激光切割的一個(gè)應(yīng)用是使用CO2 激光束進(jìn)行高速標(biāo)簽切割。泛泛而講，這種應(yīng)用被劃分在轉(zhuǎn)變型加工一類(lèi)，業(yè)內(nèi)一般認(rèn)可的定義是，對(duì)一卷材料進(jìn)行“加工”，使其變?yōu)榱硪环N形式的工藝。其中包括切割標(biāo)簽、多孔塑料、紙膜；為折疊紙盒切邊；刻劃易撕型食品袋等等。

 

激光加工有諸多優(yōu)勢(shì)。除了可以對(duì)新設(shè)計(jì)隨時(shí)進(jìn)行數(shù)字化靈活更改外，非接觸式加工帶來(lái)的產(chǎn)能提高也是不容忽視的重要收益，尤其是如今標(biāo)簽變得越來(lái)越薄，這些工藝特點(diǎn)使用戶可以按照要求的深度對(duì)其進(jìn)行選擇性的“吻切”。同時(shí)，激光切割加工沒(méi)有耗材（即沒(méi)有機(jī)械磨損件），工藝可重復(fù)性強(qiáng)（激光器不會(huì)產(chǎn)生鈍化問(wèn)題）。因此，激光、數(shù)碼、非接觸式技術(shù)的性能優(yōu)勢(shì)非常令人矚目。

 

標(biāo)簽市場(chǎng)

 

市場(chǎng)分析師預(yù)計(jì)，受到新興市場(chǎng)以及制藥、食品/飲料容器、化妝品等終端市場(chǎng)的拉動(dòng)，2016-2020年期間激光切割市場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)6%的強(qiáng)勁復(fù)合年均增長(zhǎng)率（CAGR）。雖然與預(yù)計(jì)增長(zhǎng)較快的傳統(tǒng)機(jī)床相比，激光切割市場(chǎng)的增長(zhǎng)相對(duì)較慢（小于1%），但因數(shù)碼印刷的發(fā)展和演變，預(yù)計(jì)激光切割市場(chǎng)會(huì)以較快的速度發(fā)展。許多公司已開(kāi)始研究激光切割標(biāo)簽的優(yōu)勢(shì)。

 

來(lái)自英格蘭約克郡的AB Graphics (AB平面國(guó)際有限公司)就是這樣的一家企業(yè)。該公司在過(guò)去將近10年內(nèi)，開(kāi)始從事激光標(biāo)簽切割設(shè)備的制造。他們看到與傳統(tǒng)機(jī)床技術(shù)相比，使用配置美國(guó)新銳（Synrad）公司的CO2 激光器的激光切割設(shè)備展現(xiàn)出明顯的加工優(yōu)勢(shì)。AB Graphics的總經(jīng)理Mike Burton表示，“如今，激光切割雖然還有許多局限，但數(shù)碼印刷的發(fā)展為激光加工開(kāi)啟了機(jī)遇，因?yàn)樗切∨慷ㄖ飘a(chǎn)品加工的理想工具?？梢酝ㄟ^(guò)網(wǎng)上接受客戶的CAD文檔設(shè)計(jì)訂單，快速地傳給數(shù)碼打印機(jī)終端，然后再進(jìn)行數(shù)碼激光切割。這種端到端的數(shù)碼加工節(jié)約了換刀、換模具所需要的時(shí)間，不僅提升了加工速度，還獲得了更大的加工自由度。如果沒(méi)有激光切割機(jī)，就無(wú)法采用真正高成本效益的方法，來(lái)滿足客戶的快速換批需求。”

 

圖1：AB Graphics公司的Digilase系列的激光標(biāo)簽切割機(jī)。

 

激光加工解決方案提供了令人信服的價(jià)值主張。它可以為客戶節(jié)約數(shù)日到數(shù)周的換刀停機(jī)時(shí)間，并提供了最大的靈活性。如，最簡(jiǎn)單的設(shè)備平板模切機(jī)床，單單是刀具加工成本就要100美元以上，新刀具的設(shè)計(jì)還需要花費(fèi)數(shù)天時(shí)間。半旋轉(zhuǎn)柔性模切刀具和旋轉(zhuǎn)模切刀都面臨類(lèi)似的問(wèn)題，而且這些刀具的工裝成本還更昂貴。半旋轉(zhuǎn)模切刀具的加工成本要幾百美元，而且需要3-5天的交付時(shí)間。全旋轉(zhuǎn)模切刀具成本介于1000-2000美元，交付時(shí)間約2周。很顯然，交付時(shí)間長(zhǎng)、不能滿足快速設(shè)計(jì)變更對(duì)生產(chǎn)能力造成很大的制約性。“激光設(shè)備現(xiàn)在只占到標(biāo)簽切割市場(chǎng)的1-2%，”Burton補(bǔ)充道。“這種機(jī)械式設(shè)備非常適合長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)加工的需要，并且成本比激光設(shè)備低4-8倍。因此，激光設(shè)備的成本并沒(méi)有體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。然而，由惠普indigo數(shù)碼印刷機(jī)引領(lǐng)的數(shù)碼印刷技術(shù)革命漸漸成形并持續(xù)深化，未來(lái)幾年對(duì)于激光加工機(jī)械的需求勢(shì)必會(huì)不斷增長(zhǎng)。” AB Graphic 公司主要設(shè)計(jì)并銷(xiāo)售由兩個(gè)Synrad 200W CO2 激光器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的Digilase系列的激光標(biāo)簽切割機(jī)（圖1）。

