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3D打印产品后处理
项目六 3D 打印产品的打标
学习目标
1.了解激光打标的原理。
2.了解激光打标系统的组成。
3.掌握激光打标图形处理软件基础知识。
4.掌握激光打标的操作方法。
5.掌握激光打标工艺。
6.能使用打标机完成模型的打标工作。
任务描述
由于 3D 打印工艺逐层堆积的成形原理，使产品在打印过程中受到层厚和壁厚参数的制约，会使图所示产品上的文字、符号和图案等细小形状无法实现打印。而对于这类产品的文字、商标、二维码等，3D 打印产品采用后续激光打标的方法实现。
产品上的文字、符号和图案
a）金属法兰 b）塑料按钮
本任务就是为上色完毕的 3D 打印挖掘机模型制作产品商标，并操作打标机，在挖掘机机臂的模型上打标，图所示为挖掘机机臂打标完成后的效果图。
挖掘机机臂商标打标
任务描述
一、激光打标概述
1.激光打标原理
激光打标是指以激光束照射被加工零件，使零件表面瞬间发生汽化、熔化、相变等物理或化学变化，从而在零件表面留下文字、图案刻痕的标记方式。激光打标的原理可以分为以下三类：
（1）通过物质移动打标
用峰值功率相对较高的激光照射零件，加热后零件汽化或熔化（金属或非金属材料），从而切移零件上的部分物质，使零件表面有痕迹感和雕刻效果，如图所示。适用于齿轮、连杆等金属零件的深雕加工。
激光打标的原理
（2）通过材料表面色彩变化形成打标图案
用峰值功率相对较低的激光照射零件，加热后零件发生相变（金属材料）或变性（非金属材料），从而改变零件表面的颜色，如图所示。适用于不锈钢等金属材料的彩色打标以及塑料等非金属材料的打黑。
激光打标的原理
一、激光打标概述
（3）通过材料层次移动打标
通过移动多层材料中的某一层或几层材料，从而显示底层材料的颜色，形成颜色对比度，如图所示。适用于多层商标标签的激光标记。
激光打标的原理
一、激光打标概述
2.激光打标机系统的组成
一台完整的激光打标机应由激光器系统、导光及聚焦系统、运动系统、控制系统、传感与检测系统、冷却与辅助系统六大功能系统组成，其核心为激光器。
（1）打标机激光器系统
目前，激光打标机的激光器波长范围从紫外激光到中红外激光都有成熟运用，图所示给出了适用于打标的激光波长。
适用于打标的激光波长
一、激光打标概述
1）CO2 激光器。其工作波长为10604 nm，广泛用于在纸张和木材等有机材料上打标，同时也能在印制电路板（PCB 板）和玻璃上打标。如图所示为 CO2 激光打标机在 PCB 电路板上打标的效果。
CO2 激光打标机在 PCB 电路板上打标的效果
一、激光打标概述
2）光纤激光器。其工作波长为 1 070 nm，适用于在金属和塑料上打标。使用寿命长，光电效率高，维护需求简单，使用成本低。如图所示为光纤激光打标机在玻璃纤维上打标的效果。
光纤激光打标机在玻璃 　　
纤维上打标的效果
一、激光打标概述
3）Nd：YV04 激光器。其工作波长为1064nm，激光峰值功率高，脉冲宽度窄，在高分辨率清晰打标中得到应用。
4）绿光激光器。其工作波长为532nm，适合在塑料、硅材料上清晰打标，还能在金、银等反光性强的材料上实现高质量打标。
5）紫外激光器。其工作波长为355nm，几乎适用于所有材料，特别适合在塑料上打标以及在金属材料上的低热量打标。绿光激光器和紫外激光器通常是将 Nd：YV04 激光器的输出借助晶体元件倍频，将输出光的波长从1064nm 分别变换为532nm和355nm。
一、激光打标概述
6）Nd：YAG 激光器。常用于大面积和深度雕刻金属等要求具有较高的激光功率（50 ～ 100 W）的应用场合。
上述每种激光器提供不同的输出波长，并且具有不同的峰值功率和脉冲宽度等光学性能，要根据所要标记的材料以及用户对标记的清晰度、字符大小和输入零件的热量等要求选用不同的激光器波长。
