Markus klemm

(Spartanics,3605 Edison Place,Rouing Meadows,IL60008 USA)

(第一部分)

激光模切，又名數(shù)字模切，既利用高功率激光將激光光束路徑上的材料蒸發(fā)掉。激光束的開和關(guān)，以及激光束的路徑都與產(chǎn)品圖形的裁切要求一一對(duì)應(yīng)。由于被切割的部分被蒸發(fā)掉了，因此，對(duì)于剔除細(xì)小碎片所需的手工或方式復(fù)雜的排廢均被省去。

自20世紀(jì)80年代起激光模切首次被運(yùn)用以來，有關(guān)其技術(shù)的基本概念沒有改變。然而，新近的激光模切技術(shù)的發(fā)展，特別是那些復(fù)雜的激光模切控制的軟件開發(fā)，使得人們對(duì)激光模切的期待有了顯著改善。今天由較便宜的組件組成且成本較低的激光模切系統(tǒng)，其功能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于幾年前設(shè)計(jì)且造價(jià)昂貴的系統(tǒng)。在高端產(chǎn)品中，最新的激光模切系統(tǒng)能以更寬泛的材料適用性和更嚴(yán)格的公差控制，穩(wěn)定地進(jìn)行更為錯(cuò)綜復(fù)雜的模切工作。

針對(duì)這些頗富挑戰(zhàn)性的要求，在激光模切技術(shù)上的投資，已成為一種對(duì)能夠滿足實(shí)際需求的最佳設(shè)備的選擇。但是，現(xiàn)有市場(chǎng)上仍然可以看到有些激光模切系統(tǒng)在質(zhì)量和產(chǎn)能方面有所妥協(xié)，而對(duì)先進(jìn)激光模切技術(shù)來說，這些妥協(xié)是不能接受的。

另一方面，對(duì)于一些要求簡(jiǎn)單的應(yīng)用，通常由低成本激光模切系統(tǒng)完成，因?yàn)槠涔β屎凸δ芏甲阋詽M足手邊的工作。在本文中，將討論如何使得新一代的激光模切系統(tǒng)滿足實(shí)際應(yīng)用之需，并分析激光模切系統(tǒng)的各種功能在質(zhì)量和產(chǎn)出方面是如何體現(xiàn)的。激光模切技術(shù)對(duì)比見表1。

1 在激光模切和模具模切系統(tǒng)中進(jìn)行選擇

挑選合適的激光模切技術(shù)的第一步，先要確定激光模切的能力是否符合加工的需要。與模具式模切系統(tǒng)相比，激光模切有很多優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)勢(shì)主要得益于激光模切無(wú)模具。因?yàn)闆]有模具，因此就不存在模具成本，而且不用花費(fèi)模具制造的時(shí)間。這是為什么將激光模切用于快速打樣的主要原因。激光模切系統(tǒng)被稱為數(shù)字模切，是因?yàn)榭梢圆扇∪魏问噶繑?shù)字圖像，將其導(dǎo)入到操作軟件中，并設(shè)立一個(gè)工作活件。目前一流的激光模切系統(tǒng)，采用數(shù)字圖像輸入，只需要幾分鐘的時(shí)間就能夠完成活件設(shè)立?！皵?shù)字模切”與激光模切是可以互換的概念，共同代表無(wú)模具模切系統(tǒng)所具有的優(yōu)勢(shì)。尤其是與數(shù)字印刷配套使用時(shí)，從原件到成品的加工，只需幾分鐘，甚至更短既可完成。

對(duì)于機(jī)械模切，由于其切割模具的邊緣與材料間的物理接觸，總會(huì)產(chǎn)生固有的局限性。而激光模切則克服了這些局限性，從而能切割很多模具模切很難或無(wú)法完成的材料。例如：激光模切很容易切割黏性材料，因?yàn)椴捎脵C(jī)械模切時(shí)，黏性材料容易被粘連。同樣，在切割薄的材料方面，無(wú)模具的激光模切系統(tǒng)也具有很大優(yōu)勢(shì)。切割薄的材料時(shí)，沉重的模具與脆弱的材料之間相互作用，會(huì)產(chǎn)生物理上的限制，而激光套準(zhǔn)切割則沒有這種限制。另外，激光模切可以很好地處理研磨性材料。

