如何用激光在塑料上打标？使用激光添加剂的塑料激光打标

如何用激光在塑料上打标？使用激光添加剂的塑料激光打标

要点

• 聚酰胺是最难打标的聚合物之一，原因在于材料特性、成型条件和激光配置各不相同。
• 三种表面机理产生对比度：碳化形成黑色，发泡形成白色，以及含颜料聚合物的颜色变化。
• 需求最多的对比色是黑底不透明白、白底纯黑和中蓝底不透明白。
• 对包括尼龙在内的许多聚合物而言，MOPA 脉宽的最佳范围是 20 ns 至 50 ns。
• 军工、航空航天、汽车和制药产品经常要求 A 级验证。

SABREEN 提供以下塑料激光打标解决方案：

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常见问题

如何用激光在塑料上打标？

近红外激光器（掺镱光纤、钒酸盐或 Nd:YAG）输出的能量被聚合物吸收并转化为热量，产生三种表面变化之一：碳化形成黑色标记，发泡形成白色标记，或含颜料聚合物经热化学反应发生颜色变化。大多数聚合物需要激光增强添加剂才能吸收激光。

为什么尼龙这么难激光打标？

聚酰胺（包括聚邻苯二甲酰胺）的材料特性、成型条件和激光配置各不相同，而且与大多数聚合物一样，它们本身不吸收激光，因而无法产生颜色变化。激光增强化学添加剂可显著提高对比度、打标速度和耐久性。

哪种脉宽最适合尼龙？

MOPA 激光器可产生 1 ns 至 250 ns 及以上的脉宽。The Sabreen Group 发现，20 ns 至 50 ns 是包括尼龙在内的许多聚合物应用中获得最佳色彩对比度的理想范围。可变短脉冲 MOPA 激光器对必须避免过度碳化的温度敏感型聚合物尤为有效。

典型的添加剂添加量是多少？

占最终零件重量的 0.01% 至 3.0%。颗粒料可直接与树脂共混，粉末则需制成母粒。添加剂在每个零件中的均匀分布和分散，决定了对比度是否一致。

为什么打标质量对数据矩阵码很重要？

因为数据串越长，数据单元就越密集。高分辨率的线条边缘质量使小单元在直接零件打标中依然可读。军工、航空航天、汽车和制药应用通常要求 A 级验证；高对比度代码的打标速度也更快，并可用低成本手持读码器读取。

塑料激光打标：塑料高对比度激光打标的整体解决方案

由于尼龙（聚酰胺）塑料制品的工业应用范围广泛，对其进行高对比度激光打标的需求正在迅速增长。功能性和装饰性标记包括字母数字标识、数据矩阵/二维视觉码、图表和微结构。

聚酰胺（包括聚邻苯二甲酰胺，PPA）因其材料特性、成型条件和激光配置各不相同，是最难激光打标的聚合物之一。适用于近红外激光的智能添加剂可解决打标对比度问题并提高打标速度（缩短周期），且不影响材料性能。

本文介绍尼龙、化学添加剂和光纤激光器，帮助实现高对比度色彩和经济高效的激光打标作业。

描述打标质量的一个基本参数，是打标表面与基材之间的色彩对比度。使用近红外激光（包括掺镱光纤、钒酸盐（Nd:YVO4）和 Nd:YAG）时，颜色变化有三种表面机理：1）碳化形成黑色标记，2）发泡形成白色标记，3）含颜料聚合物中由激光诱导的热化学反应引起的颜色变化1。需求最多的对比色包括黑底不透明白、白底纯黑和中蓝底不透明白。这些颜色组合通常需要化学添加剂。添加剂可提高色彩对比度（对激光的吸收），再配合优化的激光选择和打标参数，效果会进一步增强。

什么是尼龙（聚酰胺）？

聚酰胺（即尼龙）是主要的工程和高性能热塑性塑料类别，含有重复的酰胺键，即 –CO-NH–。由相同单元缩合形成均聚物，由不同单元缩合形成共聚物。

尼龙由二元酸与二元胺缩聚，或由含 6、11 或 12 个碳原子的内酰胺开环聚合制得2。尼龙单体可以是脂肪族、半芳香族或芳香族（芳纶），其结构可从非晶态到半结晶态，结晶度有高有低。

脂肪族聚酰胺的生产规模远大于全芳香族聚酰胺，是最重要的工程热塑性塑料类别之一。

两种重要的聚酰胺是聚己二酰己二胺（尼龙 6,6）和聚己内酰胺（尼龙 6）。其他脂肪族聚酰胺包括尼龙 12、69、6-10、6-12、46 和 1212。尼龙 11 是一种源自可再生资源（蓖麻）的生物基工程塑料。

