數(shù)字印刷技術(shù)的革新與發(fā)展極大改變了標(biāo)簽制作和生產(chǎn)的現(xiàn)狀。有了靈活的印刷設(shè)計，輕松改變切割形狀，以便使形狀契合匹配需求就變得十分重要。傳統(tǒng)上，標(biāo)簽切割是由機械壓模機和分切機刀片完成的，在這種情況下，用戶一個生產(chǎn)輪班進行一種設(shè)計規(guī)格的生產(chǎn)。儲存多種模具的高昂成本及復(fù)雜的物流工作使得切割多種形狀變得難以實行。而且，由于換刀引起的停機造成了生產(chǎn)效率的下降，而這往往對運營成本具有決定性作用。帶有高速掃描頭的激光切割將這個工作變成了非常有活力且簡單靈活的過程。切割設(shè)計可以通過軟件隨時隨地完成，而且不需要中斷生產(chǎn)線。

激光切割的一個應(yīng)用是使用CO2 激光束進行高速標(biāo)簽切割。泛泛而講，這種應(yīng)用被劃分在轉(zhuǎn)變型加工一類，業(yè)內(nèi)一般認可的定義是，對一卷材料進行“加工”，使其變?yōu)榱硪环N形式的工藝。其中包括切割標(biāo)簽、多孔塑料、紙膜；為折疊紙盒切邊；刻劃易撕型食品袋等等。

激光加工有諸多優(yōu)勢。除了可以對新設(shè)計隨時進行數(shù)字化靈活更改外，非接觸式加工帶來的產(chǎn)能提高也是不容忽視的重要收益，尤其是如今標(biāo)簽變得越來越薄，這些工藝特點使用戶可以按照要求的深度對其進行選擇性的“吻切”。同時，激光切割加工沒有耗材（即沒有機械磨損件），工藝可重復(fù)性強（激光器不會產(chǎn)生鈍化問題）。因此，激光、數(shù)碼、非接觸式技術(shù)的性能優(yōu)勢非常令人矚目。

標(biāo)簽市場

市場分析師預(yù)計，受到新興市場以及制藥、食品/飲料容器、化妝品等終端市場的拉動，2016-2020年期間激光切割市場會出現(xiàn)6%的強勁復(fù)合年均增長率（CAGR）。雖然與預(yù)計增長較快的傳統(tǒng)機床相比，激光切割市場的增長相對較慢（小于1%），但因數(shù)碼印刷的發(fā)展和演變，預(yù)計激光切割市場會以較快的速度發(fā)展。許多公司已開始研究激光切割標(biāo)簽的優(yōu)勢。

來自英格蘭約克郡的AB Graphics (AB平面國際有限公司)就是這樣的一家企業(yè)。該公司在過去將近10年內(nèi)，開始從事激光標(biāo)簽切割設(shè)備的制造。他們看到與傳統(tǒng)機床技術(shù)相比，使用配置美國新銳（Synrad）公司的CO2 激光器的激光切割設(shè)備展現(xiàn)出明顯的加工優(yōu)勢。AB Graphics的總經(jīng)理Mike Burton表示，“如今，激光切割雖然還有許多局限，但數(shù)碼印刷的發(fā)展為激光加工開啟了機遇，因為它是小批量定制產(chǎn)品加工的理想工具?？梢酝ㄟ^網(wǎng)上接受客戶的CAD文檔設(shè)計訂單，快速地傳給數(shù)碼打印機終端，然后再進行數(shù)碼激光切割。這種端到端的數(shù)碼加工節(jié)約了換刀、換模具所需要的時間，不僅提升了加工速度，還獲得了更大的加工自由度。如果沒有激光切割機，就無法采用真正高成本效益的方法，來滿足客戶的快速換批需求。”

圖1：AB Graphics公司的Digilase系列的激光標(biāo)簽切割機。

激光加工解決方案提供了令人信服的價值主張。它可以為客戶節(jié)約數(shù)日到數(shù)周的換刀停機時間，并提供了最大的靈活性。如，最簡單的設(shè)備平板模切機床，單單是刀具加工成本就要100美元以上，新刀具的設(shè)計還需要花費數(shù)天時間。半旋轉(zhuǎn)柔性模切刀具和旋轉(zhuǎn)模切刀都面臨類似的問題，而且這些刀具的工裝成本還更昂貴。半旋轉(zhuǎn)模切刀具的加工成本要幾百美元，而且需要3-5天的交付時間。全旋轉(zhuǎn)模切刀具成本介于1000-2000美元，交付時間約2周。很顯然，交付時間長、不能滿足快速設(shè)計變更對生產(chǎn)能力造成很大的制約性。“激光設(shè)備現(xiàn)在只占到標(biāo)簽切割市場的1-2%，”Burton補充道。“這種機械式設(shè)備非常適合長時間重復(fù)加工的需要，并且成本比激光設(shè)備低4-8倍。因此，激光設(shè)備的成本并沒有體現(xiàn)出優(yōu)勢。然而，由惠普indigo數(shù)碼印刷機引領(lǐng)的數(shù)碼印刷技術(shù)革命漸漸成形并持續(xù)深化，未來幾年對于激光加工機械的需求勢必會不斷增長。” AB Graphic 公司主要設(shè)計并銷售由兩個Synrad 200W CO2 激光器進行驅(qū)動的Digilase系列的激光標(biāo)簽切割機（圖1）。

