冷激光打标
核心要点
- 有两条不同的技术路线共用这一名称：紫外光化学打标，以及超短脉冲非热烧蚀。
- 对塑料而言，主流路线是 355 nm 紫外，它直接打断聚合物化学键，而不是加热材料。
- 微米级分辨率，无炭化、无变色、无烟灰。
- 在热量不可接受的场合必不可少 — 医疗植入物、PCB、薄膜和精密塑料。
冷激光打标
冷激光打标使用短波长紫外光（通常为 355 nm），通过直接打断化学键对聚合物打标，而不是将材料加热至降解。该工艺常被称为非热打标或光化学打标。它并非真正意义上的“冷”，但热影响区足够小，热敏零件可以在不熔融、不炭化、不变形的情况下被打标。
物理基础
光子能量随波长变短而升高。1064 nm 红外光子的能量约为 1.2 eV，远不足以打断共价键，因此其能量只会转化为热。355 nm 紫外光子的能量约为 3.5 eV，与聚合物主链中碳–碳键的离解能相当。
在这一能量下，被吸收的光子可以直接切断聚合物链。材料通过光解键断裂被去除或改变，只带有少量热成分。由此产生两个结果，而它们正是这项技术存在的全部理由：
- 热影响区极小，因此没有熔融边缘、没有炭化光晕、没有银纹，也没有尺寸变形。
- 大多数聚合物对其吸收强烈。几乎所有有机聚合物在紫外区都吸收良好，即使是在 1064 nm 下实际上透明的聚合物也是如此。这意味着无需在树脂中复合激光添加剂，即可在天然、透明和浅色树脂上获得高对比度标记。
冷打标与红外打标对比
| 紫外/冷打标（355 nm） | 光纤/红外（1064 nm） | |
|---|---|---|
| 机理 | 光化学键断裂 | 热降解 |
| 热影响区 | 极小 | 中等至显著 |
| 天然树脂是否需要添加剂 | 通常不需要 | 通常需要 |
| 特征分辨率 | 更精细 — 波长越短聚焦越小 | 较粗 |
| 打标速度 | 较低 | 较高 |
| 资本与运行成本 | 高 | 中等 |
应用场合
- 医疗器械 — UDI 标记必须经受高压灭菌、伽马射线或环氧乙烷灭菌而不损害基材，并且不使用会使生物相容性审批复杂化的添加剂。
- 薄壁和薄膜部件，红外打标会使其变形或穿孔。
- 透明和浅色聚合物，红外打标几乎没有对比度 — 参见透明塑料的激光打标。
- 精细代码和微标记，紧凑的热影响区可保持机器视觉所依赖的单元格清晰度。
- 无添加剂应用，法规、食品接触或光学要求排除了在树脂中复合吸收剂的做法。
光源通常是三倍频钒酸盐（Nd:YVO4）激光器。与其优势相权衡的是较高的资本成本、较低的产能以及频率转换光学元件有限的使用寿命。对于本身热打标效果就好的着色和填充工程树脂，光纤激光器仍是更经济的选择 — 相关比较详见紫外激光打标与光纤激光打标。
获得冷标记的两条路线
这一术语涵盖两种不同的技术，混淆它们会导致为一个更便宜的设备就能做好的工作指定昂贵的机器。两者都避免了热标记，但避免的物理机理不同：
| 紫外光化学（355 nm） | 超短脉冲（ps / fs） | |
|---|---|---|
| 如何避免热量 | 光子能量直接打断化学键，因此转化为热的能量很少 | 输送能量的速度快于热量从作用区扩散出去的速度 |
| 典型光源 | 三倍频钒酸盐 | 皮秒或飞秒固体激光器 |
| 是否依赖紫外吸收 | 是 — 聚合物必须在 355 nm 处有吸收 | 否 — 通过非线性吸收，几乎适用于任何材料 |
| 相对成本 | 高 | 非常高 |
| 产能 | 中等 | 低 |
| 塑料应用中的选用场合 | 主流路线：医疗、透明和薄壁零件 | 连紫外热影响区也不可接受，或基材在紫外区不吸收的场合 |
对于绝大多数聚合物加工，紫外路线是正确的答案。只有出于特定要求，才有理由使用超短脉冲系统 — 例如亚微米特征、必须在不影响下一层的情况下标记其中一层的多层薄膜，或任何亚表面损伤都不可接受的光学元件。
医疗器械冷打标的验证
冷打标在医疗器械领域的指定使用比其他任何领域都多，因为它可以提供永久性的唯一器械标识，而无需使用会重新引发生物相容性问题的添加剂。这使标记进入器械主记录，因此验证必须有文件记录，而不仅仅是成功：
- 在成品器械材料上标记，采用其最终颜色以及生产实际使用的回料比例。在天然色试片上验证，对着色成型件的说明力很弱。
