在初級(jí)加工作業(yè)中，將美國(guó)食品和藥物管理局（FDA）批準(zhǔn)的突破型添加劑與聚合物進(jìn)行混合后能夠優(yōu)化塑料的激光打標(biāo)工藝。這樣做的顯著優(yōu)勢(shì)包括打標(biāo)速度快、對(duì)比度出色以及降低成本等。新型的化學(xué)添加劑采用"在線飛行"和二次加工手段均能夠打造出墨黑、淺色以及自定義等色彩對(duì)比效果。設(shè)計(jì)用于經(jīng)濟(jì)實(shí)惠型的摻鐿光纖激光器、如今嵌入式的無墨激光打標(biāo)都正取代傳統(tǒng)的輪轉(zhuǎn)凹印和移印工藝。

產(chǎn)品應(yīng)用

包括尼龍、聚對(duì)苯二甲酸乙酯（PET）、聚碳酸酯、聚烯烴、聚氯乙烯（PVC）、苯乙烯、熱塑性彈性體（TPUs）和熱塑性聚氨酯（TPEs）等在內(nèi)的明亮型、半透明型和不透明的有色聚合物均是使用非重金屬、以及經(jīng)FDA/歐洲食品安全局（EFSA）批準(zhǔn)的添加劑配制而成的，以實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度的打標(biāo)質(zhì)量（圖1）。聚合物的清晰度、光譜透射和基本的物理性能不會(huì)受到影響。非接觸式的數(shù)字激光打標(biāo)取代了昂貴的不干膠標(biāo)簽和油墨化學(xué)印刷工藝。其結(jié)果是在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了成本效益、環(huán)保以及卓越的美學(xué)吸引力等目標(biāo)。

圖1：使用IPG公司的YLPN高功率脈沖光纖激光器在深藍(lán)色的汽車外部/發(fā)動(dòng)機(jī)罩組件上打標(biāo)后實(shí)現(xiàn)的白色對(duì)比度。過去，使用長(zhǎng)脈寬激光器很難實(shí)現(xiàn)這種鮮明的對(duì)比效果。

聚合物激光打標(biāo)的反應(yīng)機(jī)理

在配制用于近紅外(NIR)激光器(波長(zhǎng)為1060–1080nm)的激光化學(xué)添加劑的過程中所取得的進(jìn)展是這些化學(xué)添加劑與摻鐿光纖激光器、釩酸鹽激光器和YAG激光器實(shí)現(xiàn)的兼容性。大多數(shù)聚合物在無化學(xué)添加劑的情況下不具備近紅外吸收性能，能夠使用激光器進(jìn)行打標(biāo)的聚合物是那些可以吸收激光并將其從光能轉(zhuǎn)移為熱能的聚合物。專家利用添加劑、填料、顏料和染料來提高激光能量的吸收，以實(shí)現(xiàn)局部顏色的變化。而考慮到所需的打標(biāo)對(duì)比度和功能性，會(huì)使用到截然不同的化學(xué)配方和激光光學(xué)裝置/設(shè)置參數(shù)。

最常見的表面反應(yīng)機(jī)理被稱為熱化學(xué)“碳化”或“炭化”，在此情況下，基材吸收的能量會(huì)將吸收部位周邊材料的局部溫度升高到足以引發(fā)聚合物產(chǎn)生熱降解作用的程度。打標(biāo)標(biāo)記的暗度或亮度取決于吸收的能量以及材料獨(dú)特的熱降解途徑。通過優(yōu)化激光器的設(shè)置，能夠?qū)⒈砻娴奶蓟瘹堄辔锟刂圃谧畹土俊?br />
激光添加劑

近紅外激光添加劑能夠改善對(duì)比度，這可以通過改變激光器的參數(shù)設(shè)置后得到進(jìn)一步的深化。聚合物具有能夠產(chǎn)生“深色”或“淺色”的標(biāo)記對(duì)比度的固有特性。某些含低量二氧化鈦（TiO）和炭黑的著色劑化合物也可以吸收激光，并且在特定情況下能夠改善標(biāo)記的對(duì)比度。每種聚合級(jí)，即使屬于相同的聚合系列（族），均可以產(chǎn)生不同的結(jié)果。添加劑配方絕不能具有毒性，或?qū)Ξa(chǎn)品的外觀、物理或功能特性產(chǎn)生不利的影響。

