根據IOP激光技術手冊，1999年，全球各行各業使用了大約22,000臺激光打標機。Hexa Research預計，到2024年，整個激光市場將達到30億美元。似乎在幾年內，所有需要標記的東西都將用激光標記，包括水果和蔬菜，當然還有電線和電纜。

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

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）發布的幾份文件和標準所涵蓋，并反映在商業，工業和軍事用途的大型和小型框架飛機的生產規范中。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，美國聯邦航空局等政府機構使用。最終用戶在定期維護和維修程序中使用紫外激光打標機。

紫外激光器在基板表面留下永久不可磨滅的高分辨率標記。要了解這種現象，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，表面上不會留下任何痕跡。要標記材料，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，在表面上留下相對鋒利的邊界溝。

被輻照的材料從內向外融化和溢出，在平原中間形成丘陵和山谷。

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

顏色變化。材料會改變顏色，而不會發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，但由于受影響的區域不會改變顏色，因此標記對比度較低。更深、更寬的標記可以提高易讀性，但會降低材料完整性，這對于航空航天應用來說顯然是不可接受的。一種可能性是應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用。

熔化和燃燒打標工藝存在長期耐久性問題，因為熔化的材料和燒壞的沉積物可能無法很好地粘附在未受影響的區域。這類似于 21圣世紀燙印技術。當然，這個版本更先進，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、提供足夠的對比度、良好的耐久性和長期穩定性的條件下，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電線打標系統加工的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

標記橫截面（圖3）確認變暗區在表面下延伸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記。

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

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。幸運的是，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，藍色，綠色，黃色，粉紅色等。

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

圖4說明了空間和時間的過程。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層內被吸收。實際上，該過程在時間和空間上都非常有限，因為總脈沖持續時間通常低于30ns，標記深度不超過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，從而限制了對顏料顆粒本身的任何結構和/或化學改性。顯然，這個標記不容易去除，因為它的大部分分布在頂層，而不是在表面上。

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

標記對比度與TiO2濃度成正比;但是，過量可能會損壞絕緣層。通常2-4%足以實現良好的對比度。表1列出了在航空航天工業中常用的電線結構上通過直接紫外激光打印可以實現的典型對比度水平。

表 1.紫外激光打標電線電纜

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

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

審核編輯 ：李倩