臺灣化學教育

利用雷射雕刻技術使不鏽鋼與鈦板變成色彩繽紛的畫布

張佑祥*、楊捷、林冠廷、陳玠錡

工業技術研究院

機械與機電系統研究所

*[email protected]

• 摘要

不鏽鋼與鈦都是日常生活中很廣泛被應用的材料，其中不鏽鋼是含有鉻的鐵合金之總稱，則鈦是被認為是一種稀有金屬。由於不鏽鋼與鈦的具有良好的耐腐蝕性、機械強度、延展度與加工性。然而，不鏽鋼的組成大多以鐵合金為主體，通常是含有10%~30%的鉻以及含有不同比例的鎳、鉬、鈦、鋁、銅、氮、硫、磷和硒元素所組成的合金鋼，因此一般工業界會依照各種應用的需求調整其在合金中的比例，來符合相關之應用。鈦則有「太空金屬」的美譽，因為鈦除了具有耐腐蝕等特性之外，更重要的是鈦還具有重量輕、強度高、生物相容性、具金屬光澤等特性，因此被廣泛利用在航太工業、醫學界、汽車工業與建材和塗料產業，應用程度可算是十分多元。本文希望以科普的角度，來說明雷射加工技術在不鏽鋼與鈦材料上的技術簡介與工業應用，並搭配實際樣品的製作，讓讀者了解不鏽鋼與鈦材料也是可以透過雷射雕刻技術變成色彩繽紛的美麗畫布。

•       雷射加工簡介

雷射器依照產生雷射的媒介物質可分為液體雷射、氣體雷射和固體雷射，又可依照工作狀態區分為連續雷射或是脈衝雷射，應用於加工領域時則依照工件特性及加工類型選擇對應的雷射機台。然而，應用於工業領域的低功率雷射機台多用於雷射雕刻、材料改質、材料固化及非接觸性量測等領域；高功率雷射機台則使用於鑽孔、切割、焊接等破壞性加工為主。因此，雷射加工在加工領域中屬於擁有較高客製化之彈性及易於調整製程參數，但其缺點在於量產的速度較慢，須由特殊的雷射機台設計來增加生產效率。雷射加工尤其在精密鑽孔及雕刻上佔有舉足輕重的地位，其高精密度特性及穩定輸出能力，使其能廣泛應用於工業產業，且不易被取代。

•       樣品製作

實驗器材與雷射參數表(示範)

1.     304不鏽鋼板(厚度0.8mm) 2.     鈦板(第2級)

3.     雷射機台參數 雷射光源：Nd:YVO4 頻率：75kHz 雷射能量：2.5W 雷射光波長：1064nm 雷射光點大小：38um 點雕刻時間：0.1ms 雷射脈衝寬度：10ns 雷射雕刻路徑間距：20um 雷射掃描速度：45~190mm/s

• 實驗步驟
  

1.     先將304不鏽鋼板與鈦板分別利用75%的酒精水溶液進行表面擦拭。

2.     將圖形利用AutoCAD程式，將圖形繪製完成。

3.     再將圖檔匯入雷射機台內，並設定雷射雕刻加工參數。

4.     將304不鏽鋼板與鈦板分別進行雷射雕刻加工。

5.     樣品完成製作。

•   實驗機台架構簡介
  

本實驗使用的機台為工研院機械所與廠商共同開發的實驗用雛型機台，機台的內部結構包含雷射源(Radiation source)、電源供應器與控制模組(Power & control module)、光纖模組(optical fiber)、雷射擴束器(Beam expander)、導引雷射模組(Guide laser module)、掃瞄控制模組(Scanner control unit)、旋轉鏡組(Rotating mirrors)、聚焦鏡頭模組(Focus lens module)，細部結構圖如圖1與圖2所示。

