激光塑料印標技術現狀分析

帶有激光印標的裝飾性熱塑科比十年以前預期的花費了更長的時間才得到人們的認可。盡管如此，激光技術已經在一些應用中取代了油墨印標技（如壓印和噴墨印刷），情況已經有所改變。目前所謂的“非美學”應用估計占塑料激光印標的90%有的印標用二 氧化碳激光機制作，包括零件型號、制造日期以及有效期。通常這些印標在透明或淺色背景上是黑色的字母和數字，或在黑色背景上是純白印標。“美學”激光印標占市場的10%，在代替油墨技術方面有很大的發展潛力。這是黑色工程塑料上的典型白色印標，用固態Nd：YAG激光機印制，這種激光機很容易編程，適用于在任意形狀上的制品作清楚的印標。

　　激光印標已經成功商業化的應用包括商業機器用的ABS鍵盤、HDPE、即、PET和PVC剛性容器和容器蓋，尼龍和PBT汽車和非汽車用電器連接件，發動機罩元件如保險盒和氣帽。還有其他的應用，包括牛和豬用的TPE耳簽，電器件如清洗和干燥設備上的HDPE開關按鈕，PVC管件如接頭和管件。

　　而剛開始的應用包括燈開關蓋，化妝品包裝材料，汽車內部按鈕和門把手、儀表板。在最近幾年，后者已經成為一個重要的應用市場。

　　在最近十年，計算機程序化的激光印標設備的技術進步伴隨著更多品種的可激光印標樹脂的開發，專門制作的著色劑和包裝用的添加劑可用于各種各樣的塑料中，如聚烯烴、ABS、PVC、聚酯、聚碳酸酯、尼龍、聚甲醛和熱塑性彈體。

　　現在的激光印標塑料對比度高，有時，與其說是黑色與白色，不如說是一個對比的色彩。甚至濃暗對比度也成為可能。據塑料激光設備的主要供應商Rofin-Baasel的市場經理Patrick Schlather介紹，這些色彩變化多樣，是流行趨勢之一，這種趨勢正使人們對激光裝飾塑料產生更大的興趣。

　　激光印標的應用包括燈開關蓋，化妝品包裝材料，汽車內部按鈕和門把手、儀表板。在最近幾年，后者已經成為一個重要的應用市場，同時也滿足了在甚至更小的塑料制件上印制大量數據的發展需要。例如，數據密度10倍于傳統條形碼的二維條形碼已經被研究出來。與以前使用的條形碼相比，印制二維條形碼要求更精確，清晰度更高。據Schlather介紹，激光印標滿足了這些要求，在0.001英寸的范圍內，點的尺寸和位置可以重復——這些性能是壓印或油墨印刷機難以實現的。

　　環境問題是激光印標發展的另一個驅動力。激光印標不用油墨或溶劑，也不需用像油墨印標技術那樣的高強度能量干燥過程。Schlather說，對一個三班倒的印標生產來講，油墨和化學品花費在20000—40000美元，而印制盤子要花費100000美元/每年或更多。而相比之下，一臺三班倒的激光印標設備每年用電花費少于3000美元，其他的消耗如燈管和過濾器花費在3500美元以下。

　　印標設備基礎

　　盡管現有的用于裝飾塑料的激光光源很多，但是密封的二氧化碳激光器是目前使用得最廣泛的，其次是燈管泵送的固態Nd：YAG激光器和近年來的二極管泵送的Nd：YAG器。

　　大多數激光設備都采用高速光束控制的檢流計印標技術。這種控制設備用兩臺計算機控制的可以在臧Y方向移動的鏡子或檢流計掃描激光光束。“當編好程序的激光路徑完成時，新的制件入位，重復著這種循環。由于激光模式完全存在于軟件之中，因此工具或蒙片都不需要了。”