優(yōu)化標(biāo)簽的激光切割工藝

在標(biāo)簽切割應(yīng)用中，為了獲得最高的生產(chǎn)效率，盡可能讓標(biāo)簽材料吸收更多的激光能量是非常重要的。使用CO2激光器可以實現(xiàn)對大多數(shù)塑料和紙質(zhì)標(biāo)簽的高品質(zhì)切割，因為這些材料可以很好地吸收激光器生成的長波。燒焦后并散發(fā)出有害氣體的乙烯基標(biāo)簽除外。

為了進一步優(yōu)化標(biāo)簽的激光切割工藝，要考慮到某些特定的標(biāo)簽材料以及它們會如何吸收CO2 激光器發(fā)射的不同激光波長等因素。標(biāo)簽片材含有不同層的材料。有底紙背襯、膠黏劑涂層的塑料或紙質(zhì)標(biāo)簽，然后上面再敷上一層作防護的清漆或復(fù)合涂層。首先，最上面的一層會吸收最多的激光能量，因此，這一層材料的吸收特性尤為重要。例如，與常規(guī)的10.6μm激光波長相比，一般情況下聚丙烯標(biāo)簽（一般用作施膠標(biāo)簽）對10.2–10.3μm的波長具備更好的吸收性能。這樣，就可以將激光功率調(diào)整在這個水平，以提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量。

測試樣例的設(shè)置

在這個特別測試中，一款配置了Synrad專用p250 CO2 激光器的動態(tài)三軸激光打標(biāo)系統(tǒng) Flyer 3D 能夠在較大面積范圍的產(chǎn)品線上快速準(zhǔn)確的打標(biāo)。Flyer 3D子系統(tǒng)的字段大小為400 × 350mm，聚焦光斑尺寸為282μm。在高速加工時，最好配置帶有高速振鏡的掃描頭系統(tǒng)，以便對光束進行操縱和調(diào)控。X-Y繪圖機對于量產(chǎn)級的生產(chǎn)而言，其加工速度顯得太慢。另外，p250 CO2 激光器出色的穩(wěn)定性使標(biāo)簽切割深度具有優(yōu)異的一致性，因此，即便是長時間加工后，依然可以保持恒定的加工質(zhì)量。

圖2：聚丙烯（和雙向拉伸聚丙烯）標(biāo)簽用膜典型吸收曲線。

采用實驗配置，對用厚度為0.1mm的聚丙烯膜制成的Synrad標(biāo)簽片材進行切割測試。p250激光器以50kHz的脈沖寬度調(diào)制(PWM)、45%的占空比運行。這種高重復(fù)率的脈沖合并在一起，可以對材料進行連續(xù)的切割。掃描頭的平均功率為275W。在標(biāo)準(zhǔn)的10.6μm波長上，標(biāo)簽的激光切割速度為4064mm/s。由于聚丙烯標(biāo)簽材料（圖2） 的吸收率提高，當(dāng)采用10.2/10.3μm波長的激光器時，切割速度可以增加1.5倍。另外，聚丙烯層傳導(dǎo)到底紙背襯的能量損失減少，使得擦痕可以降至幾近忽略的水平。標(biāo)簽可以很容易地從背襯片材上撕下，邊緣清潔、光滑，熔融很少（圖3）。

圖3：標(biāo)簽的切割視圖（見上圖中心位置抬起的部位）。

結(jié)語

CO2 激光器展現(xiàn)了在選擇性加工應(yīng)用，如標(biāo)簽切割方面的能力。在這種情況下，需要靈活切割多種在加工過程中形狀容易變化的材料。而且，通過優(yōu)化CO2 波長使之與標(biāo)簽材料相吻合，使其與傳統(tǒng)波長為標(biāo)準(zhǔn)的10.6μm的激光系統(tǒng)相比，可以提高切割速度和質(zhì)量。這點不僅在實驗室中，而且在生產(chǎn)現(xiàn)場均得到了證實。Burton認為，對于AB
Graphics公司而言，“由于已親自見證了我們客戶在標(biāo)簽切割方面所獲得的品質(zhì)改善，我們將主要生產(chǎn)波長為10.2μm的激光切割系統(tǒng)。”

盡管本文探討了波長為10.2μm的激光器相對于10.6μm波長激光器在加工聚丙烯標(biāo)簽方面的優(yōu)勢，但值得一提的是，CO2激光器還可以在激光波長為9.3μm的條件下運行，從而能對其它類型的標(biāo)簽?zāi)げ牧线M行優(yōu)化加工，如常用于套管式標(biāo)簽的PET材料。當(dāng)激光器波長與項目特定用膜的吸收特性相契合時，便可以實現(xiàn)加工質(zhì)量和效率的最大化。