一、激光打标概述
（2）打标机导光及聚焦系统
振镜式激光打标机应用最为普遍，下面以它为例介绍激光打标机的导光及聚焦系统。
1）主要光学器件。打开各类振镜式激光打标机的光具座外罩，除了激光器不同以外， 可以看到聚焦镜、合束镜、扩束镜等光学器件安装在光具座内部，振镜和平场透镜等光学器 件（又称打标头）安装在光具座外部，如图所示。
打标机导光及聚焦系统
1—对焦红光　2—振镜镜片　3—振镜 X 轴电动机　4—振镜 Y 轴电动机　 5—激光器　6—扩束镜　7—聚焦镜
一、激光打标概述
2）聚焦方式。按聚焦透镜的位置不同，光路系统分为前聚焦和后聚焦两种方式。
①前聚焦方式。在前聚焦方式中，聚焦透镜安装在振镜系统之前，如图所示。前聚焦方式的光程较长，聚焦后的光斑直径比较大，但加工范围较大。
前聚焦光路系统［S 系列及 L 系列（L100）］
1—激光器　2—扩束镜　3—三维动态聚焦镜组　4—振镜系统 5—X 振镜　6—Y 振镜　7—工作台面
一、激光打标概述
②后聚焦方式。在后聚焦方式中，聚焦透镜安装在振镜系统后，是导光及聚焦系统的最后一个器件，如图所示。
后聚焦光路系统［后聚焦系列（H 系列）］
1—激光器　2—扩束镜　3—振镜系统　4—X 振镜　 5—Y 振镜　6—聚焦镜头　7—工作台面
一、激光打标概述
（3）打标机运动系统
经过适当组合，激光打标机运动系统可以实现动态聚焦镜一维在线打标、二维大幅平面打标、三维曲面打标等不同形式的打标。
1）一维在线打标。一维在线打标又称飞行激光打标，主要适合在各类产品表面或外包 装物表面进行在线打标。在打标过程中，产品在生产线上不停地按一维方式流动，极大地提高了打标的效率，如图所示，打标机运动系统与激光器出光点阵的完美配合才能 实现一维在线打标过程。如图所示为 5×7 的点阵字符“N”和“C”标记实现的过程。
一维在线打标
一维在线字符打标效果
一、激光打标概述
2）二维大幅平面打标
二维大幅平面打标又称拼接打标，在打标过程中，如果待加工图形尺寸大于场镜的加工范围，可以让工作台在打标软件的控制下实现 XY 二维范围内的运动，极大地扩展了打标范围。如图所示为 XY 二维大幅平面打标系统。
XY 二维大幅平面打标系统
一、激光打标概述
3）三维曲面打标
在非平面打标时需要用到三维曲面打标技术，通常有以下两种实现方式：
①规则圆柱体旋转打标。对于规则的圆柱体或圆形零件，可以配置旋转轴将零件装夹起来进行旋转打标，如图所示。
旋转打标
一、激光打标概述
②不规则曲面打标。目前，实现不规则曲面打标的理想方案主要是在激光光路输出端的激光扩束镜后安装一个动态聚焦透镜，实现在圆柱面、球面、斜面和多层零件上打标，如图所示。
不规则曲面打标实现方案
一、激光打标概述
（4）打标机控制系统
1）主要控制对象。振镜式激光打标机控制系统的主要控制对象有两个：一个是激光器，另一个是振镜系统，如图所示。
控制系统主要对象
一、激光打标概述
2）控制系统的组成
振镜式激光打标机控制系统由硬件系统和软件系统两部分组成。 硬件系统包括工控机、打标控制卡、振镜激光电源等器件。其中工控机通过打标控制卡 发出控制指令，激光器、振镜和激光电源完成控制动作，其核心是工控机和打标控制卡。
一、激光打标概述
（5）打标机传感与检测系统
目前，激光打标机传感与检测系统使用最广泛的是打标视觉定位系统。如图所示的全自动视觉激光打标机由摄像机和光源构成视觉系统，完成零件图像的采集工作并给激光器等主要器件发出控制指令。
全自动视觉激光打标机
1—主机　2—工作台　3—自动移动平台　4—补光器　5—图像采集器　 6—场镜　7—振镜　8—激光器　9—垂直移动手柄　10—显示器　 11—垂直移动立柱　12—移动平台基座　13—鼠标和键盘　14—冷却设备（水冷）
一、激光打标概述
（6）打标机冷却与辅助系统
1）冷却系统的类型及选型