　　允許帶有旋轉光束控制的塑料印標的軟件也有好幾家激光設備供應商供應。這種設備本質上是采用相同的技術，但適用于連續轉動的生產如輸送帶或基材轉換，Barbero解釋到，  “這種設備的優點是它能夠被很容易地改裝到現有的生產線，使生產率達到最大值。編碼反饋給計算機，計算機進行適當的調整，實時跟蹤移動的目標。 ”Schlather接著說道，  “目前的設備采用簡單明了的圖形生成軟件，這種軟件很容易編好程序，在各個和每個旋轉的制件上印制單一的數據。”

　　近幾年來，激光印標的程序化、標準化和排除故障性能更容易了，印標速度也得到很大提高。Barbero說：  “當今的軟件適用于每秒鐘超過400個宇的印制，而10年前每秒鐘只能印制40個。”大多數激光機軟件有能力印制串行和多型號的條形碼以及任意型號(包括公司標志)的文本。用N1ndow基的“幫助”選項，激光印標供應商增加了服務和標準化技術以及故障清除軟件。

　　另一項進展是用一種激光光源可以同步印制兩個制件。外加一種變形頭和一臺程序化的光束分離器，用相同的信息，一臺激光機可同時印制兩個零件。Schlather指出，這種類型的設備可用于不移動制件的較大面積或大量制件的印制。

　　在不斷流行的二氧化碳激光設備方面費用是一個關鍵因素。一整套二氧化碳交鑰匙設備售價在25000—35000美元之間，而一臺電子管泵送或二極管泵送的Nd：YAG設備售價在60000—75000美元之間。

　　二氧化碳激光機蝕刻塑料表面，通過蒸發清理材料，得到的是對比的印標，但很少或幾乎沒有真正的顏色變化。適宜于采用二氧化碳激光機印制的塑料有PVC、ABS和大多數聚酯。云母填充的商用樹脂如即用二氧化碳激光機標記時產生起霜的灰白印標。盡管二氧化碳機的輸出功率可以達到200W，但用于印標塑料最通用的范圍是10—25W，有時是50W(由于其產量高)，但是輸出功率在30—50W的設備也有。YAG激光機一般被用于零件的高質量印標，如電子連接器，發動機罩元件，鎖帽和外科手術設備。Rofin-Baasel的Schlather建議加工者考慮購買固態激光機時要了解所需要的生產量和印標的美學要求。例如，如果想要高對比度的、表面沒有測量的到的中斷印標，那么高頻的激光機性能最好。不過，這取決于設備的低輸出功率是否適合你的生產率要求。

　　還有一種新型的二極管，功率在3—lOOW之間，可以用二極管作為激光機燈源替代電子管泵設備的電子管。據說二極管比電子管結構緊湊50%，能量效用提高20%—30%。電子管設備需要水冷，而二極管類型需水冷或風冷。電子管一般需要每1000小時更換一次，二極管的使用壽命則達10000小時。不利條件是二極管相對來說比較新而且較昂貴。例如，FOBA50W的二極管泵激光機比100W的電子管設備貴10%但FOBA預計二極管設備的價格在以后幾個月可能下降，并且它們最終將替代電子管泵設備。

　　“環境問題是激光印標發展的另一個驅動力。激光印標不用油墨或溶劑，也不需用像油墨印標技術那樣的高強度能量干燥過程。”

　　Rofin-Baasel的Schlather總結YAG類型的選擇：  “如果要每600—800小時進行維修，那么電子管泵投資最少，但可以得到最大的生產率。如果用3—60W的二極管泵設備可以完成希望的印標，那么二極管泵設備在5年內成本將少于電子管泵設備。”

　　用于激光器的配方

　　如果用正確選擇的添加劑配方，FOBA的Bone說，幾乎任何一種塑料都能被任何型號的激光機印標。配方或母料的供應商需要了解樹脂、最終應用、需要的圖標類型。例如，一些塑料如高密度聚乙烯和聚碳酸酯在有些顏色上用YAG激光器不用任何添加劑就可以印制得很好。另一方面，二氧化碳激光機在印制這兩種塑料時沒有特殊添加劑就印得不好。

