光纤激光器实现先进塑料的激光打标

光纤激光器实现先进塑料的激光打标

在初级加工阶段混入聚合物的突破性 FDA 认证添加剂可优化塑料的激光打标。速度快、对比度出色和成本节约是其显著优势。新型化学添加剂可通过“飞行打标”和二次加工作业，产生乌黑、浅色及定制颜色的对比度。这种专为经济实惠的掺镱光纤激光器设计的在线无墨激光打标，现已取代传统的轮转凹印和移印。

要点总结

• 大多数聚合物没有近红外吸收特性，因此只有借助添加剂，才能实现 1060–1080 nm 波长的打标。
• 不含重金属、经 FDA 和 EFSA 认证的添加剂可提供高对比度，且不改变透明度、光谱透射率或物理性能。
• 与未优化的配方相比，添加剂可将打标时间缩短 20% 或更多，其成本很快就能被抵消。
• MOPA 在重复频率上优于调 Q 激光器——最高 500 kHz，而后者约为 80 kHz——且小于 40 ns 的短脉冲适合敏感聚合物。
• 飞行打标速度在瓶盖上可达 2,000 件/分钟，在线性挤出产品上可达 500 ft/min 甚至更高。

常见问题

激光添加剂需要多大的添加量？

取决于添加剂和聚合物，在最终零件中按质量计为 0.01% 至 4.0%。颗粒料可直接与树脂共混；粉末需先制成母粒。对于挤出、注塑和热成型，预混配色材料比色母粒的均匀性更好。

激光添加剂会影响透明度或物理性能吗？

配方得当的添加剂不会。聚合物的透明度、光谱透射率和基本物理性能均不受影响，因此可在不损害产品的前提下，对透明和半透明聚合物进行打标。

飞行激光打标的实际速度能有多快？

聚烯烃合成葡萄酒瓶塞和无内衬饮料瓶盖的盖内促销信息，其字母数字文字和图形的打标速度可达 2,000 件/分钟。文字和机器视觉码的线性打标可达 500 ft/min 或更快。

调 Q 光纤激光器与 MOPA 光纤激光器有何区别？

调 Q 光纤激光器的脉宽通常为 100–120 ns，受调 Q 技术本身限制，重复频率约为 80 kHz。直接调制的 MOPA 激光器在纳秒级脉宽下可工作至 500 kHz，而更高的重复频率通常意味着更快的打标速度。

这些添加剂是否获准用于食品接触和医疗器械？

特定添加剂已获 FDA 批准，可在 21 CFR 178.3297《聚合物用着色剂》的 A–H 条件下用于食品接触和食品包装，并有相应的欧盟合规声明。成品经进一步认证后可达到医疗器械生物相容性。认证针对具体的聚合物类型、添加量阈值以及直接或间接接触。

产品应用

透明、半透明和不透明的彩色聚合物，包括尼龙、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚碳酸酯、聚烯烃、聚氯乙烯（PVC）、苯乙烯类塑料，以及热塑性弹性体（TPE）和热塑性聚氨酯（TPU），均采用不含重金属、经 FDA/欧洲食品安全局（EFSA）认证的添加剂进行独特配方设计，以实现高对比度的打标质量（见图 1）。聚合物的透明度、光谱透射率和基本物理性能不受影响。非接触式数字激光打标取代了昂贵的不干胶标签和油墨化学印刷工艺，使应用具有经济高效、环保、外观出色的优势。

聚合物激光打标反应机理

针对近红外（NIR）激光器（波长 1060–1080nm）配制激光化学添加剂所取得的进展，在于它们与掺镱光纤激光器、钒酸盐激光器及其前身 Nd:YAG 激光器兼容。大多数没有化学添加剂的聚合物不具备近红外吸收特性¹。能被激光打标的聚合物是能吸收激光并将光能转化为热能的聚合物。专家利用添加剂、填料、颜料和染料来增强对激光能量的吸收，以产生局部颜色变化。根据所需的打标对比度和功能，会采用差异很大的配方化学体系和激光光学/设置参数。

最常见的表面反应机理称为热化学“碳化”或“炭化”，即基材吸收的能量使吸收部位周围材料的局部温度升高到足以使聚合物发生热降解。标记的深浅取决于吸收的能量以及材料特有的热降解途径。通过优化激光设置，可将表面碳化残留物降至最低。

