激光切割的一个应用是使用CO2 激光束进行高速标签切割。泛泛而讲，这种应用被划分在转变型加工一类，业内一般认可的定义是，对一卷材料进行“加工”，使其变为另一种形式的工艺。其中包括切割标签、多孔塑料、纸膜；为折叠纸盒切边；刻划易撕型食品袋等等。

 

激光加工有诸多优势。除了可以对新设计随时进行数字化灵活更改外，非接触式加工带来的产能提高也是不容忽视的重要收益，尤其是如今标签变得越来越薄，这些工艺特点使用户可以按照要求的深度对其进行选择性的“吻切”。同时，激光切割加工没有耗材（即没有机械磨损件），工艺可重复性强（激光器不会产生钝化问题）。因此，激光、数码、非接触式技术的性能优势非常令人瞩目。

 

标签市场

 

市场分析师预计，受到新兴市场以及制药、食品/饮料容器、化妆品等终端市场的拉动，2016-2020年期间激光切割市场会出现6%的强劲复合年均增长率（CAGR）。虽然与预计增长较快的传统机床相比，激光切割市场的增长相对较慢（小于1%），但因数码印刷的发展和演变，预计激光切割市场会以较快的速度发展。许多公司已开始研究激光切割标签的优势。

 

来自英格兰约克郡的AB Graphics (AB平面国际有限公司)就是这样的一家企业。该公司在过去将近10年内，开始从事激光标签切割设备的制造。他们看到与传统机床技术相比，使用配置美国新锐（Synrad）公司的CO2 激光器的激光切割设备展现出明显的加工优势。AB Graphics的总经理Mike Burton表示，“如今，激光切割虽然还有许多局限，但数码印刷的发展为激光加工开启了机遇，因为它是小批量定制产品加工的理想工具。可以通过网上接受客户的CAD文档设计订单，快速地传给数码打印机终端，然后再进行数码激光切割。这种端到端的数码加工节约了换刀、换模具所需要的时间，不仅提升了加工速度，还获得了更大的加工自由度。如果没有激光切割机，就无法采用真正高成本效益的方法，来满足客户的快速换批需求。”

 

图1：AB Graphics公司的Digilase系列的激光标签切割机。

 

激光加工解决方案提供了令人信服的价值主张。它可以为客户节约数日到数周的换刀停机时间，并提供了最大的灵活性。如，最简单的设备平板模切机床，单单是刀具加工成本就要100美元以上，新刀具的设计还需要花费数天时间。半旋转柔性模切刀具和旋转模切刀都面临类似的问题，而且这些刀具的工装成本还更昂贵。半旋转模切刀具的加工成本要几百美元，而且需要3-5天的交付时间。全旋转模切刀具成本介于1000-2000美元，交付时间约2周。很显然，交付时间长、不能满足快速设计变更对生产能力造成很大的制约性。“激光设备现在只占到标签切割市场的1-2%，”Burton补充道。“这种机械式设备非常适合长时间重复加工的需要，并且成本比激光设备低4-8倍。因此，激光设备的成本并没有体现出优势。然而，由惠普indigo数码印刷机引领的数码印刷技术革命渐渐成形并持续深化，未来几年对于激光加工机械的需求势必会不断增长。” AB Graphic 公司主要设计并销售由两个Synrad 200W CO2 激光器进行驱动的Digilase系列的激光标签切割机（图1）。

 

优化标签的激光切割工艺

 

在标签切割应用中，为了获得最高的生产效率，尽可能让标签材料吸收更多的激光能量是非常重要的。使用CO2激光器可以实现对大多数塑料和纸质标签的高品质切割，因为这些材料可以很好地吸收激光器生成的长波。烧焦后并散发出有害气体的乙烯基标签除外。

 

为了进一步优化标签的激光切割工艺，要考虑到某些特定的标签材料以及它们会如何吸收CO2 激光器发射的不同激光波长等因素。标签片材含有不同层的材料。有底纸背衬、胶黏剂涂层的塑料或纸质标签，然后上面再敷上一层作防护的清漆或复合涂层。首先，最上面的一层会吸收最多的激光能量，因此，这一层材料的吸收特性尤为重要。例如，与常规的10.6μm激光波长相比，一般情况下聚丙烯标签（一般用作施胶标签）对10.2–10.3μm的波长具备更好的吸收性能。这样，就可以将激光功率调整在这个水平，以提高生产率和加工质量。

 

测试样例的设置

 

在这个特别测试中，一款配置了Synrad专用p250 CO2 激光器的动态三轴激光打标系统 Flyer 3D 能够在较大面积范围的产品线上快速准确的打标。Flyer 3D子系统的字段大小为400 × 350mm，聚焦光斑尺寸为282μm。在高速加工时，最好配置带有高速振镜的扫描头系统，以便对光束进行操纵和调控。X-Y绘图机对于量产级的生产而言，其加工速度显得太慢。另外，p250 CO2 激光器出色的稳定性使标签切割深度具有优异的一致性，因此，即便是长时间加工后，依然可以保持恒定的加工质量。

 

图2：聚丙烯（和双向拉伸聚丙烯）标签用膜典型吸收曲线。

 

采用实验配置，对用厚度为0.1mm的聚丙烯膜制成的Synrad标签片材进行切割测试。p250激光器以50kHz的脉冲宽度调制(PWM)、45%的占空比运行。这种高重复率的脉冲合并在一起，可以对材料进行连续的切割。扫描头的平均功率为275W。在标准的10.6μm波长上，标签的激光切割速度为4064mm/s。由于聚丙烯标签材料（图2） 的吸收率提高，当采用10.2/10.3μm波长的激光器时，切割速度可以增加1.5倍。另外，聚丙烯层传导到底纸背衬的能量损失减少，使得擦痕可以降至几近忽略的水平。标签可以很容易地从背衬片材上撕下，边缘清洁、光滑，熔融很少（图3）。

 

图3：标签的切割视图（见上图中心位置抬起的部位）。

 

结语

 

CO2 激光器展现了在选择性加工应用，如标签切割方面的能力。在这种情况下，需要灵活切割多种在加工过程中形状容易变化的材料。而且，通过优化CO2 波长使之与标签材料相吻合，使其与传统波长为标准的10.6μm的激光系统相比，可以提高切割速度和质量。这点不仅在实验室中，而且在生产现场均得到了证实。Burton认为，对于AB

Graphics公司而言，“由于已亲自见证了我们客户在标签切割方面所获得的品质改善，我们将主要生产波长为10.2μm的激光切割系统。”

 

尽管本文探讨了波长为10.2μm的激光器相对于10.6μm波长激光器在加工聚丙烯标签方面的优势，但值得一提的是，CO2激光器还可以在激光波长为9.3μm的条件下运行，从而能对其它类型的标签膜材料进行优化加工，如常用于套管式标签的PET材料。当激光器波长与项目特定用膜的吸收特性相契合时，便可以实现加工质量和效率的最大化。