塑料激光打标，激光打标添加剂
工业激光器在塑料上的直接零件打标
塑料零件激光打标、激光蚀刻及激光雕刻，使用融入塑料复合材料中的激光敏感着色剂与添加剂，可实现卓越的对比度、质量、更快的打标速度及更低的成本。激光添加剂对ABS、缩醛（聚甲醛）、尼龙（聚酰胺）、聚碳酸酯、PET/PETG、聚乙烯、聚丙烯、聚酯、PVC、PPS、聚氨酯、橡胶/弹性体、苯乙烯等多种塑料均高效适用。激光打标机制包括碳化、化学变化、颜色变化及烧蚀，适用波长为近红外1060–1080nm、绿光532nm及UV 355nm。
SABREEN集团于1992年率先开发“智能”化学激光添加剂，并为航空航天、美国军方/NASA电子产品整合激光设备系统。SABREEN在激光添加剂、聚合物与颜料、激光光源、系统设计、制造与集成、合规认证及注塑工艺等领域拥有逾45年实战经验，可确保激光打标工艺卓越。
激光打标着色剂与添加剂
并非所有塑料的打标效果都相同！
高对比度塑料激光打标取决于着色剂、颜料/染料、着色强度、耐刮剂，有时还需特殊添加剂以吸收红外激光能量，从而引发聚合物的物理与化学变化。着色剂与添加剂以母粒、预混合颗粒或粉末形式供应，在初级成型工序中加入。激光优化着色剂与材料的分散与分布，对于获得一致的打标效果至关重要。
SABREEN采用激光专用炭黑与二氧化钛，相较于常规着色剂化合物，可实现更优异的对比度与线边缘细节。含有错误类型及比例炭黑或二氧化钛的塑料，打标结果欠佳且难以辨读。针对需要FDA及法规合规的应用，我们提供多种锑掺杂氧化锡的替代方案。
工业激光打标专家
塑料激光打标一站式全面解决方案——从材料科学到定制系统集成。
技术服务
- 定制激光颜色匹配配方及化合物、法规合规、原型样品——母粒、预混合材料（预着色）、激光层压材料。
- 激光设备系统设计、交钥匙系统集成与培训、机器视觉、定制HMI、工艺文档。
- 现场问题解决（全球任意地点）、激光工艺分析与系统优化、定制矢量图形。
- 激光安全认证、完整应用设计及CDRH 1类防护罩、激光安全官（LSO）内部审核。
- 塑料注塑及分析检测、模流分析、添加剂-着色剂分散与分布。
- 委托加工打标服务
激光打标机制
塑料激光打标的机制是以高能辐射源（如镱光纤激光器）照射聚合物。辐射能量被材料局部吸收并转化为热能，从而在目标聚合物基材中引发反应。在近红外光谱范围内工作的塑料激光打标存在三种类型的表面反应：1）碳化或炭化；2）化学变化发泡；3）降解引起的颜色变化。通过在激光打标软件中调整参数（功率、脉冲重复率、打标速度），可利用同一台激光器实现所有表面反应。连续波（CW）CO₂激光器工作波长为10.6微米（远红外光谱），峰值功率低，无法在塑料上产生高对比度标记。
激光打标解决方案
工业激光打标解决方案：塑料与着色剂、激光添加剂、注塑成型、激光器与光学器件、系统集成。
激光添加剂与着色剂
激光添加剂可降低成本，同时实现更优异的打标对比度与更快的打标速度。
新技术
单一配方添加剂可在同一成型周期内实现深黑色与不透明白色的激光打标对比度，是标签替代及塑料瓶与模制品喷墨打印的理想解决方案。符合FDA规定。
塑料激光打标应用
汽车内饰拨杆
获奖员工智能徽章，RFID。
汽车无盖加油口
医用导管，符合FDA有创手术要求。飞行打标替代油墨印刷。
深黑色激光打标对比度。新型添加剂符合FDA规定，不含重金属锑锡氧化物/三氧化锑，适用于动物产品。
无垫片饮料瓶盖飞行激光打标。添加剂符合FDA规定。打标速度2,000个/分钟。适用于HDPE、PE、聚丙烯等材料。
使用工业光纤激光器进行塑料激光打标
镱光纤激光器、MOPA及固定脉冲激光器是塑料打标与雕刻的理想选择。打标激光器的功能是以局部高能辐射源（激光）照射零件表面（聚合物），辐射能量被材料吸收并转化为热能，热能进而在材料中引发“热化学”反应。激光辐照度与能量密度是塑料打标的关键参数。强度受脉冲频率、激光功率、焦点光斑尺寸及脉冲宽度影响；能量密度受光束强度、扫描速度、脉冲重叠及聚焦光束直径影响。激光强度与能量密度参数需根据塑料类型精心平衡，以达到最佳质量。
