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(shù)字、文本、商標或機讀碼，比如具有高信息密度、以不同規(guī)模排列在緊密空間的數(shù)據(jù)矩陣碼。?

??????通過這種方式，高速打標可以縮短生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品。?

???? 在塑料打標的應用中，激光的潛力遠遠沒有發(fā)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(yè)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(chǎn)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(xù)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(xiàn)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(chǎn)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(chuàng)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(chǎn)生光化學反應，而沒有加熱，從而不對材料產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)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(yè)，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(yè)，如用EP做
的微電子印刷版電路。
圖4e和f：發(fā)泡工藝。用于汽車工程，如用POM生
產(chǎn)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(fā)生（碳化）。這種顏色變化的應用在美容用品等大規(guī)模生產(chǎn)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(fā)生損壞。
??????? 在發(fā)泡（Foaming）工藝中，激光將表面熔化（圖4，e和f），產(chǎn)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(shù)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?；淄苛?，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(wěn)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(shù)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(fā)泡工藝更常被用到（1064 nm的波長占有優(yōu)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(shù)，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(chǎn)程序中的一個步驟進行整合，確定了生產(chǎn)周期，以及生產(chǎn)部件的數(shù)量和質量。