光纤激光器实现高级塑料的打标

　　在初级加工作业中，将美国食品和药物管理局（FDA）批准的突破型添加剂与聚合物进行混合后能够优化塑料的激光打标工艺。这样做的显著优势包括打标速度快、对比度出色以及降低成本等。新型的化学添加剂采用"在线飞行"和二次加工手段均能够打造出墨黑、浅色以及自定义等色彩对比效果。设计用于经济实惠型的掺镱光纤激光器、如今嵌入式的无墨激光打标都正取代传统的轮转凹印和移印工艺。

　　产品应用

　　包括尼龙、聚对苯二甲酸乙酯（PET）、聚碳酸酯、聚烯烃、聚氯乙烯（PVC）、苯乙烯、热塑性弹性体（TPUs）和热塑性聚氨酯（TPEs）等在内的明亮型、半透明型和不透明的有色聚合物均是使用非重金属、以及经FDA/欧洲食品安全局（EFSA）批准的添加剂配制而成的，以实现高对比度的打标质量（图1）。聚合物的清晰度、光谱透射和基本的物理性能不会受到影响。非接触式的数字激光打标取代了昂贵的不干胶标签和油墨化学印刷工艺。其结果是在实际应用中实现了成本效益、环保以及卓越的美学吸引力等目标。

　　聚合物激光打标的反应机理

　　在配制用于近红外(NIR)激光器(波长为1060–1080nm)的激光化学添加剂的过程中所取得的进展是这些化学添加剂与掺镱光纤激光器、钒酸盐激光器和YAG激光器实现的兼容性。大多数聚合物在无化学添加剂的情况下不具备近红外吸收性能，能够使用激光器进行打标的聚合物是那些可以吸收激光并将其从光能转移为热能的聚合物。专家利用添加剂、填料、颜料和染料来提高激光能量的吸收，以实现局部颜色的变化。而考虑到所需的打标对比度和功能性，会使用到截然不同的化学配方和激光光学装置/设置参数。

　　最常见的表面反应机理被称为热化学“碳化”或“炭化”，在此情况下，基材吸收的能量会将吸收部位周边材料的局部温度升高到足以引发聚合物产生热降解作用的程度。打标标记的暗度或亮度取决于吸收的能量以及材料独特的热降解途径。通过优化激光器的设置，能够将表面的碳化残余物控制在最低量。

　　激光添加剂

　　近红外激光添加剂能够改善对比度，这可以通过改变激光器的参数设置后得到进一步的深化。聚合物具有能够产生“深色”或“浅色”的标记对比度的固有特性。某些含低量二氧化钛（TiO）和炭黑的着色剂化合物也可以吸收激光，并且在特定情况下能够改善标记的对比度。每种聚合级，即使属于相同的聚合系列（族），均可以产生不同的结果。添加剂配方绝不能具有毒性，或对产品的外观、物理或功能特性产生不利的影响。

　　与油墨印刷工艺（移印/丝网印刷和喷墨印刷）相比，激光添加剂更加节省成本；另外，与非优化型的材料相比，其打标速度要高出20%。激光添加剂以颗粒和粉末形式供应，颗粒产品可以直接与聚合物树脂混合，而粉末形式的激光添加剂被转换为母料。大多数的激光添加剂在聚合物中具有很好的分散性。基于添加剂和聚合物，按重量计算的加载浓度水平通常介于0.01%至4.0％的范围内。

　　颗粒型和粉末型的激光添加剂都可以与预混色材料或色母料进行混合。选择哪种添加剂进行混合取决于聚合物成分、基材颜色、所需的标记对比色以及最终的认证要求。针对挤出、注塑和热成型操作而言，预着色的混合材料或色母料会产生更好的均匀性，应尽量避免手工搅拌（混合）。模流和浇口类型/浇口位置是重要的因素。激光添加剂在每个部分的均匀分布/分散是实现最佳打标性能的关键。

　　一些添加剂含有掺锑氧化锡和三氧化锑的混合物，会赋予天然（未着色的）基材（不具透明性）一种“浅灰色”的色调。其它添加剂可能含有铝粒子、混合金属氧化物和专有化合物。使用颜色和染料对颜色进行调整后，以实现最终的外观配色。市售的特殊型添加剂（也可用于激光焊接）已经获得FDA核准，可用于食品接触或食品包装使用（符合FDA法规21CFR178.329：用于聚合物的着色剂标准）。对于欧盟而言，也有类似的合规性声明。聚合物类型、负载水平阈值以及直接或间接接触等方面的认证条件具有明确性和具体性。

　　纳秒级掺镱光纤激光器技术

　　激光技术领域的进展对于推动最新一代经FDA批准的激光添加剂的快速发展是尤为重要的。纳秒级掺镱光纤激光器（ytterbium fiber laser）的出现被视为激光打标、激光焊接以及激光切割领域最显著的进步之一。

　　从根本上讲，光纤激光器与其他二极管泵浦固体（DPSS）激光打标机是不同的。使用光纤激光器，其产生激光束的激光介质在专用的光纤光缆内分散。相比之下，就光纤传输激光器而言，其光束的整个路径是聚集在一个光纤电缆内并通向光束输送的光学元件。这种全光纤结构在很大程度上促进了这类激光器的可靠性和耐用性，同时也解释了产品市场份额快速增长的原因。