這種情況下，機(jī)械模切的模切刀會(huì)被磨損，并需要經(jīng)常更換，因此成本往往很高。而無(wú)模具的激光模切系統(tǒng)則克服了這一問題(見圖1)。

表1 激光技術(shù)對(duì)比

圖1 激光模切標(biāo)簽

相對(duì)更便捷的加工性也是激光模切明顯的優(yōu)勢(shì)。激光模切可以勝任打孔、打虛線、半切、連續(xù)編號(hào)、折痕、個(gè)性化等一系列特殊加工(見圖2)。運(yùn)用高級(jí)軟件來精確控制激光切割光束的運(yùn)行，是當(dāng)今激光模切技術(shù)的一大特點(diǎn)。事實(shí)上，激光模切系統(tǒng)的唯一缺陷在于其激光束的寬度，例如，最先進(jìn)的切割系統(tǒng)中，在200 mm×200 mm 或大一些的范圍內(nèi)，最好系統(tǒng)的激光束可以小到210 μm。但實(shí)際上這不僅僅是激光模切所面臨的挑戰(zhàn)，其他任何模具模切系統(tǒng)同樣都很難實(shí)現(xiàn)小于30°轉(zhuǎn)角的精確切割。另外，激光模切省略了機(jī)械排廢的步驟，而對(duì)模具模切而言，這卻是最基本的需求。

圖2 激光模切的多種應(yīng)用

和任何技術(shù)一樣，激光模切也存在局限性，但對(duì)于這些局限性，存在一定的誤解。有人認(rèn)為激光模切僅適合做打樣工具，無(wú)法達(dá)到產(chǎn)品批量生產(chǎn)的要求。對(duì)許多應(yīng)用，與占主導(dǎo)地位的平版模切機(jī)、圓壓圓模切、光電套準(zhǔn)平壓機(jī)、沖壓機(jī)比較起來，早期的激光模切的確是慢了一些。但實(shí)際上，現(xiàn)代激光模切設(shè)備都被用來進(jìn)行完整的個(gè)生產(chǎn)。需要注意的一點(diǎn)是，目前的激光模切系統(tǒng)大都使用檢流計(jì)型激光，隨著鏡頭角度調(diào)整，激光掃過整個(gè)原稿件，而設(shè)置的完成只需幾分鐘。相對(duì)于通過幾何xy 構(gòu)架的滑塊來移動(dòng)整個(gè)激光束，或移動(dòng)材料來進(jìn)行模切，這種僅僅移動(dòng)激光束的檢流計(jì)機(jī)械系統(tǒng)要快的多。而更先進(jìn)的檢流技術(shù)通過細(xì)微的軟件調(diào)整，將大多數(shù)操作精確到萬(wàn)分之一秒，從而將速度提高到更新的水平。激光瓦數(shù)越高，切割時(shí)的速度越快。5年之前或更早，200 W 或者400 W的激光模切很貴，而現(xiàn)在價(jià)格則很有競(jìng)爭(zhēng)性。這些新激光也可以生成高質(zhì)量的激光束，確保高速運(yùn)行時(shí)的切割質(zhì)量。綜合這些在速度上的提升，使今天激光模切的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過打樣的作用，被充分用于生產(chǎn)而無(wú)任何瓶頸。(注：對(duì)很多情況而言，有些制造商關(guān)于激光模切的線速度的說法是毫無(wú)意義的。真正的模切速度是由原件的復(fù)雜程度以及軟件對(duì)模切圖像的優(yōu)化能力來決定的，如后續(xù)的解釋。)

