資源簡介

(共63張PPT)
3D打印產品后處理
項目六 3D 打印產品的打標
學習目標
1.了解激光打標的原理。
2.了解激光打標系統的組成。
3.掌握激光打標圖形處理軟件基礎知識。
4.掌握激光打標的操作方法。
5.掌握激光打標工藝。
6.能使用打標機完成模型的打標工作。
任務描述
由于 3D 打印工藝逐層堆積的成形原理，使產品在打印過程中受到層厚和壁厚參數的制約，會使圖所示產品上的文字、符號和圖案等細小形狀無法實現打印。而對于這類產品的文字、商標、二維碼等，3D 打印產品采用后續激光打標的方法實現。
產品上的文字、符號和圖案
a）金屬法蘭 b）塑料按鈕
本任務就是為上色完畢的 3D 打印挖掘機模型制作產品商標，并操作打標機，在挖掘機機臂的模型上打標，圖所示為挖掘機機臂打標完成后的效果圖。
挖掘機機臂商標打標
任務描述
一、激光打標概述
1.激光打標原理
激光打標是指以激光束照射被加工零件，使零件表面瞬間發生汽化、熔化、相變等物理或化學變化，從而在零件表面留下文字、圖案刻痕的標記方式。激光打標的原理可以分為以下三類：
（1）通過物質移動打標
用峰值功率相對較高的激光照射零件，加熱后零件汽化或熔化（金屬或非金屬材料），從而切移零件上的部分物質，使零件表面有痕跡感和雕刻效果，如圖所示。適用于齒輪、連桿等金屬零件的深雕加工。
激光打標的原理
（2）通過材料表面色彩變化形成打標圖案
用峰值功率相對較低的激光照射零件，加熱后零件發生相變（金屬材料）或變性（非金屬材料），從而改變零件表面的顏色，如圖所示。適用于不銹鋼等金屬材料的彩色打標以及塑料等非金屬材料的打黑。
激光打標的原理
一、激光打標概述
（3）通過材料層次移動打標
通過移動多層材料中的某一層或幾層材料，從而顯示底層材料的顏色，形成顏色對比度，如圖所示。適用于多層商標標簽的激光標記。
激光打標的原理
一、激光打標概述
2.激光打標機系統的組成
一臺完整的激光打標機應由激光器系統、導光及聚焦系統、運動系統、控制系統、傳感與檢測系統、冷卻與輔助系統六大功能系統組成，其核心為激光器。
（1）打標機激光器系統
目前，激光打標機的激光器波長范圍從紫外激光到中紅外激光都有成熟運用，圖所示給出了適用于打標的激光波長。
適用于打標的激光波長
一、激光打標概述
1）CO2 激光器。其工作波長為10604 nm，廣泛用于在紙張和木材等有機材料上打標，同時也能在印制電路板（PCB 板）和玻璃上打標。如圖所示為 CO2 激光打標機在 PCB 電路板上打標的效果。
CO2 激光打標機在 PCB 電路板上打標的效果
一、激光打標概述
2）光纖激光器。其工作波長為 1 070 nm，適用于在金屬和塑料上打標。使用壽命長，光電效率高，維護需求簡單，使用成本低。如圖所示為光纖激光打標機在玻璃纖維上打標的效果。
光纖激光打標機在玻璃 　　
纖維上打標的效果
一、激光打標概述
3）Nd：YV04 激光器。其工作波長為1064nm，激光峰值功率高，脈沖寬度窄，在高分辨率清晰打標中得到應用。
4）綠光激光器。其工作波長為532nm，適合在塑料、硅材料上清晰打標，還能在金、銀等反光性強的材料上實現高質量打標。
5）紫外激光器。其工作波長為355nm，幾乎適用于所有材料，特別適合在塑料上打標以及在金屬材料上的低熱量打標。綠光激光器和紫外激光器通常是將 Nd：YV04 激光器的輸出借助晶體元件倍頻，將輸出光的波長從1064nm 分別變換為532nm和355nm。
一、激光打標概述
6）Nd：YAG 激光器。常用于大面積和深度雕刻金屬等要求具有較高的激光功率（50 ～ 100 W）的應用場合。
上述每種激光器提供不同的輸出波長，并且具有不同的峰值功率和脈沖寬度等光學性能，要根據所要標記的材料以及用戶對標記的清晰度、字符大小和輸入零件的熱量等要求選用不同的激光器波長。
一、激光打標概述
（2）打標機導光及聚焦系統