激光打标术语
塑料“激光打标”是一种非接触式数字工艺，可在最小材料穿透深度的条件下，将永久性信息印刻于目标基材表面。信息通常包括字母数字文本、符号、图形、徽标、示意图、条形码、机器视觉码等。工作于1060–1080nm（近红外）的光束偏转镱光纤激光器（及其前身Nd:YAG弧光灯与二极管泵浦激光器），在特定发射波长与功率性能（峰值及平均功率）方面具备理想的波导特性。飞行光学是零件打标的另一种方法。特定颜色的聚合物材料也可采用较短波长532nm（倍频）及UV 355nm进行打标。
光束偏转激光打标（波长1060–1080nm）的基本机制是以高能辐射源照射聚合物。辐射能量被材料局部吸收并转化为热能，热能进而在材料基材中引发反应。近红外波长范围内可能产生多种类型的反应，包括碳化、烧蚀和化学变化。根据所需打标对比度效果，可选择截然不同的化学配方和激光系统参数，以实现所需反应类型。
当吸收的能量将吸收区域周围材料的局部温度升至足够高水平，导致聚合物热降解时，即发生碳化或炭化反应。在有氧环境下，这会导致聚合物燃烧；而在工件内部，有限的氧气供应使聚合物炭化，形成黑色标记。标记的深度取决于吸收的能量以及材料的热降解路径。
示例——ABS电脑键帽
塑料激光蚀刻（又称“烧蚀”）是一种非接触式数字工艺，激光束通过汽化或熔化方式去除基材表面材料，穿透深度极小。激光蚀刻深度通常不超过0.001英寸。示例：汽车日间/夜间按键。
日间/夜间工艺应用是通过去除材料层来露出特定颜色层。以下示例展示了白色底涂层上覆盖一层或多层黑色涂层的结构。基底聚合物通常为透明聚碳酸酯或ABS，这两种无定形聚合物均可透过来自LED光源的（背）光。更深的基材标记属于材料“雕刻”，而非单纯的表面蚀刻。
激光雕刻比激光蚀刻和激光打标的加工深度更大。工作波长为10.6μm的连续波CO₂激光器通常用于聚合物的直接无色雕刻。另一种雕刻应用是对选定颜色层（芯色与表面色）进行多层雕刻，例如名牌、标签和标牌。
功率密度是聚焦激光光斑尺寸的函数（激光功率除以单位面积，瓦/平方厘米），与激光的原始输出功率不同。任何给定焦距镜头和激光波长下的聚焦光斑尺寸，是激光光束发散度的函数，由激光配置、模式选择光阑尺寸及扩束镜放大率共同控制。
脉冲重复率（通过声光调Q开关控制）与峰值功率密度是形成标记、实现最佳对比度与速度的关键参数。低频下的高峰值功率能迅速提升表面温度，使材料汽化，同时向基材的导热量极小。随着脉冲重复率提高，较低的峰值功率产生的汽化量极小，但产生更多热量。光束速度（激光束横跨工作面的速度）也是关键因素。
激光添加剂可提升对比度，并可通过调整激光设置参数进一步增强。聚合物本身具有产生“深色”或“浅色”打标对比度的固有特性。含少量二氧化钛（TiO₂）与炭黑的着色剂化合物也可吸收激光，在某些情况下改善打标对比度。即使在同一聚合物系列内，各牌号聚合物也可能产生不同结果。添加剂配方不得有毒，也不得对产品外观、物理性能或功能性能产生不利影响。
与油墨印刷工艺（移印/丝印及喷墨印刷）相比，激光添加剂可节约成本，相较于非优化材料配方，打标速度提高15%或以上。激光添加剂以颗粒料和粉末形式供应。颗粒产品可直接与聚合物树脂混合，粉末形式则转化为母粒。多数添加剂易于在聚合物中分散。根据添加剂和聚合物不同，最终零件中的重量添加量（加载浓度）从0.01%至4.0%不等。
颗粒料和粉末形式均可混合至预混合着色材料或色母粒中。选择何种添加剂取决于聚合物组成、基材颜色、所需打标对比色及最终用途认证要求。某些添加剂含有锑掺杂氧化锡与三氧化锑的混合物，可能使天然（无色）基材呈现“灰色”色调。其他添加剂可能含有铝颗粒、混合金属氧化物及专有化合物。
