如何以雷射標記塑膠？搭配雷射添加劑的塑膠雷射打標

如何以雷射標記塑膠？搭配雷射添加劑的塑膠雷射打標

重點摘要

• 聚醯胺是最難標記的聚合物之一，原因在於其材料特性、成型條件與雷射配置各不相同。
• 三種表面機制可產生對比：碳化產生黑色、發泡產生白色，以及有色聚合物的顏色變化。
• 需求最高的對比組合為黑底不透明白、白底亮黑，以及中藍底不透明白。
• 對包括尼龍在內的多種聚合物而言，MOPA 脈衝寬度以 20 ns 至 50 ns 最為理想。
• 軍事、航太、汽車與製藥產品經常要求 Grade A 等級驗證。

SABREEN 提供下列塑膠雷射打標解決方案：

• 客製化雷射配色配方、法規符合性、原型樣品
• 射出成型製程最佳化、分散／分佈、分析測試
• 雷射設備系統設計與整合、機器視覺
• 現場問題排解、雷射製程最佳化、向量化圖稿／圖形
• 雷射安全認證、雷射安全官（LSO）

讓我們的專家團隊為您下一個專案處理塑膠雷射打標需求。我們在任何情況下，都致力贏得每位客戶的信任與倚賴。我們的企業文化著重於實現卓越的製造解決方案，並以對卓越的堅定承諾推動技術進步。每位 SABREEN Group 專家皆在其專業領域享有盛名。失敗不是選項！

常見問題

如何以雷射標記塑膠？

近紅外線雷射（鐿光纖、釩酸鹽或 Nd:YAG）提供能量，由聚合物吸收並轉換為熱，產生三種表面變化之一：碳化產生的黑色標記、發泡產生的白色標記，或有色聚合物經熱化學反應產生的顏色變化。多數聚合物需要雷射增強添加劑才能吸收雷射。

為什麼尼龍這麼難以雷射打標？

聚醯胺（包括聚鄰苯二甲醯胺）的材料特性、成型條件與雷射配置各不相同，且如同多數聚合物，本身並不會吸收雷射光，因而無法產生顏色變化。雷射增強化學添加劑可大幅改善對比度、速度與耐久性。

哪種脈衝寬度最適合尼龍？

MOPA 雷射可產生 1 ns 至 250 ns 甚至更高的脈衝寬度。The Sabreen Group 發現，在包括尼龍在內的多種聚合物應用中，20 ns 至 50 ns 是獲得最佳色彩對比的理想範圍。可變短脈衝 MOPA 雷射對溫度敏感的聚合物尤其有效，可避免過度碳化。

典型的添加劑添加量為何？

在最終零件中占重量的 0.01% 至 3.0%。顆粒型可直接與樹脂摻混，粉末型則需製成色母粒。添加劑在每個零件中均勻分佈與分散，是決定對比是否一致的關鍵。

為什麼標記品質對 Data Matrix 碼很重要？

因為資料字串越長，資料單元就越密集。高解析度的線邊緣品質，能讓小型單元在零件直接打標中仍可讀取。軍事、航太、汽車與製藥應用經常要求 Grade A 驗證；此外，高對比碼的標記速度也更快，並可用低成本的手持式讀碼器讀取。

塑膠雷射打標：塑膠高對比雷射打標的完整解決方案

由於工業應用範圍廣泛，市場對尼龍（聚醯胺）塑膠產品高對比雷射打標的需求快速成長。功能性與裝飾性標記包括英數字元識別、Data Matrix／QR 視覺碼、圖表與微結構。

聚醯胺（包括聚鄰苯二甲醯胺，PPA）因材料特性、成型條件與雷射配置各異，是最難雷射打標的聚合物之一。適用於近紅外線雷射的智慧型添加劑可解決標記對比問題，並在不影響材料特性的前提下提升標記速度（縮短週期時間）。

本文說明尼龍、化學添加劑與光纖雷射，以實現高對比色彩且符合經濟效益的雷射打標作業。

描述標記品質的基本參數，是標記表面與基材之間的色彩對比。使用近紅外線（NIR）雷射（包括鐿光纖、釩酸鹽（Nd:YVO4）與 Nd:YAG）時，有三種表面顏色變化機制：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1。需求最高的對比色包括黑底不透明白、白底亮黑，以及中藍底不透明白。這些色彩組合往往需要化學添加劑。添加劑可提升色彩對比程度（雷射光吸收），再透過最佳的雷射選擇與標記參數進一步強化。

什麼是尼龍（聚醯胺）？

聚醯胺（即尼龍）是主要的工程與高性能熱塑性塑膠類別，含有重複的醯胺鍵，即 –CO-NH–。由相同單元縮合而成者為均聚物，由不同單元縮合而成者為共聚物。

尼龍是由二酸與二胺縮聚，或由含 6、11 或 12 個碳原子的內醯胺開環聚合而成2。尼龍單體可為脂肪族、半芳香族或芳香族（醯胺纖維），結構上可從非晶型、半結晶型，到結晶度較高或較低者皆有。

