光纖雷射實現先進塑膠的打標

光纖雷射實現先進塑膠的打標

在初級加工過程中混入聚合物的突破性 FDA 核准添加劑，可優化塑膠雷射打標。快速、對比度優異與節省成本，是其主要優勢。新型化學添加劑可透過「飛行中」與二次作業兩種方式，產生純黑、淺色與客製色對比。專為價格親民的鐿光纖雷射設計，在線無墨雷射打標如今已取代傳統的輪轉凹版印刷與移印。

重點摘要

• 多數聚合物在近紅外線波段沒有吸收，因此添加劑正是讓 1060–1080 nm 打標得以實現的關鍵。
• 不含重金屬、且經 FDA 與 EFSA 核准的添加劑，可在不改變透明度、光譜穿透率或物理特性的情況下，提供高對比度。
• 與未優化的配方相比，添加劑可將打標時間縮短 20% 以上，其成本很快即可抵銷。
• MOPA 在重複頻率上優於調 Q：最高可達 500 kHz，而調 Q 約為 80 kHz，且低於 40 ns 的短脈衝適合敏感聚合物。
• 飛行中打標速度在瓶蓋上可達 2,000 件／分鐘，在線性擠出產品上可達 500 ft/min 以上。

常見問題

需要多少雷射添加劑添加量？

依添加劑與聚合物而定，成品中的重量比介於 0.01% 至 4.0% 之間。顆粒料可直接與樹脂混合；粉末則需先製成色母粒。對於擠出、射出成型與熱成型，預先混煉的色料比色母粒能提供更好的均勻性。

雷射添加劑會影響透明度或物理特性嗎？

配方得當的添加劑不會。聚合物的透明度、光譜穿透率與基本物理特性都不受影響，這使得在不損及產品的前提下，對透明與半透明聚合物進行打標成為可能。

飛行中雷射打標實際上能跑多快？

聚烯烴合成酒瓶塞，以及無墊片飲料瓶蓋的內蓋促銷圖文，對於字母數字文字與圖形的打標速度可達每分鐘 2,000 件。文字與機器視覺碼的線性打標速度可達 500 ft/min 以上。

調 Q 與 MOPA 光纖雷射有何不同？

調 Q 光纖雷射的脈衝寬度通常為 100–120 ns，且受調 Q 技術本身限制，重複頻率約 80 kHz。直接調變 MOPA 雷射在奈秒脈衝寬度下，重複頻率最高可達 500 kHz，而較高的重複頻率通常意味著更快的打標速度。

這些添加劑是否獲准用於食品接觸與醫療器材？

特定添加劑已依 21 CFR 178.3297《聚合物用著色劑》的 A–H 條件，獲得 FDA 對食品接觸與食品包裝的核准，並有對應的歐盟合規聲明。成品經進一步驗證，可達到醫療器材的生物相容性。認證依聚合物類型、添加量門檻，以及直接或間接接觸而定。

產品應用

透明、半透明與不透明的有色聚合物，包括尼龍、聚對苯二甲酸乙二酯（PET）、聚碳酸酯、聚烯烴、聚氯乙烯（PVC）、苯乙烯類，以及熱塑性彈性體（TPE）與熱塑性聚胺酯（TPU），均採用不含重金屬、經 FDA／歐洲食品安全局（EFSA）核准的添加劑獨特配製，以達到高對比度的打標品質（見圖 1）。聚合物的透明度、光譜穿透率與基本物理特性均不受影響。非接觸式數位雷射打標取代了昂貴的黏性標籤與油墨化學列印製程。其成果是具成本效益、環保，且外觀卓越的應用。

聚合物雷射打標反應機制

雷射化學添加劑在配方上的進展，在於可搭配近紅外線（NIR）雷射（波長 1060–1080 nm）使用，並與鐿光纖、釩酸鹽及其前代 Nd:YAG 雷射相容。多數聚合物在沒有化學添加劑的情況下，不具備近紅外線吸收特性¹。可被雷射打標的聚合物，是能吸收雷射光並將光能轉換為熱能的聚合物。專家利用添加劑、填料、顏料與染料，增強對雷射能量的吸收，以產生局部變色。依所需的打標對比度與功能，會採用截然不同的配方化學與雷射光學／設置參數。

最常見的表面反應機制稱為熱化學「碳化」或「炭化」，即基材吸收的能量，使吸收點周圍材料的局部溫度升高，達到足以造成聚合物熱降解的程度。標記的深淺取決於吸收的能量，以及材料獨特的熱降解路徑。透過優化雷射設置，可將表面碳化殘留降至最低。

雷射添加劑

近紅外線雷射添加劑可提高對比度，並可透過改變雷射設置參數進一步強化。聚合物本身具有可產生「深色」或「淺色」打標對比的固有特性。部分含少量二氧化鈦（TiO2）與碳黑的著色化合物，也可能吸收雷射光，在某些情況下還能改善打標對比度。即使在同一聚合物家族內，每種聚合物等級也可能產生不同的結果。添加劑配方不得有毒，也不得對產品外觀或物理、功能特性造成不利影響。