　　現有技術的限制是得到調好色的激光印標的能力有限，而且激光優選的塑料成本也高于市面價格的10%—15%，有時更高。

　　Clariant集團母料技術發展部主任Bill Blasius承認，激光印標在顏料選擇和顏色透明度上受到限制。他說：“在如何使用顏料和添加劑方面我們比千年前懂得更多。我們希望使用激光燈時能充分利用化學反應，這種化學反應發生在特殊的樹脂和某些添加劑和顏料之間。”  由于復配技術的發展，我們可以在黑色或藍色的乙酸醛共聚物上得到近平白色的印標，或者在黑色的ABS上得到純白色的印標。用特殊的配方和激光機參數，我們甚至可以得到調好的顏色。Schlather解釋說：“用這種方式，蝕刻的激光印標可以被調成Pantone，Munsell或其他工業標準。樹脂中的顏料決定顏色和色相，而激光機決定強度或濃度。”許多激光印標顏色/舔加劑以表面經過處理的云母為基礎，如EM工業公司配制的流行的Afflair和Laser Flair配方。但其他添加劑如銅和銻也用于專利配方中。

　　“盡管現有的用于裝飾塑料的激光光源很多，但是密封的二氧化碳激光器是目前使用得最廣泛的，其次是燈管泵送的固態Nd：YAG激光罪和近年來的二極管泵送的Nd：YAG器。”

　　生產可用干激光印標的塑料的公司有BASF，Bayer，  Ticona和RTP等公司。用于激光印標的特殊顏料和添加劑母料的主要供應商是Clariant和PolyOne。

　　首先集中看汽車件，Ticona引進兩種可激光印標的黑色乙酸醛共聚物，Celcon  LM90和LM90Z。LM90用于印制發動機罩和燃料設備元件，LH90Z是內飾件的UV穩定型，如用于揚聲器格柵和釋放桿。TomMiller的汽車營銷經理說，專利技術的添加劑最適合于Nd：YAG激光機。

　　Ticona的最新研究產品是Celcon UVl40LG，據說這是最早的低光澤激光印標用蛇乙酸醛共聚物。它也有抗紫外線的作用。Ticona也提供可激光印標的光滑、玻璃纖維填充的和礦物質膿璃纖維填充的Celanex PBT，用于不要求美觀的汽車、電器/電子元件的印標?；诨旌衔锖秃辖鸬目杉す庥说腣6ndar PBT被指定作為汽車內胎內部元件。新型可激光印標的Celanese尼龍66也在汽車內部元件應用的評定之中。  據Ticona的Miller介紹，大多數汽

　　車件要求有純白印標的黑色基材帶返白印標。  ”不但特別黑的濃度要與0EM的規格對比，自色的也要。得到的白色的濃度主要取決于附加的包裝。”

　　激光蝕刻，更準確的說是油漆雕版從20世紀80年代中葉就被應用于晝/夜反光的元件上，如熒光屏，汽車立體聲環 繞控制的按鈕和開關，鏡殼。有的元件是特別透明的聚碳酸酯或ABS，它們被首先油漆成白色，然后用黑色油漆。用激光機來進行黑色蝕刻，當制件是反光的，  白色就顯露出來。  Ticona的Miller說：”有了創造性的制品設計和制造技術(如雙組分模塑)，有可能取消這兩道工序。”  “二氧化碳激光機蝕刻塑料表面，通過蒸發清理材料，得到的是對比的印標，但很少或幾乎沒有真正的顏色變化。”

　　RTP供應幾種光滑的增強型可激光印標的塑料復配料。這些塑料是PP，尼龍(6， 66，  12，  11，  612)，  ABS，LLDPE，乙酸醛共聚物，熱塑性聚氨酯，聚對苯二甲酸丁二醇酯，間規聚苯乙烯，聚砜，PPS，TPO，丙烯酸，PC/丙烯酸，PC/ABS，LPC。顏料部經理StuartSwain”說：  “把不同的顏色在黑色的背景上印制成白色、黃色、綠色是有巨大商機的。”

