激光在塑料上打標技術及應用

????? 激光是最受青睞的標識技術之一。金屬、塑料、陶瓷以及其他材料都可以用波長1064 nm（紅外線）、532nm（綠光）和355nm（紫外線）的激光輻射來打標。作為一種工具，激光可以適用于數字、文本、商標或機讀碼，比如具有高信息密度、以不同規模排列在緊密空間的數據矩陣碼。?

??????通過這種方式，高速打標可以縮短生產過程的周期時間，同時，不需要昂貴的前期工作和最后的修整工作。此外，激光器能夠很容易地整合到自動化生產線上。通過用戶友好程序界面，可以很快切換到新的加工；結果是獲得具有很好重復性以及耐老化、耐磨損的產品。?

???? 在塑料打標的應用中，激光的潛力遠遠沒有發揮出來。除了以上提到的好處之外，倍頻激光器和三倍頻激光器的日漸推廣，以及材料和工藝的組合的多樣性，正在為激光在塑料行業中的應用開拓更多新領域。?

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?????? 圖1、所謂的助聽器的冷打標——使用UV
波長直接與塑料表面產生光化學反應，而沒
有加熱材料。?

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圖2、塑料中不同的添加劑和顏料，能夠對
材料對激光的吸收起到正面影響。

??????? 精密打標
??????? 對于塑料的打標，調Q短脈沖固體激光器或者光纖激光器是常用的類型。這些激光器通常具有不到100W的平均功率，脈沖持續時間在10到100ns之間。脈沖頻率達120kHz，而在光纖激光器的案例中，甚至達1MHz。這樣，與待標識材料之間的相互作用能夠進行微調。脈沖時間短導致幾十千瓦的高脈沖峰值功率達到10W的平均值。
??????? 激光器是二極管泵浦激光器，具有高能效。它們具有很好的聚焦能力，因此非常適用于精細打標。二極管泵浦固體激光器具有很高的光束質量，使打標過程中的激光光束獲得很小的聚焦直徑。這樣，能夠在微小部件上實現小至30 m的精密打標軌道寬度。
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??????? 吸收特性的適應
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??????? 用于打標的激光器通常產生的是紅外波長范圍內的輻射。綠光激光器和紫外線激光器則針對塑料和半導體材料。在特殊的打標應用中，使用UV波長，開創了激光在塑料上打標的新的可能。短波長直接與塑料復合物產生光化學反應，而沒有加熱，從而不對材料產生破壞（圖1）；尤其是一些比較挑剔的材料，如含有阻燃劑的塑料，或者敏感的電子元件等。這些激光器在非常高的速度之下完成高對比度的打標，而不會對表面質量產生任何負面影響。?
??????? 最重要的一點是，該塑料必須很大程度地吸收激光輻射。塑料的生物大分子結構通常只吸收紫外范圍和遠紅外（IR）范圍內的光（波長10.6 m）。工程塑料中的添加劑、填料和顏料對材料的吸收特性產生很大的影響，這樣，塑料能夠更好地在近紅外范圍，或可見綠色激光范圍內吸收激光束。通過這個方法，能夠獲得更高的打標速度和更好的對比度。
??????? 一些塑料，比如聚乙烯（PE）、聚甲醛（POM）或者聚氨酯（PU），只表現出很弱的對比度（圖3）。因此，它們不能滿足激光打標的高要求。為了令這些材料在很短的加工時間內獲得耐用、高清晰、高品質的打標效果，就需要特別調配激光敏感添加劑。它們極大程度地提高了材料的標記能力。?

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???? 圖3、為了使用波長為1064 nm激光打標獲
得高對比度，特殊的激光添加劑被加入到
這些，以及其他一些材料中（如PS、PVC）。

??????? 四種工藝
??????? 一般來說，塑料可以用四種不同的方法進行打標（圖4）。?

圖4.理論上，通過四種不同的工藝，塑料能夠被打標。
圖中列舉了每種情況下的應用案例。
圖4a和b：變色工藝。用于化妝品行業，如用PE材
料做的眼線液和睫毛膏容器。
圖4c和d：雕刻工藝。用于電子元件行業，如用EP做
的微電子印刷版電路。
圖4e和f：發泡工藝。用于汽車工程，如用POM生
產的點火線圈。
圖4g和h：燒蝕工藝。用于汽車工程，如轉速表。

??????? 在變色（Discoloration）工藝中，顏色變化在材料的表面發生（碳化）。這種顏色變化的應用在美容用品等大規模生產中的系列號和批號中使用，由于是定制的，這種標識被用于防偽保護（圖4，a和b）。
??????? 雕刻（Engraving）工藝，通過熔化和氣化的方式去除材料時用到（圖4，c和d）。該工藝可以用于電子元件的標識而不會發生損壞。
??????? 在發泡（Foaming）工藝中，激光將表面熔化（圖4，e和f），產生氣泡，光在微小氣泡上反射，使標記白色可見。就像圖中在點火線圈表面看到的數字那樣。
??????? 在燒蝕（Ablation）工藝中，涂層被去掉（圖4，g和h）。該工藝主要用于開關和一些被稱為晝夜設計的操作裝置中，來獲得很高的對比度。基底涂料，或半透明基礎材料絕不能受到傷害。具有很好的脈沖，對脈沖穩定性的激光器能夠確保這一點。激光束的高度對焦能力也非常重要，以使激光燒蝕標記獲得銳利的邊緣。
??????? 每一個案例中的最佳標識方法，都是由每次標記的特殊要求、所打標的塑料，以及激光波長決定的。對大多數熱塑性塑料，會用到變色工藝。在材料顏色較暗（大部分是黑色）的案例中，發泡工藝更常被用到（1064 nm的波長占有優勢）。而熱固性塑料和彈性體主要使用雕刻工藝。
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??????? 結論
??????? 盡管激光器可廣泛地應用于打標中，但一個綜合的解決方案仍是非常獨特的。最佳的打標過程，只有通過客戶和激光器供應商之間的密切合作才能夠被驗證。諸如波長、質量（對比度、同質性、分辨率和清晰度）、打標速度，以及客戶的要求等參數，對找到最正確的激光器和最佳的設置都起到了決定性作用。這個選擇，以及它作為生產程序中的一個步驟進行整合，確定了生產周期，以及生產部件的數量和質量。