塑膠彩色雷射打標：如何以添加劑取得對比度與色彩

塑膠彩色雷射打標：如何以添加劑取得對比度與色彩

重點摘要

• 深色標記來自碳化，淺色標記來自發泡，這是聚合物上的兩種基本機制。
• 添加劑的化學組成決定了可達成的顏色，影響遠大於雷射本身。
• 脈衝時間決定機制，這就是為什麼 MOPA 光源能提供最寬的色彩與對比範圍。
• 顏色必須量測，而非憑肉眼判斷；CIELAB 與 ΔE 提供唯一站得住腳的規格。

多數人將雷射打標與塑膠表面上簡單的深色或淺色標記聯想在一起。但先進的添加劑化學已擴展了可能性：如今製造商可以在白色基材上取得高對比度的黑色標記，在深色零件上取得明亮的白色標記，並且在某些系統中還能取得受控的色彩反應。對於為外觀要求嚴格的應用指定雷射打標製程的工程師而言，瞭解這些效果如何產生，以及什麼決定其品質，至關重要。

兩種基本標記類型：深色與淺色

塑膠上絕大多數的雷射標記可歸為兩類：深色標記（碳化）是指雷射能量使聚合物基質或其中的添加劑發生熱分解，產生呈黑色或極深棕色的富碳殘留物。此機制是光纖雷射對多數深色顏料或含添加劑塑膠打標的基礎。

淺色標記（發泡）是指雷射能量迅速加熱局部體積的塑膠，使部分聚合物汽化，並在熔體中形成細小氣泡網絡。形成的發泡表面使光線漫散射，即使在深色基材上也呈白色或淺灰色。這正是汽車內裝與電子產品中，深色 ABS、PC 與 PA 零組件上可見的高對比白色標記背後的機制。

雷射感應添加劑如何產生對比度

在吸收近紅外線能量很少的天然色或淺色塑膠上（1064 nm 光纖雷射），要取得可靠的標記，需要雷射感應添加劑，即專門設計用來吸收雷射能量並引發顯色反應的化合物。

最廣泛使用的添加劑化學組成，是以氧化銻錫（ATO）、鉍系化合物與專有金屬氧化物顏料為基礎。受光纖雷射照射時，這些添加劑能有效吸收能量，並在周圍聚合物基質中引發局部碳化，即使在白色或透明基材上，也能產生高對比度的深色標記。

對於深色背景上的淺色標記，不同的添加劑系統的作用方式，是將深色色料從表層燒蝕掉，或產生散射光線的泡沫結構。塑膠工程師學會（Society of Plastics Engineers）已發表關於常見聚合物系列之添加劑選擇標準的研究。

真彩色雷射打標

除黑白之外，部分添加劑系統與雷射配置可在塑膠上產生彩色標記。有兩種機制相關：金屬上的干涉色效果已相當成熟，即對不鏽鋼與鈦表面進行受控氧化，形成薄氧化層，透過光干涉產生結構色，在不同的功率與速度組合下，得到金色、藍色、紫色與紅色。在塑膠上，這種機制並不直接適用。

對塑膠而言，彩色打標通常仰賴多層或多道次技術，即選擇性地燒蝕或活化不同含添加劑的層，以顯露下方的顏色。這在安全文件與高端品牌領域發展得最為成熟。發表於《應用聚合物科學期刊》（Journal of Applied Polymer Science）的研究，探討了在雷射照射下會改變顏色的塑膠用光致變色與熱致變色添加劑系統。

主要添加劑及其作用

• 氧化銻錫（ATO）：在淺色基材上產生深色標記。廣泛用於 PA、PP、PC 與 ABS。對比度極佳，且某些等級已取得 FDA 食品接觸許可。
• 氧氯化鉍：在深色基材上產生淺色標記。常見於需要在黑色外殼上標示白色序號或標誌的汽車內裝零件。
• 吸收雷射的碳黑：以低濃度使用，可在不明顯加深基材顏色的情況下，增強近紅外線吸收。
• 雲母系珠光顏料：在搭配適當雷射參數時，可在某些聚合物系統上產生金屬或虹彩的標記效果。

控制標記顏色與對比度的製程變數

即使使用正確的添加劑，標記品質仍嚴重取決於雷射參數：

• 功率密度（能量密度）：太低則添加劑無法完全活化；太高則周圍材料會變色或碳化。
• 掃描速度：較慢的速度會增加單位面積的能量沉積，有助於形成較深的標記，但可能造成熱擴散。
• 脈衝頻率：影響脈衝重疊與標記紋理。較高的頻率產生較平滑、更均勻的標記。
• 道次數：以較低功率進行多次道次，可在不使基材過熱的情況下，建立標記深度與密度。

對於外觀要求嚴格的應用，例如消費性產品、精品與汽車內裝，標記開發應包含涵蓋功率、速度與頻率設定的完整參數矩陣，並以色度量測（採用 CIE L*a*b* 色彩空間）量化對比度與色偏。Sabreen 的應用工程團隊為色彩要求嚴格的雷射打標專案，提供添加劑選擇指引與參數開發。

延伸閱讀

• 雷射打標添加劑
• 雷射色彩匹配
• 雷射打標色母粒
• 碳化

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The Sabreen Group 為透過添加劑配方開發色彩與對比度提供獨立的工程支援。我們的工程服務團隊與製造商合作，協助製程開發、材料驗證與生產問題排除。歡迎聯絡我們，討論您的應用。

常見問題

如何在深色塑膠上製作淺色標記？

透過發泡。短脈衝在熔體中產生氣體，被困成微氣泡，這些氣泡散射光線，形成白色或淺灰色標記。這是在黑色零件上製作清晰標記的標準做法。

雷射能在塑膠上產生真彩色標記嗎？

在特定系統中可以。某些雷射感應添加劑會發生化學變化，產生特定顏色，部分顏料也可被選擇性地漂白。可達成的色域由添加劑配方決定，而非雷射。

會使用哪些添加劑？

摻銻氧化錫、鉍系化合物、雲母系顏料與碳黑都很常見，各自偏向不同的對比行為。選擇取決於基礎樹脂、目標顏色與任何法規限制。

哪些製程變數控制標記顏色？

首要是脈衝時間，其次是重複頻率、打標速度、功率與焦點。脈衝時間決定能量是以熱量形式累積（促成碳化），還是被快速沉積（有利於發泡）。

應如何指定標記顏色？

以 CIELAB 座標搭配 ΔE 公差，並以分光光度計對照保留的實體標準件進行驗證。對於機器可讀代碼，請指定對比度與驗證等級，而非顏色。

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