與油墨印刷工藝（移印/絲網(wǎng)印刷和噴墨印刷）相比，激光添加劑更加節(jié)省成本；另外，與非優(yōu)化型的材料相比，其打標(biāo)速度要高出20%。激光添加劑以顆粒和粉末形式供應(yīng)，顆粒產(chǎn)品可以直接與聚合物樹脂混合，而粉末形式的激光添加劑被轉(zhuǎn)換為母料。大多數(shù)的激光添加劑在聚合物中具有很好的分散性。基于添加劑和聚合物，按重量計(jì)算的加載濃度水平通常介于0.01%至4.0％的范圍內(nèi)。

顆粒型和粉末型的激光添加劑都可以與預(yù)混色材料或色母料進(jìn)行混合。選擇哪種添加劑進(jìn)行混合取決于聚合物成分、基材顏色、所需的標(biāo)記對(duì)比色以及最終的認(rèn)證要求。針對(duì)擠出、注塑和熱成型操作而言，預(yù)著色的混合材料或色母料會(huì)產(chǎn)生更好的均勻性，應(yīng)盡量避免手工攪拌（混合）。模流和澆口類型/澆口位置是重要的因素。激光添加劑在每個(gè)部分的均勻分布/分散是實(shí)現(xiàn)最佳打標(biāo)性能的關(guān)鍵。

圖2：使用FDA批準(zhǔn)的添加劑在醫(yī)用級(jí)管材上進(jìn)行"在線飛行"激光打標(biāo)后產(chǎn)生的烏黑標(biāo)記對(duì)比度。

一些添加劑含有摻銻氧化錫和三氧化銻的混合物，會(huì)賦予天然（未著色的）基材（不具透明性）一種“淺灰色”的色調(diào)。其它添加劑可能含有鋁粒子、混合金屬氧化物和專有化合物。使用顏色和染料對(duì)顏色進(jìn)行調(diào)整后，以實(shí)現(xiàn)最終的外觀配色。市售的特殊型添加劑（也可用于激光焊接）已經(jīng)獲得FDA核準(zhǔn)，可用于食品接觸或食品包裝使用（符合FDA法規(guī)21CFR178.329：用于聚合物的著色劑標(biāo)準(zhǔn)）。對(duì)于歐盟而言，也有類似的合規(guī)性聲明。聚合物類型、負(fù)載水平閾值以及直接或間接接觸等方面的認(rèn)證條件具有明確性和具體性。

納秒級(jí)摻鐿光纖激光器技術(shù)

激光技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)展對(duì)于推動(dòng)最新一代經(jīng)FDA批準(zhǔn)的激光添加劑的快速發(fā)展是尤為重要的。納秒級(jí)摻鐿光纖激光器（ytterbium fiber laser）的出現(xiàn)被視為激光打標(biāo)、激光焊接以及激光切割領(lǐng)域最顯著的進(jìn)步之一。

從根本上講，光纖激光器與其他二極管泵浦固體（DPSS）激光打標(biāo)機(jī)是不同的。使用光纖激光器，其產(chǎn)生激光束的激光介質(zhì)在專用的光纖光纜內(nèi)分散。相比之下，就光纖傳輸激光器而言，其光束的整個(gè)路徑是聚集在一個(gè)光纖電纜內(nèi)并通向光束輸送的光學(xué)元件。這種全光纖結(jié)構(gòu)在很大程度上促進(jìn)了這類激光器的可靠性和耐用性，同時(shí)也解釋了產(chǎn)品市場(chǎng)份額快速增長(zhǎng)的原因。

相比Nd:YAG激光器，光纖激光器產(chǎn)生的光束質(zhì)量和亮度更卓越。具有優(yōu)異光束質(zhì)量的激光器可以聚焦小光斑尺寸，從而導(dǎo)致高能量密度。脈沖能量高達(dá)1mJ以及具有高功率密度的固定和可變脈沖主振蕩器功率放大器（MOPA）光纖激光器能夠?qū)υS多傳統(tǒng)意義上看似難以加工的聚合物進(jìn)行激光打標(biāo)。釩酸鹽激光器的光束品質(zhì)因子也很小，并且其脈沖寬度要比固定光纖激光器和YAG激光器更短。脈沖持續(xù)時(shí)間會(huì)影響材料的熱度和碳化程度。短脈沖（通常小于40ns）在加工敏感型的聚合物材料時(shí)會(huì)產(chǎn)生更多的受控能量。這些脈沖仍具有能夠克服材料閾值的峰值功率，并且其較低的脈沖能量能夠降低局部的熱損傷。

