- 作者：Christian Dini
- 2. April 2024
简介
自 1964 年在美国发明以来，CO₂ 激光器已广泛应用于工业领域，主要用于金属切割和焊接；自 20世纪 70 年代以来，还应用于牙科和面部手术等医疗领域。但也许鲜为人知的是，CO₂ 激光技术在纺织品加工中发挥了至关重要的作用。在本博客中，Luxinar 高级应用工程师 Louise May 探讨了 Luxinar 的 CO₂ 激光源如何帮助技术纺织品、汽车和时尚行业的织物加工实现变革。
什么是激光？
LASER 代表“受激辐射光放大”——这一概念最早由爱因斯坦于 1916 年提出。虽然激光器有很多不同类型，但它们都遵循相同的基本原理：电荷通过一种材料（激光增益介质），激发该材料的电子，使其跃迁到高能态。几毫秒后，电子回到原来的能级，并在这一过程中释放出光子，光子经过放大产生频率由增益介质决定的激光束。
什么是封离型 CO₂ 激光器？
对于 Luxinar 封离型 CO₂ 激光器，增益介质是二氧化碳、氮气和氦气的混合气体，封装在包含两个水冷板条电极的密封管内。管子的两端各放置一面镜子以形成光学谐振腔，其中一面镜子为部分反射镜，允许光线离开谐振腔。
当向电极施加电荷（在本例中为射频 (RF) 功率）时，气体分子被激发，随着能量的损失，光子被发射出来。光子在谐振腔内来回穿梭，在与激发分子碰撞时刺激更多光子的发射。由于光子都以相同的方向、相同的相位和相同的波长传播，因此在长波红外光谱区域产生频率在 9.3 到 10.6 微米（表示为 µm，1 µm 等于百万分之一米）之间的激光束。
纺织品和织物的 CO₂ 激光切割
CO₂ 激光器发射高功率红外光束，产生强热，可以使棉、涤纶、丝绸和尼龙等各种织物以及皮革和帆布等较厚的织物汽化，从而实现切割。
与传统的机械或手工切割相比，CO₂ 激光切割速度更快、更精确，并且由于部件可以紧密排列切割，从而减少了浪费。此外，它能产生整洁的切割边缘，只需极少的后期处理——而且由于是非接触式加工，切割过程中没有刀具磨损，织物也不会变形或拉伸。
对于合成纤维织物，边缘会被熔封，从而防止脱线；虽然天然纤维容易变色，但这通常可以通过仔细选择激光参数来控制。这些优势共同实现了更快速、更一致的工艺，易于自动化，设计更改也能快速轻松地实施，从而缩短了停机时间和上市时间。
服装生产
近年来，激光切割帮助整个行业简化了服装生产。裁剪房流程现在可以实现完全自动化，激光切割的速度和效率最大限度地减少了停机时间和面料浪费。激光切割具有灵活性，可以轻松创建和修改设计，使制造商能够跟上瞬息万变的时尚潮流。单件定制和量体裁衣的服装生产变得更加容易且更具成本效益，男士西装就是一个典型的例子。客户的尺寸被发送到生产设施，CAD 系统设计样板，激光切割面料。成品西装在几周内即可交付给客户，而成本仅为传统定制服装的一小部分。
汽车行业
激光切割现在在汽车行业也已司空见惯。合成纤维织物可以被整洁地切割，激光会熔化并密封材料边缘，使其在随后的缝制和组装过程中不会脱线。真皮和人造革都可以用同样的方法切割用于汽车内饰。现代车辆内饰柱上的织物覆盖物经常使用激光进行精加工。在模塑过程中，织物被粘合到这些塑料部件上；然后使用五轴机器人工艺去除多余的材料，切割头遵循部件的轮廓并精确修剪织物。
安全气囊加工
安全气囊材料通常由密织的尼龙或聚酯纤维制成，并且通常涂有硅胶以获得所需的透气性。安全气囊可以是平织的（由几块织物缝合而成），也可以是一次成型织造 (OPW) 的（安全气囊的结构在织机上完全成型）。这两种类型都需要修整，而 CO₂ 激光器是理想的工具。
激光工艺高效可靠，通过始终如一的高质量切割最大限度地减少浪费。该工艺的非接触性质意味着减少了对织物的处理，因此硅胶涂层不太可能受到任何可能损害安全气囊完整性的损坏。
CO₂ 激光器还可用于在汽车仪表板和门皮材料上刻划线条，选择性地削弱结构，以便在发生碰撞时翻盖破裂以释放安全气囊。这种激光刻划必须以极其严格的公差执行，并且在内饰板的背面实施，因此对车内人员来说没有可见的美学影响。