打标机冷却方式根据所选用激光器的冷却方式确认，有水冷和风冷两种方式，水冷系统一般采用独立的制冷装置。
2）烟雾净化器的类型及选型。与冷却系统一样，激光打标机烟雾净化器一般也采用独立的净化装置。
一、激光打标概述
二、激光打标的分类
1.掩模式打标（投影式打标）
（1）掩模式打标机典型结构
如图所示为掩模式 CO2 激光打标机光路系统外形结构。光路系统内部结构由激光器、掩模板和成像透镜等主要器件组成，如图所示。
掩模式 CO2 激光打标机光路系统外形结构
掩模式打标机光路系统内部结构
1—激光器　2—反射镜　3—掩模板　4—聚焦镜　5—工件　6—传送带
（2）掩模式打标机工作原理
将打标内容雕刻在掩模板上，激光器发出的脉冲激光经过扩束后均匀地投射在掩模板上，部分激光从掩模板的雕空部分透射。掩模板上的图形通过透镜聚焦后成像到零件表面，受激光辐射的零件表面形成可分辨的清晰标记，通常每个脉冲激光形成一个标记。
二、激光打标的分类
2.阵列式打标
（1）阵列式打标机典型结构
阵列式打标机光路系统由工控机、激光电源、7 个阵列射频 CO2 激光器、光学耦合系统和聚焦透镜组成，激光束投射到在生产线上运动的零件上，如图所示。
阵列式打标机典型结构
1—生产线　2—零件　3—聚焦透镜　4—光学耦合系统 ５—激光器阵列　6—激光电源　7—工控机
二、激光打标的分类
（2）阵列式打标机工作原理
1 ～ 7号射频CO2激光器竖向排列，在t1时刻，若工控机控制激光电源同时开启，1 ～ 7号激光器阵列将同时发射7个脉冲激光，在零件表面烧蚀出7个凹坑，构成了竖笔画7个点，形同“1”字。在t2时刻，若工控机控制激光电源，只让7号激光器开启，则只打出最下面的1个点。同理，在t3 ～t5时刻都只让7号激光器开启，可以看出，在1～16s时间范围内形成了一个7×5 阵列的“L”形图案，如图所示。
阵列式打标机
工作原理
二、激光打标的分类
3.扫描式打标
（1）扫描式打标机典型结构
扫描机构有机械扫描式和振镜扫描式两种形式。
1）机械扫描式。机械扫描式打标机的光路系统主要由激光器、反射镜 A、反射镜 B 和聚焦透镜构成，如图所示。
机械扫描式打标原理
1—激光器　2—反射镜 A　3—反射镜 B 4—聚焦透镜　5—笔臂
二、激光打标的分类
2）振镜扫描式。振镜扫描式打标机的光路系统主要由激光器、X 振镜、Y 振镜、平场聚焦透镜构成，如图所示。
振镜扫描式打标原理
1—零件　2—平场聚焦透镜　3—Y 振镜　4—X 振镜　5—半反射镜 6—灯　7—全反射镜　8—工作物质
二、激光打标的分类
（2）扫描式打标机工作原理
扫描式打标机是将需要打标的图案输入工控机，工控机控制激光器开启和扫描机构运动，使激光在零件表面扫描形成打标图案。
二、激光打标的分类
三、激光打标工艺流程
1.激光打标图形的处理
激光打标是指利用打标的图形控制激光束运动以去除零件表面的材料，从而在其表面加工出需要的图形。按照图形格式的不同，可分为位图打标和矢量图打标，位图打标是在一个个像素点上控制激光的功率、停留时间等以显示出标记；矢量图打标是在连续路径上控制激光的参数、走线速度。
（1）激光打标图形处理流程
1）大部分激光打标软件可以直接处理简单的图形和文字，其基本流程如图所示。
激光打标图形处理基本流程
三、激光打标工艺流程
2）有几何尺寸要求、比较复杂的工程类图形建议在 AutoCAD 软件中进行处理。
3）不规则复杂文字和图形，尤其是动物图标和艺术字建议在CorelDraw 软件中进行处理。
三、激光打标工艺流程
（2）矢量图
1）失量图的定义。矢量图是指用矢量方式来记录图像的线条和色块，如图所示。
矢量图和位图
a）矢量图　b）位图
三、激光打标工艺流程
2）矢量图的特点
①文件所占内存容量较小。
②进行放大、缩小或旋转等操作时不会失真，与分辨率无关，如图所示。
③图像色调简单，色彩变化不多，所绘制的图形不太逼真，主要用来表示图标等简单、 直接的图像。
