电子雕刻机雕刻头研究现状与发展
[摘要] 介绍了电子雕刻机雕刻头的研究现状与发展。目前成熟应用的主要是电磁驱动式的,
分为摆动式和直动式,具有雕刻频率高、雕刻质量好的特点;同时介绍了工作原理不同于电磁式雕刻
头的电子束雕刻和激光雕刻,尤其激光雕刻,具有强大的发展潜力;以及正在研究和发展的压电陶瓷
和超磁致伸缩驱动器,这些功能材料的应用为雕刻头的发展提供了很好的参考方向。
关键词:雕刻头; 电磁驱动; 激光雕刻; 电子束雕刻; 压电陶瓷; 超磁致伸缩驱动器
凹版印刷以其印品墨层厚实、颜色鲜艳、饱和度高、印版耐
印力高、印刷速度快等优点在图文出版和包装印刷领域内占据
重要的地位。目前,电雕凹版因技术先进、成本低、制版质量高
且稳定、适应范围广、利于环保等优点已在凹版制造中占主导
地位,一直是近年来的主流雕刻方法。印版的好坏是决定印刷
质量的一个关键因素,凹版电子雕刻效率的高低直接影响到整
个凹版制版的进程。印版是电雕系统根据数字化的图文信息
驱动雕刻头在版辊上雕刻网穴后处理而成,因此,雕刻头的驱
动装置在整个制版过程中起着重要作用。从上个世纪60年代
开始,此领域的科技人员不断探索,希望能提高电子凹版雕刻
的效率及质量,雕刻效率及质量可以从多方面提高,提高电子
雕刻机的雕刻频率是一种最有效最直接的途径。德国、美国、
瑞土和日本在电子雕刻技术方面处领先地位,我国在这方面的
研究基本为空白[ 1O2 ]。文中主要介绍了电子雕刻头的研究现
状及发展方向。
1 电子机械雕刻
电子机械雕刻是由电O机械转换器驱动雕刻刀,在滚筒上
雕刻出网穴的一种方法,其关键在于电O机械转换器的工作性
能。
111 常用结构的原理及特点
一般而言,磁钢产生稳恒磁通,控制线圈产生控制磁通,二
者差动叠加产生驱动衔铁运动的电磁力,带动衔铁运动。
112 转动式电磁铁
结构原理如图1所示[ 2 ] ,磁钢在气隙中产生稳恒磁场,在
控制线圈未加电时,通过装配时的调试,衔铁处于相对平衡位
置;当控制线圈加电时,衔铁被极化,产生磁力拉动衔铁转动,
图中显示了衔铁的一种极化方式。当控制线圈加以高频变化
的电流或电压时,衔铁便产生高频摆动,带动雕刻刀进行雕刻
工作。
高刚度的回复弹簧是利用衔铁所在扭杆的弹性扭转来得
到,结构简单,高刚度易实现;且带有稳恒磁场调节结构,可以
调节电磁铁系统的工作点,使磁钢发挥最好效能;控制线圈只
有一个,与采用2个控制线圈的相比,简化了结构,缩小了体
积。
Hell公司的电雕机采用的摆动式雕刻头如图2所示,其衔
铁结构如图3所示。通过衔铁的摆动带动金刚石雕刻刀在版
辊上雕刻凹穴,利用扭杆的扭转变形来实现高刚度回复弹簧的
功能,并且其半圆型的一端用来调节扭杆的刚度,输出杆上有
45
张策等 电子雕刻机雕刻头研究现状与发展
阻尼环,用来调节电磁铁系统的输出特性[ 3 ]。
图1 摆动式电磁铁 图2 电磁雕刻头
Fig. 1 Swing electromagnet Fig. 2 Electeomagnetic engraving head
113 直动式电磁铁[ 2O5 ]
结构原理如图4所示,带有雕刻刀的直动轴固定在衔铁
上,装配时调节衔铁,使之在磁场中处于相对平衡状态,当控制
线圈未加电时,磁钢的引力不能使衔铁产生动作;当控制线圈
加电时,衔铁产生极性,在电磁力的作用下,克服衔铁刚度,运
动一定位移。给控制线圈加以高频电压或电流,衔铁产生上下
运动,从而带动雕刻刀的垂直运动,完成在版辊上雕刻凹穴的
工作。
图3 衔铁结构 图4 直动式电磁铁
Fig. 3 Armature structure Fig. 4 DirectOacting electromagnet
在此结构中,衔铁的运动是平动,气隙两侧是异名磁极;高
刚度回复弹簧通过衔铁的弹性变形得到。
国外某些公司采用该结构原理,也可以达到很高频率。该
