如何使用光纤激光器对尼龙（聚酰胺）进行激光打标

如何使用光纤激光器对尼龙（聚酰胺）塑料进行激光打标与雕刻

摘要

光纤激光器用户在对尼龙进行打标或雕刻时常遇到困难。实现高质量打标对比效果的关键，在于在成型过程中将激光增强添加剂加入尼龙材料中，无论是采用色母粒还是预混合材料。尼龙激光打标带来的优势已改变了众多行业，包括枪械行业——通过实现零件唯一标识、Data Matrix 及 QR 码打标以及个性化定制。

关键要点

• 未经改性的尼龙打标效果较差。聚酰胺在 1060–1070 nm 波段吸收的能量很少，因此对比效果取决于激光添加剂。
• 最佳的对比色组合为黑底不透明白字、白底纯黑字，以及中蓝底不透明白字。
• MOPA 镱光纤激光器是合适的工具；脉宽低于约 90 ns 适用于塑料打标。
• 添加比例按重量计约为 0.01%–3.0%，在每个零件中均匀分散是实现对比效果可重复的关键。
• 玻纤增强尼龙的打标难度更高——富含玻纤的表面打标效果较差，因此富含树脂的表面至关重要。

尼龙塑料的应用范围十分广泛，包括枪械、汽车、电气与电子、工业、消耗品以及石油天然气行业。然而，尼龙（聚酰胺）多变的物理、化学及表面特性——尤其是玻纤增强尼龙——使激光打标与雕刻面临挑战。最常用的对比色组合为黑底不透明白字、白底纯黑字，以及中蓝底不透明白字。当激光添加剂与适当的颜料及染料相结合时，可以低成本实现优异的打标质量。激光添加剂广泛应用于多种塑料中，包括 ABS、缩醛（聚甲醛）、PET、PVC、聚碳酸酯、聚丙烯及聚乙烯。

尼龙聚酰胺

聚酰胺，即尼龙，是一类应用于高性能场合的重要热塑性塑料。其分子结构中含有酰胺键，即 –CO-NH–。尼龙可通过缩聚反应（二胺与二元酸发生反应）合成，也可通过含六、十一或十二个碳原子的内酰胺开环聚合反应合成。尼龙单体可以是脂肪族、半芳香族或芳香族（芳纶）结构，其结构范围涵盖非晶态、半晶态以及不同结晶度的形式。两种主要的聚酰胺分别是聚己二酰己二胺（尼龙 6,6）与聚己内酰胺（尼龙 6）。脂肪族聚酰胺包括尼龙 12、69、6-10、6-12、46 及 1212。被称为尼龙 11 的生物基工程塑料，则源自蓖麻等可再生资源。

激光打标表面机理

可激光打标塑料的特点在于，其能够吸收激光并在 1060nm–1070nm 之间的近红外（NIR）波段内将其转化为热能。三种常见的激光类型为镱光纤激光器（MOPA 及固定脉冲型）、钒酸盐激光器（Nd:YVO4）以及 Nd:YAG 激光器。根据激光类型及所需的打标对比效果，可采用多种化学反应机制产生表面反应，如碳化焦化、化学变化发泡以及颜色变化。同一台激光器可通过在打标软件中调整设置（功率、脉冲重复频率与打标速度）来实现所有上述表面反应。连续波（CW）CO2 激光器的波长为 10.6 微米（远红外光谱范围）。连续波 CO2 激光器峰值功率较低，无法在塑料上产生高对比度的标记。

激光添加剂

由于大多数聚合物在该波段（近红外）的吸收性能有限，无法产生明显的对比效果，专家通常会使用各种添加剂、填料、颜料及染料来提高吸收率，从而实现高对比度打标质量。添加剂可提高颜色对比程度（即对激光的吸收），并可通过优化激光选型与打标参数进一步增强效果。与普遍认知不同，并不存在一种单一的通用添加剂。

