徐亮 周勇
【摘 要】激光打标是新一代的精密加工标识方法。文章针对激光打标尼龙方法,从打标的原理、分类、材料的配方设计及激光打标机的参设设置等方面进行了介绍和探讨,并对高清晰激光打标尼龙的行业前景进行了展望。
【关键词】激光打标;尼龙;波长;电流;频率
【中图分类号】TN249 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688(2016)10-0036-03
0 引言
由于社会分工的日益细化和对产品区分的要求,产品除了必须具有优良的品质外,对产品进行信息化记录和追溯也成为保障产品品质的重要一环。而产品体积微型化、外形多样化等也使得传统的印刷、热塑、机械雕刻等方式逐渐不能满足行业发展的要求。尼龙材料作为最常用的塑料类别,也不再是普通的改性方式而涌现出了很多特殊的改性和应用领域,激光打标就是其中发展最快的。
激光打标是新一代的精密加工标识方法。与传统的标记方式相比,具有可通过与计算机设计相结合,高效自动化地快速标记出各种文字、符号、图形,不受标记产品外形、尺寸的限制,自由性好,标记长期使用不会掉色、褪色,并且加工方式无污染、环境友好等优点,在汽车、航空航天、电子电器等领域都有了越来越多的应用。
1 激光打标尼龙的原理和优势
激光打标的原理为由激光发生器生成高能量的连续激光光束,聚焦后的激光作用于承印材料,使表面材料瞬间熔融,甚至气化,通过控制激光在材料表面的路径,从而形成需要的图文标记。激光打标的特点是非接触加工,可在任何异型表面标刻,工件不会变形和产生内应力。
激光打标尼龙具有以下优势:{1}激光打标时,制件打标过程中并不与其他设备直接接触,没有力的作用,热影响较小,制件不易变形,没有磨损。{2}激光打标尼龙是在尼龙制件打标区域进行的化学层面的标识,并非简单地进行物理覆盖,因此标记具有耐久性好,长期使用不会出现褪色、掉色等问题。{3}激光标记精细度高,线条可以达到毫米到微米量级,采用激光标刻技术制作的标记,对其仿造和更改都是非常困难的,具有较好的防伪功能。{4}激光打标的方式灵活性高,可以在不同形状的制件上进行标识,不受制件平整度的限制。{5}设计方便、多样化,可以通过电脑和软件的配合,进行各类文字、符号、图形的设计和标识。{6}生产效率高,适合快速连续化的大批量生产。{7}激光打标具有加工无污染,环境友好的特点,与传统油印、丝印相比,不需要油墨、涂料、酸剂等,清洁高效。
2 激光源的类别
从常规的角度来看,普通尼龙即可以进行激光打标,但是存在着标识模糊、图案深浅不一、精细度不够等问题,对此本文进行了相关的研究和测试。
2.1 激光的类别
活性媒介和光学结构的不同产生了各种类型的激光,同时也影响这激光的光束质量和操作可变性。最常用的主要有以下2类(见表1)。
2.2 不同颜色的激光标识
2.2.1 浅色激光标识
浅色的激光标识是激光光束照射在深色的尼龙基板上,吸收大量能量产生了物质的分解产物,引起材料發泡,形成浅色的标识。发泡也分为开孔和闭孔2种,闭孔结构更为稳定、持久。其中,颜色越白亮则标识越清晰。
2.2.2 深色激光标识
深色的激光标识是激光光速照射在浅色的尼龙基板上,材料炭化所形成的产物,但是在炭化过程中往往伴随着一定程度的发泡,因此发泡程度需要有效的控制,以保证标识颜色的清晰度。
激光打标原理如图1所示。
2.3 尼龙激光打标剂的研究进展
2.3.1 无机类激光打标剂
默克公司开发的专利产品的Lazerfl air系列激光打标剂适用于尼龙材质,该激光打标剂主要由珠光助剂和激光敏感助剂组成,主要成分包含具有低折射系数、金属氧化物涂覆的云母,金属氧化物可以是氧化钛、氧化铁、锡锑氧化物和锡铟氧化物等。适用激光打标机光源类型为CO2激光、光线激光、Nd固体激光,波长范围为308~1 064 nm。
