構圖Fig.3 The microstructure pictures of white ABS by laser marking

2.2 黃色基底ABS 材料的打標效果及分析

圖4 和圖5 分別為黃色基底的ABS 材料在3 種不同的打標加工工藝參數下，獲得的整體效果圖和對應的微觀結構圖。從圖中可看出，圖4 和圖5 中的（a）樣品打標整體線條結構明顯，但由于功率較大，掃描速度較小，使得單位面積能量過大，燒傷工件，圖案模糊。圖4 和圖5 中的（b）樣品效果不明顯，主要原因是激光功率偏小，掃描速度偏快，使得單位間距的激光能量不足，無法對工件進行完整標識，線條結構不明顯，顏色不飽滿。圖4 和圖5 中的（c）樣品打標線條結構清晰、均勻，打標效果較好。

圖4 黃色基底ABS 材料不同打標參數下的打標效果圖Fig.4 The effect pictures of yellow ABS by laser marking

圖5 黃色基底ABS 材料不同打標參數下的微觀結構圖Fig.5 The microstructure pictures of yellow ABS by laser marking

2.3 紅色基底ABS 材料的打標效果及分析

圖6 和圖7 分別為紅色基底的ABS 材料在3 種不同的打標加工工藝參數下，獲得的整體效果圖和對應的微觀結構圖。從圖中可看出，圖6 和圖7 中的（a）樣品由于打標功率過大，打標速度過小，能量過大，打標深，使得其底層的紅色背景也顯現出來，打標顏色不均勻，效果差。圖6 和圖7 中的（b）樣品打標顏色偏暗，工件表面原有顏料未完成去除，打標效果不夠飽滿，線條結構不明顯，識別度不高，主要原因是激光功率偏小，掃描速度偏快，使得單位間距的激光能量不足，無法對工件進行完整標識。圖6 和圖7 中的（c）樣品打標線條結構清晰、均勻，打標效果較好。

圖6 紅色基底ABS 材料不同打標參數下的打標效果圖Fig.6 The effect pictures of red ABS by laser marking

圖7 紅色基底ABS 材料不同打標參數下的微觀結構圖Fig.7 The microstructure pictures of red ABS by laser marking

2.4 黑色基底ABS 材料的打標效果及分析

圖8 和圖9 分別為黑色基底的ABS 材料在3 種不同的打標加工工藝參數下，獲得的整體效果圖和對應的微觀結構圖。從圖中可看出，圖8 和圖9 中的（a）樣品打標后出現了很明顯的發黑甚至融化了，主要原因是功率過大，激光能量過大，掃描速度過小，使得過大的激光能量集中在一處小地方，導致工件被深度燒傷。圖8 和圖9 中的（b）樣品打標后，雖然全局結構明顯，但是顏色不均勻，局部模糊，主要原因是激光功率偏大，能量過大，掃描速度偏小，導致效果不均勻。圖8和圖9 中的（c）樣品打標線條結構明顯、顏色均勻、對比度清晰，打標效果較好。

圖8 黑色基底ABS 材料不同打標參數下的打標效果圖Fig.8 The effect pictures of black ABS by laser marking

圖9 黑色基底ABS 材料不同打標參數下的微觀結構圖Fig.9 The microstructure pictures of black ABS by laser marking

2.5 不同顏色基底ABS 材料的打標效果及分析

根據試驗總結出，白、黃、紅和黑4 種不同基底顏色的ABS 材料較佳的激光打標工藝參數如表2 所示。由表2 可見，隨著基底顏色由淺及深，打標工藝參數呈現出一定規律的變化趨勢，一般地隨著基底顏色的加深，可適當選用小一些的打標功率，大一些的打標速度。同時，對比這4 種基底顏色的ABS 材料在相同打標參數（如圖2～圖9 中的a 圖）和較佳打標參數下的效果圖和微觀結構圖（如圖2～圖9 中的c 圖），可以發現，深色基底（黑）材料的打標效果好于淺色基底（白）材料，這是由于深色基底ABS 材料相較于淺色基底ABS 材料，有著更強的吸收激光的性能，其表面的黑色顏料在激光的作用下，會吸收激光的能量，并把所吸收的光能轉化為熱能，進而使表面黑色顏料蒸發掉露出內層白色顏料，這樣就容易在深色的表面形成對比度較大的標識效果，因此其激光打標性能更好。而淺色（白色）基底的ABS 材料由于對1 064 nm 波長的激光吸收性能比黑色材料的要弱得多，不能像黑色材料一樣將大部分的激光能量轉化為熱能，因此它需要在更嚴苛的條件下，才能獲得滿意的打標效果。

表2 不同顏色基底的ABS 材料的較佳打標工藝參數Tab.2 The marking parameters for better effect of ABS materials with different color substrates

3 結論

(1)通過打標試驗和微觀結構表征，獲得了白、黃、紅、黑4 種不同顏色基底的ABS 材料的較佳打標工藝參數，分析了打標工藝參數對它們的打標效果的影響，能為它們的高效、高質量光纖激光打標提供一定的應用參考價值。

(2)通過試驗及分析總結出，不同顏色基底的ABS材料，其較佳的光纖激光打標工藝參數不同，且黑色等基底顏色較深的材料，其激光打標性能較好，較容易獲得好的打標效果，而白色等淺色基底的材料，只有在間距、頻率和功率等工藝參數設定更嚴苛的條件下，才能有較好的打標效果。因此在實際應用中，應盡量選用深色基底的材料進行打標。