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激光实现高级塑料的标记

来源:激光打标机 | 发布日期:2022-09-23 | 浏览次数:1
在初级加工操作中,美国美国食品药品监督管理局(FDA)批准的突破性添加剂可以与聚合物混合,以优化塑料加工。这种方法的显著优点是标记速度快、对比度好、成本低。新的化学添加剂采用“在线飞行”和二次加工的方法,可以创造暗,亮,自定义颜色的对比效果。为经济使用而设计的掺镱标记和现在的嵌入式无墨标记正在取代传统的轮转凹版印刷和移印工艺。
产品应用
激光器
明亮、半透明和不透明的有色聚合物,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、热塑性弹性体(TPUs)和热塑性聚氨酯(TPEs),都是由FDA/欧洲食品安全局(EFSA)批准的非重金属和添加剂配制而成,以实现高对比度标记。聚合物的透明度、光谱透射率和基本物理性质不会受到影响。非接触式数字激光标记取代了昂贵的不干胶标签和油墨化学印刷工艺。其结果是,在实际应用中实现了成本效益、环境保护和优异的美学吸引力的目标。

聚合物激光标记的反应机理

近红外(NIR)激光器(波长1060-1080nm)化学添加剂制备方面取得的进展是这些化学添加剂与掺镱光纤激光器、钒酸盐激光器的兼容性和实现。在没有化学添加剂的情况下,大多数聚合物不具有近红外吸收。能被激光标记的聚合物是那些能吸收激光并将其从光能转化为热能的聚合物。专家使用添加剂、填料、颜料和染料来提高对激光能量的吸收,以实现局部颜色的变化。考虑到所需的标记对比度和功能,将使用不同的化学配方和激光光学/设置参数。

最常见的表面反应机理称为热化学“碳化”或“碳化”。在这种情况下,基底吸收的能量将使吸收部位周围的材料的局部温度升高到足以引发聚合物热降解的程度。标记的暗度或亮度取决于吸收的能量和材料独特的热降解途径。通过优化激光的设置,可以将表面的碳化残留物控制在最低限度。

激光添加剂

近添加剂可以提高对比度,通过改变激光器的参数设置可以进一步加深对比度。聚合物具有能够产生“暗”或“亮”标记对比的固有特性。一些含有少量二氧化钛(TiO)和炭黑的着色剂化合物也可以吸收激光,并可以在某些情况下提高标记的对比度。每个聚合阶段,即使属于同一个聚合系列(族),也会产生不同的结果。配方不得有毒或对产品的外观、物理或功能特性产生不利影响。

与油墨印刷工艺(移印/丝网印刷和喷墨印刷)相比,激光添加剂更具成本效益;此外,与非优化材料相比,其打标速度高出20%。激光添加剂以颗粒和粉末的形式提供,颗粒产品可以直接与聚合物树脂混合,而粉末形式的激光添加剂转化为母料。大多数激光添加剂在聚合物中具有良好的分散性。基于添加剂和聚合物,按重量计的负载浓度水平通常在0.01%至4.0%的范围内。

颗粒和粉末激光添加剂都可以与预混色材料或色母混合。用于混合的添加剂的选择取决于聚合物成分、基底的颜色、标记所需的对比色以及最终的认证要求。对于挤出、注塑和热成型操作,预先着色的混合材料或色母粒会产生更好的均匀性,应尽可能避免人工搅拌(混合)。模流和浇口类型/浇口位置是重要的因素。激光添加剂在各部分的均匀分布/分散是实现最佳标记性能的关键。

一些添加剂含有掺锑氧化锡和三氧化二锑的混合物,这将使天然(未着色)基底(不透明)呈现“浅灰色”色调。其他添加剂可能包含铝颗粒、混合金属氧化物和专有化合物。用颜色和染料调整颜色后,就可以达到最终的外观匹配。市售的特殊添加剂(也可使用)已获FDA批准,可用于食品接触或食品包装(符合FDA法规21CFR178.329:聚合物的着色剂标准)。欧洲联盟也有类似的合规声明。聚合物类型、负载水平阈值和直接或间接接触的认证条件清晰具体。

纳秒掺镱光纤激光技术

激光技术领域的进步对于推动FDA批准的最新一代激光添加剂的快速发展尤为重要。纳秒掺镱光纤激光器的出现被认为是激光标记、激光焊接等领域最显著的进步之一。

从根本上说,光纤激光器不同于其他二极管泵浦的固体(DPSS)。使用光纤激光器,并且由光纤激光器产生的激光介质分散在专用的光纤电缆中。相比之下,就光纤传输激光器而言,其光束的整个路径都聚集在光纤电缆中,并通向用于光束传输的光学元件。这种全光纤结构大大提升了这类激光器的可靠性和耐用性,同时也解释了产品市场份额快速增长的原因。