使用颜料和染料进行颜色调整，以实现最终颜色匹配外观。部分商业供应的特定添加剂（也用于激光焊接）已获FDA批准，可用于食品接触及食品包装，符合21 CFR 178.3297《聚合物着色剂》A-H条件。欧盟亦有类似的合规声明。认证条件针对特定聚合物类型、加载量阈值及直接或间接接触情况。经FDA批准的添加剂混合至“最终零件”后，可进一步获得医疗器械生物相容性认证（参见国际标准ISO-10993）。
实现更快的打标速度
打标零件所需时间是聚合物基材、矢量线数量以及激光束/振镜扫描头绘制所有线条速度的函数。激光软件与矢量填充类型（单向、双向或蛇形）也会影响打标时间。
最新独立研究表明，在极低浓度（通常0.01%至2.0%）下加入激光添加剂配方，可在统计上显著提高打标速度。
右图展示了两种高密度聚乙烯的热重分析（TGA）曲线。两种聚合物呈现出不同的热降解温度——正是这一过程产生激光标记。热降解温度较高的聚合物需要更多激光能量、更低的打标速度或更多的吸收性添加剂，才能获得相同的标记外观。
两种HDPE样品从室温至1000°C的热重分析（TGA）曲线，显示热降解温度的差异。HDPE B比HDPE A更易打标且速度更快。
初级成型工序
完成“激光优化”材料科学研究（包括确定最佳对比度、色度颜色及激光设置参数）后，下一步是按适当稀释比例使用实际生产模具进行成型试验。这一步骤对于确保激光优化色彩基体的均匀分散与分布至关重要。成型完成后，对实际产品零件进行激光打标，以验证原有结果。
一种技术是将光束偏转激光器编程为连续扫描整个产品表面。左图（从左至右）展示了注塑成型圆珠笔：最左侧为金色底黑色色度激光打标效果，中间两张图显示色度分布不均，最右侧显示优良的均匀分布。
工艺注意事项
在激光添加剂加载/颜色匹配化学配比过程中，成品中激光添加剂含量低于计算量的情况并不少见。这一问题几乎总是与挤出或成型过程中分布不均有关。对成型机进行简单调整（如提高背压和螺杆转速）可解决大多数问题。激光添加剂在每个零件中的均匀分布/分散，对于实现最佳打标性能至关重要。对于挤出、注塑和热成型工序，预混合复合材料相比色母粒可获得更好的均匀性。应避免手工混合。模流及浇口类型/位置也是重要因素。
激光器并非生而平等！激光制造商集成到系统中的硬件和软件组件，对打标质量、速度和通用性产生显著差异。采购激光系统时，重要的是要记住，不存在一种通用的解决方案。每个应用在塑料基材成分与颜色、打标质量、速度、激光效率、对比度（深色底浅色标记、浅色底深色标记或彩色标记）及系统总成本方面均有其独特性。
光束质量输出模式是指激光束内的能量分布，对打标性能至关重要。激光器可由制造商以多模（MM）、TEM00（横向电磁模）或介于两者之间（包括低阶模LOM）的形式供应。这些输出模式与光束发散度及激光束直径上的功率分布等因素相关。
TEM00激光束可聚焦至聚焦光学器件所允许的最小光斑，且TEM00激光束的能量分布在中心最强，从中心向边缘均匀减弱。TEM00激光输出提供最高光束质量；多模（MM）激光输出光束质量最差。参见下图。低阶模与TEM00模激光器特别适合高速矢量打标单描字符、填充真型字体及复杂图形，因其能以高功率密度实现小聚焦光斑，产生边缘清晰的极细线条，可快速绘制。大多数塑料应用在使用近TEM00或TEM00激光束时效果最佳。
光束偏转Nd:YAG激光打标机（弧光灯与二极管光源）利用安装在高速计算机控制振镜上的反射镜，引导激光束横跨被打标表面——类似于用铅笔在纸上书写。
每个振镜（Y轴一个、X轴一个）在打标区域内提供光束运动。平场镜组件聚焦激光，以在基材表面实现高功率密度。右图展示了使用计算机控制振镜的光学光束传输系统。
从根本上说，光纤激光器与其他固态打标激光器不同。在光纤激光器中，产生激光束的活性介质分散在专用光纤电缆内。与光纤传输激光器不同，光纤激光器从激光源到光束传输光学器件的整个光路均在光纤电缆内。
