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激光塑料印标技术

本文摘自美国Plastics Technology杂志

　　 带有激光印标的装饰性热塑性塑料比十年以前预期的花费了更长的时间才得到人们的认可。尽管如此，激光技术已经在一些应用中取代了油墨印标技术(如压印和喷墨印刷)，情况已有所改变。

　 　目前所谓的“非美学”应用估计占塑料激光印标的90%。有的印标用二 氧化碳激光机制作,涉及零件型号、制造日期以及有效期。通常这些印标在透明或浅色背景上是黑色的字母和数字，或在黑色背景上是纯白印标。

　 　“美学”激光印标占市场的10%，在代替油墨技术方面有很大的发展潜力。这是黑色工程塑料上的典型白色印标，用固态Nd∶YAG激光机印制，这种激光机很容易编程，合用于在任意形状上的制品作清楚的印标。
　 　激光印标已经成功商业化的应用涉及商业机器用的ABS键盘、HDPE、PP、PET 和PVC 刚性容器和容器盖;尼龙和PBT汽车和非汽车用电器连接件，发动机罩元件如保险盒和气帽。尚有其他的应用，涉及牛和猪用的TPE耳签，电器件如清洗和干燥设备上的HDPE开关按钮，PVC管件如接头和管件。
　 　而刚开始的应用涉及灯开关盖，化妆品包装材料，汽车内部按钮和门把手、仪表板。在最近几年，后者已经成为一个重要的应用市场。
　 　 在最近十年，计算机程序化的激光印标设备的技术进步随着着更多品种的可激光印标树脂的开发，专门制作的着色剂和包装用的添加剂可用于各种各样的塑料中，如聚烯烃、ABS、PVC、聚酯、聚碳酸酯、尼龙、聚甲醛和热塑性弹体。
　 　现在的激光印标塑料对比度高，有时，与其说是黑色与白色，不如说是一个对比的色彩。甚至浓暗对比度也成为也许。据塑料激光设备的重要供应商Rofin-Baasel的市场经理Patrick Schlather介绍，这些色彩变化多样，是流行趋势之一，这种趋势正使人们对激光装饰塑料产生更大的爱好。
　 　激光印标的应用涉及灯开关盖，化妆品包装材料，汽车内部按钮和门把手、仪表板。在最近几年，后者已经成为一个重要的应用市场，同时也满足了在甚至更小的塑料制件上印制大量数据的发展需要。例如，数据密度10倍于传统条形码的二维条形码已经被研究出来。与以前使用的条形码相比，印制二维条形码规定更精确，清楚度更高。据Schlather介绍，激光印标满足了这些规定，在0.001英寸的范围内, 点的尺寸和位置可以反复 — 这些性能是压印或油墨印刷机难以实现的。
　 　环境问题是激光印标发展的另一个驱动力。激光印标不用油墨或溶剂，也不需用像油墨印标技术那样的高强度能量干燥过程。Schlather说，对一个三班倒的印标生产来讲，油墨和化学品花费在20230～40000美元，而印制盘子要花费100000美元/每年或更多。而相比之下，一台三班倒的激光印标设备每年用电花费少于3000美元，其他的消耗如灯管和过滤器花费在3500美元以下。
　 　印标设备基础
　 　尽管现有的用于装饰塑料的激光光源很多，但是密封的二氧化碳激光器是目前使用得最广泛的，另一方面是灯管泵送的固态Nd∶YAG激光器和近年来的二极管泵送的Nd∶YAG器。
　 　大多数激光设备都采用高速光束控制的检流计印标技术。这种控制设备用两台计算机控制的可以在X或Y方向移动的镜子或检流计扫描激光光束。“当编好程序的 激光途径完毕时，新的制件入位，反复着这种循环。由于激光模式完全存在于软件之中，因此工具或蒙片都不需要了。”
　 　 允许带有旋转光束控制的塑料印标的软件也有好几家激光设备供应商供应。这种设备本质上是采用相同的技术，但合用于连续转动的生产如输送带或基材转换，Barbero解释到，“这种设备的优点是它可以被很容易地改装到现有的生产线，使生产率达成最大值。编码反馈给计算机，计算机进行适当的调整，实时跟踪移动的目的。”Schlather接着说道，“目前的设备采用简朴明了的图形生成软件，这种软件很容易编好程序，在各个和每个旋转的制件上印制单一的数据。”
