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激光打码知识

近年来,随着一系列食品安全事件的发生,食品安全问题越来越受到人们关注,并一度成为百姓谈之色变的话题。出现食品安全问题的原因很多,有一部分是因为食品包装上的油墨喷码造成的,这不仅会产生污染,危害人们的身体健康;还会因为易涂改而导致制假售假问题。针对以上问题,国家要求食品生产商在包装上采用激光喷码技术来替代传统的油墨喷码。利用激光对食品包装进行标记,不仅快速清晰,且标记信息永久不可擦除,彻底杜绝了人为涂改标识信息的隐患,无疑为食品安全添加了又一重保障。此外激光喷码设备无耗材、免维护、设备使用周期长,从长远的经济性考虑更有利于企业的投资回报。

 

   激光打标技术是用激光束在各种不同的物质表面打上永久的标记。打标效应是通过表层物质蒸发露出深层物质,或者是通过光能导致表层物质的化学物理变化而“刻”出痕迹,或者是通过光能烧掉部分物质,显出所需刻蚀的图案文字。

目前主要有“热加工”和“冷加工”两种打标方式:

   “热加工”具有较高能量密度的激光束(它是集中的能量流),照射在被加工材料表面上,材料表面吸收激光能量,在照射区域内产生热激发过程,从而使材料表面(或涂层)温度上升,产生变态、熔融、烧蚀、蒸发等现象。

   “冷加工”具有很高负荷能量的(紫外)光子,能够打断材料(特别是有机材料)或周围介质内的化学键,至使材料发生非热过程破坏。这种冷加工在激光标记加工中具有特殊的意义,因为它不是热烧蚀,而是不产生"热损伤" 副作用的、打断化学键的冷剥离,因而对被加工表面的里层和附近区域不产生加热或热变形等作用。

 

    激光打标设备中关键的部件激光器实质是一种将电能转化为光能的装置,寿命可长达数100000小时,无需消耗任何辅料或者耗材。相对于油墨喷码机,几乎是无耗材免维护的设备。经过聚焦之后的光斑通常在0.03mm~0.1mm,因此可以标记出极细的字符或者图案。比如光纤打标机标刻最小字符达到0.2mm。无论是采用“热加工”还是“冷加工”工艺,激光打标本质上是一种破坏性“去除”加工,一旦对材料进行了“去除”加工即无法再恢复,不像油墨是“增量”式加工,可以被人为擦拭掉。此外,油墨因含有铅等重金属有毒元素,在食品药品等行业是使用大忌,而激光加工则不带来任何物质,不会产生有害元素,属于无毒且近乎零排放的加工设备。

 

    由于激光器的种类繁多,食品包装所用的材料也很多,不同激光在不同材料上会表现出不同的标刻效果。因此,选择一台合适的激光喷码机,对食品生产企业至关重要。目前在激光喷码行业应用较多的有CO2激光喷码机以及光纤激光喷码机,区别主要是激光器的不同。

 

CO2激光器输出激光波长为9.3~10.6微米,功率从10W到60W不等,主要用于非金属打标。光纤激光器输出激光波长为1064纳米,功率从10W到50W不等,主要用于金属或部分塑料材料打标。此外,目前绿激光打标和紫外打标正逐渐兴起,在某些材料上可以得到更好的标记效果。下面介绍几种典型的应用供参考:

 

◆ 矿泉水瓶打标

塑料瓶打标为“热加工”工艺。矿泉水瓶或者食用油瓶身材料主要为PET,采用CO2激光打标可以得到较好的标记效果。此外,不同波段激光器可以打出不同的效果。如果瓶身材料较厚,可采用10.6微米波长的CO2激光器,打出比较通透的字体。如果瓶身材料较薄,可采用9.3微米的激光器,打出比较白的字体效果。由于PET材料对CO2 激光的吸收较好,采用30W 激光器即可轻松打上痕迹,生产效率可达到40,000瓶/小时。

 

◆ 纸盒打标

纸盒打标也为“热加工”工艺。纸盒根据颜色可分为两种,深色纸盒可采用光纤或者CO2激光进行打标,浅色纸盒则只能用CO2激光进行打标。由于浅色(白色)纸质材料对光纤的吸收较差,光纤激光很难在白纸上打出痕迹,即使打出来速度也不快,效果也不会好。采用CO2激光加工主要是利用CO2的热能对纸质材料进行碳化处理,形成深色痕迹和图案。而深色(黑色)材料对光纤激光吸收较好,深色纸盒由于表层为黑色涂层,内部为白色或者浅色纸张,采用光纤对黑色表层进行打标去除,露出里层浅色痕迹形成图案。