脂肪族聚醯胺的生產規模遠大於全芳香族聚醯胺，是最重要的工程熱塑性塑膠類別之一。

兩種重要的聚醯胺為聚（己二醯己二胺）（尼龍 6,6）與聚己內醯胺（尼龍 6）。其他脂肪族聚醯胺包括尼龍 12、69、6-10、6-12、46 與 1212。尼龍 11 是源自可再生資源（蓖麻植物）的生質工程塑膠。

由脂肪族醯胺縮合而成的半芳香族、半結晶型聚醯胺包括 PA 6T 與 PA 6I。半芳香族聚醯胺往往是較昂貴之全芳香族醯胺纖維的高性價比替代品。芳香族聚醯胺稱為醯胺纖維（aramid），與脂肪族醯胺相比，具有更高的強度、更佳的耐溶劑、耐燃與耐熱性，以及更好的尺寸穩定性。常見的芳香族醯胺為 Kevlar（聚對苯二甲醯對苯二胺）。

聚醯胺（包括聚鄰苯二甲醯胺，PPA）因材料特性、成型條件與雷射配置各異，是最難雷射打標的聚合物之一。

聚鄰苯二甲醯胺（PPA）是聚醯胺（尼龍）家族中熱塑性合成樹脂的一個子類，其定義為聚合物鏈重複單元中，羧酸部分有 55 莫耳％以上由芳香族成分構成。PPA 為半芳香族、半結晶型。PPA 填補了 PA6,6 與 PA6 等脂肪族尼龍，與價格高出許多的聚醯胺纖維之間的性能落差。

「智慧型」添加劑

描述標記品質的一個參數，是標記表面與背景之間的色彩對比。對比並非總是由顏色變化本身產生，也可透過可變的光繞射獲得。

同樣重要的是標記品質及／或保真度，亦即細線解析度或銳利度。包括尼龍在內的許多聚合物本身並不吸收雷射光，因而無法產生顏色變化。雷射增強化學添加劑可大幅改善標記對比度、速度與耐久性（見圖像 1）。基材顏色也是一項因素，因為碳黑、TiO2 與阻燃劑等化合物具有不同程度的雷射光吸收能力。

雷射添加劑以顆粒與粉末形式供應。顆粒產品直接與聚合物樹脂摻混，粉末型則需製成色母粒。以重量計（在最終零件中）的添加濃度，通常介於 0.01% 至 3.0%。雷射添加劑在每個零件中的均勻分佈／分散，是獲得最佳色彩對比的關鍵。

色彩調整使用顏料與染料，以達成最終的配色外觀。特定添加劑已依 21 CFR 178.3297（聚合物用著色劑）的 A–H 條件，取得 FDA 核准可用於食品接觸與食品包裝1。

鐿光纖雷射

近紅外線鐿光纖雷射約於 2010 年前後進入工業打標市場，取代傳統 YAG 雷射。光纖雷射具有優異的光束品質（M2）與高亮度，可聚焦成小光斑（小於 20 微米），因而具有高能量密度。光纖雷射用途極廣、具成本效益、隨插即用，且幾乎無需維護。

多家雷射公司（包括 IPG Photonics 與 SPI Lasers）均銷售固定脈衝（Q 開關）與可變脈衝（MOPA）奈秒光纖雷射。Q 開關光纖雷射的脈衝寬度通常為 100 至 150 ns，用於部分聚合物打標應用，但受限於 Q 開關技術本身的限制，其重複頻率僅約 80 kHz。

直接調變 MOPA（DM-MOPA）光纖雷射在奈秒脈衝寬度下，重複頻率最高可達 500 kHz。脈衝寬度 [ns] 用以衡量脈衝起訖之間的時間，通常以脈衝波形的半高全寬（FWHM）為準。

高重複頻率通常意味著更快的標記速度（並搭配其他雷射／波形參數）。不同波形與表面碳化程度之間存在顯著差異3（見圖像 1）。

對雷射熱輸入及其輸入速率進行局部的空間與時間控制，可發揮最佳效能。對溫度敏感的聚合物而言，可變短脈衝（MOPA）光纖雷射尤其有效，可在不過度碳化的情況下獲得高對比。

透明塑膠可實現次表面打標，適用於醫療應用。一般而言，MOPA 雷射可產生 1 ns 至 250 ns（及更高）的脈衝寬度（脈衝持續時間）。The Sabreen Group 發現，在包括尼龍在內的多種聚合物應用中，20 ns 至 50 ns 是獲得最佳色彩對比的理想範圍。

在外觀與功能性標記對比方面，當零件直接打標（DPM）的 Data Matrix 與條碼需要高解析度、線邊緣品質與小型資料單元時，雷射添加劑可帶來關鍵差異。資料字串越長，資料單元就越密集。

軍事、航太、汽車與製藥產品經常要求 Grade「A」驗證。高對比碼的可讀性還有其他好處：標記速度更快，且整個工廠皆可使用低成本手持式讀碼器。

結論

參考文獻

• Sabreen, S. Fiber Lasers: Selection and Additives, Plastics Decorating, November 2017.
• Polyamide (PA) Nylon Complete Guide, SpecialChem 2019.
• Brodsky, M. Wave Forms: A New Laser Tool, Optics & Photonics, March 2012.

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公司，涵蓋雷射打標、表面前處理、黏接、裝飾與表面加工，以及產品安全。Sabreen 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 或 www.plasticslasermarking.com 與他聯絡。

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