结构电磁铁结构较复杂,体积也较大,装配调试也有一定的难
度。在电子机械雕刻方面, Hell公司雕刻头的雕刻频率由起初
的4000Hz发展到如今的12800Hz,MDC公司的V ISION3雕刻
头达到8100Hz,在网穴深度稍减时可达8600Hz,提高了生产效
率,电子雕刻具有雕刻网穴的深度和面积均可变化、重复性强
的优点,且雕刻过程中无污染。
2 激光雕刻和电子束雕刻
211 激光雕刻[ 5O8 ]
20世纪70年代,激光就开始在胶印、凹印制版领域发挥
作用,在90年代,国外的公司开始激光直接雕刻的研究。激光
直接雕刻铜版,在技术上一直认为是不可行的,但它可以直接
雕刻锌。瑞士MDC公司通过制版工艺的改进,实现激光直接
雕刻。先在钢辊上电镀一薄层镍,然后再在其表面镀铜,随后
又镀了一层锌。这层锌可吸收激光能量并被蒸发,随之蒸发的
还有其下面的铜,便生成了载墨的网穴。雕刻后,像其他雕刻
滚筒一样,最终在滚筒上镀一层坚硬的铬。还开发了大约
500W功率的YAG激光器,每秒能雕刻7万个网穴。
直接激光雕刻系统主要由3部分组成:高能量的激光;激
光传输系统;光学系统,通过调节焦距,来调节单位面积上的能
量。激光的原理如图5所示。
激光脉冲的聚焦点直径和入射能量决定网点的几何形状。
简单的直接激光雕版系统只能调整能量的大小,而激光聚焦点
的直径根据所需的网点预先设置,在雕版过程中不能改变。网
点直径由激光聚焦点的直径决定。
先进的SHC (New Super Halfautotyp ical Cell)调整方法使每
个激光脉冲的2 个参数:能量和聚焦点的直径都可以调整。
“先进”意味着每个网点的几何形状网点的直径和网点的
深度可以相互独立,在确保直接激光雕版的精度下任意调整。
Hell解决了激光直接雕刻铜版的技术困难,在Drupa2004
上展示了所研制的可直接在铜版或铬版上进行雕刻的激光雕
刻机样机,给业界带来了巨大反响。
随着激光技术的发展,激光雕刻不仅体现了电子机械雕刻
的优点,而且具有许多自身的优点,比如无接触雕刻等,目前该
方法制作版辊成本稍高,但其众多优点使其成为雕刻发展的一
个方向。
212 镀铜凹版的电子束雕刻[ 1 ]
图5 激光雕刻原理图 图6 电子束雕刻示意图
Fig. 5 Laser engraving Fig. 6 Electron beam
p rincip le engraving p rincip le
如图6所示,采用高能电子束可以对镀铜的凹版滚筒进行
雕刻。电子束由热阴极产生,在2. 5～5万V电场的加速下射
向滚筒表面。在此过程中、电子束受到电磁场的会聚控制。在
小于l的时间内使电子束会聚到网穴所应该达到的直径。电
子束按所需网穴深度大小在镀铜层上作用一定时间,以便达到
所需深度。每个网穴的雕刻时间不长于6,以此达到l5万个网
穴/ s的高频率。在滚筒表面上,电子束的动能转化为热能,使
铜熔化和汽化,残留在网穴边缘的熔化物被刮刀刮掉。由此可
46
包装工程 PACKAGING ENGINEER ING Vol. 26 No12 2005
知,电子束凹版雕刻所形成的网穴是开口面积和凹下深度都变
化类型的。
由于电于束的能量会与空气中的各种离子碰撞而损失,因
此,电子束雕刻必须在真空装置内进行。使用高能电子束发生
器和真空仓,造成设备成本高昂,最终导致其难以实用化。由
于电子束离子与金属表面的吸附作用,使得所雕刻的网穴偏
深,尤其在雕刻中调颜色的网穴时,得不到预期效果[ 9 ]。
3 正在研究和发展的雕刻头
311 压电陶瓷( PZT)
在压电陶瓷两端加以电场,压电陶瓷发生伸长现象,这是
压电陶瓷内部的晶体结构变化引起的。利用压电晶体的逆压
电效应,实现电机械转换[ 10 ]。单片压电陶瓷的伸长量很小,一
般要多片叠加成压电陶瓷堆,以满足雕刻位移要求;其输出力
