根據(jù)IOP激光技術(shù)手冊，1999年，全球各行各業(yè)使用了大約22,000臺(tái)激光打標(biāo)機(jī)。Hexa Research預(yù)計(jì)，到2024年，整個(gè)激光市場將達(dá)到30億美元。似乎在幾年內(nèi)，所有需要標(biāo)記的東西都將用激光標(biāo)記，包括水果和蔬菜，當(dāng)然還有電線和電纜。

本文介紹了航空航天工業(yè)電線電纜紫外激光打標(biāo)的基本原理及其對(duì)其他市場的適用性。

使用紫外（UV）激光器在電線和電纜上直接印刷已在航空航天工業(yè)中得到了OEM和最終用戶的廣泛測試和接受。它由SAE International（http://www.sae.org/ AIR5558，AIR5468B，AS5649）發(fā)布的幾份文件和標(biāo)準(zhǔn)所涵蓋，并反映在商業(yè)，工業(yè)和軍事用途的大型和小型框架飛機(jī)的生產(chǎn)規(guī)范中。OEM名單包括波音，空中客車，洛克希德馬丁，西科斯基，灣流，龐巴迪，皮拉圖斯等。它也被國防部，美國宇航局，美國聯(lián)邦航空局等政府機(jī)構(gòu)使用。最終用戶在定期維護(hù)和維修程序中使用紫外激光打標(biāo)機(jī)。

紫外激光器在基板表面留下永久不可磨滅的高分辨率標(biāo)記。要了解這種現(xiàn)象，我們必須考慮激光束如何與材料相互作用。例如，光束可以從表面完全反射，作為來自鏡子的太陽光線，或者作為穿過透明玻璃窗的太陽光線傳播而不受影響。在這些情況下，表面上不會(huì)留下任何痕跡。要標(biāo)記材料，必須直接在材料表面或附近吸收至少一部分激光輻射。

根據(jù)激光和材料特性，有幾種可能的情況（圖1）：

被輻照的材料蒸發(fā)，在表面上留下相對(duì)鋒利的邊界溝。

被輻照的材料從內(nèi)向外融化和溢出，在平原中間形成丘陵和山谷。

被輻照的材料加熱并產(chǎn)生與大氣氧反應(yīng)的氣態(tài)成分，在表面上沉積燃燒產(chǎn)物（如煙灰）。

顏色變化。材料會(huì)改變顏色，而不會(huì)發(fā)生任何其他可見的表面修改。

以上所有。

圖例.1. 激光-表面相互作用

燒蝕是改變表面的最干凈的方法，但由于受影響的區(qū)域不會(huì)改變顏色，因此標(biāo)記對(duì)比度較低。更深、更寬的標(biāo)記可以提高易讀性，但會(huì)降低材料完整性，這對(duì)于航空航天應(yīng)用來說顯然是不可接受的。一種可能性是應(yīng)用額外的電線日照層，然后選擇性地將其去除，露出不同顏色的底漆，但這看起來也不是很實(shí)用。

熔化和燃燒打標(biāo)工藝存在長期耐久性問題，因?yàn)槿刍牟牧虾蜔龎牡某练e物可能無法很好地粘附在未受影響的區(qū)域。這類似于 21圣世紀(jì)燙印技術(shù)。當(dāng)然，這個(gè)版本更先進(jìn)，更靈活，更精確，但它仍然是熱沖壓，有其所有眾所周知的缺陷。

在不改變材料性能、提供足夠的對(duì)比度、良好的耐久性和長期穩(wěn)定性的條件下，換色可以是一種極好的解決方案。航空航天電線電纜的紫外激光打標(biāo)滿足了所有這些要求。

圖2顯示了使用三星科技M-100L-FG電線打標(biāo)系統(tǒng)加工的ETFE和PTFE絕緣電線。輪廓分明、清晰可辨的打印件即使在長時(shí)間加速熱老化后也能保持完整。

圖2. ETFE（頂部）和PTFE（底部）電線上的紫外激光打標(biāo)