振鏡式激光打標機應用最為普遍，下面以它為例介紹激光打標機的導光及聚焦系統。
1）主要光學器件。打開各類振鏡式激光打標機的光具座外罩，除了激光器不同以外， 可以看到聚焦鏡、合束鏡、擴束鏡等光學器件安裝在光具座內部，振鏡和平場透鏡等光學器 件（又稱打標頭）安裝在光具座外部，如圖所示。
打標機導光及聚焦系統
1—對焦紅光　2—振鏡鏡片　3—振鏡 X 軸電動機　4—振鏡 Y 軸電動機　 5—激光器　6—擴束鏡　7—聚焦鏡
一、激光打標概述
2）聚焦方式。按聚焦透鏡的位置不同，光路系統分為前聚焦和后聚焦兩種方式。
①前聚焦方式。在前聚焦方式中，聚焦透鏡安裝在振鏡系統之前，如圖所示。前聚焦方式的光程較長，聚焦后的光斑直徑比較大，但加工范圍較大。
前聚焦光路系統［S 系列及 L 系列（L100）］
1—激光器　2—擴束鏡　3—三維動態聚焦鏡組　4—振鏡系統 5—X 振鏡　6—Y 振鏡　7—工作臺面
一、激光打標概述
②后聚焦方式。在后聚焦方式中，聚焦透鏡安裝在振鏡系統后，是導光及聚焦系統的最后一個器件，如圖所示。
后聚焦光路系統［后聚焦系列（H 系列）］
1—激光器　2—擴束鏡　3—振鏡系統　4—X 振鏡　 5—Y 振鏡　6—聚焦鏡頭　7—工作臺面
一、激光打標概述
（3）打標機運動系統
經過適當組合，激光打標機運動系統可以實現動態聚焦鏡一維在線打標、二維大幅平面打標、三維曲面打標等不同形式的打標。
1）一維在線打標。一維在線打標又稱飛行激光打標，主要適合在各類產品表面或外包 裝物表面進行在線打標。在打標過程中，產品在生產線上不停地按一維方式流動，極大地提高了打標的效率，如圖所示，打標機運動系統與激光器出光點陣的完美配合才能 實現一維在線打標過程。如圖所示為 5×7 的點陣字符“N”和“C”標記實現的過程。
一維在線打標
一維在線字符打標效果
一、激光打標概述
2）二維大幅平面打標
二維大幅平面打標又稱拼接打標，在打標過程中，如果待加工圖形尺寸大于場鏡的加工范圍，可以讓工作臺在打標軟件的控制下實現 XY 二維范圍內的運動，極大地擴展了打標范圍。如圖所示為 XY 二維大幅平面打標系統。
XY 二維大幅平面打標系統
一、激光打標概述
3）三維曲面打標
在非平面打標時需要用到三維曲面打標技術，通常有以下兩種實現方式：
①規則圓柱體旋轉打標。對于規則的圓柱體或圓形零件，可以配置旋轉軸將零件裝夾起來進行旋轉打標，如圖所示。
旋轉打標
一、激光打標概述
②不規則曲面打標。目前，實現不規則曲面打標的理想方案主要是在激光光路輸出端的激光擴束鏡后安裝一個動態聚焦透鏡，實現在圓柱面、球面、斜面和多層零件上打標，如圖所示。
不規則曲面打標實現方案
一、激光打標概述
（4）打標機控制系統
1）主要控制對象。振鏡式激光打標機控制系統的主要控制對象有兩個：一個是激光器，另一個是振鏡系統，如圖所示。
控制系統主要對象
一、激光打標概述
2）控制系統的組成
振鏡式激光打標機控制系統由硬件系統和軟件系統兩部分組成。 硬件系統包括工控機、打標控制卡、振鏡激光電源等器件。其中工控機通過打標控制卡 發出控制指令，激光器、振鏡和激光電源完成控制動作，其核心是工控機和打標控制卡。
一、激光打標概述
（5）打標機傳感與檢測系統
目前，激光打標機傳感與檢測系統使用最廣泛的是打標視覺定位系統。如圖所示的全自動視覺激光打標機由攝像機和光源構成視覺系統，完成零件圖像的采集工作并給激光器等主要器件發出控制指令。
全自動視覺激光打標機
1—主機　2—工作臺　3—自動移動平臺　4—補光器　5—圖像采集器　 6—場鏡　7—振鏡　8—激光器　9—垂直移動手柄　10—顯示器　 11—垂直移動立柱　12—移動平臺基座　13—鼠標和鍵盤　14—冷卻設備（水冷）
一、激光打標概述
（6）打標機冷卻與輔助系統
1）冷卻系統的類型及選型
打標機冷卻方式根據所選用激光器的冷卻方式確認，有水冷和風冷兩種方式，水冷系統一般采用獨立的制冷裝置。
