雷射打標色母粒與添加劑

雷射打標色母粒與添加劑

塑膠專用的先進雷射增效添加劑化學——工程化配方帶來更優異的對比、更快的打標速度，且完全不影響聚合物特性。由塑膠雷射添加劑的原始發明者開發。

塑膠雷射打標添加劑

為每種聚合物系統工程化的深色與淺色打標對比配方及客製色彩

雷射添加劑可提升打標零件的對比程度，再透過調整雷射設定參數進一步強化。聚合物本身具有產生「深色」或「淺色」打標對比的固有特性。部分含少量二氧化鈦（TiO2）與碳黑的著色劑化合物也會吸收雷射光，在某些情況下改善打標對比。即使同屬一個聚合物家族，每個牌號都可能產生不同結果。添加劑配方不得有毒，也不得對產品外觀、物理或功能特性造成不利影響。

與油墨印刷製程（移印／網印與噴墨）相比，雷射添加劑可節省成本，且相較未最佳化的材料配方，打標速度快 15% 以上。雷射添加劑有顆粒與粉末兩種形態：顆粒產品可直接與聚合物樹脂摻混，粉末則製成色母粒。大多數添加劑容易分散於聚合物中。依添加劑與聚合物而定，最終零件中的重量添加濃度介於 0.01% 至 4.0%。

Sabreen 集團是塑膠雷射添加劑的原始開發者。擁有 12 項客戶專利，並獲美國司法部與 General Dynamics 遴選為專利訴訟的雷射專家證人。我們的雷射最佳化對色化合物、色母濃縮料與液態色料，在客戶指定樹脂上交付保證成果——完全不影響聚合物特性，並全面符合 FDA、UL、NEMA 與 RoHS。

雷射打標色母粒的科學

材料化學、雷射組態與製程最佳化

要達到最佳打標品質，需要完整理解添加劑化學、聚合物熱行為、雷射波長與加工變數。請探索以下各主題。

專業添加劑化學

選用哪種添加劑取決於聚合物組成、基材顏色、所需打標對比色與終端認證要求。部分添加劑含摻銻氧化錫與三氧化二銻混合物，可能使天然（未著色）基材的不透明度帶「灰濛」色調；其他添加劑可能含鋁顆粒、混合金屬氧化物與專有化合物。

Sabreen 雷射著色劑基質結合專業雷射添加劑、著色劑、顏料、染料與流動助劑——包括精選碳黑、TiO2 與抗刮劑——以低添加量交付更優異的品質與速度。

• 深色與白色對比配方
• 客製色彩與 Pantone 對色
• 預混材料、色母濃縮料、液態色料
• 客戶指定樹脂，完全不影響聚合物特性
• 黃卡、FDA 與 MIL 認證

對比開發與客製色彩打標

可被雷射打標的聚合物會吸收雷射光，將光能轉化為熱能。雷射添加劑直接改善對比，再透過調整雷射設定參數進一步強化。即使同屬一個聚合物家族，每個牌號都可能產生不同結果。

再以顏料與染料調色，達到最終對色外觀。Sabreen 的突破性光纖雷射技術帶來前所未有的對比與保真度，線條細節品質超過 800+ dpi 與 256 階灰階。

• 單一配方即可在非晶聚合物（ABS、PC、PET、PETG 等）上同時產生墨黑與不透明白對比
• Hostaform® 聚縮醛（POM）上的客製 Pantone 色彩與「同色調」對比
• 黑底金字、黑底白字與白底深字等對比選項
• 字高 ≤ 0.015 英寸、放大鏡下可辨識的微打標
• 具超精細單元品質、穩健可讀的機器視覺碼

添加濃度與供應形態

雷射添加劑有顆粒與粉末兩種形態。顆粒產品可直接與聚合物樹脂摻混，粉末則先製成色母粒。大多數添加劑容易分散於聚合物中。

顆粒與粉末形態都可摻入預混色料或色母濃縮料。依添加劑與聚合物而定，最終零件中的重量添加濃度介於 0.01% 至 4.0%。

供應形態

使用情境

典型添加量

顆粒

直接與聚合物樹脂摻混

粉末

先轉製為色母粒

液態色料

預混料或色母濃縮料

視情況而定

最佳化配方

統計上更快的打標速度

實現更快的打標速度

打標一個零件所需的時間，取決於聚合物基材、繪製的向量線數量，以及雷射光束與振鏡掃描頭繪製所有線條的速度。雷射軟體與向量填充類型——單向、雙向或蛇形——也會影響打標時間。

