文/胡倫珍1-3，郭慶川1-3，湯泉1,2，楊冰潔1, 2，侯玉強1, 2

1-激光與光學(xué)研究中心，安徽大學(xué) 

2-安徽柏逸激光科技有限責任公司 

3-信息材料與智能感知安徽省實驗室，安徽大學(xué)

PC/ABS材料是一種聚碳酸酯（PC）和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）共混改性而成的工程塑料，其兼具兩種材料的優(yōu)勢：包括PC的高沖擊強度、耐熱性、透明性（可制成半透明或透明材料），以及ABS的加工流動性、表面光潔度、成本可控性。由于其自然光澤度高，可直接噴涂、電鍍或激光雕刻，常應(yīng)用于消費電子產(chǎn)品如筆記本/平板外殼、手機中框/結(jié)構(gòu)件以及汽車零部件。

PC/ABS材料切割

在筆記本鍵盤及外殼制造工藝中，PC/ABS材料的切割與銑削環(huán)節(jié)至關(guān)重要。傳統(tǒng)手工切割雖然成本低廉，但存在精度差、邊緣毛刺多、易損壞材料等弊端，僅能適用于小規(guī)模、非精密的加工場景。CNC銑削切割則精度較高、邊緣質(zhì)量較好，但需頻繁更換銑刀，導(dǎo)致產(chǎn)能受限。相比之下，激光切割因其非接觸式的加工特性[1]，可有效避免機械應(yīng)力引起的鍵盤外殼微裂紋或變形問題，切割邊緣可自然熔融形成光滑鏡面，省去了傳統(tǒng)切割工藝中繁瑣的砂紙打磨工序，且具備復(fù)雜幾何形狀的一次成型能力。

CO₂激光切割機相較于其他加工方式，初始成本投入雖較大，但在切割速度、加工精度、端面質(zhì)量等方面均展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢[2]。其輸出波長為10.6µm，與塑料中C-H、C-O化學(xué)鍵的吸收特性相匹配，能量轉(zhuǎn)化為熱能的效率高，能夠快速熔化或汽化材料，實現(xiàn)精準、干凈的切割效果。然而高功率激光可能導(dǎo)致PC/ABS分子鍵斷裂，使切割區(qū)域變脆，影響鍵盤的結(jié)構(gòu)強度，且參數(shù)處理不當會導(dǎo)致粉塵堆積嚴重，切割邊緣異色等問題。

基于以上因素，本研究針對鍵盤和筆記本外殼常用材料（PC/ABS）的切割和陰刻LOGO需求，開發(fā)了一套集成視覺定位的CO₂激光加工系統(tǒng)，并對其加工質(zhì)量和效率進行了評估。研究結(jié)果可為激光技術(shù)在工程塑料復(fù)合材料加工領(lǐng)域提供實踐參考與理論支撐。

實驗設(shè)備

（1）設(shè)備參數(shù)

CO₂激光鍵盤切割設(shè)備（如圖1所示）整體尺寸為1100mm×1200mm×1600mm，重量達850kg，配備5kW、220V、50Hz的電源，吹氣壓強控制在0.5~0.7Mpa范圍內(nèi)。其X軸和Y軸的最大移動距離為450mm，Z軸的最大移動距離為150mm。

設(shè)備核心采用新銳CO₂激光器（最大功率100W，光束質(zhì)量M²＜1.2），配備賽普森/SS-14/光斑14mm的振鏡以及幅面為140mm×140mm的場鏡。配有視覺識別相機和水冷系統(tǒng)。識別相機能夠?qū)�產(chǎn)品精細劃分成四個區(qū)域進行拍照拼接，實現(xiàn)對所有料頭的精確定位，定位誤差嚴格控制在小于0.01mm的范圍內(nèi)。綜合考慮機臺誤差及軸精度誤差，最終切割誤差被精準控制在0.03mm以內(nèi)。

圖1：CO₂激光鍵盤切割設(shè)備示意圖。

（2）切割流程

該設(shè)備的切割流程高度自動化且精準有序，如圖2所示。首先，機械手翻轉(zhuǎn)操作將未加工產(chǎn)品精準放置在加工平臺上，隨后將加工完成的產(chǎn)品有序放到皮帶線上。氣缸下壓裝置牢固固定產(chǎn)品，X軸帶動產(chǎn)品平穩(wěn)移動至加工位。此時，相機啟動拼接拍照功能，精準確定所有切割的正確位置后開始切割作業(yè)。切割完成后，X軸退回至上料位，準備進行下一輪加工循環(huán)。

圖2：鍵盤切割流程圖。

圖3：相機的四個分區(qū)。

鍵盤切割測試結(jié)果

（1）鍵盤切割要求

毛刺是衡量激光切割質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。毛刺的去除往往需要額外的加工工序與人力物力投入，因此可通過觀察毛刺的量和程度，直觀地判斷切割質(zhì)量的優(yōu)劣。

在切割PC/ABS材料時，由于其導(dǎo)熱性能相對較差，切口附近容易產(chǎn)生并累積較高溫度，進而引發(fā)氧化現(xiàn)象。不同溫度下氧化深度存在差異，導(dǎo)致切口處顏色呈現(xiàn)多樣性。除此之外，切割速度過慢、焦點位置不準確以及輔助氣體純度低等因素，均會導(dǎo)致板材表面出現(xiàn)變色現(xiàn)象。