　　德國的BASF激光印標實驗室的研究表明，玻璃纖維的添加只是輕微地減弱了塑料的印制性能，但有些填充物，阻燃劑和重新研磨的碎科都能極大的銷弱印制性能。  BASF生產的可用于激光印標的樹脂有Terluran ABS，UltraformacetaI，Luran S ASA，Ultramid尼龍，Luran SAN和Ultradur PBT的黑色顏料。

　　德國Bayer也作著類似的工作，該公司提供可用于激光印標的聚碳酸酯，ABS，PBT。

　　Clariant公司的大多數激光印標母料都是定制的。我們有自己的激光印標粉料基地，既是云母基材配方，也有專利添加劑配方、我們希望用這些配方來生產特殊的母料)。Clariant目前可達到的顏料效果首先是在任何顏料的襯底上實現從白到灰到黑的梯度。在非常黑的襯底上，Clariant可以提供藍色、紅色或綠色的印標。Blasius期望以后幾年可實現更廣范圍的顏色。

　　PolyOne集團FastMark市場經理David Bates說，他們公司的新型母料適用于做白色襯底上的對比度較高的純黑色印標和黑襯底上的純白印標。PolyOne還提供母料，這種母料實質上可提供任何顏色的印標(通常是在黑色制件上)。該公司把各式特殊效用的著色劑與激光印標用的添加劑結合起來創造更大的可能性一一如在自然著色的容器上印制閃亮的印標。這些新配方呈現出巨大商機一一在某些高檔SAN化妝品包裝材料上，聚烯烴洗發劑和調溫器瓶和蓋，  和玩具的效益一樣好。PolyOne已經開發出既光潔又可以是玻璃纖維或礦物質填充的聚烯烴，聚碳酸酯，PC/ABS，SAN的FastMar添加劑。

　　其他幾家公司也已在低調基礎上提供激光印標配方，包括Ferro集團，久Schulman and LNP工程技術塑料公司。Schulman制造激光印標的復配料和用于汽車艙的PolyBatch母料。lNP提供激光印標的StarFlam阻燃劑尼龍型用于電器件的復配料，用于醫學容器的聚苯硫醚的Stat-Kon配方，外科手術用的ABS，PC和乙酸醛配方。

　　塑料制品標記在中國——激光標記的前景

　　許多塑料最終制品，如計算機等辦公機器外殼和配件、電器外殼和配件、各種電器連接件、汽車內飾件都需要標記上產品商標、規格、使用材料、制造廠商、制造日期、有效期等，有的如塑料管材還需要標記上成型機型號等。這有的是為了滿足商業活動的要求，有的是質量保證法規的強制性要求的。  有多種塑料制品標記方法，如直接成型(即直接在注射成型模具上刻制)、壓印、熱壓花、噴墨、激光等。不管哪一種方法都要求標記清晰、牢固耐用、不會被機械、化學和物理因素作用而消失。

　　由于經濟原因，目前在中國較多使用的是直接成型、壓印和熱壓花的方法，噴墨印刷有所增加(特別在管材生產線上)，激光標記方法少見。激光標記方法由于具有無需油墨和溶劑、環境適應性好、可通過計算機靈活控制標記形狀，以及可標記數據密度大，其應用范圍正在不斷擴大，尤其在汽車內飾件上的應用正在快速增長。但是，激光標記方法也存在缺點，為進行清晰的激光標記塑料，材料需要采用專門添加劑進行適當改性。

　　隨著激光標記方法應用范圍的擴大、技術的成熟，成本正在下降。中國是一個塑料制品生產和應用大國，2001年產值在500萬元以上企業的統計，塑料制品生產量達到了11853 kt，而按照樹脂生產和進出口量計算的表觀消費量更達到了25000 kt左右(估計值)，大量的塑料制品需要標記。激光標記方法作為新一代的標記方法在中國塑料制品行業有著廣闊的發展前景。