新的獨立研究顯示，以極低濃度（通常 0.01% 至 2.0%）摻入雷射添加劑配方，可實現統計上顯著更快的打標速度。

兩種高密度聚乙烯的熱重分析（TGA）說明了這一點：兩種聚合物的熱降解溫度不同——熱降解正是產生雷射標記的過程。溫度較高的聚合物需要更多雷射能量、更低的打標速度或更多吸收性添加劑，才能達到相同的標記外觀。正面對比之下，HDPE B 比 HDPE A 更容易、更快打標。

• 相較未最佳化配方，速度快 15% 以上
• 在突破性光纖雷射系統上產能提升 25% 以上
• 電線電纜擠出速度超過每分鐘 2,000 英尺——極限在振鏡掃描頭，而非添加劑

雷射打標光譜與波長

可被雷射打標的聚合物是那些吸收雷射光並將光能轉化為熱能的聚合物。產生高對比與彩色打標的理想波長是近紅外光譜的 1060–1070 nm。

相容的雷射類型包括鐿光纖、釩酸鹽與 Nd:YAG。波長更長的 CW CO2 雷射因峰值功率較低且波長較長，只能產生無色雕刻，通常不用於塑膠的彩色對比打標。

雷射類型

波長

在塑膠上的效果

鐿光纖

1060–1070 nm（近紅外）

理想：高對比、彩色打標

釩酸鹽（Nd:YVO4）

約 1064 nm

理想：高對比、精細細節

Nd:YAG

相容

UV（355 nm）

紫外

對比一般，成本較高

綠光（532 nm）

可見光

CW CO2

約 10,600 nm

僅無色雕刻

鐿光纖雷射——固態性能

工作於 1060–1070 nm、能量約 1 mJ 的鐿光纖雷射是塑膠添加劑打標的理想選擇。光纖雷射提供 MOPA（可變脈衝）與 Q 開關（固定脈衝）兩種組態，具備高產量生產所需的光束品質與可靠性。

• 優異光束品質 M² < 1.2，高亮度
• 脈寬可調低至 2 ns（MOPA）
• 脈衝重複率高達 100 kHz，速度更快
• 無耗材，幾乎零維護
• 營運成本低——每年約 250 美元，僅電費
• 工業打標領域最實惠的總持有成本

Sabreen 的發明「光纖雷射打標方法與系統」（專利申請 WO2010011227 A1，2008 年 7 月 25 日申請，發明人 Scott R. Sabreen）獲 Celanese（Ticona）背書。Celanese 使用摻入精選雷射打標添加劑的 Hostaform® 聚縮醛天然色與白色測試板確認：Sabreen 的技術產生的「天然底黑字」與「白底黑字」雷射標記品質高於標準傳統 Nd:YAG 技術——對比更高、標記更深、細節更銳利。

光斑尺寸與光束品質

雷射光的光斑尺寸對塑膠打標至關重要。光斑尺寸可透過不同的傳輸光纖、聚焦透鏡、改變光束傳輸與基材間的距離，以及使用更長或更短的波長來控制。多模光束輪廓產生較大光斑，單模光束輪廓則產生較小光斑——100 微米以下。

光束傳輸光學元件，尤其是 F-theta 透鏡，同時影響打標範圍與雷射能量在表面上的集中程度。焦距較長的 F-theta 透鏡可獲得較寬的打標場，減少重新定位步驟，但光斑較大，功率密度降低。

透鏡焦距

打標場

功率密度

最適用途

163 mm

約 5 英寸見方

高

小零件上的精細標記、細小文字、深雕刻

254 mm

約 8 英寸見方

較低

較大零件——標識板、大型序號

雷射輻照度與能量密度

輻照度（功率密度）是單位面積的雷射功率，以 W/cm² 計。它是雷射光束強度隨聚焦光斑尺寸而變的函數。光斑越大，能量密度越低。高輻照度可能導致材料快速加熱與汽化，低輻照度則可能不產生可見標記。輻照度過高會損壞材料。

