使(shi)用(yong)紫外（UV）激光器在電線(xian)和電纜(lan)上(shang)直接印刷已在航空(kong)航天工業中(zhong)得到(dao)了OEM和最終用(yong)戶的廣泛測(ce)試(shi)和接受。OEM名單包括波音(yin)，空(kong)中(zhong)客車，洛克希德馬丁，西科斯基，灣流(liu)，龐巴迪(di)，皮(pi)拉圖(tu)斯等。它也被國(guo)防(fang)部，美(mei)國(guo)宇航局，美(mei)國(guo)聯邦航空(kong)局等政府機構使(shi)用(yong)。最終用(yong)戶在定期(qi)維(wei)護和維(wei)修程(cheng)序中(zhong)使(shi)用(yong)紫外激光打(da)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(yao)了解(jie)這種(zhong)現象，我們必須(xu)考慮激光(guang)束如何與材(cai)料(liao)相(xiang)互作用。例如，光(guang)束可以從表面(mian)完全(quan)反射，作為(wei)來自鏡子(zi)的太陽光(guang)線(xian)，或者作為(wei)穿過透明(ming)玻璃(li)窗的太陽光(guang)線(xian)傳播而不(bu)受(shou)影響(xiang)。在(zai)這些情況下(xia)，表面(mian)上不(bu)會留下(xia)任何痕跡。要(yao)標記(ji)材(cai)料(liao)，必須(xu)直接在(zai)材(cai)料(liao)表面(mian)或附近吸收至少一部分激光(guang)輻射。

根據激光和材料特性，有幾種可能的情況（圖1）：

1. 被(bei)輻照的(de)材料(liao)蒸發，在表(biao)面上留下相對鋒利的(de)邊界溝(gou)。

2. 被輻照(zhao)的材料從(cong)內(nei)向外融化和(he)溢出，在平原中間形成丘陵和(he)山(shan)谷(gu)。

3. 被輻照的材(cai)料加熱(re)并產(chan)生與大(da)氣氧反應的氣態成(cheng)分(fen)，在表(biao)面上沉(chen)積燃燒產(chan)物（如煙灰）。

4. 顏色變(bian)化。 材料會改(gai)變(bian)顏色，而不(bu)會發(fa)生(sheng)任何其(qi)他可(ke)見的表(biao)面修(xiu)改(gai)。

5. 以上所有。

圖例(li).1. 激光-表面相互作(zuo)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(yi)種(zhong)可能性是(shi)應用(yong)額(e)外的電線日照層，然后選(xuan)擇性地將其去除，露出不同顏(yan)色(se)的底漆，但這看起來也不是(shi)很實(shi)用(yong)。

       熔化和燃燒打標工藝存在長期耐久性問題，因為熔化的(de)材料(liao)和燒(shao)壞的(de)沉(chen)積(ji)物可能無法很好(hao)地粘(zhan)附在(zai)未受(shou)影響的(de)區域。這(zhe)類似于 21圣世紀(ji)燙印技術(shu)。當然(ran)，這(zhe)個版本更(geng)先進，更(geng)靈活(huo)，更(geng)精確，但它仍(reng)然(ran)是熱沖(chong)壓，有(you)其所(suo)有(you)眾所(suo)周知(zhi)的(de)缺(que)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(shi)用三(san)星科技(ji)M-100L-FG電線(xian)打標系統加工的ETFE和PTFE絕緣電線(xian)。輪(lun)廓分(fen)明、清(qing)晰可辨(bian)的打印件即使(shi)在長時(shi)間加速熱老化后也能(neng)保持完整。

圖2. ETFE（頂(ding)部）和PTFE（底部）電線(xian)上(shang)的(de)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(bao)在不(bu)物理破壞絕緣(yuan)層頂層的情況下無法改(gai)變或去(qu)除標記。

圖例.3. BMS13-48T10C01G022（左(zuo)）和 BMS13-60T44C01G022（右）的(de)標(biao)記(ji)導線橫截面(mian)

       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(de)是，這是一種常(chang)用(yong)的(de)顏料，電線制造商用(yong)它(ta)來使絕緣看起來是白(bai)色(se)或(huo)其他淺(qian)色(se)，如灰(hui)色(se)，藍色(se)，綠色(se)，黃色(se)，粉(fen)紅(hong)色(se)等。