作為全球高性能光纖激光器的領(lǐng)先開發(fā)商和制造商，IPG Photonics公司提供YLP系列固定脈沖光纖激光器（有時(shí)被稱為“調(diào)Q”激光器）以及可變短脈沖YLPN（MOPA）光纖激光器。脈沖寬度通常為100-120ns的調(diào)Q光纖激光器被用于某些打標(biāo)應(yīng)用，但基于調(diào)Q技術(shù)固有的約束導(dǎo)致其脈沖重復(fù)率被限制在80kHz左右。直接調(diào)制MOPA（DMMOPA）光纖激光器在納秒級(jí)脈寬下的脈沖重復(fù)率可高達(dá)500kHz。高重復(fù)率往往轉(zhuǎn)化為更快的打標(biāo)速度（與其他激光/波導(dǎo)參數(shù)一起使用）。

激光應(yīng)用的開發(fā)是非常具體化的，因?yàn)闆]有一種通用型的激光解決方案。短脈沖式的MOPA光纖激光器能夠充分利用經(jīng)FDA批準(zhǔn)的敏感型化學(xué)添加劑的性能。對(duì)激光熱輸入以及熱輸入率進(jìn)行空間和時(shí)間的局部控制能確保實(shí)現(xiàn)最大的性能。選擇集成哪種激光器類型是由與優(yōu)化型聚合物材料進(jìn)行交互的激光器的輸出特性決定的。圖3代表的是固定和可變式的（MOPA）脈沖長(zhǎng)度的摻鐿光纖激光器。

當(dāng)設(shè)置一款用于打標(biāo)作業(yè)的固定脈沖長(zhǎng)度的光纖激光器時(shí)，必須設(shè)定兩個(gè)值：

1.脈沖重復(fù)率（通常被稱為脈沖頻率）；
2.以百分比計(jì)的泵浦功率—100%指的是向泵浦二級(jí)管輸入的最大電氣值。

當(dāng)設(shè)置一款可變型短脈沖MOPA光纖激光器時(shí)，必須設(shè)定三個(gè)值：

1.脈沖的持續(xù)時(shí)間（通常被稱為脈沖長(zhǎng)度）；
2.脈沖重復(fù)率（脈沖頻率）；
3. 以百分比計(jì)的泵浦功率。

圖3：IPG推出的脈沖長(zhǎng)度為100 ns(a)的固定脈沖光纖激光器以及另一款脈沖長(zhǎng)度為4ns(b)的MOPA光纖激光器短暫的脈沖形狀。

對(duì)于以上兩項(xiàng)來說，參數(shù)輸入的特定組合控制激光束的輸出特性，即脈沖能量、峰值功率（脈沖能量的最高瞬時(shí)峰值，焦耳/脈沖持續(xù)時(shí)間）和平均功率[平均功率（W）=脈沖能量（J）x 脈沖重復(fù)率（Hz）]

“在線飛行”激光打標(biāo)

“在線飛行”激光打標(biāo)是最為專業(yè)化的一種激光應(yīng)用技術(shù)，主要被用于電線/電纜、管狀物和管道等模制和擠壓產(chǎn)品。聚烯烴合成酒瓶塞子以及無底紙的飲料瓶蓋上的蓋帽促銷的字母數(shù)字文本和圖形（圖4）的打標(biāo)速度能達(dá)到2000件/分鐘。文本和機(jī)器視覺編碼的線性打標(biāo)速度能達(dá)到152.4米/分鐘甚至更快，如今，無墨激光打標(biāo)正在取代傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)凹印和移印工藝。

