尼龍雷射打標：光纖雷射與添加劑要點

如何以光纖雷射打標與雕刻尼龍（聚醯胺）塑膠

摘要

光纖雷射的使用者在打標或雕刻尼龍時普遍遭遇困難。要獲得高品質的標記對比度，關鍵在於成型製程中將雷射增強添加劑導入尼龍材料，無論採用色母濃縮料或預先混煉的材料皆然。尼龍雷射打標所帶來的效益已改變眾多產業，例如槍械業即藉此實現零件唯一識別、Data Matrix 與 QR 碼標記，以及客製化。

重點摘要

• 未經改質的尼龍打標效果不佳。聚醯胺在 1060–1070 nm 波段的能量吸收極低，因此對比度取決於雷射添加劑。
• 最佳的對比色組合為黑底不透明白字、白底純黑字，以及中藍底不透明白字。
• MOPA 摻鐿光纖雷射是合適的工具；脈寬低於約 90 ns 適合塑膠加工。
• 添加量約為重量比 0.01–3.0%，而添加劑在每一個零件中均勻分散，才是對比度得以重現的關鍵。
• 玻璃纖維填充尼龍的難度更高——富含纖維的表面打標效果不佳，因此必須形成富含樹脂的表面。

尼龍塑膠的應用範圍廣泛，涵蓋槍械、汽車產業、電機與電子、工業、消耗品以及石油與天然氣等領域。然而，尼龍（聚醯胺）在物理、化學與表面性質上的差異，特別是玻璃纖維填充尼龍，使雷射打標與雕刻具有相當難度。最常見的對比色為黑底不透明白字、白底純黑字，以及中藍底不透明白字。當雷射添加劑與適當的顏料及染料搭配時，能以低成本產生優異的標記品質。雷射添加劑可用於多種塑膠，包括 ABS、縮醛樹脂（POM）、PET、PVC、聚碳酸酯、聚丙烯與聚乙烯。

尼龍聚醯胺

聚醯胺（俗稱尼龍）是一類重要的熱塑性塑膠，廣泛用於高性能應用。其結構由醯胺鍵（–CO-NH–）構成。尼龍是透過縮聚反應合成，由二元胺與二元酸反應而成；亦可由含六個、十一個或十二個碳原子的內醯胺經開環聚合而得。尼龍單體可為脂肪族、半芳香族或芳香族（芳醯胺），結構上涵蓋非晶與半結晶，結晶度高低不等。兩種主要的聚醯胺為聚己二醯己二胺（尼龍 6,6）與聚己內醯胺（尼龍 6）。脂肪族聚醯胺包括尼龍 12、69、6-10、6-12、46 與 1212。生質工程塑膠尼龍 11 則取自可再生資源，具體而言是蓖麻。

雷射打標的表面作用機制

可雷射打標的塑膠，其特徵在於能吸收雷射光，並在 1060nm-1070nm 的近紅外（NIR）波段內將其轉換為熱能。三種常見的雷射類型為摻鐿光纖雷射（MOPA 與固定脈寬）、釩酸鹽雷射（Nd:YVO4）與 Nd:YAG。依雷射類型與所需的標記對比度而定，可運用多種化學配方產生表面反應，例如碳化焦化、化學變化發泡與變色。同一台雷射只要調整打標軟體中的設定（功率、脈衝重複率與打標速度），即可完成上述所有表面反應。連續波（CW）CO₂ 雷射的波長為 10.6 微米（遠紅外光譜）。CW CO₂ 雷射的峰值功率較低，無法在塑膠上產生高對比度的標記。

雷射添加劑

由於多數聚合物在此波段（NIR）的吸收特性有限，無法產生明顯對比，專家會運用各種添加劑、填料、顏料與染料來提高吸收率，以獲得高對比的品質。添加劑可提升色彩對比程度（即對雷射光的吸收），再透過最佳的雷射選型與打標參數進一步強化。與一般認知不同，並不存在單一通用的添加劑。

