塑膠雷射焊接

聚合物雷射焊接與接合整體解決方案

以雷射焊接接合熱塑性塑膠有兩種加熱方法：表面加熱與穿透式加熱。穿透式加熱有時稱為「穿透式雷射焊接」（TTLW）或「穿透式紅外焊接」（TTIr）。雷射焊接是實現氣密焊縫的最佳製程之一。表面加熱可透過擴束雷射光束並利用反射鏡同時加熱兩個零件的表面來完成；也可以使用雷射線光束或搭配掃描鏡的雷射光點，快速掃描並加熱零件表面。

在穿透式雷射加熱中，一個零件對雷射透明，另一個零件則含有碳黑等添加劑以吸收雷射輻射並轉化為熱。高吸收率材料非常適合作為穿透式雷射焊接的下層零件，因為它們在焊接界面吸收大部分能量，形成非常適合焊接的薄加熱表層。部分光學透明的塑膠與薄膜可使用 1500nm 至約 2000nm（2 微米）的較長波長焊接，產生整體加熱。

深入了解雷射焊接的碳黑選擇

碳黑選擇

成功實現穿透式雷射焊接與接合

雷射焊接是非接觸加熱方法，週期短、成本低，因此廣泛用於接合熱塑性塑膠。無論表面加熱或穿透式加熱，碳黑都是最常用的著色劑。研究發現，低粒子聚集且分布均勻的碳黑類型對雷射加熱最有效。

雷射線光束掃描實驗顯示，雷射頭的輕微傾斜會使前進與後退時的加熱不同。在異種聚合物接合中，表面紋理化可增加接合面積與機械互鎖程度，產生更優異的接頭。

塑膠雷射焊接服務——SABREEN 解決方案

SABREEN 的專業知識確保塑膠雷射焊接的卓越品質——在雷射添加劑、聚合物與著色劑、雷射源、系統設計、製造與整合、法規符合性以及射出成型製程領域擁有超過 40 年經驗。

• 客製雷射對色配方與化合物、法規符合性、原型樣品——色母粒、預混料（預著色）、雷射積層材。
• 針對聚合物-著色劑基質最佳化雷射源、波導特性、光學元件與光束傳輸。近紅外 1060-1080nm 鐿光纖、釩酸鹽、倍頻 532nm 綠光或 UV 355nm。
• 雷射設備系統設計、統包系統整合與訓練、機器視覺、客製 HMI、製程文件。
• 到廠解決問題（全球任何地點）、雷射製程分析與系統最佳化、客製向量圖檔。
• 雷射安全認證、包含設計與 CDRH Class 1 防護罩的完整應用、內部稽核雷射安全官（LSO）。
• 塑膠射出成型與分析檢測、模流分析、添加劑—著色劑分散／分布。

整體解決方案

聚合物-著色劑材料科學、射出成型、雷射技術、系統整合與訓練。獨特配方經工程設計，涵蓋廣泛的雷射技術。我們的雷射源選擇也讓客戶能依需求打標／雕刻金屬。

雷射添加劑

顛覆性的添加劑可產生墨黑、淺色與客製色彩對比。添加劑在成型過程中以色母濃縮料或預混料形式與聚合物摻混。低劑量不影響任何聚合物特性。提供 FDA／EFSA 核准版本。

全新突破性技術

新型單一配方添加劑可同時產生墨黑與不透明白的雷射打標對比。是吹塑瓶與射出成型產品取代標籤與油墨印刷的理想技術。

汽車內裝撥桿

獲獎員工智慧識別證，RFID。

汽車無蓋加油口

醫療導管，符合 FDA 侵入性手術規範。飛行中雷射打標取代油墨印刷。

墨黑雷射打標對比。新型添加劑符合 FDA 規範，不含重金屬銻錫氧化物／三氧化物，非常適合動物應用。

無墊片飲料瓶蓋的飛行中雷射打標。FDA 合規添加劑。打標速度每分鐘 2,000 個瓶蓋。HDPE、PE、聚丙烯等。

聚烯烴醫療注射器，FDA 核准雷射添加劑，取代移印

日間／夜間雷射打標，水性塗層

雷射打標表面反應

併入照片／識別證的特殊雷射添加劑，用於產品安全

雷射添加劑突破

SABREEN 發明

雷射打標術語

塑膠「雷射打標」是一種非接觸數位製程，將永久性資訊施加於目標基材表面，材料穿透極小。資訊通常是英數文字、符號、圖案、標誌、示意圖、條碼、機器視覺碼等。工作於 1060-1080nm（近紅外）的光束導向鐿光纖雷射（及其前身弧燈與二極體泵浦 Nd:YAG 雷射），具備專屬於其發射波長與功率性能（峰值與平均功率）的理想波導特性。飛行光學是零件打標的另一種方法。特定聚合物材料的特定顏色也可使用較短波長打標：532nm（倍頻）與 UV 355nm。