圖4：鍵盤外觀圖。

為了實現(xiàn)高質(zhì)量切割，需滿足在將殘材與殼體有效分離的同時，無損切割殼體，并嚴格保護殼體免受激光損壞，如圖4所示。設(shè)備平臺設(shè)計有間距相等的小孔陣列，可以通過供氣系統(tǒng)吸附固定樣品，確保樣品水平度良好。在確定精準的加工路徑后，通過合理調(diào)整工藝參數(shù)（如加工速度、切割次數(shù)、激光功率等）進行樣品切割，以達到最佳切割效果。

（2）測試結(jié)果

經(jīng)實際測試，CO₂激光器切割后鍵盤邊緣無毛刺，切割厚度1mm，振鏡掃描速度1000mm/s，單個產(chǎn)品總加工時間約為20s，其中激光與機殼相互作用的時間預(yù)估僅為0.15s。

切割后的鍵盤邊緣光滑平整，表面無損傷，實現(xiàn)了快速且高質(zhì)量的切割效果，如圖5所示。這充分體現(xiàn)了CO₂激光器在鍵盤切割領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢。

圖5：（a）CO2激光切割前的樣品圖；（b）激光切割后的樣品圖。

機殼陰刻LOGO測試要求

激光加工因其高精度和高效率的特性，尤其適合精細圖案或復(fù)雜字體的雕刻，能夠?qū)崿F(xiàn)邊緣銳利且無毛刺的效果，并通過調(diào)節(jié)功率實現(xiàn)深淺可控的雕刻，無需頻繁更換刀具，僅需通過軟件控制路徑，即可實現(xiàn)快速打標，單件加工時間通常在秒級。

而傳統(tǒng)的機械銑刀屬于接觸式加工，受刀具尺寸限制，細小結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生毛邊，需要后續(xù)去毛刺處理，且需根據(jù)圖案復(fù)雜度更換不同刀具，走刀路徑耗時較長，效率較低。

（1）機殼陰刻LOGO測試要求

為確保測試結(jié)果的準確性，所有試樣在切割前必須保證光滑平整，以消除表面不平整對實驗結(jié)果的干擾。

陰刻加工要求邊緣無毛刺、無缺口、無異色、無卷邊等問題，LOGO陰刻深度精確控制在0.35mm，以保證后序的貼片效果外觀。如圖6所示是傳統(tǒng)CNC銑削陰刻及貼片完成效果。

圖6：傳統(tǒng)CNC銑削陰刻及貼片完成效果。

（2）實驗過程

本研究選用上述CO₂激光筆記本鍵盤切割設(shè)備，在機殼陰刻LOGO測試過程中，需使用輔助設(shè)備進行旁軸吹氣和抽煙除塵，以保證加工質(zhì)量。

圖7所示是未優(yōu)化吹氣系統(tǒng)前的加工效果。可以發(fā)現(xiàn)在加工過程中，粉塵易聚集在切割區(qū)域周圍，作為隔熱介質(zhì)，阻礙了切割區(qū)域向周圍材料的熱擴散，致使熱量在切割區(qū)域滯留時間延長，引發(fā)熱影響區(qū)過度氧化或碳化，導(dǎo)致機殼發(fā)黑。

圖7：未優(yōu)化吹氣系統(tǒng)前的加工效果。

（3）機殼陰刻LOGO測試結(jié)果

為了避免碳化和粉塵堆積，同時需綜合優(yōu)化切割參數(shù)，如加工速度、激光器功率、焦點位置等。

本次加工填充方式采用交叉填充模式，填充間距為0.1mm/110°，加工速度為150mm/s，激光器的輸出功率為9%，加工次數(shù)為兩次。

圖8所示為測試結(jié)果，LOGO輪廓尺寸為38mm×7.5mm，陰刻深度達到0.35mm，總體節(jié)拍時間為20s。

圖9為另一組實驗，LOGO輪廓尺寸為40mm×14mm，陰刻深度達到0.5mm，加工時間46s。邊緣均未出現(xiàn)明顯翹邊、異色情況，熱影區(qū)小，達到目標要求。

圖8：（a）低倍圖；（b）高倍圖；（c）高倍圖。

圖9：機殼陰刻LOGO效果。

此外，我們也用355nm紫外納秒實驗平臺進行了機殼陰刻LOGO測試。實驗發(fā)現(xiàn)，由于單次加工深度低，多次加工后熱量堆積，發(fā)黑、變形嚴重，且邊緣出現(xiàn)明顯翹曲現(xiàn)象，未達到理想陰刻效果，如圖10所示。

圖10：紫外納秒陰刻機殼LOGO效果。

總結(jié)

PC/ABS憑借其均衡的性能和成本優(yōu)勢，成為了消費電子和汽車領(lǐng)域廣受青睞的一種工程塑料。本文通過聚焦于CO2激光器在PC/ABS加工中的應(yīng)用優(yōu)勢與技術(shù)優(yōu)化，詳細介紹了CO2激光器鍵盤切割設(shè)備的參數(shù)及工作流程；并通過優(yōu)化實驗參數(shù)實現(xiàn)了鍵盤切割邊緣光滑平整、表面無損傷的高質(zhì)量切割效果。在機殼陰刻LOGO實驗中，解決了邊緣毛刺、缺口、異色、卷邊等問題，LOGO陰刻深度可精確控制。未來的研究將聚焦于進一步優(yōu)化設(shè)備參數(shù)與工藝流程，探索CO₂激光器在更多工程塑料復(fù)合材料加工領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，推動激光技術(shù)在制造業(yè)的深入發(fā)展。

參考文獻

1. 曾俊皓.CO₂激光切割亞克力板材的應(yīng)用研究[J].機械工程師,2018,(01):112-114.

2. 余嵩.淺談激光切割板材技術(shù)[J].裝備制造,2014,(S2):37+40.