另一種對(duì)激光模切的誤解是認(rèn)為激光模切是危險(xiǎn)的操作，因?yàn)樵诠ぷ鲄^(qū)有燃燒帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)。盡管與我們的常識(shí)相悖，但相對(duì)模具模切系統(tǒng)來講，激光模切系統(tǒng)在很多方面是更好的選擇。在初次安裝激光模切系統(tǒng)時(shí)，如工人未戴安全鏡，需小心注意光束的泄露給工作環(huán)境帶來的危害。而使用模具模切系統(tǒng)時(shí)，如操作不當(dāng)，則始終會(huì)存在給工人帶來嚴(yán)重傷害的隱患。盡管這種情況很少發(fā)生，但卻是災(zāi)難性的。模具的損壞開支也是很普遍的，例如，當(dāng)機(jī)械師把一個(gè)小螺絲忘在切割區(qū)內(nèi)時(shí)，最終有可能損壞客戶的模具。

通常認(rèn)為激光模切不能處理所有材料也是正確的看法。然而，這個(gè)界限隨著激光技術(shù)的改進(jìn)在不斷改變。例如，激光技術(shù)常常無(wú)法處理聚碳酸脂材料，因?yàn)樵谇懈钸@種材料時(shí)，激光會(huì)在材料上留下難看的帶有深棕色的變色邊緣。對(duì)于比較厚的聚碳材料還是會(huì)發(fā)生。然而，對(duì)于(陳舊的激光系統(tǒng)無(wú)法處理)較薄的材料情況卻不再如此。(注：不幸的是，市場(chǎng)上還是能找到某些激光模切設(shè)備，在薄的材料上也留下變色的邊緣，但是不能因此而否定這項(xiàng)出色的技術(shù))。許多人仍然認(rèn)為PVC 材與激光模切技術(shù)不匹配，其實(shí)這個(gè)觀點(diǎn)已經(jīng)過時(shí)了。只要在設(shè)備上添加必要的組件，確保靠近激光束附件的部件不受切割PVC 時(shí)產(chǎn)生的腐蝕性影響，同時(shí)，配備保護(hù)操作人員的有毒煙氣過濾裝置，切割PVC 材料還是有可能的。

激光模切技術(shù)的真正缺點(diǎn)，也是很多公司將激光模切機(jī)與一套或幾套模具模切系統(tǒng)同時(shí)使用的原因，即相對(duì)于一些機(jī)械模切更勝任的長(zhǎng)訂單加工來說，激光模切性價(jià)比相對(duì)比較低。如果活件的幾何圖形易于模具加工，如果材料不是很薄或很黏，或者無(wú)磨損性，或者不會(huì)對(duì)模具造成不良影響，特別是相對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)行的活件，且模切成本可以被忽略的時(shí)侯，模具模切(平版沖壓，圓壓圓模切，光電控間隙沖壓技術(shù))常常會(huì)做得更好。

2 質(zhì)量和‘柔性標(biāo)點(diǎn)’標(biāo)準(zhǔn)

幾年前設(shè)計(jì)的激光模切系統(tǒng)很難應(yīng)對(duì)復(fù)雜圖案的切割，尤其是對(duì)于那些帶很多尖角的圖案。今天我們還是可以找到這些技術(shù)陳舊的激光模切機(jī)，在整個(gè)切割開啟和停止過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)燒穿和穿孔現(xiàn)象(見圖3)。

圖3 燒穿

例如：圖3 表明簡(jiǎn)易激光模切很難實(shí)現(xiàn)尖角切割。在尖角處能看到黑色燒穿標(biāo)記，可以看出激光在那一點(diǎn)停留很長(zhǎng)時(shí)間。如同汽車拐彎需要減速，而激光束在此減速，恰恰造成該點(diǎn)的燒穿。

圖4所示，激光模切中出現(xiàn)了相反的問題，為了避免圖4 中燒穿現(xiàn)象，提高了激光束移動(dòng)速度。然而，這個(gè)增速的控制顯然不夠好，不但沒有達(dá)到原圖所要求形成尖角，結(jié)果反而變圓，此時(shí)尖角處的激光切割速度過快。