圖4：用于聚烯烴合成酒瓶塞子以及無底紙的飲料瓶蓋上的蓋帽促銷的“在線飛行”激光打標(biāo)速度高達(dá)2000件/分鐘。

打標(biāo)速度是函數(shù)中諸多變量因素中的一個(gè)，這些變量包括聚合物類型、基材顏色、激光添加劑類型和負(fù)載水平、電纜尺寸（重量）、激光器類型和功率、軟件、文字?jǐn)?shù)字式字符的數(shù)量、文字高度、文本字符串的長(zhǎng)度，字符間的間隔、條碼/數(shù)據(jù)矩陣、標(biāo)識(shí)/圖形、single-stroke或true-type填充字體、填充方向、連續(xù)或重復(fù)的文字。使用調(diào)配合適的添加劑著色劑將確保標(biāo)記表面的“功率密度”不會(huì)成為限制因素。相反，光束引導(dǎo)的電流計(jì)將在最大速度下運(yùn)行。

基于影響“在線飛行”打標(biāo)生產(chǎn)能力的成因非常復(fù)雜，必須對(duì)每種應(yīng)用進(jìn)行精確的檢查?？梢酝茢嗟囊?guī)則，即便存在也是鮮有的。然而，對(duì)于一般用途，可以考慮以下的尼龍聚合物的示例：其涉及到一款50W功率的光纖激光器、254毫米的平場(chǎng)透鏡、100個(gè)字母數(shù)字字符、2毫米的高度、重復(fù)文本字符串的長(zhǎng)度為14.68英寸，以及0.232秒的打標(biāo)時(shí)間。計(jì)算出的速度大約為315線英尺/分鐘。

激光裝備系統(tǒng)

激光器制造商在其激光系統(tǒng)中所融入的硬件和軟件構(gòu)件會(huì)使激光打標(biāo)的對(duì)比度、質(zhì)量和速度呈現(xiàn)出顯著差異。一個(gè)主要屬性是標(biāo)記表面（這不同于激光器的原始輸出功率）的功率密度(W/cm2)。激光束的輸出模式對(duì)于打標(biāo)性能而言尤為重要。這些輸出模式涉及的因素包括穿過激光束直徑范圍的光束的發(fā)散度與功率分布。

功率密度是表示激光聚焦光斑大小的一個(gè)函數(shù)。用于任何給定的焦距透鏡和激光波長(zhǎng)的激光聚焦光斑大小是激光光束發(fā)散度的一個(gè)函數(shù)，它是由激光器的設(shè)置、所選擇的孔徑尺寸以及光束擴(kuò)展器的放大率等參數(shù)控制的。脈沖重復(fù)率和峰值功率密度是形成標(biāo)記以及實(shí)現(xiàn)最佳標(biāo)記對(duì)比度和打標(biāo)速度的關(guān)鍵參數(shù)。功率對(duì)脈沖重復(fù)率的算術(shù)曲線成反比。低頻率下的高峰值功率會(huì)迅速提升表面溫度，蒸發(fā)材料，同時(shí)將最小的熱能引入基材中。隨著脈沖重復(fù)率的增加，較低的峰值功率產(chǎn)生最小的蒸發(fā)率，但會(huì)傳導(dǎo)更多的熱量。此外，其它影響激光打標(biāo)的對(duì)比度和質(zhì)量的因素當(dāng)然還包括光束速度和矢量線間隔距離。

結(jié)語

將經(jīng)由FDA批準(zhǔn)的突破型添加劑與聚合物進(jìn)行混合后能夠?qū)崿F(xiàn)卓越的激光打標(biāo)對(duì)比度、打標(biāo)速度以及突顯邊緣線條的細(xì)節(jié)感。摻入激光添加劑的產(chǎn)品能夠提升20%的打標(biāo)速度。這些優(yōu)勢(shì)迅速抵消了增量材料的附加成本。經(jīng)濟(jì)適用型的摻鐿光纖激光器技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)展在這方面起發(fā)揮重要作用。嵌入式的在線飛行激光打標(biāo)技術(shù)如今正取代了傳統(tǒng)的輪轉(zhuǎn)凹印和移印工藝。優(yōu)化塑料激光打標(biāo)在材料科學(xué)方面的化學(xué)機(jī)理要求掌握聚合物、著色劑、顏料、染料溶解度、顆粒大小、閾值濃度極限、色彩搭配以及監(jiān)管認(rèn)證等領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)和技能。