激光添加剂

近红外激光添加剂可提高对比度，并可通过改变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”打标对比度的特性。某些含少量二氧化钛（TiO2）和炭黑的着色剂化合物也可能吸收激光，在某些情况下还能提高打标对比度。即使在同一聚合物家族内，每种聚合物牌号也可能产生不同的结果。添加剂配方不得有毒，也不得对产品的外观、物理或功能性能产生不利影响。

与油墨印刷工艺（移印/丝印和喷墨打印）相比，激光添加剂可节约成本，与未优化的材料相比，打标速度可提高 20% 及以上。激光添加剂以颗粒料和粉末形式供应。颗粒料可直接与聚合物树脂共混，粉末则需制成母粒。大多数添加剂易于在聚合物中分散。根据添加剂和聚合物的不同，（最终零件中）的添加浓度按质量计为 0.01% 至 4.0%。

颗粒料和粉末两种形式都可混入预混配色材料或色母粒中。选择哪种添加剂取决于聚合物成分、基材颜色、所需的打标对比色以及最终用途的认证要求。对于挤出、注塑和热成型作业，预配色混配材料比色母粒的均匀性更好。应避免手工混合。模具流动和浇口类型/位置是重要因素。激光添加剂在每个零件中的均匀分布/分散，对获得最佳打标效果至关重要。

某些添加剂含有锑掺杂氧化锡和三氧化二锑的混合物，可能使本色（未着色）基材的不透明度带有“灰色”色调。其他添加剂可能含有铝颗粒、混合金属氧化物和专有化合物。通过颜料和染料进行颜色调整，以获得最终的配色外观。市售的特定添加剂（也用于激光焊接）已依据 21 CFR 178.3297《聚合物用着色剂》的 A-H 条件，获得 FDA 批准用于食品接触和食品包装。欧盟也有类似的合规声明。认证条件针对具体的聚合物类型、添加量阈值以及直接或间接接触。将经 FDA 批准的添加剂混入“最终零件”后，经进一步认证可达到医疗器械的生物相容性²。

纳秒掺镱光纤激光器技术

激光技术的进步对最新一代经 FDA 批准的激光添加剂的快速发展起到了重要作用。纳秒掺镱光纤激光器的出现，是打标、焊接和切割领域最重要的进展之一。

从根本上说，光纤激光器不同于其他二极管泵浦固体（DPSS）打标激光器。在光纤激光器中，产生激光束的增益介质分布在特制的光纤中。与光纤传输的激光器不同，光束的整个路径都在光纤内，一直到光束传输光学器件。这种全光纤结构在很大程度上决定了此类激光器的可靠性和坚固性，这也是其快速增长的原因。

与 Nd:YAG 激光器相比，光纤激光器具有更优的光束质量（M2）和亮度。光束质量更优的激光器可聚焦成更小的光斑，从而获得更高的能量密度。固定脉宽和可变脉宽的主振荡功率放大器（MOPA）光纤激光器，脉冲能量高达 1mJ，功率密度高，可对许多历来难以打标的聚合物进行打标（见图 2）³。

钒酸盐激光器的 M2 值同样很小，且脉宽比固定脉宽光纤激光器和 YAG 激光器更短。脉冲持续时间会影响材料内部的受热和碳化程度。短脉冲（通常小于 40ns）在加工敏感聚合物材料时，可实现更可控的能量输入。这些脉冲仍具有足以克服材料阈值的峰值功率，但脉冲能量较低，可减少局部热损伤。

IPG Photonics 是高性能光纤激光器的领先开发商和制造商，提供固定脉宽的 YLP 系列（有时称为“调 Q”）和可变短脉宽的 YLPN（MOPA）激光器。脉宽通常为 100–120ns 的调 Q 光纤激光器用于部分打标应用，但由于调 Q 技术的固有限制，其重复频率被限制在约 80kHz。直接调制 MOPA（DM-MOPA）光纤激光器在纳秒级脉宽下，重复频率最高可达 500kHz。高重复频率通常意味着更快的打标速度（需结合其他激光/波导参数）。

应用开发针对性极强，因为不存在通用的激光解决方案。短脉宽 MOPA 激光器能够充分发挥敏感的 FDA 认证化学添加剂的性能。对激光热输入及热输入速率进行局部的空间和时间控制，可实现最佳性能。集成哪种类型的激光器，取决于激光器的输出特性与优化后的聚合物材料之间的相互作用。图 3 表示固定脉宽和可变脉宽（MOPA）掺镱光纤激光器的时间脉冲波形 [3]。

