在初級加工作業(yè)中，將美國食品和藥物管理局（FDA）批準(zhǔn)的突破型添加劑與聚合物進行混合后能夠優(yōu)化塑料的激光打標(biāo)工藝。這樣做的顯著優(yōu)勢包括打標(biāo)速度快、對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比效果。設(shè)計用于經(jīng)濟實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，以實現(xiàn)高對比度的打標(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)果是在實際應(yīng)用中實現(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)動機罩組件上打標(biāo)后實現(xiàn)的白色對比度。過去，使用長脈寬激光器很難實現(xiàn)這種鮮明的對比效果。

聚合物激光打標(biāo)的反應(yīng)機理

在配制用于近紅外(NIR)激光器(波長為1060–1080nm)的激光化學(xué)添加劑的過程中所取得的進展是這些化學(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，以實現(xiàn)局部顏色的變化。而考慮到所需的打標(biāo)對比度和功能性，會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比度，這可以通過改變激光器的參數(shù)設(shè)置后得到進一步的深化。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)記的對比度。每種聚合級，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?；谔砑觿┖途酆衔铮粗亓坑嬎愕募虞d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行混合。選擇哪種添加劑進行混合取決于聚合物成分、基材顏色、所需的標(biāo)記對比色以及最終的認(rèn)證要求。針對擠出、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。激光添加劑在每個部分的均勻分布/分散是實現(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)用級管材上進行"在線飛行"激光打標(biāo)后產(chǎn)生的烏黑標(biāo)記對比度。

一些添加劑含有摻銻氧化錫和三氧化銻的混合物，會賦予天然（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。使用顏色和染料對顏色進行調(diào)整后，以實現(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。

納秒級摻鐿光纖激光器技術(shù)

激光技術(shù)領(lǐng)域的進展對于推動最新一代經(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，其光束的整個路徑是聚集在一個光纖電纜內(nèi)并通向光束輸送的光學(xué)元件。這種全光纖結(jié)構(gòu)在很大程度上促進了這類激光器的可靠性和耐用性，同時也解釋了產(chǎn)品市場份額快速增長的原因。

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)時間會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會產(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，因為沒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。對激光熱輸入以及熱輸入率進行空間和時間的局部控制能確保實現(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)的固定脈沖長度的光纖激光器時，必須設(shè)定兩個值：

1.脈沖重復(fù)率（通常被稱為脈沖頻率）；
2.以百分比計的泵浦功率—100%指的是向泵浦二級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，必須設(shè)定三個值：

1.脈沖的持續(xù)時間（通常被稱為脈沖長度）；
2.脈沖重復(fù)率（脈沖頻率）；
3. 以百分比計的泵浦功率。

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

對于以上兩項來說，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峰值，焦耳/脈沖持續(xù)時間）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，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、文本字符串的長度，字符間的間隔、條碼/數(shù)據(jù)矩陣、標(biāo)識/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”不會成為限制因素。相反，光束引導(dǎo)的電流計將在最大速度下運行。

基于影響“在線飛行”打標(biāo)生產(chǎn)能力的成因非常復(fù)雜，必須對每種應(yīng)用進行精確的檢查?？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毫米的平場透鏡、100個字母數(shù)字字符、2毫米的高度、重復(fù)文本字符串的長度為14.68英寸，以及0.232秒的打標(biāo)時間。計算出的速度大約為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)件會使激光打標(biāo)的對比度、質(zhì)量和速度呈現(xiàn)出顯著差異。一個主要屬性是標(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函數(shù)。用于任何給定的焦距透鏡和激光波長的激光聚焦光斑大小是激光光束發(fā)散度的一個函數(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)記以及實現(xiàn)最佳標(biāo)記對比度和打標(biāo)速度的關(guān)鍵參數(shù)。功率對脈沖重復(fù)率的算術(shù)曲線成反比。低頻率下的高峰值功率會迅速提升表面溫度，蒸發(fā)材料，同時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，但會傳導(dǎo)更多的熱量。此外，其它影響激光打標(biāo)的對比度和質(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行混合后能夠?qū)崿F(xiàn)卓越的激光打標(biāo)對比度、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)勢迅速抵消了增量材料的附加成本。經(jīng)濟適用型的摻鐿光纖激光器技術(shù)領(lǐng)域的進展在這方面起發(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)知識和技能。