激光打标技术在互联网 %2B 制造业中的创新应用研究.pdf

153 Vol.40,No.1January,2024第 40 卷第 1 期2024 年 1 月IT REPORT0 引言随着个性化定制和柔性化生产的需求日益增长，激光打标技术凭借其快速、精确、可靠的标记能力，在制造业中得到了广泛应用。据统计，2022 年，全球工业激光系统市场规模达到 267.2 亿美元，同比增长 22.6%。其中，激光打标机市场规模已超过 28.73 亿元美元。在互联网+的智能制造模式下，这一技术的应用前景更加广阔。1 激光打标技术概述1.1 技术原理激光打标技术的基本原理是使用高能量密度的激光束对材料表面进行局部照射，使表层材料在极短时间内吸收激光能量而迅速升温甚至气化，从而在材料表面产生永久性的物理或化学变化，形成清晰可辨的标记图案，图 1 为深色激光标记。在激光打标过程中，激光器发生器首先产生单色性强、方向性好的激光束，该激光束经聚光系统聚焦后，光束功激光打标技术在互联网+制造业中的创新应用研究李琳（深圳市启扬光学科技有限公司，广东深圳518103）摘要：激光打标技术作为一种先进的加工技术，在制造业中得到广泛应用。本文以激光打标技术在互联网+制造业中的创新应用为切入点，首先介绍了该技术的工作原理、实现方式和技术优势，然后重点分析了该技术在互联网+制造业模式下的个性化定制、智能化生产、防伪溯源和灵活化生产等创新应用，最后提出了进一步提升激光打标技术自动化水平、扩大功率和引入新技术的对策建议，旨在推动该技术在互联网+制造业中的技术创新与应用升级。关键词：激光打标技术；互联网+制造业；智能制造中图分类号：TN249文献标志码：A文章编号：1672-4739（2024）01-0153-03Research on Innovative Application of Laser Marking Technology in Internet plus Manufacturing IndustryLI Lin（Shenzhen Qiyang Optical Technology Co.,Ltd.,Shenzhen 518103,China）Abstract：Laser marking technology,as an advanced processing technology,has been widely used in the manufacturing industry.This paper takes the innovative application of laser marking technology in Internet plus manufacturing industry as the starting point.First,it introduces the working principle,implementation method and technical advantages of the technology.Then it focuses on the analysis of the innovative applications of the technology in the Internet plus manufacturing model,such as personalized customization,intelligent production,anti-counterfeiting traceability and flexible production.Finally,it proposes to further improve the automation level of laser marking technology Countermeasures and suggestions for expanding power and introducing new technologies are aimed at promoting technological innovation and application upgrading of this technology in Internet plus manufacturing industry.Keywords：laser marking technology；Internet plus manufacturing；intelligent manufacturing率密度和能量密度大大增强，当聚焦光束照射到材料表面时，会在很小的区域内瞬间达到极高的温度，远超过材料的熔点或沸点。根据不同材料的性质，在这种高温作用下，表层材料会出现气化、炭化、熔化、氧化等物理化学变化，并形成坑穴、裂纹或颜色变深等可视效果，从而实现永久性的标记1。激光打标生成图案的机理主要有以下几种：1）热处理机理 激光使材料表面快速升温并熔化或气化，通过控制激光的参数改变表面形貌以生成图案。这种机理主要用于金属；2）氧化反应 激光使材料表面迅速氧化，收稿日期：2023-12-04作者简介：李琳（1991.01-），女，汉族，广东深圳人，中级工程师，博士，研究方向：激光相关的光学精密器件和设备。