圖1、雷射雕刻加工機台示意圖。

圖2、雷射雕刻加工機台實際照片。

•      實驗演示與原理探討

•        不鏽鋼板

可以在不鏽鋼表面的上色主要的原因是，因為我們選用304不鏽鋼板中含有10-15%的鉻，因為雷射帶有高能量並將不銹鋼中的鉻產生鉻的氧化層(Cr₂O₃)。由於產生出Cr₂O₃厚度上的差異，進一步造成視覺顏色上的差異。由實驗結果可以知道，在不改變雷射能量與頻率情況下，只改變雷射掃描速度，即可產生顏色上的差異，但因為示範實驗中雷射的掃描速度差異甚小，因此可以發現相近的色彩的顏色會依序出現，如圖3所示。其原因是因為不鏽鋼板單位面積下所受到的能量不同，因為雷射掃描速度越慢，即代表單位面積下所受能量較高，因此導致不繡鋼板受熱影響程度不同，造成氧化的程度也因此不同。另外，根據相關文獻指出，在一般雷射參數的操作情況下，Cr₂O₃的氧化層的厚度大約會落幾百個nm之間^[1]。然而，會導致視覺上顏色的差異，主要是因為不同厚度的Cr₂O₃氧化層，再經由光的反射之後，產生最終視覺顏色差異的主因^[1-4]。而Cr₂O₃氧化層厚度變化的主因，主要因為不鏽鋼受熱的情況不同，產生不同厚度的Cr₂O₃氧化層。

根據本實驗的結果，我們可以發現，C-1的位置所受的能量最大，因為雷射掃描速度最慢，因此單位面積下內所受的雷射能量最高，這也代表著C-1的位置Cr₂O₃的氧化層厚度較厚，其中C-1呈現暗紫色，如圖3所示。然而A-10所受的能量最小，因為雷射掃秒速度最快，因此單位面積下所受的雷射能量最小，這也代表著A-10的位置Cr₂O₃的氧化層厚度較薄，其中A-10呈現深藍色，如圖3所示。另外，不同不鏽鋼的材質也會影響到雷射加工後的色彩，其原因大致可歸因於，材料成分上的差異，造成局部區塊受熱程度不同，因此產生不同厚度的Cr₂O₃，而光線在不同厚度的Cr₂O₃所反射呈現的顏色也不同，因此可知若以利用相同雷射的參數在不同材質型號的不鏽鋼上加工，可能也會產生色彩上有些許的差異，所以如何降低不繡鋼板材料性質(品質)上的差異，也成為了此技術能否進行量產的重要關鍵因素。

圖3、雷射雕刻在不銹鋼板上色後的實驗樣品與實驗參數，其中圖3(A)為實際實驗後之樣品，在標誌的下方有不同的色塊，以英文字母代表排，數字代表行，因此A-1即表示第A排第一行的色塊。而圖3(B)為圖3(A)下方色塊的實驗參數，此參數為雷射掃描速率(mm/s)。

•      鈦板

相同的可以利用雷射雕刻在鈦的表面上產生各式各樣的顏色，如圖4所示，我們利用不同功率與雷射掃描速度同樣的在鈦的表面上，利用雷射雕刻來上色，其上色的原理與不銹鋼類似。也是將利用雷射加工在鈦板上產生熱，將Ti氧化形成TiO₂。相同的TiO₂的厚度同樣會影響到上色的色彩，因此不同厚度的TiO₂也會形成呈現不同的顏色^[5]。

圖4、雷射雕刻在鈦板上色後的實驗樣品^[5]。

(圖片來源：Antończak, A. J. et.al, (2014). The influence of process parameters on the laser-induced coloring of titanium. Applied Physics A, 115(3), 1003-1013.)