　 　近几年来，激光印标的程序化、标准化和排除故障性能更容易了，印标速度也得到很大提高。Barbero说，“当今的软件合用于每秒钟超过400个字的印制，而2023前每秒钟只能印制40个。”大多数激光机软件有能力印制串行和多型号的条形码以及任意型号(涉及公司标志)的文本。用Window基的“帮助”选项，激光印标供应商增长了服务和标准化技术以及故障清除软件。
　 　另一项进展是用一种激光光源可以同步印制两个制件。外加一种变形头和一台程序化的光束分离器，用相同的信息，一台激光机可同时印制两个零件。Schlather指出，这种类型的设备可用于不移动制件的较大面积或大量制件的印制。
　 　 在不断流行的二氧化碳激光设备方面费用是一个关键因素。一整套二氧化碳交钥匙设备售价在25000～35000美元之间，而一台电子管泵送或二极管泵送的Nd∶YAG设备售价在60000～75000美元之间。
　 　二氧化碳激光机蚀刻塑料表面，通过蒸发清理材料，得到的是对比的印标，但很少或几乎没有真正的颜色变化。适宜于采用二氧化碳激光机印制的塑料有PVC、ABS和大多数聚酯。云母填充的商用树脂如PP用二氧化碳激光机标记时产生起霜的灰白印标。尽管二氧化碳机的输出功率可以达成200W，但用于印标塑料最通用的范围是10～25W，有时是50W。
　 　在瓶装生产线编码过程中，速度是关键，或者还需要大的字母，一般要使用二氧化碳激光机。FOBA北美激光设备集团的总裁和首席执行官Steve Bone说，二氧化碳机使用基体原模印标比Nd∶YAG机快2倍，尽管仅仅快零点几秒。
　 　“现在的激光印标塑料对比度高，有时，与其说是黑色与白色，不如说是一个对比的色彩，甚至浓暗对比度也成为也许。”
　 　Control Microsystems公司的重要市场重点一直是汽车发动机罩和电子/电器件, 　 　该公司的Stevenson说，考虑一种塑料的印标，一方面要尽量用二氧化碳激光机来印制。“假如不能得到规定的对比度或得到过量的熔融，再去选择YAG激光机。”
　 　 固态Nd∶YAG激光机加热塑料会引起热化学反映（如发泡)，也会产生更多的颜色变化。由于这种激光机产生的激光的波长较短，因此能得到较高的清楚度。波长越短，塑料基体感应的热量越少(冷印)。FOBA的Bone说，用于塑料印标的100瓦Nd∶YAG设备是目前流行的(由于其产量高)，但是输出功率在30～50W的设备也有。YAG激光机一般被用于零件的高质量印标，如电子连接器，发动机罩元件，锁帽和外科手术设备。
　 　Rofin-Baasel的Schlather建议加工者考虑购买固态激光机时要了解所需要的生产量和印标的美学规定。例如，假如想要高对比度的、表面没有测量的到的中断印标，那么高频的激光机性能最佳。但是，这取决于设备的低输出功率是否适合你的生产率规定。
　 　尚有一种新型的二极管，功率在3～100W之间，可以用二极管作为激光 机灯源替代电子管泵设备的电子管。据说二极管比电子管结构紧凑50%，能量效用提高20%～30%。电子管设备需要水冷，而二极管类型需水冷或风冷。电子管一般需要每1000小时更换一次，二极管的使用寿命则达10000小时。不利条件是二极管相对来说比较新并且较昂贵。例如，FOBA50W的二极管泵激光机比100W的电子管设备贵10%。但FOBA预计二极管设备的价格在以后几个月也许下降，并且它们最终将替代电子管泵设备。
　 　“环境问题是激光印标发展的另一个驱动力。激光印标不用油墨或溶剂，也不需用像油墨印标技术那样的高强度能量干燥过程。”
　 　 Rofin-Baasel的Schlather总结YAG类型的选择∶“假如要每600～800小时进行维修，那么电子管泵投资最少，但可以得到最大的生产率。假如用3～60W的二极管泵设备可以完毕希望的印标，那么二极管泵设备在5年内成本将少于电子管泵设备。”
　 　用于激光器的配方
　 　 假如用对的选择的添加剂配方，FOBA的Bone说，几乎任何一种塑料都能被任何型号的激光机印标。配方或母料的供应商需要了解树脂、最终应用、需要的图标类型。例如，一些塑料如高密度聚乙烯和聚碳酸酯在有些颜色上用YAG激光器不用任何添加剂就可以印制得很好。另一方面，二氧化碳激光机在印制这两种塑料时没有特殊添加剂就印得不好.