图1 深色激光标记 154 Vol.40,No.1January,2024第 40 卷第 1 期2024 年 1 月IT REPORT形成颜色变深的氧化层，从而生成标记图案。这种机理多用于金属、陶瓷等材料；3）光化学反应 激光直接破坏或形成材料表面分子键，引起化学变化和颜色改变，适用于各种有机和无机材料；4）冷艳光机理 激光激发材料表面的发光体，在不破坏基体的情况下实现富于层次的标记效果；5）射频作用 射频能量激发非线性效应产生等离子体，实现无接触微纳加工。1.2 技术流程激光打标技术的基本流程可以分为信息输入、激光生成、光路传输、扫描聚焦和标记形成几个步骤。信息输入，需要输入要标记的文本、图形等信息内容，一般通过计算机辅助设计软件完成信息设计，并转换为数字控制信号。随后激光器根据控制信号发出激光束。常用的激光器有 CO2激光器、半导体激光器、钕掺杂钇铝石榴石(Nd：YAG)激光器等2。生成的激光经过光学系统处理后进入光路系统。光路系统将激光导向目标材料表面。其中，X 向和 Y向的光路偏转系统使激光可以在材料表面上产生扫描运动，一般采用机械式或镜面反射式扫描器。同时，需要通过聚焦透镜将激光聚焦在材料表面，以增加激光的功率密度。在材料表面，高聚焦的激光光束瞬间使表面材料出现汽化或改变化学性质。当激光束按照控制的路径扫描时，就在材料表面“绘制”出了所需的标记图案，实现了激光打标。整个激光打标技术流程高度自动化和精确，计算机数控系统的引入大大提高了光路扫描的精密度。同时，先进的图像处理技术使激光可以直接根据数字图形模型进行标刻，无须中间转换过程。这使激光打标实现从“点、线、面”到任意“三维物体”的标记成为可能。1.3 各种激光器比较激光打标技术中所采用的激光器种类繁多，不同种类的激光器各具特点，为不同的激光打标应用提供了选择表1 为几种常见激光器的特性。表 1 几种常见激光器的特性激光器类型激光波长 光子能量优势劣势CO2激光器10.6m较低非金属材料效果好金属材料效果差Nd：YAG 激光器1.06m较高金属材料效果好，光斑小非金属材料损伤大准分子激光器紫外很高几乎不损伤材料，高精度装置复杂，应用少CO2激光器波长为 10.6m，处于中红外波段，能量较低，对非金属材料的吸收效果良好，可用于玻璃、陶瓷、塑料、皮革等材料的打标。其缺点是对金属材料的吸收效果较差。Nd：YAG 激光器波长为 1.06m，处于近红外波段，光子能量较高，金属对其吸收性能良好，可进行高清晰度打标。另外其聚焦光斑小，有利于提高加工精度。但热影响较大，对非金属材料易造成损伤。准分子激光器发出紫外波长光，能量高且仅吸收材料近表面，几乎不损伤材料本体，特别适合高精度打标。其短波长的光子能量大，可激发特定化学键实现选择性激光化学加工。但装置复杂，目前应用较少。2 激光打标技术在互联网+制造业中应用的特点与优势2.1 高精度激光打标可以实现很高的加工精度，主要原因有两个方面：首先，激光本身是高度聚焦的光束，光斑可以做到0.01mm 以内，这决定了它可以进行高精度的微加工；其次，激光打标是一种数字化控制的过程，通过计算机编程可以精确控制激光的输出参数和路径，不会出现传统机械加工中因人为误差或机械磨损导致的偏差3。实际应用中，激光打标的加工精度可以达到 0.001mm 级别，完全满足微型电子设备等领域对高精度的要求。2.2 高速度与传统机械加工相比，激光打标的加工速度非常高，一般能达到几米每秒的级别。这是因为激光本身以光速传播，响应速度非常快；另外，数字化控制也使得标刻过程可以连续进行，无需暂停。高速度是激光打标的一大优势，可以大幅提高加工效率。具体而言，喷射式激光打标的加工速度可以达到每秒 2-3 米；而且随着激光功率的增加，加工速度还具有进一步提升的潜力。2.3 良好的防伪性能激光打标工艺可以在产品表面生成难以仿制的微观标记，如二维码、防伪标签等。这些标记带有独特的随机信息，使得产品可以得到有效防伪。与传统的人工标刻相比，激光微标技术使假冒更加困难。此外，某些波长的激光标记只在特定波长激光照射下才可见，进一步增强了防伪功能。因此，激光微打标是实现产品防伪溯源的有效手段。2.4 强大的适应性激光打标技术可以适用于金属、塑料、陶瓷、纸张等各类材料的加工。不同材料只需要选择匹配的激光波长和参数组合。此外，激光打标不需要固定材料，可以在线对移动物体进行标刻。这种强大的适应性使其可以服务于多种工业领域，标刻对象几乎无所不能。未来随着新激光器的出现，适用范围还将不断扩大。3 激光打标技术在互联网+制造业中的创新应用3.1 个性化定制互联网+时代，消费者的个性化定制需求日益增长。激光打标技术凭借其精细、快速、灵活的特点，能够有效满足个性化产品的生产要求。相较于传统的批量生产模式，个性化定制强调小批量多品种。激光打标无需进行模板或设备改造，通过输入计算机中不同的设计图案，即可在产品表面打上个性标识或信息，实现快速切换。其灵活性远超过丝网印刷等传统方法。同时，激光打标的加工精度高、效率快，能适应个性化生产的高频率小批量要求，有利于企业实现个性化定制业务，提供个性化产品和服务。此外，基于互联网平台的个性化定制模式中，消费者可以参与产品设计，提出个性化要求。企业需要及时更新打标内容以满足这一需求。3.2 智能化生产应用 155 Vol.40,No.1January,2024第 40 卷第 1 期2024 年 1 月IT REPORT互联网+制造业的发展推动了智能制造的进一步演进，激光打标技术凭借其灵活性和可控性，在智能制造中的应用前景广阔。