圖4 圓角

新一代的激光模切在軟件技術(shù)上的提高，克服了從前的缺陷?！叭嵝詷?biāo)點(diǎn)”可以使激光束的移動(dòng)與幾何圖形更好同步，在整個(gè)切割次序中嚴(yán)密控制，避免燒穿并完成尖角的切割，效果正如圖5和圖6中所示。由于從初始點(diǎn)上移動(dòng)激光頭時(shí)間較長(zhǎng)，舊系統(tǒng)常常在切割初始留下針孔(激光反射鏡引導(dǎo)激光束)。而先進(jìn)的模切系統(tǒng)可以切割出更好的邊緣，切割初始不留針孔，在尖角轉(zhuǎn)彎處也無(wú)燒穿。這并不只是因?yàn)檫\(yùn)用了更好的激光，還在于控制激光移動(dòng)的反光鏡采用了更高級(jí)的軟件算法。對(duì)實(shí)現(xiàn)激光模切軟件系統(tǒng)控制來說，“柔性標(biāo)點(diǎn)”不僅是激光模切控制軟件所取得的進(jìn)步，也說明只有那些在軟件研發(fā)上有足夠投入的制造商，才能開發(fā)出可以滿足大部分應(yīng)用之需求的無(wú)缺陷的“柔性標(biāo)點(diǎn)”技術(shù)。

圖5 柔性標(biāo)點(diǎn)

圖6 最終產(chǎn)品

舉例說明模切速度如何影響質(zhì)量，參見圖7，圖8，圖9和圖10所演示的小折疊盒的模切過程。在圖8 中，激光輸出頻率很低，10 kHz。激光的每次脈沖，只形成一些模切的點(diǎn)，而不是原圖所期望的連成線。而圖8所示，激光的移動(dòng)沒有針對(duì)圖形進(jìn)行優(yōu)化，切割速度非?？?。而切割速度過快，激光掃描頭的鏡面移動(dòng)無(wú)法與原圖幾何同步，結(jié)果則不精確。本來應(yīng)該是尖角卻變圓了。如您所見，圖中便是簡(jiǎn)易激光模切系統(tǒng)的效果，軟件無(wú)法對(duì)大量的激光頭的移動(dòng)加以適當(dāng)?shù)目刂疲?dāng)切割速度成倍增速時(shí)，這個(gè)問題更嚴(yán)重。請(qǐng)見圖示9。相反當(dāng)激光模切系統(tǒng)能夠與切割速度匹配，激光開啟和關(guān)閉被相應(yīng)地優(yōu)化，質(zhì)量則有很大的改善，如圖10所示。這里激光模切軟件被用來實(shí)現(xiàn)切割的優(yōu)化處理。目前高質(zhì)量的激光模切機(jī)的特征，不僅表現(xiàn)為更好的切割邊緣，而且可以持續(xù)精確控制切割運(yùn)行。例如，早期的激光模切設(shè)備在材料通過系統(tǒng)過程中，無(wú)法補(bǔ)償在工作區(qū)內(nèi)材料的旋轉(zhuǎn)。目前高端系統(tǒng)不僅采用高分辨率的攝像頭，并能將攝像頭信息與軟件整合來控制模切。就是說攝像頭確定所有xy 值，通過與控制軟件相互通訊，激光做出相應(yīng)調(diào)整，如果激光模切設(shè)備沒有將攝像頭的信息整合到控制系統(tǒng)，那么激光模切將很難進(jìn)行修正。目前高水準(zhǔn)激光模切技術(shù)的精髓是將一個(gè)組件 (攝像頭)與另一個(gè)組件(掃描頭)的通訊非常緊密地整合在一起。

圖7 低頻率輸出激光

圖8 未經(jīng)優(yōu)化處理的激光移動(dòng)