與油墨列印製程（移印／網印與噴墨）相比，雷射添加劑可節省成本，且與未優化的材料相比，打標速度可快 20% 以上。雷射添加劑以顆粒料與粉末形式供應。顆粒產品可直接與聚合物樹脂混合，粉末形式則需製成色母粒。多數添加劑易於分散在聚合物中。依添加劑與聚合物而定，（成品中）的重量添加濃度介於 0.01% 至 4.0%。

顆粒與粉末形式皆可混入預先混煉的色料或色母粒中。要選用哪種添加劑，取決於聚合物組成、基材顏色、所需的打標對比色，以及最終用途的認證要求。對於擠出、射出成型與熱成型作業，預先著色混煉的材料比色母粒能提供更好的均勻性。應避免手工混合。模流與澆口類型／位置是重要因素。雷射添加劑在每個零件中的均勻分布／分散，對於獲得最佳打標性能至關重要。

部分添加劑含有摻銻氧化錫與三氧化二銻的混合物，可能使天然（未著色）基材的不透明度帶有「灰色」色調。其他添加劑可能含有鋁顆粒、混合金屬氧化物與專有化合物。色彩調整則使用顏料與染料，以達到最終的配色外觀。市售的特定添加劑（也用於雷射焊接）已依 21 CFR 178.3297——《聚合物用著色劑》的 A-H 條件，獲得 FDA 對食品接觸與食品包裝用途的核准。歐盟也有類似的合規聲明。認證條件依聚合物類型、添加量門檻，以及直接或間接接觸而定。將經 FDA 核准的添加劑混入「成品」後，進一步驗證可達到醫療器材的生物相容性²。

奈秒鐿光纖雷射技術

雷射技術的改進，對最新一代 FDA 核准雷射添加劑的快速發展發揮了關鍵作用。奈秒鐿光纖雷射的出現，是打標、焊接與切割領域最重大的進展之一。

從根本上說，光纖雷射不同於其他二極體泵浦固態（DPSS）打標雷射。光纖雷射產生雷射光束的活性介質，分散在特殊的光纖纜線內。與光纖傳導式雷射不同，光束的整個路徑一路都在光纖纜線內，直到光束傳輸光學元件。這種全光纖結構在很大程度上造就了這類雷射的可靠性與堅固性，也是其快速成長的原因。

與 Nd:YAG 雷射相比，光纖雷射具有更優異的光束品質（M2）與亮度。光束品質優異的雷射可聚焦成小光點，進而產生高能量密度。脈衝能量最高 1 mJ 且具高功率密度的固定與可變脈衝主振盪功率放大器（MOPA）光纖雷射，可對許多過去難以打標的聚合物進行打標（見圖 2）³。

釩酸鹽雷射同樣具有小的 M2 值，且脈衝寬度比固定式光纖與 YAG 雷射更短。脈衝持續時間會影響熱量與材料內碳化的程度。短脈衝（通常 <40 ns）在處理敏感聚合物材料時，可實現更受控的能量輸入。這些脈衝仍具有克服材料門檻的峰值功率，但脈衝能量較低，可減少局部熱損傷。

IPG Photonics 是高性能光纖雷射的領導開發商與製造商，同時提供固定脈衝 YLP 系列（有時稱為「調 Q」）與可變短脈衝 YLPN（MOPA）雷射。調 Q 光纖雷射的脈衝寬度通常為 100–120 ns，用於部分打標應用，但由於調 Q 技術的固有限制，其重複頻率被限制在約 80 kHz。直接調變 MOPA（DM-MOPA）光纖雷射在奈秒脈衝寬度下，重複頻率最高可達 500 kHz。高重複頻率通常意味著更快的打標速度（需搭配其他雷射／波導參數）。

應用開發具有高度針對性，因為並沒有通用的雷射解決方案。短脈衝持續時間的 MOPA 雷射，能充分發揮敏感的 FDA 核准化學添加劑的性能。對雷射熱輸入及熱輸入速率進行局部空間與時間控制，可實現最佳性能。要整合哪種雷射類型，取決於雷射的輸出特性與優化聚合物材料之間的交互作用。圖 3 呈現固定與可變（MOPA）脈衝長度鐿光纖雷射的時間脈衝波形 [3]。