標(biāo)記橫截面（圖3）確認(rèn)變暗區(qū)在表面下延伸10-20um，確保在不物理破壞絕緣層頂層的情況下無法改變或去除標(biāo)記。

圖例.3. BMS13-48T10C01G022（左）和BMS13-60T44C01G022（右）的標(biāo)記導(dǎo)線橫截面

問題是淺色聚合物表面如何在激光照射下變暗而不燃燒或熔化。答案是稱為二氧化鈦（TiO2）的神奇物質(zhì)。幸運(yùn)的是，這是一種常用的顏料，電線制造商用它來使絕緣看起來是白色或其他淺色，如灰色，藍(lán)色，綠色，黃色，粉紅色等。

3.1電子伏特左右的光學(xué)帶隙占TiO2對(duì)波長短于 380 納米的紫外線輻射的強(qiáng)烈吸收。用紫外激光照射永久改變TiO2的顆粒從白色到藍(lán)色/黑色。當(dāng)這些顆粒嵌入基板時(shí)，也會(huì)發(fā)生同樣的效果。理想情況下，激光輻射不與基材發(fā)生反應(yīng)，而是自由通過基材表面。相比之下，基板內(nèi)的顏料顆粒與激光束相互作用，激光束改變顆粒的結(jié)構(gòu)和外觀，包括顏色。例如，薄的PTFE薄膜對(duì)紫外光幾乎是透明的，而小（~0.3u）TiO2隨機(jī)分布在絕緣層中的顆粒強(qiáng)烈吸收光并改變顏色。

圖4說明了空間和時(shí)間的過程。入射激光束自由穿透第一層材料層，在與原始白色TiO2顆粒相互作用時(shí)損失其總能量的一小部分（例如，1%），將它們變成黑色。同樣的事情發(fā)生在第二層，依此類推，直到大部分激光脈沖能量在頂部50-100層內(nèi)被吸收。實(shí)際上，該過程在時(shí)間和空間上都非常有限，因?yàn)榭偯}沖持續(xù)時(shí)間通常低于30ns，標(biāo)記深度不超過50um左右。

圖例.4. 紫外激光束通過摻有TiO2粒子的透明介質(zhì)的路徑示意圖

短納秒激光脈沖可防止添加劑與周圍材料之間的定期熱交換，從而限制了對(duì)顏料顆粒本身的任何結(jié)構(gòu)和/或化學(xué)改性。顯然，這個(gè)標(biāo)記不容易去除，因?yàn)樗拇蟛糠址植荚陧攲樱皇窃诒砻嫔稀?/p>

強(qiáng)烈的紫外線照射下TiO2顆粒物究竟發(fā)生了什么的問題，不在本篇文章的討論范圍之內(nèi)，但由此產(chǎn)生的顏色變化是不可逆的。例如，長期穩(wěn)定性的紫外激光打標(biāo)的TiO2摻雜的ETFE層于1990年在麥克唐納道格拉斯研究實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了研究。標(biāo)記在兩次熱老化期間都幾乎沒有變化（229℃為770小時(shí)）或模擬太陽輻射（相當(dāng)于亞利桑那州沙漠中17年的紫外線照射）。

標(biāo)記對(duì)比度與TiO2濃度成正比;但是，過量可能會(huì)損壞絕緣層。通常2-4%足以實(shí)現(xiàn)良好的對(duì)比度。表1列出了在航空航天工業(yè)中常用的電線結(jié)構(gòu)上通過直接紫外激光打印可以實(shí)現(xiàn)的典型對(duì)比度水平。

表 1.紫外激光打標(biāo)電線電纜

其他電線類型也可以標(biāo)記，只要它們含有魔術(shù)顏料。擁有TiO2的護(hù)套的最外層是上述標(biāo)記技術(shù)的主要限制。在大多數(shù)應(yīng)用中，TiO2用作白色著色劑，在紫外激光照射下會(huì)變黑。因此，只有淺色電線才能清晰地印跡。

其余的導(dǎo)線也可以通過圖1中描述的不同機(jī)制用激光標(biāo)記。然而，這些標(biāo)記很可能不符合嚴(yán)格的航空航天標(biāo)準(zhǔn)，除非我們找到另一種神奇的顏料，例如，在綠色激光曝光時(shí)從黑色變成白色。

審核編輯 ：李倩