　 　现有技术的限制是得到调好色的激光印标的能力有限，并且激光优选的塑料成本也高于市面价格的10%～15%，有时更高。
　 　 Clariant集团母料技术发展部主任Bill Blasius认可，激光印标在颜料选择和颜色透明度上受到限制。他说，“在如何使用颜料和添加剂方面我们比十年前懂得更多。我们希望使用激光灯时能充足运用化学反映，这种化学反映发生在特殊的树脂和某些添加剂和颜料之间。”
　 　由于复配技术的发展，我们可以在黑色或蓝色的乙酸醛共聚物上得到近乎白色的印标，或者在黑色的ABS上得到纯白色的印标。用特殊的配方和激光机参数，我们甚至可以得到调好的颜色。Schlather解释说，“用这种方式，蚀刻的激光印标可以被调成Pantone， Munsell或其他工业标准。树脂中的颜料决定颜色和色相，而激光机决定强度或浓度。”许多激光印标颜色/添加剂以表面通过解决的云母为基础，如EM工业公司配制的流行的Afflair和Laser Flair配方。但其他添加剂如铜和锑也用于专利配方中。
　 　 “尽管现有的用于装饰塑料的激光光源很多，但是密封的二氧化碳激光器是目前使用得最广泛的，另一方面是灯管泵送的固态Nd∶YAG激光器和近年来的二极管泵送的Nd∶YAG器。”
　 　生产可用于激光印标的塑料的公司有BASF，Bayer，Ticona和RTP等公司。用于激光印标的特殊颜料和添加剂母料的重要供应商是Clariant和PolyOne。
　 　一方面集中看汽车件，Ticona引进两种可激光印标的黑色乙酸醛共聚物，Celcon LM90和LM90Z。LM90用于印制发动机罩和燃料设备元件，LM90Z是内饰件的UV稳定型，如用于扬声器格栅和释放杆。Tom Miller的汽车营销经理说，专利技术的添加剂最适合于Nd∶YAG激光机。
　 　 Ticona的最新研究产品是Celcon UV140LG，据说这是最早的低光泽激光印标用的乙酸醛共聚物。它也有抗紫外线的作用。在2023和2023模型年汽车展上，它重要用于收音机的按钮、危险信号灯和巡航控制器上。Ticona也提供可激光印标的光滑、玻璃纤维填充的和矿物质/玻璃纤维填充的Celanex PBT，用于不规定美观的汽车、电器/电子元件的印标。基于混合物和合金的可激光印标的Vandar PBT被指定作为汽车内胎内部元件。新型可激光印标的Celanese 尼龙66也在汽车内部元件应用的评估之中。
　 　据Ticona的Miller介绍, 大多数汽车件规定有纯白印标的黑色基材带返白印标。“不仅特别黑的浓度要与OEM的规格对比，白色的也要。得到的白色的浓度重要取决于附加的包装。”
　 　激光蚀刻，更准确的说是油漆雕版从20世纪80年代中叶就被应用于昼/夜反光的元件上，如荧光屏，汽车立体声围绕控制的按钮和开关，镜壳。有的元件是特别透明的聚碳酸酯或ABS，它们被一方面油漆成白色，然后用黑色油漆。用激光机来进行黑色蚀刻，当制件是反光的，白色就显露出来。Ticona的Miller说，“有了发明性的制品设计和制造技术(如双组分模塑)，有也许取消这两道工序。”
　 　 “二氧化碳激光机蚀刻塑料表面，通过蒸发清理材料，得到的是对比的印标，但很少或几乎没有真正的颜色变化。”
　 　RTP供应几种光滑的增强型可激光印标的塑料复配料。这些塑料是PP，尼龙(6，66，12，11，612)，ABS，LLDPE，乙酸醛共聚物，热塑性聚氨酯，聚对苯二甲酸丁二醇酯，间规聚苯乙烯，聚砜，PPS， TPO，丙烯酸，PC/丙烯酸，PC/ABS，LPC。颜料部经理Stuart Swain说, “把不同的颜色在黑色的背景上印制成白色、黄色、绿色是有巨大商机的。”
　 　德国的BASF激光印标实验室的研究表白，玻璃纤维的添加只是轻微地减弱了塑料的印制性能，但有些填充物，阻燃剂和重新研磨的碎料都能极大的销弱印制性能。 BASF生产的可用于激光印标的树脂有Terluran ABS，Ultraform acetal，Luran S ASA，Ultramid 尼龙，Luran SAN和Ultradur PBT的黑色颜料。
　 　 德国Bayer也作着类似的工作，该公司提供可用于激光印标的聚碳酸酯，ABS，PBT。