 

◆ 塑料包装袋打标

塑料包装袋或者盒子的材料种类较多,有PET、PC、HDPE、PE、PP、ABS和PBT等。通常如果包装袋较厚均可用CO2激光进行打标,CO2激光打标的不良反应是热量较高,容易灼穿袋子或者使包装袋局部变形影响外观。如果包装袋子需打标的地方颜色较深,可采用光纤激光进行打标,原理同深色纸盒打标。如果包装袋子比较薄,打标位置颜色又较浅,则采用紫外(UV)激光打标可能是更好的选择。此外,部分材料如HDPE、PE、PP 等白色材料对光纤激光不吸收,采用CO2 激光则容易灼伤,采用绿光或者紫外激光是比较好的打标方式。矿泉水瓶瓶身材料主要为PET,采用CO2激光打标可以得到较好的标记效果。

 

   除了上述的不同材料需选择不同的激光器进行加工,食品厂家还需要根据自己的产线产能来进行激光喷码设备配置。目前国内激光喷码设备生产厂家较多,产品品质也良莠不齐。如果客户盲目选择一台便宜的激光喷码设备,很可能贪小便宜而吃大亏。因为除了激光器,激光喷码设备还有一个重要的组成部分是打标头,激光行业内专业的术语叫振镜头。打标头是一个运动模块,由一对响应极快速的电机带动两片反射镜片进行激光的轨迹控制。打标头的响应速度和稳定性对激光喷码设备的生产效率和稳定性起到了关键作用。

 

目前,振镜技术在国内外发展极不平衡,国产振镜价格便宜但速度较慢,且稳定性不及进口。由于激光喷码设备主要用于流水线生产,一旦设备出现问题将导致整个产线停工,影响极大。出于稳定生产的角度,更多的知名品牌均选用了进口振镜作为激光喷码设备的核心配置。此外,像矿泉水以及香烟等生产线产品体积小,流水线运转速度极快,进口振镜在速度性能上更能满足产能需求。

 

此外,激光喷码设备还有一个重要的模块为控制系统。控制系统是整台设备的大脑,一个性能优良操作简单工作稳定的控制系统决定了整台设备的档次。目前很多激光喷码设备采用普通PC 机作为控制器载体,并非是一个好的选择,因为在生产恶劣的工厂现场,普通PC 机很容易罢工。比如在矿泉水或者酒类饮料生产线上,地面经常有水或者饮料液体,普通PC 电脑既不防尘也不防潮,抗震性也较差,比较容易出现问题。

 

 

    激光喷码技术作为替代油墨喷码的工业应用虽已经兴起数年,但目前仍然存在部分障碍使其难以普及。总结主要有如下问题:

1)激光设备相比传统油墨喷码成本高。根据配置不同价格往往是数十万到几十万,相对于油墨喷码价格要高出几倍,激光为一次性投入无后续高额维护成本。油墨喷码除了买设备花钱外,每年还需花费数额可观的油墨、稀释剂等耗材费用,油墨喷头容易被堵,需要经常性的维护修理。

 

2)部分包装材料用激光喷码打不出好的效果。比如白色纸质材料或者透明PE 塑料薄膜材料,采用激光打标很难得到颜色对比清晰的效果

 

   被誉为史上最严的新版《食品安全法》将于今年10月起实施。其中规定,国家将建立食品全程追溯制度。通过在食品包装上标刻序列号或条码等标识,即可赋予食品唯一的“身份证”,这种永久性“身份证”可追溯每个产品生产过程的所有关键信息,并以此为基础实现后期产品的追踪,以此来分析产品质量缺陷的问题所在,有效实现防伪防窜和快速召回。用激光进行打条码或者二维码,已在很多食品公司逐步开始应用。由于激光控制系统的强大功能,采用激光进行打码不仅可以实现自动生成条码或者二维码,还可以实现自动跳号,与客户数据库管理系统进行数据对接等功能,更可以方便接入物联网,不仅实现从零件到产品的全面品质追踪,更可实现从产品到终端用户的数据网络连接。一台激光喷码设备既可为一台生产设备,也可为一台带IP 地址的网络终端,不仅可以连接到自动化的生产线,也可以连接到通向大数据的物联网。毫无疑问,激光喷码技术将在未来的食品安全中起到举足轻重的作用。