設置固定脈衝長度光纖雷射進行打標時，必須設定兩項輸入：

• 脈衝重複頻率（常稱為脈衝頻率），以及
• 泵浦功率百分比——100% 指泵浦二極體可能的最大電力輸入。

設置可變短脈衝 MOPA 光纖雷射進行打標時，需設定三項輸入：

• 脈衝持續時間（常稱為脈衝長度）；
• 脈衝重複頻率（脈衝頻率）；以及
• 泵浦功率百分比，如上所述。

對於兩種圖表，特定的參數輸入組合會控制雷射光束的輸出特性，即脈衝能量、峰值功率（脈衝能量的最高瞬時峰值，焦耳／脈衝持續時間）與平均功率（平均功率（瓦）＝脈衝能量（焦耳）× 脈衝重複頻率（赫茲））。

「飛行中」雷射打標

「飛行中」雷射打標是在成型與擠出產品（如電線／電纜、管材與管道）上進行的高度專業化應用之一。聚烯烴合成酒瓶塞，以及無墊片飲料瓶蓋的內蓋促銷圖文，對於字母數字文字與圖形，打標速度可達 2000 件／分鐘（見圖 4）。文字與機器視覺碼的線性打標速度可達 500 ft/min 以上，此時無墨雷射打標已取代輪轉凹版印刷與移印。

打標速度受許多變數影響，包括聚合物類型、基材顏色、雷射添加劑類型與添加量、電纜尺寸（重量）、雷射類型與功率、軟體、字母數字字元數、文字高度、文字串長度、字元間距、條碼／資料矩陣碼、標誌／圖形、單線或 TrueType 填滿字型、填滿方向，以及連續或重複文字。使用配方適當的添加劑著色劑，可確保打標表面的「功率密度」不成為限制因素，而是振鏡以最高速度運作。

由於影響飛行中生產打標能力的因素相當複雜，每項應用都必須精確評估。幾乎沒有可以外推的規則。不過，為便於一般參考，請思考下列尼龍聚合物範例：使用 50W 光纖雷射、254 mm 平場透鏡、100 個字母數字字元、高度 2 mm、重複文字串長度 14.68 in.，打標時間為 0.232 s。計算所得速度約為 315 lin. ft/min。

雷射設備系統

雷射製造商整合到系統中的硬體與軟體元件，對打標對比度、品質與速度有顯著影響。一項主要屬性是打標表面的功率密度（W/cm2）（不同於雷射的原始輸出功率）。雷射光束的輸出模式對打標性能至關重要。這些輸出模式與光束發散角，以及雷射光束直徑上的功率分布等因素有關。

功率密度是聚焦雷射光點大小的函數。在任何給定焦距透鏡與雷射波長下，聚焦光點大小取決於雷射光束發散角，而發散角由雷射配置、選模孔徑大小與擴束（光束擴展器）倍率控制。脈衝重複頻率與峰值功率密度，是形成標記並達到最佳對比度與速度的關鍵參數。功率與脈衝重複頻率的算術曲線呈反比。低頻率下的高峰值功率會使表面溫度迅速升高，使材料汽化，同時傳導至基材的熱量極少。隨著脈衝重複頻率增加，較低的峰值功率產生的汽化極少，但傳導的熱量較多。其他影響打標對比度與品質的因素，當然還有光束速度與向量線間距。

結論

融入聚合物的突破性 FDA 核准雷射添加劑，可帶來優異的打標對比度、線條邊緣細節與速度。採用雷射增強添加劑的產品，打標速度可快 20% 以上。其效益迅速抵銷添加劑增加的材料成本。價格親民的奈秒鐿光纖雷射技術的進步發揮了關鍵作用。在線飛行中雷射打標如今已取代輪轉凹版印刷與移印。塑膠雷射打標的最佳化材料科學化學，需要在聚合物、著色劑、顏料與染料方面，就溶解度、粒徑、門檻濃度限值、配色與法規認證（GRAS、FDA 直接／間接食品接觸）具備專業知識。並非所有光纖雷射都一樣好。

致謝與參考文獻

作者感謝 BASF Corporation 的 Mark-it Laser Marking Pigment Technical Bulletin 2002（技術內容由 The Sabreen Group 提供）；Hoechst Technical Polymers 的 Bruce Mulholland 與 The Sabreen Group 合著的 “Enlightened laser marking,” Lasers & Optronics (Jul. 1997)；以及 Baasel Lasertechnik GmbH 的 Daniel S. Burgess 與 The Sabreen Group 合著的 “Laser marking: A clean economical packaging solution,” Photonics Spectra (Nov. 2001)。

• Sabreen, S. Fiber Lasers: Selection and Additives, Plastics Decorating, November 2017.
• Polyamide (PA) Nylon Complete Guide, SpecialChem 2019.
• Brodsky, M. Wave Forms: A New Laser Tool, Optics & Photonics, March 2012.

Scott R. Sabreen 為 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顧問公司——表面前處理、附著接合、噴墨列印、雷射打標、裝飾與表面加工，以及產品安全。Sabreen 開創新技術並解決製造問題已超過 30 年。歡迎撥打 972.820.6777 聯絡他，或造訪 www.sabreen.com。

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