“泰科纳”也设计出由多种阳离子盐化合物与无机氧化物组成的激光打标助剂。多阳离子盐化合物具有氧合阴离子、有机羧酸或碳酸阴离子,粒径要求越细越好;无机氧化物是光敏感性物质,在激光照射时起到促进着色化合物形成的作用,可以是硅酸盐及硅酸盐矿物及氧化钛、氧化锑、氧化锡等,对于结晶性的尼龙材料非常适用的。
“帝斯曼”的氧化锑和珠光助剂复合的激光打标剂也是类似以上原理。
2.3.2 有机和无机物激光打标剂
“日本三菱”研制出了以锑化合物和卤素系有机化合物组成的激光打标剂,专用于尼龙材质。锑化合物可以是三氧化锑、四氧化锑、五氧化锑等;卤素系化合物主要是溴化聚苯醚。
“中国石化”也研制出了以粉末橡胶与炭黑混合制得的复合激光打标剂,标记颜色鲜明白亮。
2.4 激光标识的评价方法
激光标识的清晰与否,常规情况下目视即可简单判断,但存在一定的主观性与个体差异性,不能很客观地体现实际状况,因此我们选用了具有统一标准的光学色差来进行评判。
色差,即2种颜色的差别。色差值表示颜色的差别大小,用ΔE表示。色差值一般评价颜色的差别,广泛应用于塑料、印刷等行业。ΔE的计算公式如下:
ΔE=(ΔL2+Δa2+Δb2)1/2
其中:L表示亮暗,“+”表示偏亮,“-”表示偏暗;a表示红绿,“+”表示偏红,“-”表示偏绿;b表示黄蓝,“+”表示偏黄,“-”表示偏蓝;原始标准样为L0、a0、b0;激光标识后样为L1、a1、b1。
分别计算ΔL=L1-L0,Δa=a1-a0,Δb=b1-b0。ΔL为正表示颜色偏白,ΔL为负表示颜色偏黑;Δa为正表示颜色偏红,Δa为负表示颜色偏绿;Δb为正表示颜色偏黄,Δb为负表示颜色偏蓝;对于激光标识我们可以通过ΔE和ΔL,从标识整体色差和明暗度的变化综合评价标识的清晰度。
2.5 参数调节
在尼龙基材相同的情况下,通过激光参数的优化设定,可以获得更好的标识效果。通常,可以调节的参数包括打标扫描速度、电流强度、脉冲频率、功率、脉冲宽度、焦距、填充密度等。参数的调整是相互关联的。当需要得到更清晰的标识时,可以提高频率和降低打标速度,也可降低频率和提高打标速度。
其中,激光打标机的打标速度、电流强度和脉冲频率对打标清晰度的影响最大。
2.5.1 打标速度
打标速度是单位时间内激光扫描的距离。打标扫描的速度越快,激光在材料表面作用的时间就越短。当扫描速度加快时,激光对尼龙材料的作用时间缩短,材料表面来不及充分吸收激光能量,因此标识的深度变浅,对比度降低,图形清晰度降低。
2.5.2 电流强度
不同的电流强度下,激光标识差异很大。对于尼龙材料来说,电流强度越大,脉冲峰值功率和平均功率都增大,光束的能量越高,激光在材料表面热作用加剧,刻蚀的标识就越明显,对比度增大,清晰度越高。但是,当电流强度达到一定程度后,激光对材料表面的热作用以汽化为主,标记深度和清晰度变化不大,因此电流强度不宜过高。
2.5.3 脉冲频率
脈冲频率是每秒钟产生的触发脉冲数目,也称之为脉冲重复频率。当脉冲重复频率升高时,激光的峰值功率降低,激光的平均输出功率会升高,当激光脉冲峰值较大时,标记深度增大;当脉冲重复频率继续升高时,激光的脉冲峰值会更低,标识深度将降低。经测试,对于尼龙材料,在3~4 kHz的范围内对标识深度是最佳设置,激光标识深度最大,对比度最高。
3 激光打标尼龙行业的前景展望
相对于传统标识行业,激光打标具有更经济、更高效、无污染、表面设计更灵活、标识持久不脱落等优点。通过改性的高清晰尼龙打标产品,配合相应的打标工艺参数,可以在深浅不同的尼龙基材上得到清晰度大幅提高、整体色泽均匀、边缘锐度极高、耐久度很高的激光标识。如今,激光打标尼龙已经在汽车、电器等行业大量应用,并不断得到拓展。
参 考 文 献
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[责任编辑:钟声贤]