技术纺织品
激光在切割窗帘、地毯和帆以及隔热材料、医用纱布、过滤材料、土工膜和凯夫拉增强纺织品方面也具有优势。这些材料的切割轮廓可能非常复杂且精细，质量的一致性至关重要。通过激光切割技术纺织品，织物边缘被熔封，从而防止脱线，消除了进一步精加工的需要，并使切割件的处理更加容易。
Luxinar 的纺织品和织物切割解决方案
Luxinar 的 SR 系列封离型 CO₂ 激光器是纺织品切割的理想选择。它们有三种波长：10.6、10.25 和 9.3µm，并集成了现场可更换的射频电源。最低出货功率比额定功率高出 20%，该系列可以轻松集成到基于激光的加工机器中。
用于纺织品切割的 Luxinar 封离型 CO₂ 激光源：SR 系列
Luxinar 还提供 SCX 35，这是一款多功能 350W 封离型 CO₂ 激光源，是切割和安全气囊加工的理想选择。它具有 10.6µm、10.25µm 和 9.3µm 波长，拥有独立的射频电源以实现灵活集成，专为机器人应用以及与扫描仪或其他光束引导组件集成到工业加工系统中而设计。
激光打标与雕刻
除了切割之外，CO₂ 激光技术还用于打标（仅处理织物表面）和雕刻（即控制切割深度）。
皮革加工
天然和合成皮革材料在时尚行业中用于制造鞋子、包袋、皮带和服装。激光从皮革生产过程的最开始就参与其中，用于在鞣制前在动物皮上标记追溯代码。
激光还用于高速切割加工后的皮革，可以轻松创建复杂的设计。激光能产生良好的表面效果，最大限度地减少浪费并提供极大的灵活性。激光可用于纹理处理以及切割，去除皮革表面以创建图案或设计。这可以是纯装饰性的，也可以是功能性的——例如为防滑鞋底处理皮革纹理。
纽扣的激光打标
服装中使用的纽扣通常具有装饰性或功能性的徽标、图案或制造商详情，这些都可以进行激光打标。
Luxinar 的纽扣和皮革打标解决方案
Luxinar 的 125W CO₂ 激光打标系统 MULTISCAN® HE 和 MULTISCAN® VS 提供了一种无墨方法，可在皮革、木材、塑料和各种其他材料上应用字母数字文本、二维码、二维和传统条形码以及复杂图形。灵活的软件允许将智能数据放置在指定扫描区域内的任何位置，系统可以对静止物体或需要飞行打标的移动产品进行打标。两种型号均提供 10.6µm、10.25µm 和 9.3µm 波长，可轻松集成到现有生产线中。
Luxinar 的 125W CO₂ 激光打标系统
雕刻 T 恤的热转印膜
雕刻可用于在热转印膜上创建设计，用于装饰 T 恤和其他织物服装。在这种情况下，激光不直接作用于服装本身。相反，它雕刻一种激光友好型转印膜，去除多余材料，仅保留所需的设计。然后使用热转印机将设计转移到服装上。完全雕刻薄膜的优点是转印前不需要“挑草”——即从设计中去除细小废料的耗时过程，这显著缩短了总工艺时间。
设计师牛仔裤
450W 激光器去除牛仔裤上的靛蓝染料颜料，打造复古外观。来源：Jeanologia
CO₂ 激光器首次用于纺织品打标是在 1995 年，当时佛罗里达州的一家小型初创公司 Icon 获得了一项基于激光的染色牛仔服装和面料褪色工艺专利。该工艺基于使用高功率 CO₂ 激光器使靛蓝染料汽化。其目的是创造一种复古感——这是 20 世纪 80 年代后期 Levis 广告所体现的青春与叛逆的象征。在这则广告中，模特兼音乐家 Nick Kamen 将石头放进自助洗衣店的洗衣机里，并脱到只剩内裤，对他自己的 501 牛牛裤进行 DIY 石磨/褪色处理。销量随之飙升，并为牛仔裤奠定了至今仍在流行的复古时尚基调。
1998 年，Icon 将该工艺授权给 Levi Strauss，后者在其位于旧金山和伦敦的旗舰店安装了高功率牛仔打标系统。在此之前，石磨和喷砂是模拟旧牛仔裤外观的唯一方法——这些方法造成了巨大的环境破坏，因为它们涉及排放数百万升受污染的水并使用有害化学物质。