使用 1060-1080nm 波長的光束導向雷射打標，其基本機理是以高能輻射源照射聚合物。輻射能被材料局部吸收並轉化為熱能，熱能繼而在材料基材中誘發反應。在近紅外波長區可能發生多種反應，包括焦化、燒蝕與化學變化。依所需的打標對比效果，可選擇截然不同的化學機制與雷射系統參數，實現偏好的反應類型。

當吸收的能量使吸收點周圍材料的局部溫度升高到足以造成聚合物熱降解時，就發生碳化或焦化反應。有氧時聚合物燃燒；但在工件內部，供氧受限使聚合物焦化形成黑色標記。標記的深淺取決於吸收的能量與材料的熱降解路徑。

範例——ABS 電腦鍵帽

塑膠雷射蝕刻（也稱「燒蝕」）是一種非接觸數位製程，雷射光束透過汽化或熔融從基材表面去除材料，穿透極小。雷射蝕刻深度通常不超過 0.001 英寸。

範例——日間／夜間汽車按鍵

日／夜製程應用是移除材料層以露出特定顏色層。本例展示白色底漆上覆蓋一層或多層黑色塗層。基材聚合物通常為透明聚碳酸酯或 ABS——兩者皆為非晶聚合物，可透射 LED 光源的（背）光。更深入基材的標記屬於「雕刻」，而不僅是表面蝕刻。

背光「日／夜」汽車按鍵：塗裝與雷射剝蝕

雷射雕刻比雷射蝕刻與雷射打標更深。工作於 10.6 微米波長的 CW CO2 雷射通常用於聚合物的直接無色雕刻。另一種雕刻應用是選擇性色層（芯色與表色）的多層雕刻，例如名牌、標籤與標識。

功率密度是聚焦雷射光斑尺寸的函數（單位面積雷射功率，watts/cm2），與雷射的原始輸出功率不同。任何給定焦距透鏡與雷射波長下的聚焦光斑尺寸，取決於雷射光束發散角，而發散角由雷射組態、模式選擇孔徑尺寸與擴束鏡放大倍率控制。

脈衝重複率（透過聲光 Q 開關）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。光束速度（雷射光束掃過工作表面的速度）也是關鍵因素。

雷射添加劑可提升對比程度，再透過改變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%。

顆粒與粉末形態都可摻入預混色料或色母濃縮料。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。再以顏料與染料調色，達到最終對色外觀。

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，可達到醫療器材的生物相容性（參照國際標準 ISO-10993）。

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／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。

右圖顯示兩種高密度聚乙烯的熱重分析（TGA）曲線。兩種聚合物呈現不同的熱降解溫度——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。

兩個 HDPE 樣品自常溫至 1000°C 的熱重分析（TGA），顯示熱降解溫度的差異。HDPE B 比 HDPE A 更容易、更快打標。

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。

一種技術是程式化光束導向雷射，連續打標（掃描）整個產品表面。左圖（由左至右）：射出成型原子筆呈現黑底金色濃彩雷射打標（左）、中間兩張圖顯示不佳的色彩分布、最右側顯示優異的均勻分布。

加工考量

在雷射添加劑加載／對色化學過程中，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／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。

雷射並非生而平等！雷射製造商在系統中採用的硬體與軟體元件，對打標品質、速度與多樣性有顯著影響。採購雷射系統時務必記住：不存在單一的萬用解決方案。每個應用都是獨特的——涉及塑膠基材組成與顏色、打標品質、速度、雷射效率、對比（淺底深字、深底淺字或彩色）與系統總成本。

光束品質輸出模式指雷射光束內的能量分布，對打標表現至關重要。製造商提供的雷射可以是多模（MM）、TEM00（橫向電磁模）或介於兩者之間的任何模式，包括低階模（LOM）。這些輸出模式關係到光束發散角與雷射光束直徑上的功率分布等因素。TEM00 雷射光束可聚焦到聚焦光學允許的最小光斑，其能量分布在中心最強、從中心向邊緣均勻遞減。TEM00 雷射輸出提供最高的光束品質；多模（MM）雷射輸出的光束品質最差。

參見下圖。低階模與 TEM00 模雷射特別適合單筆畫英數字、填充式 TrueType 字體與複雜圖案的高速向量打標，因為它們能以極高功率密度聚焦成小光斑，畫出線緣清晰的極細線條且繪製快速。大多數塑膠應用使用接近 TEM00 或 TEM00 雷射光束效果最佳。

功率密度是聚焦雷射光斑尺寸的函數（單位面積雷射功率，watts/cm2），與雷射的原始輸出功率不同。任何給定焦距透鏡與雷射波長下的聚焦光斑尺寸，取決於由雷射組態、模式選擇孔徑尺寸與擴束鏡放大倍率控制的光束發散角。脈衝重複率（透過聲光 Q 開關）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。光束速度（雷射光束掃過工作表面的速度）也是關鍵因素。

