奈秒光纖雷射應用於不鏽鋼深蝕刻製程之參數分析與優化

摘要：本文探討奈秒光纖雷射加工技術應用於不鏽鋼板深蝕刻製程，並且以田口實驗方法（Taguchi method）探討雷射主要參數，如雷射功率、雷射脈衝重複率、雷射光束掃描速度與雷射光束掃描間距，對不鏽鋼材料移除速率的影響，找出最佳的參數組合，並實驗確認最佳化的參數組合確實達到最佳的移除效率。

Abstract: A deep laser engraving process with a nanosecond fiber laser system is proposed. The experimental investigation of the laser ablation rate of stainless steel was made by using the Taguchi method. The laser parameters highly related to material removal rate included laser output power, repetition rate, laser scanning rate and scan pitch (scan spacing). The optimization of these parameter values was revealed.

關鍵詞：雷射深蝕刻、不鏽鋼、奈秒

Keywords：Deep Laser Engraving, Stainless Steel, Nanosecond

前言
由於2014年全球最大雷射消費市場中國發生經濟成長逐漸放緩的影響，雖然整體工業雷射產業營收仍維持5%以上的正成長，達到2631百萬美金，約合新台幣870億元，但個別雷射產業營收差異頗大，如表1。在整體營收2631百萬美金中，依照應用類型，可區分為雷射雕刻/鐫刻（marking/engraving） 347.5百萬美金、精密加工（micro） 611.3百萬美金以及巨觀加工（macro） 1671.6百萬美金。雷射雕刻加工應用佔整個工業雷射產值達到14.2%，由於設備建置費用門檻低較為中小企業所能接受，因此雷射設備銷售營收相較2013年呈現7%的年成長。

由於光纖雷射具有輕薄短小、無需水冷、耐震耐塵等特性，近年來在材料表面雕刻應用上已經大幅取代固態雷射與二極體雷射。2014年光纖雷射設備營收215.3百萬美金約佔65%的市場，預計2015年也可以維持約10%的年成長[1]，如表2。

根據工研院經資中心（IEK）的統計，台灣雷射設備產業年產值已超過新台幣一百億元。使用雷射設備用於材料表面雕刻主要為中小企業，包括手工具產業(鉻釩鋼)、腳踏車業（鋁合金/鈦合金）、汽機車零組件產業（塑膠）、精品鑽錶眼鏡（不鏽鋼/貴金屬）、LED產業（陶瓷板）等，所使用之光纖雷射功率在100 W以下，大部分應用所需之加工深度在0.1 mm以內。因此本文擬以不鏽鋼材質為例，探討光纖雷射製程參數對材料移除速率之影響，並找出較佳的製程條件。

雷射深蝕刻製程實驗設計
2.1 雷射製程實驗設計
本實驗利用1064 nm光纖雷射經過掃描振鏡與焦距=163 mm之 F-Theta Lens聚焦後，加工2 mm x 2 mm的矩形區域30次，加工完成後用NIKON SENSOFAR PLu 2300表面輪廓量測儀測量加工深度，並利用田口法進行實驗參數製程分析，分析各參數對蝕刻深度的影響，並進行參數優化，確認雷射深蝕刻技術可行性。