设置固定脉宽光纤激光器进行打标时，必须设置两项输入：

• 脉冲重复频率（通常称为脉冲频率），以及
• 泵浦功率百分比——100% 指泵浦二极管可能的最大电输入。

设置可变短脉宽 MOPA 光纤激光器进行打标时，需设置三项输入：

• 脉冲持续时间（通常称为脉冲宽度）；
• 脉冲重复频率（脉冲频率）；以及
• 泵浦功率百分比，如上所述。

对于这两种激光器，参数输入的特定组合控制着激光束的输出特性，即脉冲能量、峰值功率（脉冲能量的最高瞬时峰值，焦耳/脉冲持续时间）和平均功率（平均功率（瓦）= 脉冲能量（焦耳）× 脉冲重复频率（赫兹））。

“飞行”激光打标

“飞行”激光打标是在电线/电缆、管材和管道等成型及挤出产品上进行的最专业化的应用之一。聚烯烃合成葡萄酒瓶塞和无内衬饮料瓶盖的盖内促销信息，其字母数字文字和图形的打标速度可达 2000 件/分钟（见图 4）。文字和机器视觉码的线性打标速度可达 500 ft/min 或更快，无墨激光打标现已取代轮转凹印和移印。

打标速度取决于许多变量，包括聚合物类型、基材颜色、激光添加剂类型和添加量、电缆尺寸（重量）、激光器类型和功率、软件、字母数字字符数量、文字高度、文字串长度、字符间距、条形码/数据矩阵、徽标/图形、单线字体或 TrueType 填充字体、填充方向，以及连续或重复文字。使用配方合适的添加剂着色剂，可确保打标表面的“功率密度”不成为限制因素，而是使光束偏转振镜以最高速度运行。

由于影响飞行生产打标能力的因素复杂，每种应用都必须仔细检验。几乎没有可以外推的规则。不过，作为一般参考，可考虑以下尼龙聚合物示例：50W 光纤激光器、254mm 平场透镜、100 个字母数字字符、字高 2mm、重复文字串长度 14.68in.、打标时间 0.232s。计算得出的速度约为 315 lin. ft/min。

激光设备系统

激光器制造商在其系统中采用的硬件和软件组件，对打标对比度、质量和速度有重大影响。一项主要属性是打标表面的功率密度（W/cm2）（不同于激光器的原始输出功率）。激光束的输出模式对打标性能至关重要。这些输出模式与光束发散度和激光束直径上的功率分布等因素有关。

功率密度取决于聚焦激光光斑大小。对于任何给定焦距的透镜和激光波长，聚焦光斑大小取决于激光束发散度，而发散度由激光器配置、选模光阑尺寸和扩束器（准直扩束）倍率控制。脉冲重复频率和峰值功率密度是形成标记并获得最佳对比度和速度的关键参数。功率与脉冲重复频率的算术曲线成反比。低频下的高峰值功率使表面温度迅速升高，使材料汽化，同时传入基材的热量极少。随着脉冲重复频率增加，较低的峰值功率产生的汽化极少，但传导的热量更多。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。

结论

混入聚合物中的突破性 FDA 认证激光添加剂可带来出色的打标对比度、线条边缘细节和速度。含激光增强添加剂的产品，打标速度可提高 20% 及以上。这些益处可迅速抵消额外增加的材料添加剂成本。经济实惠的纳秒掺镱光纤激光器技术的进步起到了重要作用。在线飞行激光打标现已取代轮转凹印和移印。针对塑料激光打标优化的材料科学化学体系，需要在溶解度、粒径、阈值浓度限值、配色和法规认证（GRAS、FDA 直接/间接食品接触）方面具备聚合物、着色剂、颜料和染料的专业知识。并非所有光纤激光器都一样。

致谢与参考文献

作者感谢 BASF Corporation 的 Mark-it Laser Marking Pigment Technical Bulletin 2002（技术内容由 The Sabreen Group 参与撰写）；感谢 Hoechst Technical Polymers 的 Bruce Mulholland 与 The Sabreen Group 合著的“Enlightened laser marking”，Lasers & Optronics（1997 年 7 月）；以及 Baasel Lasertechnik GmbH 的 Daniel S. Burgess 与 The Sabreen Group 合著的“Laser marking: A clean economical packaging solution”，Photonics Spectra（2001 年 11 月）。

• 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 是 The Sabreen Group, Inc. 的创始人兼总裁，该公司是一家工程咨询公司，专注于塑料二次加工制造工艺——表面预处理、附着粘接、喷墨打印、激光打标、装饰与表面精饰及产品安全。Sabreen 开创新技术、解决制造难题已 30 多年。可致电 972.820.6777，或访问 www.sabreen.com 联系他。

---