玻璃纖維填充聚合物的雷射打標：射出成型作業的重要性

玻璃纖維填充聚合物的雷射打標：射出成型作業的重要性

塑膠雷射打標在各種工業應用中具有諸多優勢。雷射所產生的裝飾性與功能性標記必須完全清晰可讀，例如零件識別、示意圖、Data Matrix 碼與條碼。標記品質取決於聚合物、添加劑與著色劑、射出成型製程，以及雷射光源。成型後的聚合物表面若出現妨礙可讀性的問題，可能影響產品的安全性、性能與功能。玻璃纖維添加劑便是一例。添加玻璃纖維可能對成型製程造成不良影響，進而影響雷射打標品質。要獲得穩健的標記，零件表面必須富含樹脂；富含玻璃纖維的表面則只會得到較差的結果。

重點摘要

• 玻璃纖維填充比例通常為 10–60%，常見於 ABS、尼龍、縮醛樹脂、聚碳酸酯、LCP、PBT、PET、PPS、PEEK 與 PEI。
• 玻璃纖維並非良好的近紅外線吸收體，因此富含玻璃的表面本質上難以標記。
• 表面必須富含樹脂，因為雷射能量必須與聚合物基質產生作用。
• 玻璃外露（glass emergence）會在冷凝與成型後於表面呈現白色痕跡。
• 成型決定可標記性：缺陷源自雷射之前的上游製程，因此必須在上游解決。

常見問題

什麼是玻璃外露？

這是影響玻璃纖維填充射出成型產品的嚴重表面缺陷，過量玻璃在熔膠充填與成型期間聚集於表面。冷凝與成型後，表面出現白色痕跡，外露的纖維形成富含玻璃纖維的表面，使標記效果不佳。

為什麼富含玻璃的表面難以標記？

因為玻璃纖維並非近紅外線雷射光的良好吸收體。標記需要雷射能量與聚合物基質產生作用，因此表面必須富含樹脂。纖維含量越高，問題越嚴重。

哪些聚合物通常含有玻璃纖維？

ABS、尼龍、縮醛樹脂、聚碳酸酯、液晶聚合物、PBT、PET、PPS、PEEK 與 PEI。填充比例各異，但通常介於 10% 至 60% 之間。

玻璃纖維實際上由什麼製成？

由矽砂、石灰石與純鹼製成。矽砂構成玻璃本體，而純鹼與石灰石則在製造過程中降低熔融溫度。

產生標記的表面機制有哪些？

共有三種：碳化產生的黑色標記、發泡產生的白色標記，以及有色聚合物中由雷射誘發熱化學反應造成的顏色變化。實際發生何種機制，取決於吸收的能量以及材料獨特的熱降解途徑。

玻璃纖維

當標準塑膠需要提升結構性能時，會添加玻璃纖維。強度的提升源自於較弱的聚合物將負載應力傳遞給較強的補強纖維。製造玻璃纖維的原料為矽砂、石灰石與純鹼。矽砂是形成玻璃的主要材料，而純鹼與石灰石則用於降低熔融溫度。

玻璃纖維常添加於 ABS、尼龍、縮醛樹脂、聚碳酸酯、液晶聚合物（LCP）、PBT、PET、PPS、PEEK 與 PEI。填充比例雖各不相同，但通常介於 10% 至 60%。玻璃補強分為短纖維與長纖維兩種，各有優缺點。

玻璃外露表面缺陷

「玻璃外露」是常見於玻璃纖維填充射出成型產品的嚴重表面缺陷。玻璃纖維外露會形成富含玻璃纖維的表面。塑膠熔膠充填與成型期間，過量玻璃聚集於表面。冷凝與成型後，表面出現白色痕跡（見照片 1）。

成型零件表面必須「富含樹脂」，才能產生高品質標記，使雷射能量與聚合物基質產生作用。反之，富含玻璃纖維的表面標記效果不佳，且纖維含量越高，問題越嚴重。玻璃纖維本身並非近紅外線（NIR）雷射光的良好吸收體。

正確射出成型製程的重要性再怎麼強調也不為過。表 1 列出除玻璃外露之外，其他可能對雷射標記品質造成不良影響的表面缺陷。

聚合物雷射打標機制

對於波長 1060–1070 nm 的近紅外線振鏡掃描雷射，雷射打標的機制是以局部高能量輻射源（雷射）照射聚合物。雷射光源包括鐿光纖、釩酸鹽與 YAG。輻射能量隨後被材料吸收並轉換為熱能，引發材料內部反應。造成顏色變化的表面機制包括：1) 碳化產生的黑色標記；2) 發泡產生的白色標記；3) 有色聚合物因雷射誘發熱化學反應而產生的顏色變化。標記品質取決於吸收的能量與材料獨特的熱降解途徑。即使屬於同一聚合物家族，不同等級的聚合物也可能產生不同結果。

要獲得高品質標記，著色劑與添加劑的均勻分佈／分散，與富含樹脂的表面同樣關鍵。為判斷是否存在分佈／分散問題，建議將雷射設定為持續掃描標記整個零件表面。見照片 2。

結果顯示（由左至右）：成型筆桿呈現優異的黑底金色色度標記（最左），中間兩張顯示色度分佈不良，最右則呈現優異的均勻分佈。

由於多數聚合物在未添加化學添加劑時不具備近紅外線吸收特性，專家會使用添加劑、填料、顏料與染料來提升雷射能量的吸收。依所需的標記對比度與功能，會採用截然不同的配方化學與雷射光學／設定參數。雷射添加劑可最佳化對比程度，並大幅提高標記速度。顆粒與粉末形式皆可摻混至預先配混的色料或色母粒中。預先配色的配混料相較於色母粒，可產生更一致的標記。選用何種添加劑，取決於聚合物成分、基材顏色、期望的標記對比色，以及最終用途的認證要求。

雷射打標系統具備高精度與高重複性。製程設定完成後，雷射會精確施加並重複完全相同的輸出能量。因此，任何表面缺陷都會造成標記不一致。

一項具挑戰性的應用，是在藍色與黑色的 30% 玻璃纖維填充聚醯胺（尼龍）上取得穩健的白色對比。見照片 3。

雷射脈衝重複頻率與峰值功率密度，是形成標記並達成最佳對比與速度的關鍵參數。功率與脈衝重複頻率的算術曲線呈反比關係。

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，同時傳入基材的熱量極少。隨著脈衝重複頻率增加，較低的峰值功率只產生極少汽化，卻會傳導較多熱量。影響標記對比度與品質的其他因素包括脈衝寬度、焦距、光束速度，以及向量線間距。

結論

總結來說，塑膠雷射打標是極為優異的製程。標記品質取決於聚合物基質、添加劑與著色劑、射出成型製程，以及雷射光源。成型後的聚合物表面問題若妨礙可讀性，可能影響產品的安全性、性能與功能。玻璃外露是會對標記品質造成不良影響的成型表面缺陷之一。富含樹脂的零件表面與均勻的分散／分佈，是達成穩健雷射打標的關鍵。

Scott R. Sabreen 為 The Sabreen Group, Inc. 創辦人暨總裁，該公司為專精於塑膠二次加工製程的工程顧問公司，涵蓋表面前處理、附著接合、噴墨列印、雷射打標、工業塗料、裝飾與表面加工，以及產品安全。他三十多年來持續開發開創性技術，並解決製造難題。歡迎來電 972.820.6777，或造訪 www.sabreen.com 與他聯絡。

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