很大,可以比电磁力大10倍左右。对压电陶瓷堆加以高频变
化电压时,其伸缩随之变化。理论上可达1～2. 5万网穴/ s的
雕刻频率[ 4 ] 。
压电晶体会产生较大的滞环,必须设计合适的驱动电路以
减小压电晶体的滞环影响[ 11 ]。压电陶瓷驱动器结构如图
7[ 1O2 ]所示。
超磁致伸缩材料( Giant Magnetostrictive Material,简写为
GMM)是一种新型功能材料,具有高刚度、磁滞小、应变大、响
应速度快、能量传输密度高和输出力大等特点[ 12O13 ]。
图7 压电陶瓷雕刻头示意图 图8 超磁致伸缩驱动结构原理图
Fig. 7 Princip le of pzt driving Fig. 8 Structure p rincip le
engraving head of GMM driver
GMM电O机械转换器常见结构如图8所示,当给线圈提供
电流时,在线圈内产生磁场,超磁致伸缩材料便产生长度变化,
推动输出件工作,其具体工作情况见文献[ 13 ]。在电子雕刻
中需要高频率,输出力并不需要很大,因此GMM的输出力大
的优点并不适用于此处; GMM的输出是非线形的,受热效应的
影响较大,这些都需要进行补偿,特别是高频时必须处理好焦
耳热效应和涡流;此外, GMM需专门的驱动装置来提供磁场,
材料本身价格也较高[ 12 ]。虽然如此, GMM所具有的许多优异
性能,仍使其成为高频电O机械转换器开发的一个参考方向。
4 结 语
电子机械雕刻头主要有摆动式和直动式,其特点是雕刻频
率高,雕刻质量好,且已产品化,为许多制版企业应用;激光雕
刻,经过多年的发展,在版辊雕刻方面已表现出了优异性能,目
前虽然成本较高,但其表现出了强大的发展潜力。在发展电子
机械雕刻头方面,压电陶瓷和超磁致伸缩等功能材料是很好的
发展方向。
参考文献
[ 1 ] 金杨1 凹版电子雕刻原理及其技术进展[ J ] 1 印刷技术, 1999,
(4)
[ 2 ] 朱广宙, 方平, 王传礼,等1现代电子雕刻系统及其关键技术
[ J ]1现代机械, 2003, (2)
[ 3 ] Laserstrahl versus DiamantstichelOTeil 3 Druck &MedienOMagazin,
2004, (5)
[ 4 ] 朱广宙1 电子雕刻机高频电机械转换器的研究[ C ] 1硕士
学位论文, 2003
[ 5 ] 张改梅, 王辉1 激光雕刻会取代电子雕刻吗[ J ] 1 印刷技术,
2003, (7)
[ 6 ] 金杨1 从德鲁巴看激光雕刻凹版及柔版制版技术的发展[ J ] 1
印刷技术, 2000, (10)
[ 7 ] Laserstrahl versus DiamantstichelOTeil 4 Druck &MedienOMagazin,
2004, (7～8)
[ 8 ] 王棣坊1 新的雕刻方法给凹印开拓新的未来[ J ] 1 印刷世界印刷杂志, 2001, (10)
激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工。激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，已成为企业实行适时生产的关键技术，为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。热加工和冷加工均可应用在金属和非金属材料，进行切割，打孔，刻槽，标记等.热加工金属材料进行焊接，表面处理，生产合金，切割均极有利.冷加工则对光化学沉积，激光快速成形技术，激光刻蚀，掺染和氧化都很合适。 激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。脉冲激光适用于金属材料，连续激光适用于非金属材料，后者是激光切割技术的重要应用领域。