能量密度（fluence）是單位面積的雷射能量，通常以 J/cm² 計。能量密度決定傳遞到材料表面的能量。能量密度必須與特定材料匹配——有些材料需要較高的能量密度才能吸收足夠能量產生可見標記，有些則需要較低的能量密度以免損壞。較高的能量密度通常產生較深的標記。

脈衝重複率與峰值功率密度是形成標記、取得最佳對比與速度的關鍵參數。低頻高峰值功率快速升高表面溫度，使材料汽化而僅將極少熱量導入基材。隨著脈衝重複率提高，較低的峰值功率汽化極少但產生更多熱量。功率對脈衝重複率的算術曲線成反比。

影響輻照度的因素：脈衝頻率（Hz、kHz）、雷射功率（瓦）、聚焦光斑尺寸與脈寬（ns）。

影響能量密度的因素：光束強度、掃描速度、脈衝重疊與聚焦光束直徑。

脈寬——MOPA 與 Q 開關

脈寬是脈衝開始到結束之間的時間，以奈秒計。它是控制能量密度與製程最佳化的關鍵因素。MOPA 雷射的脈衝持續時間調整遠比 Q 開關（固定脈衝）光纖雷射靈活。

脈寬範圍

特性

Q 開關（固定脈衝）

120 ns – 250 ns

固定脈衝，控制較簡單，成本較低

MOPA（可變脈衝）

2 ns – 250 ns

可在寬範圍內調整，製程控制更精細，是彩色打標與熱敏基材的理想選擇

短脈寬的優勢：表面加熱更快、導入基材的熱量更少、標記邊緣更乾淨、敏感聚合物的熱損傷更低，以及在金屬與著色塑膠上更佳的彩色打標。

阻燃劑與等級

阻燃劑會影響塑膠著色劑化合物。它們分為兩類：鹵化化合物（含氟、氯、溴或碘）與非鹵化化合物。特定鹵化阻燃劑與三氧化二銻（Sb2O3）結合，可改善淺色基材對 1060–1070 nm 波長光的吸收。

鐿光纖雷射可輕鬆打標含阻燃劑的化合物。許多雷射設備供應商只能使用昂貴得多的 UV 355 nm 與 532 nm 綠光雷射達到一般的打標對比。

配方過程中需回答的關鍵問題：

• 允許哪種阻燃劑——鹵化或非鹵化？
• 必須符合哪些標準：UL 94、E 84、MVSS、ASTM、VW-1？
• 若須符合 UL-94，是 V-2、V-1 還是 V-0？
• 機械性能（拉伸強度、伸長率）對產品是否關鍵？
• 起霜（blooming）是否影響印刷或封合等後加工製程？
• UV 穩定性是否為考量因素（產品是否暴露於陽光）？

FDA 與法規符合性

作為市售產品，特定添加劑（也用於雷射焊接）已獲 FDA 核准，可在 21 CFR 178.3297「聚合物用著色劑」A–H 條件下用於食品接觸與食品包裝。歐盟也有類似的合規聲明。

認證條件依聚合物種類、添加量門檻與直接或間接接觸而異。摻入「最終零件」的 FDA 核准添加劑經進一步驗證，可依國際標準 ISO-10993 達到醫療器材的生物相容性。

雷射著色劑整體符合 FDA、UL、NEMA 與 RoHS。由於採用業界核准的化學品，無需重新認證。這使雷射打標成為高度監管產業中油墨印刷的即插即用升級方案。

• 21 CFR 178.3297 聚合物用著色劑（A–H 條件）
• ISO-10993 醫療器材生物相容性
• UL 94 阻燃等級
• 歐盟食品接觸合規聲明
• MIL-DTL-55302（互連與電子元件）
• RoHS、NEMA、黃卡認證

一次成型作業

完成「雷射最佳化」材料科學（包括確立最佳對比、色度與雷射設定參數）後，下一步是使用實際量產模具、以正確的稀釋比進行試模。

此步驟對確保雷射最佳化色彩基質的均勻分散與分布至關重要。成型後，對實際產品零件進行雷射打標以確認原始結果。

一種經驗證的技術是程式化光束導向雷射，連續打標（掃描）整個產品表面。例如，帶黑底金色濃彩打標的射出成型原子筆可在整個零件上評估：色彩分布不佳會呈現視覺不一致，而優異的均勻分布則產生首尾一致的標記。