自 21 世纪初以来，像 Luxinar 这样的公司通过向全球主要的牛仔裤行业供应商提供先进的 CO₂ 激光器，为推动该技术的发展做出了巨大贡献。CO₂ 激光后整理系统通常涉及 4 个阶段：1) 创建牛仔裤的数字图像；2) 将图像与复古牛仔裤的所需特征叠加，形成灰度设计；3) 将灰度设计加载到激光计算机中；4) 激光通过在服装上快速扫描时改变聚焦激光束的强度，将灰度设计转移到牛仔裤上。然后，450-1000W 的激光束扫过牛仔裤，通过在称为升华的过程中将其加热到 600°C，选择性地去除牛仔布上的靛蓝染料颜料。同样的激光器还可以用来制作破洞、磨损、各种水洗效果和模拟褶皱（被称为“猫须”）。
正如 Cherry Healey 在 2023 年 BBC 关于牛仔裤制造的纪录片中所言：“在牛仔裤上使用激光似乎比邦德街更像詹姆斯·邦德”。这也许是真的，但事实仍然是，与手工方法相比，CO₂ 激光加工可以产生同样良好的表面效果，且不会损坏织物的纹理或损害其强度（见图 2）。而且该工艺不仅更具可持续性和环保性，还能显著提高生产率，因为通过激光加工，几秒钟内即可产生数年的磨损效果，而手工方法则需要 20 分钟。
Luxinar 的牛仔应用解决方案
用于牛仔应用的 Luxinar 封离型 CO₂ 激光源：OEM 系列
Luxinar 的 OEM 系列封离型 CO₂ 激光器是牛仔应用的流行选择，其功率范围为 450-1000W，波长有 10.6、10.25 和 9.3µm。
牛仔打标要求激光参数（如功率、模式、波长和偏振）非常稳定。因此，Luxinar 的激光器采用了独特的光学谐振腔和电极设计，以确保所需的稳定水平和脉冲间的一致性。此外，它们具有高质量、圆形、对称的光束，可实现高加工速度，以及具有高峰值功率的短光脉冲，这些结合在一起可确保最佳的工艺质量并最大限度地减少热影响区。
与 SR 系列一样，我们的封离型 OEM CO₂ 激光源基于久经考验的板条原理，无需真空泵或压力控制系统等气体再循环设备。由于在运行 20,000 小时之前无需更换气体，我们激光器的运行、维护和保养成本极低，从而实现了长寿命和全程无忧运行。
未来展望
纺织品和织物激光加工的前景广阔。根据最近的一份市场报告，到 2024 年底，织物切割机市场价值将达到 4.295 亿美元，到 2034 年将增至 6.444 亿美元，其中激光切割细分市场约占市场的 42%。由于激光源相对于传统机械和手工加工方法的固有优势，预计激光切割在此期间将呈指数级增长。正如我们所见，这些优势包括更快的加工速度、更高的精度、更少的浪费、增强的质量控制以及缩短停机时间和上市时间。
激光牛仔加工的前景也十分乐观，全球牛仔裤市场预计将从 2022 年的 645 亿美元增长到 2030 年的 952 亿美元。随着销量的增长，在追求更高定制化和独特性趋势的推动下，对激光打标的需求也将增加，此外激光打标还具有更快、更环保以及有利于提高生产率的优势。
我们还可能看到基于再生塑料、纤维素、植物纤维和其他生物织物的创新技术面料的使用增加。这些材料将需要新一代一致且可靠的激光性能。但无论未来如何，Luxinar 在开发创新 CO₂ 激光源技术方面的专业知识和经验，使我们能够很好地应对任何新挑战，并继续成为牛仔和纺织行业领先的激光源供应商。
参考文献
关于作者
Louise May 博士是 Luxinar Ltd 的高级应用工程师，负责在实验室测试和鉴定工业工艺。她在激光应用方面拥有超过 14 年的经验，在此之前曾从事过五年的 CO₂ 激光研发工作。Louise 于 1994 年获得赫尔大学应用物理学学士学位，随后于 1998 年获得半导体光学特性研究博士学位。
关于 Luxinar
Luxinar 总部位于英国赫尔河畔金斯顿，25 年多来一直处于激光技术的前沿，是封离型 CO2 和超短脉冲激光源的领先制造商。公司在全球汽车、电子、包装和纺织行业的装机量超过 25,000 台，应用范围包括消融、切割、钻孔、打标、穿孔、划线和焊接。