2）煙霧凈化器的類型及選型。與冷卻系統一樣，激光打標機煙霧凈化器一般也采用獨立的凈化裝置。
一、激光打標概述
二、激光打標的分類
1.掩模式打標（投影式打標）
（1）掩模式打標機典型結構
如圖所示為掩模式 CO2 激光打標機光路系統外形結構。光路系統內部結構由激光器、掩模板和成像透鏡等主要器件組成，如圖所示。
掩模式 CO2 激光打標機光路系統外形結構
掩模式打標機光路系統內部結構
1—激光器　2—反射鏡　3—掩模板　4—聚焦鏡　5—工件　6—傳送帶
（2）掩模式打標機工作原理
將打標內容雕刻在掩模板上，激光器發出的脈沖激光經過擴束后均勻地投射在掩模板上，部分激光從掩模板的雕空部分透射。掩模板上的圖形通過透鏡聚焦后成像到零件表面，受激光輻射的零件表面形成可分辨的清晰標記，通常每個脈沖激光形成一個標記。
二、激光打標的分類
2.陣列式打標
（1）陣列式打標機典型結構
陣列式打標機光路系統由工控機、激光電源、7 個陣列射頻 CO2 激光器、光學耦合系統和聚焦透鏡組成，激光束投射到在生產線上運動的零件上，如圖所示。
陣列式打標機典型結構
1—生產線　2—零件　3—聚焦透鏡　4—光學耦合系統 ５—激光器陣列　6—激光電源　7—工控機
二、激光打標的分類
（2）陣列式打標機工作原理
1 ～ 7號射頻CO2激光器豎向排列，在t1時刻，若工控機控制激光電源同時開啟，1 ～ 7號激光器陣列將同時發射7個脈沖激光，在零件表面燒蝕出7個凹坑，構成了豎筆畫7個點，形同“1”字。在t2時刻，若工控機控制激光電源，只讓7號激光器開啟，則只打出最下面的1個點。同理，在t3 ～t5時刻都只讓7號激光器開啟，可以看出，在1～16s時間范圍內形成了一個7×5 陣列的“L”形圖案，如圖所示。
陣列式打標機
工作原理
二、激光打標的分類
3.掃描式打標
（1）掃描式打標機典型結構
掃描機構有機械掃描式和振鏡掃描式兩種形式。
1）機械掃描式。機械掃描式打標機的光路系統主要由激光器、反射鏡 A、反射鏡 B 和聚焦透鏡構成，如圖所示。
機械掃描式打標原理
1—激光器　2—反射鏡 A　3—反射鏡 B 4—聚焦透鏡　5—筆臂
二、激光打標的分類
2）振鏡掃描式。振鏡掃描式打標機的光路系統主要由激光器、X 振鏡、Y 振鏡、平場聚焦透鏡構成，如圖所示。
振鏡掃描式打標原理
1—零件　2—平場聚焦透鏡　3—Y 振鏡　4—X 振鏡　5—半反射鏡 6—燈　7—全反射鏡　8—工作物質
二、激光打標的分類
（2）掃描式打標機工作原理
掃描式打標機是將需要打標的圖案輸入工控機，工控機控制激光器開啟和掃描機構運動，使激光在零件表面掃描形成打標圖案。
二、激光打標的分類
三、激光打標工藝流程
1.激光打標圖形的處理
激光打標是指利用打標的圖形控制激光束運動以去除零件表面的材料，從而在其表面加工出需要的圖形。按照圖形格式的不同，可分為位圖打標和矢量圖打標，位圖打標是在一個個像素點上控制激光的功率、停留時間等以顯示出標記；矢量圖打標是在連續路徑上控制激光的參數、走線速度。
（1）激光打標圖形處理流程
1）大部分激光打標軟件可以直接處理簡單的圖形和文字，其基本流程如圖所示。
激光打標圖形處理基本流程
三、激光打標工藝流程
2）有幾何尺寸要求、比較復雜的工程類圖形建議在 AutoCAD 軟件中進行處理。
3）不規則復雜文字和圖形，尤其是動物圖標和藝術字建議在CorelDraw 軟件中進行處理。
三、激光打標工藝流程
（2）矢量圖
1）失量圖的定義。矢量圖是指用矢量方式來記錄圖像的線條和色塊，如圖所示。
矢量圖和位圖
a）矢量圖　b）位圖
三、激光打標工藝流程
2）矢量圖的特點
①文件所占內存容量較小。
②進行放大、縮小或旋轉等操作時不會失真，與分辨率無關，如圖所示。
③圖像色調簡單，色彩變化不多，所繪制的圖形不太逼真，主要用來表示圖標等簡單、 直接的圖像。
