激光在塑料上打标技术及应用

激光在塑料上打标技术及应用

      激光是最受青睐的标识技术之一。金属、塑料、陶瓷以及其他材料都可以用波长1064 nm（红外线）、532nm（绿光）和355nm（紫外线）的激光辐射来打标。作为一种工具，激光可以适用于数字、文本、商标或机读码，比如具有高信息密度、以不同规模排列在紧密空间的数据矩阵码。 

      通过这种方式，高速打标可以缩短生产过程的周期时间，同时，不需要昂贵的前期工作和最后的修整工作。此外，激光器能够很容易地整合到自动化生产线上。通过用户友好程序界面，可以很快切换到新的加工；结果是获得具有很好重复性以及耐老化、耐磨损的产品。 

     在塑料打标的应用中，激光的潜力远远没有发挥出来。除了以上提到的好处之外，倍频激光器和三倍频激光器的日渐推广，以及材料和工艺的组合的多样性，正在为激光在塑料行业中的应用开拓更多新领域。 

       图1、所谓的助听器的冷打标——使用UV
波长直接与塑料表面产生光化学反应，而没
有加热材料。 

图2、塑料中不同的添加剂和颜料，能够对
材料对激光的吸收起到正面影响。

        精密打标
        对于塑料的打标，调Q短脉冲固体激光器或者光纤激光器是常用的类型。这些激光器通常具有不到100W的平均功率，脉冲持续时间在10到100ns之间。脉冲频率达120kHz，而在光纤激光器的案例中，甚至达1MHz。这样，与待标识材料之间的相互作用能够进行微调。脉冲时间短导致几十千瓦的高脉冲峰值功率达到10W的平均值。
        激光器是二极管泵浦激光器，具有高能效。它们具有很好的聚焦能力，因此非常适用于精细打标。二极管泵浦固体激光器具有很高的光束质量，使打标过程中的激光光束获得很小的聚焦直径。这样，能够在微小部件上实现小至30 m的精密打标轨道宽度。
        
        吸收特性的适应
        
        用于打标的激光器通常产生的是红外波长范围内的辐射。绿光激光器和紫外线激光器则针对塑料和半导体材料。在特殊的打标应用中，使用UV波长，开创了激光在塑料上打标的新的可能。短波长直接与塑料复合物产生光化学反应，而没有加热，从而不对材料产生破坏（图1）；尤其是一些比较挑剔的材料，如含有阻燃剂的塑料，或者敏感的电子元件等。这些激光器在非常高的速度之下完成高对比度的打标，而不会对表面质量产生任何负面影响。 
        最重要的一点是，该塑料必须很大程度地吸收激光辐射。塑料的生物大分子结构通常只吸收紫外范围和远红外（IR）范围内的光（波长10.6 m）。工程塑料中的添加剂、填料和颜料对材料的吸收特性产生很大的影响，这样，塑料能够更好地在近红外范围，或可见绿色激光范围内吸收激光束。通过这个方法，能够获得更高的打标速度和更好的对比度。
        一些塑料，比如聚乙烯（PE）、聚甲醛（POM）或者聚氨酯（PU），只表现出很弱的对比度（图3）。因此，它们不能满足激光打标的高要求。为了令这些材料在很短的加工时间内获得耐用、高清晰、高品质的打标效果，就需要特别调配激光敏感添加剂。它们极大程度地提高了材料的标记能力。 

     图3、为了使用波长为1064 nm激光打标获
得高对比度，特殊的激光添加剂被加入到
这些，以及其他一些材料中（如PS、PVC）。

        四种工艺
        一般来说，塑料可以用四种不同的方法进行打标（图4）。 

图4.理论上，通过四种不同的工艺，塑料能够被打标。
图中列举了每种情况下的应用案例。
图4a和b：变色工艺。用于化妆品行业，如用PE材
料做的眼线液和睫毛膏容器。
图4c和d：雕刻工艺。用于电子元件行业，如用EP做
的微电子印刷版电路。
图4e和f：发泡工艺。用于汽车工程，如用POM生
产的点火线圈。
图4g和h：烧蚀工艺。用于汽车工程，如转速表。

        在变色（Discoloration）工艺中，颜色变化在材料的表面发生（碳化）。这种颜色变化的应用在美容用品等大规模生产中的系列号和批号中使用，由于是定制的，这种标识被用于防伪保护（图4，a和b）。
        雕刻（Engraving）工艺，通过熔化和气化的方式去除材料时用到（图4，c和d）。该工艺可以用于电子元件的标识而不会发生损坏。
        在发泡（Foaming）工艺中，激光将表面熔化（图4，e和f），产生气泡，光在微小气泡上反射，使标记白色可见。就像图中在点火线圈表面看到的数字那样。
        在烧蚀（Ablation）工艺中，涂层被去掉（图4，g和h）。该工艺主要用于开关和一些被称为昼夜设计的操作装置中，来获得很高的对比度。基底涂料，或半透明基础材料绝不能受到伤害。具有很好的脉冲，对脉冲稳定性的激光器能够确保这一点。激光束的高度对焦能力也非常重要，以使激光烧蚀标记获得锐利的边缘。
        每一个案例中的最佳标识方法，都是由每次标记的特殊要求、所打标的塑料，以及激光波长决定的。对大多数热塑性塑料，会用到变色工艺。在材料颜色较暗（大部分是黑色）的案例中，发泡工艺更常被用到（1064 nm的波长占有优势）。而热固性塑料和弹性体主要使用雕刻工艺。
        
        结论
        尽管激光器可广泛地应用于打标中，但一个综合的解决方案仍是非常独特的。最佳的打标过程，只有通过客户和激光器供应商之间的密切合作才能够被验证。诸如波长、质量（对比度、同质性、分辨率和清晰度）、打标速度，以及客户的要求等参数，对找到最正确的激光器和最佳的设置都起到了决定性作用。这个选择，以及它作为生产程序中的一个步骤进行整合，确定了生产周期，以及生产部件的数量和质量。