但激光在工业领域中的应用是有局限和缺点的，比如用激光来切割食物和胶合板就不成功，食物被切开的同时也被灼烧了，而切割胶合板在经济上还远不合化算。随着激光产业的飞速发展，相关的激光技术与激光产品也日趋成熟。在激光切割机领域。呈现出YAG固体激光切割机、CO2激光切割机双足鼎力，光纤激光切割机后来居上的局势。YAG固体激光切割机具有价格低、稳定性好的特点，但能量效率低一般<3%。产品的输出功率大多在600W以下，由于输出能量小，主要用于打孔和点焊及薄板的切割。它的绿色的激光束可在脉冲或连续波的情况下应用，具有波长短、聚光性好适于精密加工特别是在脉冲下进行孔加工最为有效，也可用于切削、焊接和光刻等。YAG固体激光切割机激光器的波长不易被非金属吸收，故不能切割非金属材料，且YAG固体激光切割机需要解决的是提高电源的稳定性和寿命，即要研制大容量、长寿命的光泵激励光源，如采用半导体光泵可使能量效率大幅度地增长。CO2激光切割机，可以稳定切割20mm以内的碳钢，10mm以内的不锈钢，8mm以下的铝合金。CO2激光器的波长为10.6um，比较容易被非金属吸收，可以高质量地切割木材、亚克力、PP、有机玻璃等非金属材料，但是CO2激光的光电转化率只有10%左右。CO2激光切割机在光束出口处装有喷吹氧气、压缩空气或惰性气体N2的喷嘴，用以提高切割速度和切口的平整光洁。为了提高电源的稳定性和寿命，对于CO2气体激光要解决大功率激光器的放电稳定性。根据国际安全标准，激光危害等级分4级，CO2激光属于危害最小的一级。光纤激光切割机由于它可以通过光纤传输，柔性化程度空前提高，故障点少，维护方便，速度奇快，所以在切割4mm以内薄板时光纤切割机有着很大的优势，；但是受固体激光波长的影响它在切割厚板时质量较差。光纤激光器激光切割机的波长为1.06um，不易被非金属吸收，故不能切割非金属材料。光纤激光的光电转化率高达25%以上，在电费消耗、配套冷却系统等方面光纤激光的优势相当明显。根据国际安全标准，激光危害等级分4级，光纤激光由于波长短对人体由于是眼睛的伤害大，属于危害最大的一级，出于安全考虑，光纤激光加工需要全封闭的环境。光纤激光切割机作为一种新兴的激光技术，普及程度远远不如CO2激光切割机。 激光武器有它的独特性，令它被广泛应用于防空，反坦克，轰炸机自卫等军事用途.激光之所以能成为威力强大的武器，是因为它有三个层次的破坏能力:1.烧蚀效应 跟激光热加工原理一样，当高能激光束射到目标时，激光的能量会被目标的材料吸收，转化为热能.这些热能足以令目标部分或完全穿孔，断裂，熔化，蒸发，甚至产生爆炸.2.激波效应 如目标材料被气化，目标材料会在极短时间内产生反冲作用，形成压缩波使材料表面层裂碎开，碎片向外飞时造成进一步破坏.3.辐射效应 目标材料气化的同时会形成等离子体云，能产生辐射紫外线及X光线，使目标内部的电子零件被破坏。 书 名: 激光技术作 者：蓝信钜出版社：科学出版社出版时间： 2009年09月ISBN: 9787030 255129开本： 16开定价: 38.00 元 《激光技术(第3版)》系统地介绍了各种主要激光技术的原理与实施方法，内容包括激光调制与偏转技术、调Q技术、超短脉冲技术、激光放大技术、模式选择技术、稳频技术、非线性光学技术和激光传输技术，并对各种激光技术的新进展进行了简要介绍。《激光技术(第3版)》注重物理概念和基本原理的论述，并适当结合一定的实例，叙述深入浅出，便于自学。《激光技术(第3版)》可作为高等院校光电子技术、光信息技术、技术物理、光电仪器、应用物理等专业的本科生教材，也可作为物理电子学等专业研究生的教学参考书，并可供从事光电子技术的科技人员参考。 