圖9 同圖7 一樣，切割速度翻倍

圖10 優(yōu)化過的切割

激光源本身的質(zhì)量也有可能對(duì)切割效果造成影響，如果控制軟件采用更先進(jìn)的算法，更好地實(shí)現(xiàn)小光束激光的精確移動(dòng)，則出色的更小的激光束(210 μm)可以完成較易碎品的切割。高質(zhì)量的激光與高質(zhì)量的控制軟件相結(jié)合可避免生產(chǎn)過熱，因此適合于標(biāo)簽的應(yīng)用。因?yàn)?，過熱會(huì)導(dǎo)致黏性材料融化而粘接到離型紙上，使其在后續(xù)的加工中很難將標(biāo)簽自動(dòng)從離型紙上脫離開。

系統(tǒng)所使用激光燈管類型——開放式或封閉式，也會(huì)影響激光束的控制及切割的效果。盡管開放式采用無(wú)封閉激光，質(zhì)量較有優(yōu)勢(shì)，但卻很少被應(yīng)用。開放式激光有幾個(gè)本質(zhì)性的問題。二氧化碳是激光燈管中常見氣體，混合著一定比例的氦、氮和氫。這些混合氣體的不同比例影響激光功率，而這個(gè)比例取決于開放式燈管的設(shè)計(jì)，開發(fā)燈管設(shè)計(jì)需要經(jīng)常更換二氧化碳?xì)夤?。因此，幾乎無(wú)法維持一致的比例設(shè)置。因?yàn)閺囊粋€(gè)二氧化碳?xì)夤迵Q成另外一個(gè)時(shí)，幾乎每種氣體的比例都是不同的。而這些比例的改變直接影響激光功率和其切割效果。為實(shí)現(xiàn)相同效果的切割質(zhì)量，每當(dāng)更換氣罐時(shí)，操作者都會(huì)因?yàn)檎{(diào)整所累。盡管如此，也難免出現(xiàn)偏差。相反封閉的激光燈管則不會(huì)改變氣體的比例，僅僅在運(yùn)行10 000 h 后做出更換。因此，更有利于模切的控制，并獲得的持續(xù)結(jié)果。

3 切割速度和料卷速度

新一代的激光模切系統(tǒng)之所以速度更快是多種原因的促成。首先是高功率激光的出現(xiàn)，可以承擔(dān)更快的切割速度，比如當(dāng)大多數(shù)使用者都傾向于使用200 W的系統(tǒng)。其次，新一代的高級(jí)激光系統(tǒng)都采用了更復(fù)雜的軟件，可以使每次切割操作精確到萬(wàn)分之一秒。第三點(diǎn)，在材料速度更快的情況下，目前的切割系統(tǒng)可以優(yōu)化切割次序，這也是目前高質(zhì)量的激光系統(tǒng)速度更快的最重要的因素。為了更好地說明軟件對(duì)優(yōu)化材料速度的作用，請(qǐng)見圖11和12所示的美國(guó)地圖。在每一張圖中，藍(lán)線表明激光模切停頓，重新定位并轉(zhuǎn)向下一個(gè)切割。圖11 中是根本就沒有經(jīng)過軟件優(yōu)化處理的切割次序。在這個(gè)未經(jīng)優(yōu)化的切割過程中，激光束的軌跡與最初工作流程或相應(yīng)軟件生成的矢量圖形完全一致。這個(gè)未經(jīng)優(yōu)化的切割過程很慢，以至于材料的速度只能稍稍提前。圖12 中經(jīng)過控制軟件的精確計(jì)算，材料的速度被明顯提高。在其運(yùn)行之前，材料速度的提升就已通過活件的設(shè)置被確定好了。圖13和圖14，顯示了經(jīng)過活件設(shè)置來優(yōu)化材料速度之第二步，這里把一個(gè)單獨(dú)的美國(guó)地圖的圖像分成兩張圖像，分割后的圖像再經(jīng)過優(yōu)化處理，材料速度又被提高了17% 。這個(gè)優(yōu)化處理也是由軟件自動(dòng)完成的。實(shí)際上，軟件系統(tǒng)可以告訴操作者需要將圖片按單一圖像，還是兩個(gè)，4個(gè)圖像，以至于更多圖像去模切會(huì)更好。目前先進(jìn)的激光模切技術(shù)，可很好的將這些多幅的圖像流暢地銜接在一起。在此案例中可以達(dá)到最高材料速度，其他情況下，則可以加工尺寸超過工作面寬度的圖像。