④不容易在不同軟件間交換文件，矢量圖無法通過掃描直接獲得，需要依靠繪圖軟件。
矢量圖和位圖放大效果
a)矢量圖放大效果　
三、激光打標工藝流程
（3）矢量圖的主要類型
矢量圖的文件類型很多，主要有 *.ai、*.eps、*.svg、*.dwg、 *.cdr 等。常用的繪制矢量圖的軟件有 Adobe Illustrator、AutoCAD、CorelDRAW、 FreeHand、Flash 等。
三、激光打標工藝流程
（3）位圖
1）位圖的定義
位圖是由像素點組成的圖像，又稱點陣圖像，如圖所示。
矢量圖和位圖
b）位圖
三、激光打標工藝流程
2）位圖的特點
①文件所占內存容量較大。
②進行放大、縮小或旋轉等操作時會失真，與分辨率有關，如圖所示。
③圖像色調豐富，色彩變化多，繪制的圖形不夠逼真。
④容易在不同軟件間交換文件，可直接掃描獲得。
矢量圖和位圖放大效果
b）位圖放大效果
三、激光打標工藝流程
2.激光打標軟件
激光打標機上使用的軟件由各主流廠商自主開發，主要有EzCad和SAMLight軟件。各種激光打標軟件都具有以下幾個功能：
（1）激光器控制功能，如支持Nd：YAG、CO2、光纖（IPG、SPI）等各類激光器控制功能。
（2）振鏡畸變校正補償功能。
（3）文字、圖案處理功能，如文字編輯、繪圖、描圖、位圖與矢量圖轉化等功能。
（4）擴展功能，如二維碼、條形碼、旋轉文本和飛行文本等打標功能。
（5）紅光預覽功能。
三、激光打標工藝流程
3.激光打標機基本操作
（1）激光打標機的結構
目前市場上主要流行的打標機是 30W射頻CO2激光打標機，這款打標機結構簡單，操作方便，功能齊全。機架式30W射頻CO2激光打標機的結構如圖所示。
機架式 30 W 射頻 CO2 激光打標機的結構
1—工作臺　2—冷水機　3—打標頭　4—激光器　5—機架　6—顯示器　7—工控機
三、激光打標工藝流程
（2）激光打標機的操作流程
1）打標機開機及關機
①開機及關機的一般原則
a.先檢查設備的線路連接情況和設備各部件是否處于正常的關機狀態。
b.先開強電，后開弱電。
c.先開冷卻系統，再開激光電源、Q 開關、振鏡電源。
d.先開的后關，后開的先關。
三、激光打標工藝流程
②開機及關機的注意事項
a.錯誤開機和關機容易導致安全事故。
b.嚴格按照操作規程操作。
c.掌握突發的緊急情況處理方法。
d.注意總結不同設備開機及關機的區別。
三、激光打標工藝流程
2）打標的定位
定位的原則如下：簡單、快捷、準確；先粗定位，再準確定位。打標前，根據機器和零件的實際情況、加工批量等綜合因素選擇合適的定位方法。
①規則零件的定位方法
a.設備有紅光指示時，規則零件（如圓形、方形零件等）的尺寸在打標幅面范圍之內時，利用紅光進行粗定位或利用零件外形進行定位。
b.設備有紅光指示時，規則零件的尺寸在打標幅面范圍之外時，利用紅光進行粗定位，再通過測量進行精確定位。
三、激光打標工藝流程
2）打標的定位
①規則零件的定位方法
c.設備無紅光指示時，規則零件的尺寸在打標幅面范圍之內時，利用外形定位。
d.設備無紅光指示時，規則零件的尺寸在打標幅面范圍之外時，通過在零件上定中心、畫輔助線平移或貼紙片等方法輔助定位。
e.對于接近規則外形的零件，定位時按相近的規則零件考慮定位方法。
三、激光打標工藝流程
②不規則零件的定位方法
a.零件批量小時，采用簡單的定位塊進行定位，具體定位方法如下：有紅光時，用紅光定位，再貼紙片等輔助精確定位；無紅光時，直接貼紙片試打標，再通過測量定位。
b.零件批量大時，設計專用或通用的工藝裝備進行定位。
三、激光打標工藝流程
3）調整焦距
在焦點處激光能量最強，光斑最小。焦點的確認方法如下：
①利用焦點處光斑最小的特點來判定，在有機玻璃或紙片上進行打標，上下移動工作臺，看激光束的粗細，激光束最細的地方就是焦點。注意：測試焦點時激光能量一定要合適，不能太大也不能太小。
