激光切割的一個應用是使用CO2 激光束進行高速標簽切割。泛泛而講，這種應用被劃分在轉(zhuǎn)變型加工一類，業(yè)內(nèi)一般認可的定義是，對一卷材料進行“加工”，使其變?yōu)榱硪环N形式的工藝。其中包括切割標簽、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。除了可以對新設(shè)計隨時進行數(shù)字化靈活更改外，非接觸式加工帶來的產(chǎn)能提高也是不容忽視的重要收益，尤其是如今標簽變得越來越薄，這些工藝特點使用戶可以按照要求的深度對其進行選擇性的“吻切”。同時，激光切割加工沒有耗材（即沒有機械磨損件），工藝可重復性強（激光器不會產(chǎn)生鈍化問題）。因此，激光、數(shù)碼、非接觸式技術(shù)的性能優(yōu)勢非常令人矚目。

 

標簽市場

 

市場分析師預計，受到新興市場以及制藥、食品/飲料容器、化妝品等終端市場的拉動，2016-2020年期間激光切割市場會出現(xiàn)6%的強勁復合年均增長率（CAGR）。雖然與預計增長較快的傳統(tǒng)機床相比，激光切割市場的增長相對較慢（小于1%），但因數(shù)碼印刷的發(fā)展和演變，預計激光切割市場會以較快的速度發(fā)展。許多公司已開始研究激光切割標簽的優(yōu)勢。

 

來自英格蘭約克郡的AB Graphics (AB平面國際有限公司)就是這樣的一家企業(yè)。該公司在過去將近10年內(nèi)，開始從事激光標簽切割設(shè)備的制造。他們看到與傳統(tǒng)機床技術(shù)相比，使用配置美國新銳（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。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)展為激光加工開啟了機遇，因為它是小批量定制產(chǎn)品加工的理想工具?？梢酝ㄟ^網(wǎng)上接受客戶的CAD文檔設(shè)計訂單，快速地傳給數(shù)碼打印機終端，然后再進行數(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。如果沒有激光切割機，就無法采用真正高成本效益的方法，來滿足客戶的快速換批需求。”

 

圖1：AB Graphics公司的Digilase系列的激光標簽切割機。

 

激光加工解決方案提供了令人信服的價值主張。它可以為客戶節(jié)約數(shù)日到數(shù)周的換刀停機時間，并提供了最大的靈活性。如，最簡單的設(shè)備平板模切機床，單單是刀具加工成本就要100美元以上，新刀具的設(shè)計還需要花費數(shù)天時間。半旋轉(zhuǎn)柔性模切刀具和旋轉(zhuǎn)模切刀都面臨類似的問題，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天的交付時間。全旋轉(zhuǎn)模切刀具成本介于1000-2000美元，交付時間約2周。很顯然，交付時間長、不能滿足快速設(shè)計變更對生產(chǎn)能力造成很大的制約性。“激光設(shè)備現(xiàn)在只占到標簽切割市場的1-2%，”Burton補充道。“這種機械式設(shè)備非常適合長時間重復加工的需要，并且成本比激光設(shè)備低4-8倍。因此，激光設(shè)備的成本并沒有體現(xiàn)出優(yōu)勢。然而，由惠普indigo數(shù)碼印刷機引領(lǐng)的數(shù)碼印刷技術(shù)革命漸漸成形并持續(xù)深化，未來幾年對于激光加工機械的需求勢必會不斷增長。” AB Graphic 公司主要設(shè)計并銷售由兩個Synrad 200W CO2 激光器進行驅(qū)動的Digilase系列的激光標簽切割機（圖1）。

 

優(yōu)化標簽的激光切割工藝

 

在標簽切割應用中，為了獲得最高的生產(chǎn)效率，盡可能讓標簽材料吸收更多的激光能量是非常重要的。使用CO2激光器可以實現(xiàn)對大多數(shù)塑料和紙質(zhì)標簽的高品質(zhì)切割，因為這些材料可以很好地吸收激光器生成的長波。燒焦后并散發(fā)出有害氣體的乙烯基標簽除外。

 

為了進一步優(yōu)化標簽的激光切割工藝，要考慮到某些特定的標簽材料以及它們會如何吸收CO2 激光器發(fā)射的不同激光波長等因素。標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)標簽，然后上面再敷上一層作防護的清漆或復合涂層。首先，最上面的一層會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激光波長相比，一般情況下聚丙烯標簽（一般用作施膠標簽）對10.2–10.3μm的波長具備更好的吸收性能。這樣，就可以將激光功率調(diào)整在這個水平，以提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量。

 

測試樣例的設(shè)置

 

在這個特別測試中，一款配置了Synrad專用p250 CO2 激光器的動態(tài)三軸激光打標系統(tǒng) Flyer 3D 能夠在較大面積范圍的產(chǎn)品線上快速準確的打標。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，最好配置帶有高速振鏡的掃描頭系統(tǒng)，以便對光束進行操縱和調(diào)控。X-Y繪圖機對于量產(chǎn)級的生產(chǎn)而言，其加工速度顯得太慢。另外，p250 CO2 激光器出色的穩(wěn)定性使標簽切割深度具有優(yōu)異的一致性，因此，即便是長時間加工后，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）標簽用膜典型吸收曲線。

 

采用實驗配置，對用厚度為0.1mm的聚丙烯膜制成的Synrad標簽片材進行切割測試。p250激光器以50kHz的脈沖寬度調(diào)制(PWM)、45%的占空比運行。這種高重復率的脈沖合并在一起，可以對材料進行連續(xù)的切割。掃描頭的平均功率為275W。在標準的10.6μm波長上，標簽的激光切割速度為4064mm/s。由于聚丙烯標簽材料（圖2） 的吸收率提高，當采用10.2/10.3μm波長的激光器時，切割速度可以增加1.5倍。另外，聚丙烯層傳導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：標簽的切割視圖（見上圖中心位置抬起的部位）。

 

結(jié)語

 

CO2 激光器展現(xiàn)了在選擇性加工應用，如標簽切割方面的能力。在這種情況下，需要靈活切割多種在加工過程中形狀容易變化的材料。而且，通過優(yōu)化CO2 波長使之與標簽材料相吻合，使其與傳統(tǒng)波長為標準的10.6μm的激光系統(tǒng)相比，可以提高切割速度和質(zhì)量。這點不僅在實驗室中，而且在生產(chǎn)現(xiàn)場均得到了證實。Burton認為，對于AB

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

 

盡管本文探討了波長為10.2μm的激光器相對于10.6μm波長激光器在加工聚丙烯標簽方面的優(yōu)勢，但值得一提的是，CO2激光器還可以在激光波長為9.3μm的條件下運行，從而能對其它類型的標簽膜材料進行優(yōu)化加工，如常用于套管式標簽的PET材料。當激光器波長與項目特定用膜的吸收特性相契合時，便可以實現(xiàn)加工質(zhì)量和效率的最大化。