丛书序前言绪言第1章 激光调制与偏转技术第2章 调Q(Q开关)技术第3章 超短脉冲技术第4章 激光放大技术第5章 模式选择技术第6章 稳频技术第7章 非线性光学技术第8章 激光传输技术…… 作 者：蓝信矩主编出 版 社：华中科技大学出版社出版时间： 1995-12-1字 数： 444000页 数： 278I S B N ： 978756 0912660包 装： 平装定价：24.80 本书系统地介绍了各种主要激光技术的基本原理与实施方法，内容包括激光调制技术、调Q技术、超短脉冲技术、放大技术、模式选择技术、稳频技术、非线性光学技术以及激光传输技术，并对各种激光技术新的进展也作了简要介绍。本书着重物理概念和基本原理的论述，并适当结合一定的实例，叙述深入浅出，便于自学。本书可作为高等工科院光电子技术、光电仪器、应用物理等专业本科生教材；也可以作为高等院校有关专业师生及从事光电子技术的科技人员的参考书。 第一章 激光调制与偏转技术第二章 调Q（Q开关）技术第三章 超短脉冲技术第四章 激光放大技术第五章 模式选择技术第六章 稳频技术第七章 非线性光学技术第八章 激光优传输技术习题与思考题参考文献
激光是本世纪的重大发明之一，具有巨大的技术潜力，专家们认为，电子技术的全胜时期，其主角是计算机，下一代将是光技术时代，其主角是激光。激光因具有单色性、相干性和平行性三大特点，特别适用于材料加工。激光加工是激光应用最有发展前途的领域，国外已开发出20多种激光加工技术。激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度都很大，特别适用于自动化加工。激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，已成为企业实行适时生产的关键技术，为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。 激光加工技术的应用已成熟的激光加工技术包括：激光快速成形技术、激光焊接技术、激光打孔技术、激光切割技术、激光打标技术、激光去重平衡技术、激光蚀刻技术、激光微调技术、激光存储技术、激光划线技术、激光清洗技术、激光热处理和表面处理技术。激光焊接技术具有溶池净化效应，能纯净焊缝金属，适用于相同和不同金属材料间的焊接。激光焊接能量密度高，对高熔点、高反射率、高导热率和物理特性相差很大的金属焊接特别有利。激光切割技术可广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。脉冲激光适用于金属材料，连续激光适用于非金属材料，后者是激光切割技术的重要应用领域。激光打标技术是激光加工最大的应用领域之一。准分子激光打标发展起来的一项新技术，特别适用于金属打标，可实现亚微米打标，已广泛用于微电子工业和生物工程。激光去重平衡技术是用激光去掉高速旋转部件上不平衡的过重部分，使惯性轴与旋转轴重合，以达到动平衡的过程。激光去重平衡技术具有测量和去重两大功能，可同时进行不平衡的测量和校正，效率大大提高，在陀螺制造领域有广阔的应用前景。对于高精度转子，激光动平衡可成倍提高平衡精度，其质量偏心值的平衡精度可达1%或千分之几微米。激光蚀刻技术比传统的化学蚀刻技术工艺简单、可大幅度降低生产成本，可加工0.125～1微米宽的线，非常适合于超大规模集成电路的制造。激光微调技术可对指定电阻进行自动精密微调，精度可达0.01%～0.002%，比传统加工方法的精度和效率高、成本低。激光微调包括薄膜电阻(0.01～0.6微米厚)与厚膜电阻(20～50微米厚)的微调、电容的微调和混合集成电路的微调。激光存储技术是利用激光来记录视频、音频、文字资料及计算机信息的一种技术，是信息化时代的支撑技术之一。激光划线技术是生产集成电路的关键技术，其划线细、精度高(线宽为15～25微米，槽深为5～200微米)，加工速度快(可达200毫米/秒)，成品率可达99.5%以上。