• 雷射雕刻上色的相關化學反應方程式

————————(1)

——————————-(2)

•      雷射上色的物理學原理簡介

在1621年荷蘭物理學家司乃耳(Willebrord Snellius)，重新發現光的折射定律，也就是物理學上所謂的「司乃耳定律」(Snell’s Law)。根據司乃耳定律，我們可知當光波從一種介質傳播到另一種具有不同折射率(Refractive index)的介質時，會發生折射現象(Refraction)，因此材料的折射率不同會影響光通過介質的路徑。後續，1666年英國科學家牛頓(Isaac Newton)在進行著名的三稜鏡實驗中，發現太陽光經三稜鏡的折射後可呈現彩色的光線，一般稱為光的色散現象(Dispersion)。

因此，根據前述實驗與相關原理說明可知，之所以可以利用雷射雕刻技術在不鏽鋼板與鈦板上進行上色的原理，是因為在雷射雕刻上色的過程中，雷射具有較高的能量，同時改變了不鏽鋼板與鈦板的表面性質，並越過其反應活化能(Activation Energy)，發生鉻的氧化反應與鈦的氧化反應，並產生出不同厚度的鉻氧化層(Cr₂O₃)與鈦氧化層(TiO₂)薄膜，而這些不同厚度的氧化層薄膜也同時影響光在介質(氧化層)中的折射率。然而，光線再經由反射與第二次的折射後，最終產生顏色呈現上的差異，其原理的簡單示意圖，如圖5所示。

圖5、光線通過氧化層薄膜的路徑示意圖。

•       安全注意事項

1.     在雷射雕刻實驗中，避免眼睛後到雷射光的傷害，全程實驗必須帶上雷射光護目鏡或相關護目鏡，且盡量不要直視實驗樣品。

2.     由於雷射雕刻時會造成基板產生高能與高熱，因此在實驗結束後，避免直接用手去觸碰實驗樣品，造成燙傷。可利用隔熱手套取出實驗樣品。

•           示範影片

https://drive.google.com/open?id=1eeJW9h_8WOYwye5anKR1YjXI71a6QmyG

•       結語

我們可以透過雷射雕刻加工的技術，讓國高中的同學了解到在化學領域中，不只有膠體溶液(Ex: 牛奶)、離子溶液(Ex: 硫酸銅水溶液)、沉澱反應(Ex: 氯化銀沉澱)或燃燒反應(鈉在空氣中燃燒反應)等可以產生顏色。金屬氧化物(Ex: TiO₂、Cr₂O₃)或非金屬氧化物(Ex: SiO₂)的薄膜(Thin-film)，在其厚度不同的情況之下，透過光學反射也可以產生各式各樣繽紛的色彩。 

•           致謝

感謝工業技術研究院機械所提供良好的研究環境，讓研究人員在研究之餘，能發揮創意與科學教育做結合。特別感謝邱美虹教授與周金城教授對於本文提供很棒的建議與指教。 

•       參考文獻

1.     Lehmuskero, A., Kontturi, V., Hiltunen, J., & Kuittinen, M. (2010). Modeling of laser-colored stainless steel surfaces by color pixels. Applied Physics B, 98(2-3), 497-500.

2.     Veiko, V., Odintsova, G., Ageev, E., Karlagina, Y., Loginov, A., Skuratova, A., & Gorbunova, E. (2014). Controlled oxide films formation by nanosecond laser pulses for color marking. Optics express, 22(20), 24342-24347.

3.     Fujimoto, S., Tsujino, K.,& Shibata, T. (2001). Growth and properties of Cr-rich thick and porous oxide films on Type 304 stainless steel formed by square wave potential pulse polarisation. Electrochimica Acta, 47(4), 543-551.

4.     Antończak, A. J., Kocoń, D., Nowak, M., Kozioł, P., & Abramski, K. M. (2013). Laser-induced colour marking—Sensitivity scaling for a stainless steel. Applied Surface Science, 264, 229-236.

5.     Antończak, A. J., Stępak, B., Kozioł, P. E., &ㄙAbramski, K. M. (2014). The influence of process parameters on the laser-induced coloring of titanium. Applied PhysicsA, 115(3), 1003-1013.