光纖雷射 PPS 雷射打標技術

使用光纖雷射進行 PPS 聚苯硫醚雷射打標

摘要

PPS（聚苯硫醚）的打標與雕刻極為困難，因為它在雷射加熱時能夠承受高溫。著色劑技術、雷射專用碳黑與光纖雷射的最新進展，使黑色玻纖強化 PPS 得以實現高對比、淺色且抗刮的標記，並取得 Yellow Card 認證。這項重大進展讓 Data Matrix 碼、條碼、QR 碼與零件唯一識別碼的打標與微打標，得以應用於汽車產業、航太／NASA MIL 電子、泵浦與閥門、家電等多個領域。摻鐿（Ytterbium）光纖雷射的設定與光學系統必須精準，才能獲得穩固且抗刮的標記。

重點摘要

• PPS 難以打標，正是因為它耐熱。高溫穩定性代表用來形成對比的表面反應不易被觸發。
• MOPA 摻鐿光纖雷射是正確的選擇，脈衝寬度應為 20–40 ns，脈衝頻率需高於 100 kHz。
• 表面溫度控制決定抗刮性。升溫與降溫時間一旦設定錯誤，標記就會被磨掉。
• 樹脂富集的表面是必要條件。30–40% 玻纖強化 PPS 若出現浮纖（glass emergence），標記品質便會明顯劣化。
• 模具溫度須達 275–300°F 以上才能完全結晶，否則零件在使用過程中會產生尺寸變化。

最佳雷射打標條件。若要在黑色玻纖強化 PPS 上做出抗刮、高對比的淺色標記，MOPA 摻鐿光纖雷射是最佳選擇，因為它能精確控制脈衝寬度與聚焦功率密度。這樣的精確度可在 1060-1070 nm 的近紅外波長下，更妥善地控制表面化學發泡過程。最佳脈衝寬度介於 20 至 40 奈秒之間，脈衝頻率則超過 100 千赫。必須精準設定雷射參數以控制表面溫度（升溫與降溫時間），否則標記很容易被刮除。

要在包含 PPS 在內的玻纖強化聚合物上獲得高品質的雷射打標，必須具備穩定的射出成型製程，以及雷射最佳化著色劑與預混料的良好分散與分布。玻璃纖維的添加可能對成型製程造成不利影響，進而影響雷射打標的品質。零件表面必須呈樹脂富集狀態，才能獲得穩固的標記；玻璃纖維富集的表面則會產生較差的打標結果。

聚苯硫醚（PPS）

聚苯硫醚（PPS）是一種耐高溫的半結晶工程熱塑性塑膠。在業界，PPS 被視為「表現有如金屬」的塑膠。與 PEEK、LCP 等其他高溫性能塑膠相同，PPS 的性質取決於其結晶行為。市售 PPS 有兩種不同型態：「支鏈型」分子結構與「線性型」。最為人熟知的品牌包括 Celanese Fortron®、Solvay Ryton®、SABIC Supec、Toray Torelina 與 DIC PPS。支鏈型通常剛性較高；線性型則一般具有較佳的機械強度與撓曲強度，以及更高的熔體穩定性，且離子雜質較少。在標準 PPS 中加入玻璃纖維（30% 與 40%）或玻纖／礦物混合填料，可滿足特殊且嚴苛的應用需求。電子製造商通常選用 40% 玻纖強化 PPS 來製作絕緣件與連接器產品。

要達到完全結晶狀態，模具溫度至少須維持在華氏 275 至 300 度。當 PPS 在低於華氏 275 度的條件下成型時，成品為非晶或半結晶狀態，並會維持此狀態，直到暴露於更高的使用溫度為止。若使用溫度超過成型溫度，零件的結晶度將提高，進而造成尺寸與性質的變化。