       3.1電子伏(fu)特(te)左右的(de)(de)光(guang)(guang)學(xue)帶隙占TiO2對波長短(duan)于 380 納米的(de)(de)紫外線輻射的(de)(de)強烈(lie)吸收(shou)。用紫外激光(guang)(guang)照射永(yong)久改(gai)(gai)變(bian)TiO2的(de)(de)顆(ke)粒(li)從白色(se)到(dao)藍色(se)/黑色(se)。當這些(xie)顆(ke)粒(li)嵌入基(ji)板時，也會發(fa)生同(tong)樣的(de)(de)效果。理想情(qing)況(kuang)下，激光(guang)(guang)輻射不(bu)與基(ji)材發(fa)生反應，而是(shi)自由通過基(ji)材表面(mian)。相比之(zhi)下，基(ji)板內的(de)(de)顏料顆(ke)粒(li)與激光(guang)(guang)束相互(hu)作用，激光(guang)(guang)束改(gai)(gai)變(bian)顆(ke)粒(li)的(de)(de)結(jie)構(gou)和(he)外觀，包(bao)括顏色(se)。例如，薄的(de)(de)PTFE薄膜對紫外光(guang)(guang)幾乎是(shi)透明(ming)的(de)(de)，而小(xiao)（~0.3u）TiO2隨機(ji)分(fen)布在絕緣層中的(de)(de)顆(ke)粒(li)強烈(lie)吸收(shou)光(guang)(guang)并改(gai)(gai)變(bian)顏色(se)。

       圖4說明了空間和時間的(de)過程。入射激光束自由穿透(tou)第一(yi)層(ceng)(ceng)(ceng)材料(liao)層(ceng)(ceng)(ceng)，在(zai)與原(yuan)始白色TiO2顆粒相互(hu)作用(yong)時損失其總能(neng)量的(de)一(yi)小部(bu)分(fen)（例如(ru)，1%），將它(ta)們變成黑色。同(tong)樣的(de)事情發生在(zai)第二層(ceng)(ceng)(ceng)，依此類推，直到大部(bu)分(fen)激光脈沖能(neng)量在(zai)頂部(bu)50-100層(ceng)(ceng)(ceng)內被(bei)吸收(shou)。實際上，該(gai)過程在(zai)時間和空間上都非(fei)常有限，因為總脈沖持續時間通常低于(yu)30ns，標記深度(du)不(bu)超過50um左右。

圖例(li).4. 紫外激光束通過摻有TiO2粒子(zi)的透明(ming)介質的路徑示意圖

       短納秒激(ji)光脈沖可防止添加劑與周圍材料之間的定(ding)期熱交換，從而(er)限(xian)制了對(dui)顏料顆粒本(ben)身的任(ren)何結構和/或化學改性。顯(xian)然，這個(ge)標記(ji)不容易去(qu)除，因為它(ta)的大部分分布在頂層(ceng)，而(er)不是(shi)在表面上(shang)。

       強烈的紫(zi)外(wai)線(xian)照(zhao)射下TiO2顆粒物究竟發(fa)生了(le)什么(me)的問題，不(bu)在(zai)本篇(pian)文章的討論范圍(wei)之內，但由此產生的顏色(se)變化是不(bu)可逆的。例如，長期穩定性的紫(zi)外(wai)激光(guang)打標的TiO2摻(chan)雜的ETFE層(ceng)于1990年(nian)在(zai)麥克唐納道格拉斯(si)研(yan)究實驗室(shi)進行了(le)研(yan)究。標記在(zai)兩(liang)次熱(re)老化期間都幾乎沒有(you)變化（229℃為(wei)770小時）或模擬太陽輻(fu)射（相(xiang)當于亞利桑那州沙漠中17年(nian)的紫(zi)外(wai)線(xian)照(zhao)射）。

       標記對(dui)比度(du)與(yu)TiO2濃度(du)成正比;但是，過量(liang)可能會損壞絕緣層(ceng)。通(tong)常2-4%足以實(shi)現(xian)良好的對(dui)比度(du)。表1列出了(le)在航空(kong)航天(tian)工業中常用的電線結(jie)構(gou)上通(tong)過直接紫外激光打(da)印(yin)可以實(shi)現(xian)的典(dian)型(xing)對(dui)比度(du)水平。

表 1.紫外激光打標電線電纜

       其他電(dian)線(xian)(xian)類型(xing)也可(ke)以標記，只要它們含有(you)魔術顏料。擁有(you)TiO2的(de)(de)護(hu)套的(de)(de)最外層是(shi)上述標記技術的(de)(de)主要限制。在(zai)大多數應用中，TiO2用作白(bai)色(se)著色(se)劑(ji)，在(zai)紫外激(ji)光照(zhao)射下會(hui)變黑。因此，只有(you)淺色(se)電(dian)線(xian)(xian)才(cai)能清晰地印跡。

        其余(yu)的(de)導(dao)線(xian)也可以通過圖1中描述的(de)不同機制用激(ji)光標(biao)(biao)記(ji)。然而，這些標(biao)(biao)記(ji)很(hen)可能不符(fu)合嚴格的(de)航空航天標(biao)(biao)準(zhun)，除非我們找到(dao)另一種(zhong)神奇的(de)顏(yan)料，例(li)如，在綠色(se)(se)激(ji)光曝光時從(cong)黑色(se)(se)變成白色(se)(se)。

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