　 　Clariant公司的大多数激光印标母料都是定制的。我们有自己的激光印标粉料基地，既是云母基材配方，也有专利添加剂配方(我们希望用这些配方来生产特殊的母料)。Clariant目前可达成的颜料效果一方面是在任何颜料的衬底上实现从白到灰到黑的梯度。在非常黑的衬底上，Clariant可以提供蓝色、红色或绿色的印标。Blasius盼望以后几年可实现更广范围的颜色。
　 　PolyOne集团FastMark市场经理David Bates说，他们公司的新型母料合用于做白色衬底上的对比度较高的纯黑色印标和黑衬底上的纯白印标。PolyOne还提供母料，这种母料实质上可提供任何颜色的印标(通常是在黑色制件上)。该公司把各式特殊效用的着色剂与激光印标用的添加剂结合起来发明更大的也许性 — 如在自然着色的容器上印制闪亮的印标。这些新配方呈现出巨大商机 — 在某些高档SAN化妆品包装材料上，聚烯烃洗发剂和调温器瓶和盖，和玩具的效益同样好。PolyOne已经开发出既光洁又可以是玻璃纤维或矿物质填充的聚烯烃，聚碳酸酯，PC/ABS，SAN的FastMar添加剂。
　 　其他几家公司也已在低调基础上提供激光印标配方，涉及Ferro集团，A. Schulman and LNP工程技术塑料公司。Schulman制造激光印标的复配料和用于汽车舱的PolyBatch母料。LNP提供激光印标的StarFlam阻燃剂尼龙型用于电器件的复配料，用于医学容器的聚苯硫醚的Stat-Kon配方，外科手术用的ABS，PC和乙酸醛配方。

　 　塑料制品标记在中国 — 激光标记的前景
　 　许多塑料最终制品，如计算机等办公机器外壳和配件、电器外壳和配件、各种电器连接件、汽车内饰件都需要标记上产品商标、规格、使用材料、制造厂商、制造日期、有效期等，有的如塑料管材还需要标记上成型机型号等。这有的是为了满足商业活动的规定，有的是质量保证法规的强制性规定的。
　 　有多种塑料制品标记方法，如直接成型(即直接在注射成型模具上刻制)、压印、热压花、喷墨、激光等。不管哪一种方法都规定标记清楚、牢固耐用、不会被机械、化学和物理因素作用而消失。
　 　由于经济因素，目前在中国较多使用的是直接成型、压印和热压花的方法，喷墨印刷有所增长(特别在管材生产线上)，激光标记方法少见。激光标记方法由于具有无需油墨和溶剂、环境适应性好、可通过计算机灵活控制标记形状，以及可标记数据密度大，其应用范围正在不断扩大，特别在汽车内饰件上的应用正在快速增长。但是，激光标记方法也存在缺陷，为进行清楚的激光标记塑料，材料需要采用专门添加剂进行适当改性。
　 　随着激光标记方法应用范围的扩大、技术的成熟，成本正在下降。中国是一个塑料制品生产和应用大国，2023年产值在500万元以上公司的记录，塑料制品生产量达成了11853 kt，而按照树脂生产和进出口量计算的表观消费量更达成了25000 kt左右(估计值)，大量的塑料制品需要标记。激光标记方法作为新一代的标记方法在中国塑料制品行业有着广阔的发展前景。

二氧化碳激光器
　　二氧化碳激光器是以CO2气体作为工作物质的气体激光器。放电管通常是由玻璃或石英材料制成，里面充以CO2气体和其他辅助气体（重要是氦气和氮气，一般尚有少量的氢或氙气）；电极一般是镍制空心圆筒；谐振腔的一端是镀金的全反射镜，另一端是用锗或砷化镓磨制的部分反射镜。当在电极上加高电压（一般是直流的或低频交流的），放电管中产生辉光放电，锗镜一端就有激光输出，其波长为10.6微米附近的中红外波段；一般较好的管子。一米长左右的放电区可得到连续输出功率40～60瓦。CO2激光器是一种比较重要的气体激光器。这是由于它具有一些比较突出的优点：第一，它有比较大的功率和比较高的能量转换效率。一般的闭管CO2激光器可有几十瓦的连续输出功率，这远远超过了其他的气体激光器，横向流动式的电激励CO2激光器则可有几十万瓦的连续输出。此外横向大气压CO2激光器，从脉冲输出的能量和功率上也都达成了较高水平，可与固体激光器媲美。CO2激光器的能量转换效率可达30～40%，这也超过了一般的气体激光器。第二，它是运用CO2分子的振动-转动能级间的跃迁的，有比较丰富的谱线，在10微米附近有几十条谱线的激光输出。近年来发现的高气压CO2激光器，甚至可做到从9～10微米间连续可调谐的输出。第三，它的输出波段正好是大气窗口（即大气对这个波长的透明度较高）。除此之外，它也具有输出光束的光学质量高，相干性好，线宽窄，工作稳定等优点。因此它在国民经济和国防上都有许多应用，如应用于加工（焊接、切割、打孔等），通讯、雷达、化学分析，激光诱发化学反映，外科手术等方面。