由脂肪族酰胺缩合制得的半芳香族、半结晶聚酰胺包括 PA 6T 和 PA 6I。半芳香族聚酰胺往往是价格更高的全芳香族芳纶的高性价比替代品。芳香族聚酰胺称为芳纶，比脂肪族酰胺具有更高的强度、更好的耐溶剂、阻燃和耐热性能以及更高的尺寸稳定性。一种广为人知的芳香族酰胺是凯芙拉（Kevlar），即聚对苯二甲酰对苯二胺。

聚酰胺（包括聚邻苯二甲酰胺，PPA）因其材料特性、成型条件和激光配置各不相同，是最难激光打标的聚合物之一。

聚邻苯二甲酰胺（PPA）是聚酰胺（尼龙）家族中热塑性合成树脂的一个子类，其定义为聚合物链重复单元的羧酸部分中，有 55% 以上摩尔数由芳香族二羧酸构成。PPA 是半芳香族、半结晶的。PPA 填补了 PA6,6 和 PA6 等脂肪族尼龙与价格昂贵得多的聚芳酰胺之间的性能空白。

“智能”添加剂

描述打标质量的一个参数，是打标表面与背景之间的色彩对比度。对比度并不总是由颜色变化本身产生，也可以通过可变的光衍射获得。

同样重要的是打标质量和/或保真度，即细线分辨率或清晰度。包括尼龙在内的许多聚合物本身不吸收激光，因而无法产生颜色变化。激光增强化学添加剂可显著提高打标对比度、速度和耐久性（见图像 1）。基材颜色也是一个因素，因为炭黑、TiO2 和阻燃剂等化合物对激光的吸收程度各不相同。

激光添加剂以颗粒料和粉末形式供应。颗粒产品直接与聚合物树脂共混，粉末形式则需制成母粒。（在最终零件中）按重量计的添加浓度通常在 0.01% 至 3.0% 之间。激光添加剂在每个零件中的均匀分布/分散，对获得最佳色彩对比度至关重要。

使用颜料和染料进行色彩调整，以实现最终的配色外观。特定添加剂已根据 21 CFR 178.3297《聚合物用着色剂》的 A-H 条件获得 FDA 批准，可用于食品接触和食品包装1。

掺镱光纤激光器

近红外掺镱光纤激光器于 2010 年前后进入工业打标市场，取代了传统 YAG 激光器。光纤激光器具有出色的光束质量（M2）和高亮度，可聚焦到很小的光斑尺寸（小于 20 微米），从而获得高能量密度。光纤激光器用途极为广泛、成本效益高、即插即用，几乎无需维护。

固定脉冲（调 Q）和可变脉冲（MOPA）纳秒光纤激光器由多家激光公司销售，包括 IPG Photonics 和 SPI Lasers。调 Q 光纤激光器的脉宽通常为 100 至 150 ns，用于部分聚合物打标应用，但受调 Q 技术固有限制，其重复频率被限制在 80 kHz 左右。

直接调制 MOPA（DM-MOPA）光纤激光器在纳秒脉宽下的重复频率最高可达 500 kHz。脉宽 [ns] 衡量的是脉冲起止之间的时间，通常基于脉冲形状的半高全宽（FWHM）。

高重复频率通常意味着更快的打标速度（需配合其他激光/波形参数）。不同波形和表面碳化程度之间存在显著差异3（见图像 1）。

对激光热输入及其输入速率进行局部空间和时间控制，可实现最佳性能。对于温度敏感型聚合物，可变短脉冲（MOPA）光纤激光器在实现高对比度且避免过度碳化方面尤为有效。

在透明塑料上可实现亚表面打标，适用于医疗应用。一般而言，MOPA 激光器产生的脉宽（脉冲持续时间）为 1 ns 至 250 ns（及更高）。The Sabreen Group 发现，20 ns 至 50 ns 是包括尼龙在内的许多聚合物应用中获得最佳色彩对比度的理想范围。

在外观和功能性打标对比度方面，当直接零件打标（DPM）的数据矩阵码和条码需要高分辨率、线条边缘质量和小数据单元时，激光添加剂起着关键作用。数据串越长，数据单元就越密集。

军工、航空航天、汽车和制药产品经常要求 A 级验证。高对比度代码的可读性还有额外好处：打标速度更快，且整个工厂都可使用低成本手持读码器。

结论

参考文献

• 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，该公司是一家专注于塑料二次加工制造工艺的工程公司，业务涵盖激光打标、表面预处理、粘接、装饰与表面精饰以及产品安全。Sabreen 三十多年来一直致力于开发开创性技术并解决制造难题。您可致电 972.820.6777 联系他，或访问 www.sabreen.com 或 www.plasticslasermarking.com。

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