④不容易在不同软件间交换文件，矢量图无法通过扫描直接获得，需要依靠绘图软件。
矢量图和位图放大效果
a)矢量图放大效果　
三、激光打标工艺流程
（3）矢量图的主要类型
矢量图的文件类型很多，主要有 *.ai、*.eps、*.svg、*.dwg、 *.cdr 等。常用的绘制矢量图的软件有 Adobe Illustrator、AutoCAD、CorelDRAW、 FreeHand、Flash 等。
三、激光打标工艺流程
（3）位图
1）位图的定义
位图是由像素点组成的图像，又称点阵图像，如图所示。
矢量图和位图
b）位图
三、激光打标工艺流程
2）位图的特点
①文件所占内存容量较大。
②进行放大、缩小或旋转等操作时会失真，与分辨率有关，如图所示。
③图像色调丰富，色彩变化多，绘制的图形不够逼真。
④容易在不同软件间交换文件，可直接扫描获得。
矢量图和位图放大效果
b）位图放大效果
三、激光打标工艺流程
2.激光打标软件
激光打标机上使用的软件由各主流厂商自主开发，主要有EzCad和SAMLight软件。各种激光打标软件都具有以下几个功能：
（1）激光器控制功能，如支持Nd：YAG、CO2、光纤（IPG、SPI）等各类激光器控制功能。
（2）振镜畸变校正补偿功能。
（3）文字、图案处理功能，如文字编辑、绘图、描图、位图与矢量图转化等功能。
（4）扩展功能，如二维码、条形码、旋转文本和飞行文本等打标功能。
（5）红光预览功能。
三、激光打标工艺流程
3.激光打标机基本操作
（1）激光打标机的结构
目前市场上主要流行的打标机是 30W射频CO2激光打标机，这款打标机结构简单，操作方便，功能齐全。机架式30W射频CO2激光打标机的结构如图所示。
机架式 30 W 射频 CO2 激光打标机的结构
1—工作台　2—冷水机　3—打标头　4—激光器　5—机架　6—显示器　7—工控机
三、激光打标工艺流程
（2）激光打标机的操作流程
1）打标机开机及关机
①开机及关机的一般原则
a.先检查设备的线路连接情况和设备各部件是否处于正常的关机状态。
b.先开强电，后开弱电。
c.先开冷却系统，再开激光电源、Q 开关、振镜电源。
d.先开的后关，后开的先关。
三、激光打标工艺流程
②开机及关机的注意事项
a.错误开机和关机容易导致安全事故。
b.严格按照操作规程操作。
c.掌握突发的紧急情况处理方法。
d.注意总结不同设备开机及关机的区别。
三、激光打标工艺流程
2）打标的定位
定位的原则如下：简单、快捷、准确；先粗定位，再准确定位。打标前，根据机器和零件的实际情况、加工批量等综合因素选择合适的定位方法。
①规则零件的定位方法
a.设备有红光指示时，规则零件（如圆形、方形零件等）的尺寸在打标幅面范围之内时，利用红光进行粗定位或利用零件外形进行定位。
b.设备有红光指示时，规则零件的尺寸在打标幅面范围之外时，利用红光进行粗定位，再通过测量进行精确定位。
三、激光打标工艺流程
2）打标的定位
①规则零件的定位方法
c.设备无红光指示时，规则零件的尺寸在打标幅面范围之内时，利用外形定位。
d.设备无红光指示时，规则零件的尺寸在打标幅面范围之外时，通过在零件上定中心、画辅助线平移或贴纸片等方法辅助定位。
e.对于接近规则外形的零件，定位时按相近的规则零件考虑定位方法。
三、激光打标工艺流程
②不规则零件的定位方法
a.零件批量小时，采用简单的定位块进行定位，具体定位方法如下：有红光时，用红光定位，再贴纸片等辅助精确定位；无红光时，直接贴纸片试打标，再通过测量定位。
b.零件批量大时，设计专用或通用的工艺装备进行定位。
三、激光打标工艺流程
3）调整焦距
在焦点处激光能量最强，光斑最小。焦点的确认方法如下：
①利用焦点处光斑最小的特点来判定，在有机玻璃或纸片上进行打标，上下移动工作台，看激光束的粗细，激光束最细的地方就是焦点。注意：测试焦点时激光能量一定要合适，不能太大也不能太小。