②測量零件表面到鏡頭邊緣的距離，用有機玻璃制作焦距尺進行測量。
三、激光打標工藝流程
4）打標機參數的設置
①填充密度。一般填充間距為 1 ～ 1.5 mm，根據打標需要和材料不同來設定，一般來說，固體打標時填充要密一些，氣體打標時可以填充稀一點。填充角度一般為 0°～ 90°。
②激光打標速度（或有效矢量步長）。打標速度快，則打標深度小，打標時間短；打標速度慢，則打標深度大，打標時間長。
三、激光打標工藝流程
③電流（功率）。電流（功率）大，激光打標深度大，對打標時間無影響；電流（功率）小，激光打標深度小，對打標時間無影響。
④頻率和 Q 開關釋放時間。頻率越高，打標點越致密，打標越精細，但打標深度較淺，對打標時間無影響；頻率越低，打標點越稀疏，打標越粗糙，但打標深度較大，對打標時間無影響。
⑤焦距、焦點位置的影響。經過聚焦的激光束應使零件標記表面位于聚焦深度范圍內（1 ～ 2mm 之間）。
三、激光打標工藝流程
4.防止激光輻射的泄漏
YAG系列激光打標機采用封閉的激光光路，可以有效地防止激光輻射的泄漏。激光器正常工作期間，打標機內部不得增設任何零件和物品。不得在打開密封罩的狀態下使用本標記系統。
三、激光打標工藝流程
5.激光打標機安全操作規范
（1）設備不工作時不能接通電源。
（2）更換激光器的氪燈時一定要切斷激光打標機的電源。
（3）更換激光器的氪燈時其正、負極不要裝反，球頭形狀的一端是正極，尖頭形狀的一端是負極。正極與激光電源的紅色接線端相連接，負極與激光電源的黑色接線端相連接。
（4）禁止將激光電源輸出端引線短路或接地。
（5）電源的保護地線要有良好的外部接地設施。
三、激光打標工藝流程
5.激光打標機安全操作規范
（6）電氣設備操作人員須熟悉打標機的性能和操作方法。
（7）盡可能單手操作電氣設備，以防止在人體上構成回路。
（8）機器周圍禁止堆放雜物。
（9）不得把易燃材料放置到光路上或激光束有可能照射到的地方。
三、激光打標工藝流程
任務實施
一、任務準備
對上色完成的挖掘機機臂（見圖）進行打標。
3D 打印挖掘機機臂
根據任務要求提前準備相應的工具、材料、設備和勞動保護用品等，見表。
工具、材料、設備和勞動保護用品清單
任務實施
任務實施
二、制定挖掘機機臂打標工藝
激光打標的工藝流程如下：模型準備→商標準備→設備準備→打標參數設置→焦距設置 和定位→打標→檢查。3D 打印挖掘機機臂打標完成效果如圖所示。
3D 打印挖掘機機臂打標完成效果
任務實施
三、挖掘機機臂商標打標
穿戴好個人防護用品，按照所列操作步驟完成挖掘機機臂商標打標操作。操作時需注意個人防護和環境保護，按照操作規范進行作業。
1.模型準備
準備好已經上色完成的挖掘機機臂，對表面進行清潔，確保打標部位上色沒有缺陷。
2.商標準備
利用 EzCad 軟件設計商標圖形，總尺寸為 90 mm×20 mm。
任務實施
3.設備準備
啟動設備電源，接通激光器電源，打開計算機，啟動打標軟件。
任務實施
4.打標參數設置
設置填充參數：填充間距為1mm，角度為 45°；標刻參數的頻率設置為 20Hz，功率為60 ～ 80W。
任務實施
5.焦距設置和定位
先將挖掘機機臂固定 在工作平臺上，確保打標部位水平；接著進行打標對焦，開啟對焦紅光按鈕，機臂上面會出現正方形方框和紅色焦點，移動工作平臺和 Z 軸升降開關，調整打標位置和焦距。
任務實施
6.打標
位置和焦距調整好后，開始打標。
任務實施
7.檢查
檢查商標表面質量，做好設備和場地清潔工作。
任務實施
任務實施
四、質量檢驗
對挖掘機機臂商標打標質量和安全文明生產情況進行檢驗，并記錄在表中。
挖掘機機臂商標打標質量檢驗表
任務測評
按表所列的評分標準進行測評，并做好記錄。
實訓評分標準

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