製造玻璃纖維的原料為二氧化矽、石灰石與蘇打灰。二氧化矽是形成玻璃的主要原料，蘇打灰與石灰石則用於降低熔融溫度。「浮纖」（glass emergence）是玻纖強化射出成型產品常見的嚴重表面缺陷：玻璃纖維外露會形成玻纖富集的表面。在塑膠熔體充填與成型過程中，過量玻纖會浮現於表面；冷卻定型之後，表面便出現白色痕跡。成型件表面必須為「樹脂富集」，雷射能量才能與聚合物基質產生作用，進而獲得高品質的標記。反之，玻纖富集的表面打標效果不佳，且纖維含量愈高，問題愈嚴重。玻璃纖維本身對近紅外（NIR）雷射光的吸收能力並不好。

工業用光纖雷射

奈秒級摻鐿光纖雷射（MOPA 與固定脈衝型）具備優異的光束品質（M²）與高亮度「輻射度」，非常適合塑膠的打標、雕刻與蝕刻。其可聚焦至極小的光點尺寸（小於 20 微米），因而具有高能量密度。使用 MOPA（主振盪功率放大器，Master Oscillator Power Amplifier）雷射的一項重要優勢，在於能夠微調脈衝寬度。雷射輻照度（W/cm²）與能量密度 fluence（J/cm²）是塑膠打標的重要參數。輻照度基本上即雷射光束的強度，取決於聚焦光點尺寸；能量密度則決定傳遞至材料表面的能量多寡。能量密度過低時，材料可能完全不受影響；過高時，材料則可能受到過度破壞，超出所需的打標效果。

雷射脈衝重複率與峰值功率密度，是形成標記並取得最佳對比度與速度的關鍵。功率與脈衝重複率的關係曲線呈反比。低頻率下的高峰值功率會使表面溫度迅速上升，讓材料汽化，同時僅有極少熱量傳導進入基材。隨著脈衝重複率提高，較低的峰值功率所產生的汽化量極少，卻會傳導更多熱量。

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常見問題

為什麼 PPS 這麼難以雷射打標？

PPS 是耐高溫的半結晶熱塑性塑膠，能承受雷射施加的熱量，因此在一般塑膠上用來形成對比的碳化與發泡反應，在 PPS 上更難被觸發。而 PPS 零件常見的玻纖強化，又使問題更加棘手。

哪些雷射參數能在黑色玻纖強化 PPS 上做出抗刮的標記？

使用 MOPA 摻鐿光纖雷射，脈衝寬度介於 20 至 40 奈秒，脈衝頻率高於 100 kHz。精準的參數設定才能控制表面溫度的升溫與降溫時間；缺少這項控制，標記就很容易被刮除。

玻纖含量會影響 PPS 的打標品質嗎？

影響相當大。玻璃纖維不吸收近紅外光，因此玻纖富集的表面打標效果不佳，且纖維含量愈高，問題愈嚴重。電子連接器普遍採用 40% 玻纖強化 PPS，因此成型時必須優先確保形成樹脂富集的表面。

PPS 需要多高的模具溫度？

至少 275 至 300°F 才能達到完全結晶狀態。若在此溫度以下成型，零件會維持非晶或半結晶狀態；日後一旦使用溫度超過成型溫度，便會繼續結晶，造成尺寸與性質的變化。

線性型與支鏈型 PPS 有何差異？

支鏈型 PPS 通常剛性較高。線性型 PPS 一般具有較佳的機械強度與撓曲強度、更高的熔體穩定性，以及較少的離子雜質。

Scott R. Sabreen 是 The Sabreen Group, Inc. 的創辦人暨總裁。該公司為工程顧問公司，專精於塑膠二次加工製程——表面前處理、黏接、裝飾與表面加工、雷射打標及產品安全。他投入新技術開發與製造問題解決已超過 30 年。如需聯絡 Sabreen，請撥打 972.820.6777，或造訪 www.sabreen.com 或 https://sabreen.com/solutions/plastics-laser-marking/

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