与Nd:YAG激光器相比,光纤激光器产生的光束质量和亮度更优越。光束质量优异的激光可以聚焦在小光斑上,从而获得高能量密度。固定和可变脉冲主振荡器功率放大器(MOPA)光纤激光器具有高达1mJ的脉冲能量和高功率密度,可以标记许多传统意义上难以加工的聚合物。钒酸盐激光器的光束质量因子也很小,脉冲宽度比固定光纤激光器和YAG激光器短。脉冲持续时间会影响材料的热量和碳化程度。当处理敏感的聚合物材料时,短脉冲(通常小于40纳秒)将产生更可控的能量。这些脉冲仍然具有可以克服材料阈值的峰值功率,并且它们的较低脉冲能量可以减少局部热损伤。

作为全球领先的高性能光纤激光器开发商和制造商,IPG光子公司提供YLP系列固定脉冲光纤激光器(有时称为Q开关激光器)和可变短脉冲YLPN(MOPA)光纤激光器。脉宽为100-120纳秒的调Q光纤激光器通常用于一些标记应用,但由于调Q技术的固有限制,其脉冲重复频率被限制在80kHz左右。纳秒脉冲宽度的直接调制MOPA(DMMOPA)光纤激光器的脉冲重复率可达500kHz。高重复率通常意味着更快的打标速度(与其他激光/波导参数一起使用)。

激光应用的发展非常具体,因为没有通用的激光解决方案。短脉冲MOPA光纤激光器可以充分利用FDA批准的敏感化学添加剂的性能。在空间和时间上局部控制激光热输入和热输入速率可以确保最大性能。集成哪种激光器取决于与优化聚合物材料相互作用的激光器的输出特性。图3示出了固定和可变(MOPA)脉冲长度的掺镱光纤激光器。

当使用固定脉冲长度的光纤激光器进行打标时,必须设置两个值:

1.脉冲重复率(通常指脉冲频率);
2.以百分比表示的泵浦功率——100%是指输入到泵浦二极管的最大电气值。

设置可变短脉冲MOPA光纤激光器时,必须设置三个值:
1.脉冲的持续时间(通常称为脉冲长度);
2.脉冲重复率(脉冲频率);
3.泵功率百分比。

对于以上两项,参数输入的具体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(W)=脉冲能量(J)x脉冲重复率(Hz)]

“在线飞行”激光标记
飞行式激光打标机
“在线飞”激光打标是最专业的激光应用技术,主要用于电线/电缆、管材等产品的成型和挤出。无底饮料瓶瓶盖上推广合成葡萄酒瓶塞和瓶盖的字母数字文字和图形(图4)的打标速度可达2000张/分钟。而文字和机器视觉编码的线性打标速度可以达到152.4m/min甚至更快。如今,传统的轮转凹版印刷和移印工艺正在被无墨激光标记所取代。
打标速度是函数中的众多变量之一,包括聚合物类型、基材颜色、激光添加剂类型和负载水平、线缆尺寸(重量)、激光类型和功率、软件、字母数字字符数、文本高度、文本串长度、字符间距、条形码/数据矩阵、标志/图形、单笔划或真型填充字体、填充方向等。使用适当的添加剂和着色剂将确保标记表面的“功率密度”不会成为限制因素。相反,光束引导振镜将以最大速度运行。
影响基于“在线飞行”的打标生产能力的原因非常复杂,需要对每个应用进行准确的检查。可推断的规则,如果有的话,也很少。但对于一般用途,可以考虑以下尼龙聚合物的例子:它涉及50W功率光纤激光器,254mm平场透镜,100个字母数字字符,高度2mm,重复文本串长度14.68英寸,标记时间0.232秒。计算出的速度约为每分钟315直线英尺。

激光设备系统
激光器制造商在其激光系统中采用的硬件和软件组件将在激光打标的对比度、质量和速度方面产生显著差异。一个主要属性是标记表面的功率密度(W/cm2 )(不同于激光的原始输出功率)。激光束的输出模式对打标性能尤为重要。这些输出模式中涉及的因素包括穿过激光束直径范围的光束的发散度和功率分布。
功率密度是激光聚焦光斑尺寸的函数。对于任何给定的焦距透镜和激光波长,激光聚焦光斑尺寸是激光束发散度的函数,它由激光器的设置、选定的孔径尺寸和扩束器的放大倍数来控制。脉冲重复率和峰值功率密度是形成标记并实现最佳标记对比度和标记速度的关键参数。功率脉冲重复率的算术曲线成反比。低频下的高峰值功率将快速升高表面温度,蒸发材料,并将最小的热能引入衬底。随着脉冲重复率的增加,较低的峰值功率产生的蒸发率最小,但会传导更多的热量。此外,影响激光打标对比度和质量的其他因素包括光束速度和矢量线间距。

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当FDA批准的突破性添加剂与聚合物混合时,可以实现优异的激光标记对比度、标记速度和突出边缘线的细节感。有激光添加剂的产品打标速度可提高20%。这些优势很快抵消了增量材料的额外成本。经济的掺镱光纤激光器技术的进步在这方面发挥了重要作用。嵌入式飞行激光标记技术正在取代传统的轮转凹版印刷和移印工艺。优化材料科学中塑料激光打标的化学机理,需要掌握聚合物、着色剂、颜料、染料溶解度、粒径、阈值浓度限值、配色、法规认证等领域的专业知识和技能。

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