- 对代码分级，而不是目视检查。唯一器械标识由机器读取，因此验收标准应采用二维码符号的 ISO/IEC 15415 术语。应在检验方法中，而不仅仅是在操作员指导书中，固定最低等级、孔径和照明条件。
- 灭菌后重新分级。蒸汽高压灭菌、伽马射线和环氧乙烷对聚合物表面的影响各不相同。应在完成全部经验证的循环次数之后，而不是一次之后，对符号分级。
- 确认无亚表面损伤。对样品切片并检查标记下方是否有银纹或雾化，尤其是聚碳酸酯和亚克力，其损伤从表面可能看不出来。
- 明确再验证的触发条件。树脂批次变更、着色剂变更、光源功率漂移和光学元件更换，都应被指定为需要对标记重新分级的事件。
冷标记故障排查
| 现象 | 可能原因 | 纠正措施 |
|---|---|---|
| 天然树脂上对比度弱 | 聚合物在 355 nm 处吸收差，或功率已下降 | 在更改配方之前，先对照基线测量光源功率。若功率达标，则该牌号即使使用紫外光源，也可能确实需要激光添加剂。 |
| 对比度在数月内逐渐下降 | 频率转换晶体老化 | 用控制图追踪功率趋势。根据趋势而不是固定的日历间隔来移位或更换晶体。 |
| 整个幅面内标记质量不一致 | 光学元件污染，或整个扫描场内未能保持聚焦 | 清洁末端光学元件并检查吹扫气。紫外比红外更容易使空气中的有机物固着在镜片表面。 |
| 标记边缘轻微发黄 | 残留热成分 — 能量高于光化学过程所需 | 降低功率，并通过减慢扫描速度而不是增加能量来恢复对比度。 |
| 检验时代码等级良好，但在产线上失效 | 照明几何条件不同，而不是标记不同 | 使产线读码器的照明和角度与验证方法一致，并将两者都写入规范。 |
相关术语与延伸阅读
在生产中应用
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常见问题
是什么让冷激光打标“冷”？
标记是在没有明显热量的情况下完成的。有两种不同的机理可实现这一点。355 nm 紫外打标的光子能量足以直接打断聚合物化学键，因此变化是光化学的而非热的。使用皮秒或飞秒光源的超短脉冲打标，输送能量的速度快于热量从作用区扩散出去的速度。两者都不是真正的冷，但热影响区都足够小，使热敏零件在预定特征之外不受影响。
冷激光打标比传统激光打标更好吗？
这取决于应用。在处理精密、热敏或微尺度零件、热损伤不可接受时，冷激光打标更胜一筹。对于坚固基材上的一般生产打标，传统热打标速度更快，也经济得多。
冷打标使用哪些激光器？
对塑料而言，绝大多数情况下是 355 nm 三倍频钒酸盐光源 — 这是经济的路线，无需添加剂即可对大多数聚合物打标。皮秒和飞秒光源同样可产生冷标记，其原理是在热扩散之前完成作用，而非光化学；当连较小的紫外热影响区也嫌太大，或基材在紫外区吸收效果不佳时，会指定这类光源。它们的成本要高得多。
冷激光打标可用于塑料吗？
可以，而且特别适合在受热时易熔融或变色的塑料。它可以在聚酰亚胺、聚碳酸酯和 ABS 等对热输入敏感的材料上形成清晰、高对比度的标记。
冷激光打标是永久性的吗？
是的。形成的标记是永久性的、耐磨的，不受水分、化学品或紫外线照射的影响，因为变化发生在材料本身，而不是施加在其表面。
冷打标与超短脉冲打标是一回事吗？
不完全是 — 超短脉冲打标是产生冷标记的两条路线之一。对塑料而言，更常见的路线是 355 nm 紫外打标，它通过光化学方式打断化学键来避免热量，而不是靠在热扩散之前完成作用。皮秒和飞秒系统可实现类似的结果，但成本要高得多，仅在应用确实需要时才会指定。
冷打标能避免使用激光添加剂吗？
常常可以，但并非总是如此。大多数聚合物在紫外区的吸收远强于 1064 nm，因此在光纤激光下无法打标的透明和浅色树脂，在紫外下很容易打标。天然聚烯烃上的对比度仍然有限，因此需要高对比度代码时，可能仍需使用添加剂。应筛选实际的生产牌号，而不是想当然。
医疗器械 UDI 的冷标记如何验证？
按 ISO/IEC 15415 对符号分级而不是目视检查，在采用生产颜色的成品器械材料上打标，并在完成全部经验证的灭菌循环次数后重新分级。将树脂批次变更、着色剂变更、光源功率漂移和光学元件更换列为再验证触发条件，因为这四项都会改变标记对比度，而不会触发任何报警。
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