激光清洗技术的采用可大大减少加工器件的微粒污染，提高精密器件的成品率。激光热、表处理技术包括：激光相变硬化技术、激光包覆技术、激光表面合金化技术、激光退火技术、激光冲击硬化技术、激光强化电镀技术、激光上釉技术，这些技术对改变材料的机械性能、耐热性和耐腐蚀性等有重要作用。激光相变硬化(即激光淬火)是激光热处理中研究最早、最多、进展最快、应用最广的一种新工艺, 适用于大多数材料和不同形状零件的不同部位,可提高零件的耐磨性和疲劳强度,国外一些工业部门将该技术作为保证产品质量的手段。激光包覆技术是在工业中获得广泛应用的激光表面改性技术之一, 具有很好的经济性,可大大提高产品的抗腐蚀性。激光表面合金化技术是材料表面局部改性处理的新方法, 是未来应用潜力最大的表面改性技术之一,适用于航空、航天、兵器、核工业、汽车制造业中需要改善耐磨、耐腐蚀、耐高温等性能的零件。激光退火技术是半导体加工的一种新工艺,效果比常规热退火好得多。激光退火后, 杂质的替位率可达到98%～99%, 可使多晶硅的电阻率降到普通加热退火的1/2～1/3, 还可大大提高集成电路的集成度, 使电路元件间的间隔缩小到0.5微米。激光冲击硬化技术能改善金属材料的机械性能, 可阻止裂纹的产生和扩展, 提高钢、铝、钛等合金的强度和硬度, 改善其抗疲劳性能。激光强化电镀技术可提高金属的沉积速度, 速度比无激光照射快1000倍, 对微型开关、精密仪器零件、微电子器件和大规模集成电路的生产和修补具有重大义意。使用改技术可使电度层的牢固度提高昂100～1000倍。激光上釉技术对于材料改性很有发展前途, 其成本低, 容易控制和复制, 有利于发展新材料。激光上釉结合火焰喷涂、等离子喷涂、离子沉积等技术, 在控制组织、提高表面耐磨、耐腐蚀性能方面有着广阔的应用前景。电子材料、电磁材料和其它电气材料经激光上釉后用于测量仪表极为理想。二、激光加工技术的发展趋势1.数控化和综合化把激光器与计算机数控技术、先进的光学系统以及高精度和自动化的工件定位相结合，形成研制和生产加工中心，已成为激光加工发展的一个重要趋势。2.小型化和组合化国外已把激光切割和模具冲压两种加工方法组合在一台机床上，制成激光冲床，它兼有激光切割的多功能性和冲压加工的高速高效的特点，可完成切割复杂外形、打孔、打标、划线等加工。3.高频度和高可靠性国外YAG激光器的重复频度已达2000次/秒，二极管阵列泵浦的Nd：YAG激光器的平均维修时间已从原来的几百小时提高到1～2万小时。4.采用激元激光器进行金属加工这是国外激光加工的一个新课题。激元激光器能发射出波长157～350纳米的紫外激光, 大多数金属对这种激光的反射率很低, 吸收率相应很高, 因此, 这种激光器在金属加工领域有很大的应用价值。三、应用于牙科的激光系统 依据激光在牙科应用的不同作用，分为几种不同的激光系统。区别激光的重要特征之一是：光的波长，不同波长的激光对组织的作用不同，在可见光及近红外光谱范围的光线，吸光性低，穿透性强，可以穿透到牙体组织较深的部位，例如氩离子激光、二极管激光或Nd：YAG激光(如图1)。而Er：YAG激光和CO，激光的光线穿透性差，仅能穿透牙体组织约0．01毫米。区别激光的重要特征之二是：激光的强度(即功率)，如在诊断学中应用的二极管激光，其强度仅为几个毫瓦特，它有时也可用在激光显示器上。 用于治疗的激光，通常是几个瓦特中等强度的激光。激光对组织的作用，还取决于激光脉冲的发射方式，以典型的连续脉冲发射方式的激光有：氩离子激光、二极管激光、CO2，激光；以短脉冲方式发射的激光有：Er：YAG激光或许多Nd：YAG激光，短脉冲式的激光的强度(即功率)可以达到1,000瓦特或更高，这些强度高、吸光性也高的激光，只适用于清除硬组织。 激光在龋齿的诊断方面的应用 1．脱矿、浅龋 2．隐匿龋 激光在治疗方面的应用 1．切割 2．充填物的聚合，窝洞处理