 

優(yōu)化標(biāo)簽的激光切割工藝

 

在標(biāo)簽切割應(yīng)用中，為了獲得最高的生產(chǎn)效率，盡可能讓標(biāo)簽材料吸收更多的激光能量是非常重要的。使用CO2激光器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大多數(shù)塑料和紙質(zhì)標(biāo)簽的高品質(zhì)切割，因?yàn)檫@些材料可以很好地吸收激光器生成的長(zhǎng)波。燒焦后并散發(fā)出有害氣體的乙烯基標(biāo)簽除外。

 

為了進(jìn)一步優(yōu)化標(biāo)簽的激光切割工藝，要考慮到某些特定的標(biāo)簽材料以及它們會(huì)如何吸收CO2 激光器發(fā)射的不同激光波長(zhǎng)等因素。標(biāo)簽片材含有不同層的材料。有底紙背襯、膠黏劑涂層的塑料或紙質(zhì)標(biāo)簽，然后上面再敷上一層作防護(hù)的清漆或復(fù)合涂層。首先，最上面的一層會(huì)吸收最多的激光能量，因此，這一層材料的吸收特性尤為重要。例如，與常規(guī)的10.6μm激光波長(zhǎng)相比，一般情況下聚丙烯標(biāo)簽（一般用作施膠標(biāo)簽）對(duì)10.2–10.3μm的波長(zhǎng)具備更好的吸收性能。這樣，就可以將激光功率調(diào)整在這個(gè)水平，以提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量。

 

測(cè)試樣例的設(shè)置

 

在這個(gè)特別測(cè)試中，一款配置了Synrad專(zhuān)用p250 CO2 激光器的動(dòng)態(tài)三軸激光打標(biāo)系統(tǒng) Flyer 3D 能夠在較大面積范圍的產(chǎn)品線上快速準(zhǔn)確的打標(biāo)。Flyer 3D子系統(tǒng)的字段大小為400 × 350mm，聚焦光斑尺寸為282μm。在高速加工時(shí)，最好配置帶有高速振鏡的掃描頭系統(tǒng)，以便對(duì)光束進(jìn)行操縱和調(diào)控。X-Y繪圖機(jī)對(duì)于量產(chǎn)級(jí)的生產(chǎn)而言，其加工速度顯得太慢。另外，p250 CO2 激光器出色的穩(wěn)定性使標(biāo)簽切割深度具有優(yōu)異的一致性，因此，即便是長(zhǎng)時(shí)間加工后，依然可以保持恒定的加工質(zhì)量。

 

圖2：聚丙烯（和雙向拉伸聚丙烯）標(biāo)簽用膜典型吸收曲線。

 

采用實(shí)驗(yàn)配置，對(duì)用厚度為0.1mm的聚丙烯膜制成的Synrad標(biāo)簽片材進(jìn)行切割測(cè)試。p250激光器以50kHz的脈沖寬度調(diào)制(PWM)、45%的占空比運(yùn)行。這種高重復(fù)率的脈沖合并在一起，可以對(duì)材料進(jìn)行連續(xù)的切割。掃描頭的平均功率為275W。在標(biāo)準(zhǔn)的10.6μm波長(zhǎng)上，標(biāo)簽的激光切割速度為4064mm/s。由于聚丙烯標(biāo)簽材料（圖2） 的吸收率提高，當(dāng)采用10.2/10.3μm波長(zhǎng)的激光器時(shí)，切割速度可以增加1.5倍。另外，聚丙烯層傳導(dǎo)到底紙背襯的能量損失減少，使得擦痕可以降至幾近忽略的水平。標(biāo)簽可以很容易地從背襯片材上撕下，邊緣清潔、光滑，熔融很少（圖3）。

 

圖3：標(biāo)簽的切割視圖（見(jiàn)上圖中心位置抬起的部位）。

 

結(jié)語(yǔ)

 

CO2 激光器展現(xiàn)了在選擇性加工應(yīng)用，如標(biāo)簽切割方面的能力。在這種情況下，需要靈活切割多種在加工過(guò)程中形狀容易變化的材料。而且，通過(guò)優(yōu)化CO2 波長(zhǎng)使之與標(biāo)簽材料相吻合，使其與傳統(tǒng)波長(zhǎng)為標(biāo)準(zhǔn)的10.6μm的激光系統(tǒng)相比，可以提高切割速度和質(zhì)量。這點(diǎn)不僅在實(shí)驗(yàn)室中，而且在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)均得到了證實(shí)。Burton認(rèn)為，對(duì)于AB

Graphics公司而言，“由于已親自見(jiàn)證了我們客戶在標(biāo)簽切割方面所獲得的品質(zhì)改善，我們將主要生產(chǎn)波長(zhǎng)為10.2μm的激光切割系統(tǒng)。”

 

盡管本文探討了波長(zhǎng)為10.2μm的激光器相對(duì)于10.6μm波長(zhǎng)激光器在加工聚丙烯標(biāo)簽方面的優(yōu)勢(shì)，但值得一提的是，CO2激光器還可以在激光波長(zhǎng)為9.3μm的條件下運(yùn)行，從而能對(duì)其它類(lèi)型的標(biāo)簽?zāi)げ牧线M(jìn)行優(yōu)化加工，如常用于套管式標(biāo)簽的PET材料。當(dāng)激光器波長(zhǎng)與項(xiàng)目特定用膜的吸收特性相契合時(shí)，便可以實(shí)現(xiàn)加工質(zhì)量和效率的最大化。