部分添加劑含有銻摻雜氧化錫與三氧化二銻的混合物，可能使原色（未著色）基材的不透明外觀呈現「灰調」。其他添加劑則可能含有鋁粒子、混合金屬氧化物或專有配方化合物。色彩可透過顏料與染料調整，以達成所需的配色外觀。特定添加劑已通過 FDA 核准，可依 21 CFR 178.3297「聚合物用著色劑」之 A-H 條件用於食品接觸與食品包裝。

雷射添加劑化合物有粒狀（造粒）與粉體兩種形式。粒狀產品可直接與聚合物樹脂摻混，粉體形式則轉製為色母粒。最終零件中的添加濃度（重量比）通常介於 0.01 至 3.0% 之間。為獲得最佳的色彩對比，雷射添加劑必須在每一個零件中均勻分佈與分散。

光纖雷射

奈秒級摻鐿光纖雷射（MOPA 與固定脈寬）具備優異的光束品質（M2）與高亮度「輻射度」，因此非常適合塑膠的打標、雕刻與蝕刻。其可聚焦至極小的光斑尺寸（小於 20 微米），形成高能量密度。採用 MOPA（主振盪功率放大器）雷射的一大優勢，在於能精細調整脈衝寬度。低脈寬（通常小於 90 奈秒）最適合塑膠材料的打標。

雷射輻照度（W/cm2）與能量密度（J/cm2）是塑膠打標的重要參數。強度受脈衝頻率、雷射功率、聚焦光斑尺寸與脈寬影響；能量密度則受光束強度、掃描速度、脈衝重疊率與聚焦光束直徑影響。脈衝重複率與峰值功率密度是形成標記、獲得最佳對比與速度的關鍵參數。低頻率下的高峰值功率會使表面溫度迅速升高，材料汽化的同時僅有極少熱量傳導至基材。隨著脈衝重複率提高，較低的峰值功率使汽化量減少，但傳導的熱量增加。功率與脈衝重複率的算術曲線呈反比關係。

常見問題

為什麼我的光纖雷射無法在尼龍上打出清晰的標記？

聚醯胺在摻鐿光纖雷射運作的近紅外波段吸收有限，因此大部分能量無法轉換為形成標記所需的熱反應。解決之道是在材料中混煉雷射增強添加劑，而非提高雷射功率。

尼龍雷射打標使用哪些添加劑？

常見的是銻摻雜氧化錫與三氧化二銻的混合物，但可能使未著色的基材呈現灰調。其他則採用鋁粒子、混合金屬氧化物或專有配方化合物，並添加顏料與染料以達成最終配色。

經雷射打標的尼龍可用於食品接觸零件嗎？

可以，但須選用適當的添加劑。特定添加劑已依 21 CFR 178.3297「聚合物用著色劑」之 A–H 條件通過 FDA 核准，可用於食品接觸與食品包裝。請確認該核准涵蓋您所使用的材料等級與添加量。

尼龍打標應使用多大的脈寬？

應使用短脈衝。在 MOPA 雷射上，脈寬約低於 90 奈秒即適合塑膠，可提供高峰值功率，使表面溫度迅速升高，同時僅有極少熱量傳導至基材。

為什麼玻璃纖維填充尼龍比未填充尼龍更難打標？

玻璃纖維不吸收近紅外光且會散射光束，因此富含纖維的表面標記微弱且不穩定。成型製程必須加以調校，以形成富含樹脂的表面。詳見玻璃纖維浮纖現象與雷射打標。

Scott R. Sabreen 是 The Sabreen Group, Inc. 的創辦人暨總裁，該公司是專精於塑膠二次加工製程的工程公司，服務範圍涵蓋表面前處理、黏接裝飾與表面加工、雷射打標與產品安全。他投入新技術開發並解決生產製造問題已逾 30 年。如需聯絡 Sabreen，請撥 972.820.6777，或造訪 www.sabreen.com 與 www.adhesionbonding.com。

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