　　相比Nd:YAG激光器，光纤激光器产生的光束质量和亮度更卓越。具有优异光束质量的激光器可以聚焦小光斑尺寸，从而导致高能量密度。脉冲能量高达1mJ以及具有高功率密度的固定和可变脉冲主振荡器功率放大器（MOPA）光纤激光器能够对许多传统意义上看似难以加工的聚合物进行激光打标。钒酸盐激光器的光束品质因子也很小，并且其脉冲宽度要比固定光纤激光器和YAG激光器更短。脉冲持续时间会影响材料的热度和碳化程度。短脉冲（通常小于40ns）在加工敏感型的聚合物材料时会产生更多的受控能量。这些脉冲仍具有能够克服材料阈值的峰值功率，并且其较低的脉冲能量能够降低局部的热损伤。

　　作为全球高性能光纤激光器的领先开发商和制造商，IPG Photonics公司提供YLP系列固定脉冲光纤激光器（有时被称为“调Q”激光器）以及可变短脉冲YLPN（MOPA）光纤激光器。脉冲宽度通常为100-120ns的调Q光纤激光器被用于某些打标应用，但基于调Q技术固有的约束导致其脉冲重复率被限制在80kHz左右。直接调制MOPA（DMMOPA）光纤激光器在纳秒级脉宽下的脉冲重复率可高达500kHz。高重复率往往转化为更快的打标速度（与其他激光/波导参数一起使用）。

　　激光应用的开发是非常具体化的，因为没有一种通用型的激光解决方案。短脉冲式的MOPA光纤激光器能够充分利用经FDA批准的敏感型化学添加剂的性能。对激光热输入以及热输入率进行空间和时间的局部控制能确保实现最大的性能。选择集成哪种激光器类型是由与优化型聚合物材料进行交互的激光器的输出特性决定的。图3代表的是固定和可变式的（MOPA）脉冲长度的掺镱光纤激光器。

　　当设置一款用于打标作业的固定脉冲长度的光纤激光器时，必须设定两个值：

　　1.脉冲重复率（通常被称为脉冲频率）；

　　2.以百分比计的泵浦功率—100%指的是向泵浦二级管输入的最大电气值。

　　当设置一款可变型短脉冲MOPA光纤激光器时，必须设定三个值：

　　1.脉冲的持续时间（通常被称为脉冲长度）；

　　2.脉冲重复率（脉冲频率）；

　　3. 以百分比计的泵浦功率。

　　对于以上两项来说，参数输入的特定组合控制激光束的输出特性，即脉冲能量、峰值功率（脉冲能量的最高瞬时峰值，焦耳/脉冲持续时间）和平均功率[平均功率（W）=脉冲能量（J）x 脉冲重复率（Hz）]

　　“在线飞行”激光打标

　　“在线飞行”激光打标是最为专业化的一种激光应用技术，主要被用于电线/电缆、管状物和管道等模制和挤压产品。聚烯烃合成酒瓶塞子以及无底纸的饮料瓶盖上的盖帽促销的字母数字文本和图形（图4）的打标速度能达到2000件/分钟。文本和机器视觉编码的线性打标速度能达到152.4米/分钟甚至更快，如今，无墨激光打标正在取代传统的旋转凹印和移印工艺。

　　打标速度是函数中诸多变量因素中的一个，这些变量包括聚合物类型、基材颜色、激光添加剂类型和负载水平、电缆尺寸（重量）、激光器类型和功率、软件、文字数字式字符的数量、文字高度、文本字符串的长度，字符间的间隔、条码/数据矩阵、标识/图形、single-stroke或true-type填充字体、填充方向、连续或重复的文字。使用调配合适的添加剂着色剂将确保标记表面的“功率密度”不会成为限制因素。相反，光束引导的电流计将在最大速度下运行。

　　基于影响“在线飞行”打标生产能力的成因非常复杂，必须对每种应用进行精确的检查。可以推断的规则，即便存在也是鲜有的。然而，对于一般用途，可以考虑以下的尼龙聚合物的示例：其涉及到一款50W功率的光纤激光器、254毫米的平场透镜、100个字母数字字符、2毫米的高度、重复文本字符串的长度为14.68英寸，以及0.232秒的打标时间。计算出的速度大约为315线英尺/分钟。

　　激光装备系统

　　激光器制造商在其激光系统中所融入的硬件和软件构件会使激光打标的对比度、质量和速度呈现出显著差异。一个主要属性是标记表面（这不同于激光器的原始输出功率）的功率密度(W/cm2)。激光束的输出模式对于打标性能而言尤为重要。这些输出模式涉及的因素包括穿过激光束直径范围的光束的发散度与功率分布。

　　功率密度是表示激光聚焦光斑大小的一个函数。用于任何给定的焦距透镜和激光波长的激光聚焦光斑大小是激光光束发散度的一个函数，它是由激光器的设置、所选择的孔径尺寸以及光束扩展器的放大率等参数控制的。脉冲重复率和峰值功率密度是形成标记以及实现最佳标记对比度和打标速度的关键参数。功率对脉冲重复率的算术曲线成反比。低频率下的高峰值功率会迅速提升表面温度，蒸发材料，同时将最小的热能引入基材中。随着脉冲重复率的增加，较低的峰值功率产生最小的蒸发率，但会传导更多的热量。此外，其它影响激光打标的对比度和质量的因素当然还包括光束速度和矢量线间隔距离。

　　结语

　　将经由FDA批准的突破型添加剂与聚合物进行混合后能够实现卓越的激光打标对比度、打标速度以及突显边缘线条的细节感。掺入激光添加剂的产品能够提升20%的打标速度。这些优势迅速抵消了增量材料的附加成本。经济适用型的掺镱光纤激光器技术领域的进展在这方面起发挥重要作用。嵌入式的在线飞行激光打标技术如今正取代了传统的轮转凹印和移印工艺。优化塑料激光打标在材料科学方面的化学机理要求掌握聚合物、着色剂、颜料、染料溶解度、颗粒大小、阈值浓度极限、色彩搭配以及监管认证等领域的专业知识和技能。