部分添加剂含有掺锑氧化锡与三氧化二锑的混合物，可能使未着色基材的天然不透明外观呈现"灰色调"。其他添加剂可能含有铝颗粒、混合金属氧化物或专有化合物。颜色调整则通过颜料与染料来实现所需的色彩匹配效果。根据美国食品药品监督管理局（FDA）21 CFR 178.3297《聚合物用着色剂》A-H 条件规定，特定添加剂已获批用于食品接触及食品包装用途。

激光添加剂化合物可提供粒状与粉末两种形态。粒状产品可直接与聚合物树脂混合，而粉末形态则需转化为母粒使用。最终制品中按重量计的添加浓度通常在 0.01%–3.0% 之间。为实现最佳的颜色对比效果，激光添加剂必须在每个零件中均匀分布/分散。

光纤激光器

纳秒级镱光纤激光器（MOPA 及固定脉冲型）凭借其优异的光束质量（M2 因子）及高亮度"辐射度"，非常适合用于塑料的打标、雕刻与蚀刻。这类激光器可聚焦至极小的光斑尺寸（小于 20 微米），从而实现高能量密度。使用 MOPA（主振荡功率放大器）激光器的一项显著优势，在于能够精细调节脉宽。较低的脉宽（通常低于 90 纳秒）非常适合用于塑料材料的打标。

激光辐照度（W/cm²）与能量密度（J/cm²）是塑料打标中的重要参数。辐照度受脉冲频率、激光功率、聚焦光斑尺寸及脉宽的影响。能量密度则受光束强度、扫描速度、脉冲重叠度及聚焦光束直径的影响。脉冲重复频率与峰值功率密度是形成标记、实现最佳对比效果与速度的关键参数。低频率下的高峰值功率会使表面温度迅速升高，使材料快速汽化，同时向基材传导的热量极少。随着脉冲重复频率的提高，较低的峰值功率产生的汽化效果减弱，但传导的热量增多。功率与脉冲重复频率之间的运算曲线呈反比关系。

常见问题

为什么我的光纤激光器无法清晰地打标尼龙？

聚酰胺在镱光纤激光器工作的近红外波段吸收能力有限，因此大部分激光能量无法转化为形成标记所需的热反应。解决方法是在材料中混入激光增强添加剂，而不是单纯提高激光功率。

尼龙激光打标使用哪些添加剂？

掺锑氧化锡与三氧化二锑的混合物较为常用，但可能使未着色基材呈现灰色调。其他方案则使用铝颗粒、混合金属氧化物或专有化合物，并添加颜料与染料以达到最终所需的色彩匹配效果。

激光打标的尼龙能否用于食品接触部件？

可以，但须使用合适的添加剂。根据 FDA 21 CFR 178.3297《聚合物用着色剂》A–H 条件规定，特定添加剂已获批用于食品接触及食品包装用途。请确认该批准范围涵盖您所使用的材料等级及添加比例。

在尼龙打标中应使用多大的脉宽？

应使用短脉宽。在 MOPA 激光器上，低于约 90 纳秒的脉宽适用于塑料，可提供较高的峰值功率，使表面温度迅速升高，同时向基材传导的热量极少。

为什么玻纤增强尼龙比未增强尼龙更难打标？

玻璃纤维不吸收近红外光，并会使光束发生散射，因此富含玻纤的表面打标效果较弱且不稳定。成型工艺必须进行调整，以生成富含树脂的表面。相关内容请参阅玻纤外露与激光打标。

Scott R. Sabreen 是 The Sabreen Group, Inc. 的创始人兼总裁，该公司是一家专注于塑料二次加工制造工艺的工程公司，涉及表面预处理、粘接装饰与表面精饰、激光打标以及产品安全。他从事新技术开发及制造问题解决工作已超过 30 年。如需联系 Sabreen，请致电 972.820.6777，或访问 www.sabreen.com 或 www.adhesionbonding.com。

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