激光技术的进步对最新一代FDA批准激光添加剂的快速发展起到了关键推动作用。纳秒镱光纤激光器的出现，是打标、焊接与切割领域最重大的技术进步之一。从根本上说，光纤激光器与其他固态打标激光器不同。在光纤激光器中，产生激光束的活性介质分散在专用光纤电缆内。与光纤传输激光器不同，光纤激光器从激光源到光束传输光学器件的整个光路均在光纤电缆内。
与Nd:YAG激光器相比，光纤激光器具有更优异的光束质量和亮度。衡量光束质量的一个指标是M²，M²值越小，光束质量越好；M²=1为理想高斯激光束。光束质量优异的激光器可聚焦至更小光斑，从而实现更高的能量密度。固定脉冲和可变脉冲（MOPA）光纤激光器的脉冲能量高达1 mJ，高功率密度可对众多历史上难以打标的聚合物进行标记。钒酸盐激光器也具有较小的M²，脉冲宽度比固定光纤和YAG激光器更短。脉冲持续时间影响材料内部的热量和碳化程度。较短的脉冲宽度对于敏感聚合物应用可能具有优势。
IPG Photonics是高性能光纤激光器的领先开发商与制造商，提供固定脉冲（有时称为“Q开关”）和可变短脉冲（MOPA）激光器。应用开发具有高度针对性。激光类型的选择取决于激光输出特性与优化聚合物材料的相互作用。参见下图，展示了IPG Photonics固定脉冲与可变（MOPA）脉冲长度镱光纤激光器的时域脉冲波形。
图1. IPG固定脉冲长度激光器在100 ns脉冲宽度下的时域脉冲波形
设置固定脉冲长度光纤激光器进行打标时，需设定两个输入参数。
1）脉冲重复率（通常称为脉冲频率）
2）泵浦功率百分比（100%对应泵浦二极管的最大可能电输入）
图2. IPG MOPA激光器在4 ns脉冲宽度下的时域脉冲波形
设置可变短脉冲MOPA光纤激光器进行打标时，需设定三个输入参数。
1）脉冲持续时间（通常称为脉冲宽度）
2）脉冲重复率（脉冲频率）
3）泵浦功率百分比（100%对应泵浦二极管的最大可能电输入）
对于上页两张图，参数输入的特定组合控制激光束的输出特性，即脉冲能量、峰值功率（脉冲能量最高瞬时峰值，J/脉冲持续时间）及平均功率（平均功率（瓦）= 脉冲能量（焦耳）× 脉冲重复率（赫兹））。
脉冲重复率与峰值功率密度是形成标记、实现最佳对比度与速度的关键参数。功率相对脉冲重复率的算术曲线成反比。低频下的高峰值功率能迅速提升表面温度，使材料汽化，同时向基材的导热量极小。随着脉冲重复率提高，较低的峰值功率产生的汽化量极小，但导热量增加。影响打标对比度和质量的其他因素当然还有光束速度和矢量线间距。
“飞行”激光打标用于模制和挤出产品（如导线/电缆、管材和管道）。聚烯烃合成酒瓶塞及无垫片饮料瓶盖底部促销标记的速度可达每分钟2,000件（字母数字文本和图形）。打标速度受多种变量影响，包括聚合物类型、基材颜色、激光添加剂类型与加载量、电缆尺寸（重量）、激光类型与功率、软件、字母数字字符数量、字体高度、文本串长度、字符间距、条形码/二维码、徽标/图形、单描或填充真型字体、填充方向以及连续或重复文本。使用适当配方的添加剂-着色剂，可确保打标表面的“功率密度”不成为限制因素，光束偏转振镜将以最大速度运行。
由于影响飞行生产打标能力的因素繁多，每种应用均须精确分析，几乎没有可推断的通用规律。但作为一般参考，以下以尼龙聚合物为例：50瓦光纤激光器，254mm平场镜，100个字母数字字符，字体高度2mm，重复文本串长度14.68英寸，打标时间0.232秒，计算速度约为每分钟315线性英尺。
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Scott Sabreen —— 总裁兼首席工程师，30 余年专业经验。立即联系我们，免费探讨您的应用方案与 SABREEN 的解决方案，把您最棘手的难题交给我们。
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