②测量零件表面到镜头边缘的距离，用有机玻璃制作焦距尺进行测量。
三、激光打标工艺流程
4）打标机参数的设置
①填充密度。一般填充间距为 1 ～ 1.5 mm，根据打标需要和材料不同来设定，一般来说，固体打标时填充要密一些，气体打标时可以填充稀一点。填充角度一般为 0°～ 90°。
②激光打标速度（或有效矢量步长）。打标速度快，则打标深度小，打标时间短；打标速度慢，则打标深度大，打标时间长。
三、激光打标工艺流程
③电流（功率）。电流（功率）大，激光打标深度大，对打标时间无影响；电流（功率）小，激光打标深度小，对打标时间无影响。
④频率和 Q 开关释放时间。频率越高，打标点越致密，打标越精细，但打标深度较浅，对打标时间无影响；频率越低，打标点越稀疏，打标越粗糙，但打标深度较大，对打标时间无影响。
⑤焦距、焦点位置的影响。经过聚焦的激光束应使零件标记表面位于聚焦深度范围内（1 ～ 2mm 之间）。
三、激光打标工艺流程
4.防止激光辐射的泄漏
YAG系列激光打标机采用封闭的激光光路，可以有效地防止激光辐射的泄漏。激光器正常工作期间，打标机内部不得增设任何零件和物品。不得在打开密封罩的状态下使用本标记系统。
三、激光打标工艺流程
5.激光打标机安全操作规范
（1）设备不工作时不能接通电源。
（2）更换激光器的氪灯时一定要切断激光打标机的电源。
（3）更换激光器的氪灯时其正、负极不要装反，球头形状的一端是正极，尖头形状的一端是负极。正极与激光电源的红色接线端相连接，负极与激光电源的黑色接线端相连接。
（4）禁止将激光电源输出端引线短路或接地。
（5）电源的保护地线要有良好的外部接地设施。
三、激光打标工艺流程
5.激光打标机安全操作规范
（6）电气设备操作人员须熟悉打标机的性能和操作方法。
（7）尽可能单手操作电气设备，以防止在人体上构成回路。
（8）机器周围禁止堆放杂物。
（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、激光打标工艺流程
任务实施
一、任务准备
对上色完成的挖掘机机臂（见图）进行打标。
3D 打印挖掘机机臂
根据任务要求提前准备相应的工具、材料、设备和劳动保护用品等，见表。
工具、材料、设备和劳动保护用品清单
任务实施
任务实施
二、制定挖掘机机臂打标工艺
激光打标的工艺流程如下：模型准备→商标准备→设备准备→打标参数设置→焦距设置 和定位→打标→检查。3D 打印挖掘机机臂打标完成效果如图所示。
3D 打印挖掘机机臂打标完成效果
任务实施
三、挖掘机机臂商标打标
穿戴好个人防护用品，按照所列操作步骤完成挖掘机机臂商标打标操作。操作时需注意个人防护和环境保护，按照操作规范进行作业。
1.模型准备
准备好已经上色完成的挖掘机机臂，对表面进行清洁，确保打标部位上色没有缺陷。
2.商标准备
利用 EzCad 软件设计商标图形，总尺寸为 90 mm×20 mm。
任务实施
3.设备准备
启动设备电源，接通激光器电源，打开计算机，启动打标软件。
任务实施
4.打标参数设置
设置填充参数：填充间距为1mm，角度为 45°；标刻参数的频率设置为 20Hz，功率为60 ～ 80W。
任务实施
5.焦距设置和定位
先将挖掘机机臂固定 在工作平台上，确保打标部位水平；接着进行打标对焦，开启对焦红光按钮，机臂上面会出现正方形方框和红色焦点，移动工作平台和 Z 轴升降开关，调整打标位置和焦距。
任务实施
6.打标
位置和焦距调整好后，开始打标。
任务实施
7.检查
检查商标表面质量，做好设备和场地清洁工作。
任务实施
任务实施
四、质量检验
对挖掘机机臂商标打标质量和安全文明生产情况进行检验，并记录在表中。
挖掘机机臂商标打标质量检验表
任务测评
按表所列的评分标准进行测评，并做好记录。
实训评分标准

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