圖11 未經(jīng)優(yōu)化過的切割

圖13 優(yōu)化過的激光模切

圖14 分割圖像

重要的是不要被各種各樣的制造商對(duì)切割速度的說法所迷惑，因?yàn)樵谠S多實(shí)際應(yīng)用中切割速度與實(shí)際材料速度無(wú)關(guān)，而材料速度才是實(shí)際生產(chǎn)中最重要的考量。圖15和圖16 針對(duì)同樣的扇貝邊緣加工，分別是未經(jīng)速度優(yōu)化處理的舊技術(shù)所能完成的效果，以及由新一代高級(jí)的激光模切系統(tǒng)經(jīng)切割次序優(yōu)化并提高了材料速度的加工效果。需要注意的是，標(biāo)示速度(也就是切割速度)在這兩個(gè)案例中都是0.6 s。然而，切割次序未被優(yōu)化的材料速度只有圖16所顯示的經(jīng)次序優(yōu)化的材料速度的9%。

圖14 分割圖像

圖15 模切中沒有優(yōu)化處理

圖16 優(yōu)化模切

圖17 沒有優(yōu)化

圖18 切割速度優(yōu)化處理

圖19 材料速度優(yōu)化處理

圖17、18、19(三排Spartanics 公司LOGO)進(jìn)一步舉例說明沒有優(yōu)化的切割，僅僅優(yōu)化最大切割速度，以及同時(shí)優(yōu)化了材料速度切割之間的對(duì)比。圖17 中沒有做任何切割次序的優(yōu)化，整個(gè)次序只是按照原始的圖形切割。這是最差的情形，也是那些缺乏軟件改善的原始激光模切的典型案例。在這個(gè)例子中，其切割速度只相當(dāng)于如圖18所示的37%，而后者為提高切割速度進(jìn)行了次序的優(yōu)化處理。不久前，這還是激光模切可以達(dá)到的最好情形。然而目前高級(jí)的激光模切系統(tǒng)則能做的更出色，通過全新的算法對(duì)切割次序進(jìn)行調(diào)整，并將材料的速度一并加以考慮。舉例說明，如果材料從右向左移動(dòng)，那么靠近最左面的圖像幾何圖像最先被切割，這也意味著掃描頭的移動(dòng)取決于材料運(yùn)行速度。圖19 顯示，不僅僅優(yōu)化切割速度，切割的次序同樣根據(jù)材料速度而優(yōu)化，由此材料速度被提高到了350%。也就是說，僅僅靠?jī)?yōu)化切割速度，會(huì)導(dǎo)致較慢的材料速度。因此忠告激光模切系統(tǒng)的購(gòu)買者，不要輕信制造商對(duì)切割速度的一些說法，而要關(guān)注于系統(tǒng)軟件在優(yōu)化材料速度方面的能力。在高級(jí)的激光模切系統(tǒng)上，這些材料速度的優(yōu)化是自動(dòng)進(jìn)行的，無(wú)需任何對(duì)操作者的培訓(xùn)。

如今高級(jí)的激光模切設(shè)備運(yùn)用了非常精確的軟件算法，對(duì)材料速度進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)提供了難以置信的工作能力，可以完成長(zhǎng)度超過工作區(qū)一半的活件。過時(shí)的激光模切系統(tǒng)只能優(yōu)化切割速度，而非材料速度，因此，圖像的尺寸只能限于工作區(qū)的一半之內(nèi)。優(yōu)化材料速度的算法還會(huì)將兩個(gè)圖像合并時(shí)所帶來的過度切割及質(zhì)量上的問題減少90%。這一切割在新一代高級(jí)的激光模切設(shè)備上是自動(dòng)處理的，而在過時(shí)的機(jī)型上需要操作者手工完成切割次序再設(shè)置，以避免在原件上出現(xiàn)過量(重復(fù))切割。