激光打标技术可以与各类自动化设备和传感器等进行信息交互和控制协调，实现打标过程的智能化控制，大大提高生产效率。具体来说，激光打标技术可以与自动输送系统、机器视觉系统、AES 自动质量检测系统等进行连接，构建整体的智能化生产线。自动输送系统可以将待加工产品准确无误地输送到激光打标机位置；机器视觉系统可以对产品进行图像识别，指导激光打标机进行适应性打标；AES系统可以对产品质量异常快速检测，进而控制激光打标机暂停工作。通过信息交互和协同控制，可以智能判断产品参数和质量，对打标内容、位置等进行实时调整，保证输出产品的个性化定制和质量稳定4。此外，借助云计算和大数据分析，可以收集和处理大量产品数据，建立数据模型，实现打标优化和决策的智能化。云平台可以收集产品设计数据、客户定制数据、生产过程数据、质检数据等，经过深度学习分析，预测最佳的打标参数和路径。3.3 防伪溯源应用在互联网+时代，个性化定制和消费者对产品真伪辨识的需求日益增长，这为激光打标技术的防伪溯源应用提供了广阔空间。激光打标凭借精细、防伪性强等优势，可生成难以复制的防伪标识，用于产品的唯一标识。激光打标制作的二维码可实现产品生产信息的动态化，包含产品序列号、生产日期、生产商等信息，通过扫码快速读取，实现产品全生命周期的可追溯。与传统印刷防伪标签相比，激光打标制作的防伪标识难以复制、替换，有效防止假冒产品流入市场。在互联网+环境下，防伪溯源信息可上传云端数据库，实现数据的集中存储与管理，消费者可随时通过互联网查询产品的真伪及溯源信息。区块链技术也可与激光打标防伪系统结合，进一步提升溯源数据的透明度和可追溯性。3.4 灵活化生产应用互联网+制造业模式下，企业面临着日益增长的个性化定制需求和更加灵活化的生产方式。激光打标技术凭借其独特的技术优势，为企业实现快速响应和柔性制造提供了有力支撑。首先，激光打标是一种数字化的、非接触式的技术，它通过计算机编程控制来实现标识和编码。相比传统的机械印刷，激光打标技术可以实现全程数字化管理，大大提高生产的灵活性。操作人员可以随时调用不同的图案来进行标识，无需更换模具或工装，缩短了产品切换时间。其次，激光打标机具有构型紧凑的特点，易于搬运和安装。它可以直接集成到生产线上，也可以作为独立的后道工序设备使用。生产企业可以根据实际需要选择安置位置，实现打标工序的高度灵活化。此外，与喷墨、热转印等传统标识技术相比，激光打标无需额外的耗材和消耗品。它可以直接在产品表面生成永久性的标识，避免了频繁更换易耗标牌的麻烦，降低了生产成本。这也令其非常适合柔性化的小批量生产。最后，激光打标技术可以直接对成型后、涂装后甚至包装后的产品进行非接触式标识。4 激光打标技术发展面临的问题与对策4.1 激光打标技术发展面临的问题激光打标技术发展面临的问题主要体现在：一是自动化水平有待提高，当前许多激光打标设备仍需要人工参与，无法实现真正的无人值守生产，这限制了激光打标技术在智能制造中的应用。二是功率有待扩大，现有设备的激光输出功率较低，导致打标速度慢，无法满足高效生产的需要。三是新技术有待引入，现有激光打标机普遍缺乏与传感技术、人工智能等前沿技术的有效结合，无法实现打标的智能化。四是运行维护专业人员匮乏，由于该技术对操作人员专业要求较高，而现阶段相关领域的人才培养跟不上需求，造成人才短缺5。4.2 激光打标技术发展的对策为推动激光打标技术的发展，需要从以下几个方面进行对策。首先，应提高自动化水平，通过与工业机器人、传送系统的集成，建立自动化的装配线，实现工件的自动上下料，使整个打标过程实现无人值守。其次，需要采用高功率半导体激光、光纤激光等技术，提高激光器功率，使用高重复频率的激光脉冲，以提高打标速度。再者，要结合计算机技术、传感技术、人工智能等，实现打标机的智能控制和优化，使其具有自主学习和判断能力。同时，还需加强光电、机电、计算机等专业人才的培养力度，建立专业的技术团队，以保证设备的正常运行。最后，通过不断改进光学系统、扫描系统等提高设备性能，并推广应用紫外激光、飞秒激光等新型激光打标技术，使该技术向更精密、更精细的方向发展，以提升打标质量。5 结束语综上所述，激光打标技术作为一种先进的加工技术，具有高精度、高速度、良好防伪性能等显著优势，在互联网+的制造业模式中得到广泛应用。它实现了个性化定制、智能化生产、防伪溯源、灵活化生产等创新功能，推动了制造业的发展。但是，自动化水平有待提高，功率有待扩大，新技术有待引入等问题还需进一步解决。我们应该继续研发新技术，构建智能系统，实现与互联网深度融合，以进一步提升激光打标技术在互联网+制造业中的应用水平和效果。参考文献：1 罗俊,廖伯勋.激光打标算法优化设计J.广东石油化工学院学报,2023,33(04):62-64.2 陈淑花,袁博.基于机器视觉的智能激光标刻与追溯系统研究C/湖北省机电工程学会.2022 机电创新与产教融合新思考论文集.武汉城市职业学院,2022:6.3沈明,曲云龙,齐石等.激光打标技术在汽车焊装生产线上的应用J.汽车工艺与材料,2021,(05):29-34.4WEGE D.激光打标系统提高小批量生产质量J.现代制造,2020,(09):32.5李勇,程潇潇.大幅面 CO_2 激光打标机 f-透镜的设计J.轻工科技,2018,34(12):53-54.