試模驗證雷射添加劑在量產零件中均勻分散，且標記品質、對比與色彩符合實驗室結果。

加工考量

在雷射添加劑加載與對色化學開發過程中，成品含有的雷射添加劑低於計算量並不罕見。這個問題幾乎都與擠出或成型過程中的不均勻分布有關。

對成型機做簡單調整——如提高背壓與螺桿轉速——即可解決大多數問題。雷射添加劑在每個零件中的均質分布與分散，是達到最佳打標表現的關鍵。

對擠出、射出成型與熱成型作業而言，預混著色料比色母濃縮料的均勻性更好。應避免手工混料。模流與澆口類型／位置是重要因素，應在設計初期審視。

• 在試模簽核前驗證添加劑分布均勻
• 提高背壓與螺桿轉速以修正分散問題
• 盡可能優先選用預混著色料而非色母濃縮料
• 務必避免手工混料
• 審視雷射打標表面的模流與澆口類型／位置
• 使用實際量產模具試模，而非僅用實驗板

顛覆性的雷射打標應用

經醫療、汽車、航太與消費市場實戰驗證

Sabreen 的雷射最佳化色母粒與添加劑技術，已在全球最嚴苛的製造應用中取代油墨印刷、黏貼標籤與移印。

無墊片飲料瓶蓋

聚烯烴瓶蓋的蓋內促銷遊戲——符合 FDA 食品接觸規範，每分鐘 2,000 個瓶蓋。

資料輸入裝置

12 秒打標 101 個鍵帽，取代多步驟油墨印刷與印版。Microsoft、Foxconn、ALPS、Keytronics、Dell 與 HP 均採用。

動物與牛隻識別耳標

識別標籤上的 Data Matrix 機器視覺碼。原創技術受 1996 年美國專利 WO98/25211 保護。

軍用電子

智慧飛彈與炸彈（MIL-DTL-55302），部署於 NASA 太空梭挑戰者號與 1991 年美國沙漠風暴行動，取代類比油墨印刷。

PET/PETG 容器

FDA 食品接觸 PET/PETG 上的標籤替代方案。單一配方同時產生墨黑與不透明白打標對比。

背光汽車按鍵

透過塗裝與雷射剝蝕實現日／夜照明按鍵與顯示。GM、Ford 與 Chrysler 自 1985 年起採用。

引擎室燃油元件

嚴苛汽車環境中用於產品識別與追溯的 2D Data Matrix 機器視覺碼。

尼龍與玻纖尼龍

尼龍電子件上的白色雷射打標，取代油墨印刷。包括汽車尼龍無蓋加油元件。

醫療導管與器材

黑色 HDPE 纜線與醫療導管上的不透明白對比——符合 FDA。另有醫療聚烯烴推桿取代移印。

擠出「飛行中」打標

擠出包裝與醫療軟管上的連續雷射打標——以完全符合 FDA 的添加劑取代輪轉油墨印刷。

智慧識別證／員工卡

帶 RFID 與隱蔽安全特徵的多層結構聚碳酸酯。臉部區域微打標，強化防偽。

基材下雷射打標

需要在基材表面以下永久打標、以耐受嚴苛環境的水下相機與元件。

為什麼選擇 Sabreen 的雷射色母粒？

原始發明者——成果保證

Sabreen 集團是塑膠雷射添加劑的原始開發者。獲美國司法部與 General Dynamics 遴選為專利訴訟的雷射專家證人，我們的團隊在聚合物科學、添加劑化學與系統整合方面具備深厚專業。

從客製對色化合物到統包系統設計、整合、訓練與雷射安全認證，我們以 12 項客戶專利與數十年實戰應用為後盾，交付完整的雷射打標解決方案。

• 到廠解決問題與系統最佳化
• 符合 FDA 的雷射增效添加劑
• 客製對色化合物與 Pantone 色彩開發
• 統包系統設計、整合與操作員訓練
• 雷射安全認證與雷射安全官（LSO）服務
• 材料分析、生物風險認證、專家客戶證詞

為您的應用找到合適的雷射色母粒

把最棘手的打標挑戰交給我們。從醫療與食品接觸到汽車與航太，我們工程化雷射最佳化色母粒與添加劑解決方案，交付更優對比、更快速度與全面法規符合性——成果保證。

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