雷射控制軟體與打標系統中的任何硬體元件同等重要。先進的軟體演算法可實現前所未有的速度。光束導向雷射打標機有時被誤解為（桌上型）印表機；事實上它們是繪圖機。雷射不是放置個別像素來構成字母或圖案，而是像用鉛筆在紙上書寫般繪製線條。無論最初用什麼輸入檔案格式建立打標物件，所有打標最終都會簡化為最基本的形式——由掃描頭繪製、雷射標記的向量線清單。設計工程師常用的複雜輸入檔案格式不一定能產生最佳（或最快）的向量雷射打標。雷射打標設備系統必須安全並符合 ANSI Z136 標準。

光束導向 Nd:YAG 雷射打標機（弧燈與二極體光源）利用安裝在高速電腦控制振鏡上的反射鏡，引導雷射光束掃過待打標表面，就像用鉛筆在紙上書寫。

每個振鏡——一個負責 Y 軸、一個負責 X 軸——提供打標範圍內的光束運動。平場透鏡組聚焦雷射光，在基材表面達到高功率密度。右圖顯示使用電腦控制振鏡的光學光束傳輸系統。

光纖雷射與其他固態打標雷射有本質差異：光纖雷射產生雷射光束的活性介質分散在專用光纖之內。與光纖傳輸雷射不同，其光束的整個路徑——直到光束傳輸光學元件——都在光纖內。

雷射技術的進步是最新一代 FDA 核准雷射添加劑快速發展的推手。奈秒鐿光纖雷射的問世是打標、焊接與切割領域最重要的進展之一。光纖雷射與其他固態打標雷射有本質差異：產生雷射光束的活性介質分散在專用光纖內。與光纖傳輸雷射不同，光束的整個路徑——直到光束傳輸光學元件——都在光纖內。

相較於 Nd:YAG 雷射，光纖雷射具有更優異的光束品質與亮度。光束品質的一項指標是 M2：M2 值越小，光束品質越好；M2 = 1 是理想的高斯光束。光束品質優異的雷射可聚焦成小光斑，帶來高能量密度。脈衝能量高達 1 mJ、功率密度高的固定與可變脈衝（MOPA）光纖雷射，能打標許多歷來困難的聚合物。釩酸鹽雷射同樣擁有小 M2 值，脈寬比固定光纖與 YAG 雷射更短。脈衝持續時間影響進入材料的熱量與碳化程度；較短的脈寬對敏感的聚合物應用有利。

高性能光纖雷射的領先開發製造商 IPG Photonics 提供固定脈衝（有時稱「Q 開關」）與可變短脈衝（MOPA）雷射。應用開發高度專屬——選擇整合哪種雷射，取決於雷射輸出特性與最佳化聚合物材料的交互作用。參見下方圖表：IPG Photonics 固定與可變（MOPA）脈寬鐿光纖雷射的時域脈衝形狀。

圖 1：IPG 固定脈寬雷射在 100 ns 脈寬下的時域脈衝形狀

設定固定脈寬光纖雷射打標時，須設定兩項輸入。

1）脈衝重複率（常稱脈衝頻率）

2）泵浦功率百分比（100% 指泵浦二極體的最大可能電輸入）

圖 2：IPG MOPA 雷射在 4 ns 脈寬下的時域脈衝形狀

設定可變短脈衝 MOPA 光纖雷射打標時，須設定三項輸入。

1）脈衝持續時間（常稱脈寬）

2）脈衝重複率（脈衝頻率）

3）泵浦功率百分比（100% 指泵浦二極體的最大可能電輸入）

對前頁兩張圖而言，特定的參數輸入組合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，J／脈衝持續時間）與平均功率（平均功率瓦特數 = 脈衝能量焦耳數 × 脈衝重複率 Hz）。

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。功率對脈衝重複率的算術曲線成反比。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傳導更多熱量。影響打標對比與品質的其他因素當然還有光束速度與向量線間距。

「飛行中」雷射打標應用於成型與擠出產品，例如電線／電纜、管材與管道。聚烯烴合成酒瓶塞與無墊片飲料瓶蓋蓋內促銷的打標速度，可達每分鐘 2,000 件英數文字與圖案。打標速度取決於眾多變數：聚合物種類、基材顏色、雷射添加劑種類與添加量、纜線尺寸（重量）、雷射類型與功率、軟體、英數字元數量、字高、字串長度、字距、條碼／資料矩陣碼、標誌／圖案、單筆畫或填充式 TrueType 字體、填充方向以及連續或重複文字。使用正確調配的添加劑—著色劑，可確保標記表面的「功率密度」不是限制因素——光束導向振鏡將以最高速度運轉。

由於影響飛行中量產打標能力的因素複雜，每個應用都必須精確檢驗，幾乎沒有可以外推的通則。不過，作為一般參考，考慮以下尼龍聚合物範例：50 瓦光纖雷射、254mm 平場透鏡、100 個英數字元、2mm 字高，組成長度 14.68 英寸的重複字串，打標時間 0.232 秒。計算速度約為每分鐘 315 線性英尺。

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