УФ-лазерная маркировка: холодная маркировка для пластика, стекла и печатных плат

Немецкий упаковщик прислал нам в прошлом году чёрные поликарбонатные разъёмы. Их 20-ваттный волоконный маркер выжигал каждый серийный номер в кратер, а пластик вокруг текста желтел и покрывался сетью трещин в течение недели.

Поликарбонат почти не поглощает излучение на длине волны 1064 нм, поэтому луч отдавал тепло в объём материала. Причина была в длине волны, а не в мощности.

На длине волны 355 нм тот же разъём остаётся холодным после обработки, а белый код выдерживает протирание спиртом. Именно это и означает
УФ-лазерная маркировка
и стоит в два-три раза дороже эквивалентного волоконного маркера.

Почему 355 нм режет, а не варит

Фотон волоконного лазера с длиной волны 1064 нм несёт энергию 1,17 эВ. Фотон с длиной волны 355 нм несёт 3,49 эВ — почти в три раза больше — в импульсе длительностью несколько наносекунд.

Планку задаёт химия полимеров. Для разрыва связи углерод-углеродного скелета требуется около 3,6 эВ, связи C-Cl — 3,4 эВ, связи C-N — около 3,0 эВ, и фотон с длиной волны 355 нм попадает прямо в этот порог. Там, где в фокусе перекрываются два фотона, энергия превышает порог, поэтому полимер распадается на летучие фрагменты, а не плавится. В отрасли это называют холодной лазерной маркировкой.

Волоконный лазер идёт другим путём. Пластики и прозрачное стекло почти прозрачны на длине волны 1064 нм, поэтому энергия распространяется в виде тепла, а удаление материала становится термической абляцией: повторно затвердевший поверхностный слой и зона термического влияния глубиной в сотни микрон. На стенке толщиной 2 мм это приводит к деформации детали.

Фокусировка — второй плюс. Размер пятна масштабируется с длиной волны, поэтому через один и тот же объектив с фокусным расстоянием 110 мм УФ-луч фокусируется почти в три раза меньше по диаметру, чем инфракрасный, — 10–20 мкм.

Что хорошо маркирует УФ-лазер, и сюрприз с полиолефинами

ABS, PC, PS, PET и жёсткий ПВХ сами по себе дают высокий контраст: белый на тёмных марках и тёмный на натуральных, за счёт контролируемого разложения поверхности, а не пигмента. УФ-лазерный гравёр для стекла оставляет матовую, тактильную метку без микротрещин, которые возникают при скрайбировании. Анодированный алюминий, порошковое покрытие, окрашенная сталь и паяльная маска на печатных платах снимаются на контролируемую глубину при очень низкой мощности, хотя фотопроявляемая паяльная маска чувствительна к УФ и требует проверочной панели. Трубки из ПЭ и ПВХ, ПЭТ-блистерная плёнка и фольга с покрытием маркируются чисто — именно здесь реализуется большинство проектов лазерной маркировки упаковки медицинских изделий.

А есть группа, которая застаёт врасплох. Обычные HDPE и PP не дают ничего полезного ни на 355 нм, ни на 1064 нм, потому что смола не поглощает излучение на этих длинах волн и не имеет хромофора для реакции. На чёрной крышке из HDPE вы получите лишь слабую глянцевую потёртость.

Лазерная маркировка HDPE становится реальной только тогда, когда смола содержит лазерочувствительную добавку: мастербатч, вводимый в количестве от 0,5 до 2 процентов по массе и компаундируемый в гранулу до формования. Обычно используется химия на основе слоистых двойных гидроксидов и металлических солей.

Так что это решение на этапе проектирования, а не закупки. Если 500 000 крышек уже лежат на складе, то
УФ-лазерный маркиратор
для пластика их не спасёт. Распечатайте этикетку или посмотрите
станки, которые мы создаём для пластиковых деталей
.

Мощность и размер поля: что реально даёт каждый ватт

УФ-источники в этом классе бывают на 3, 5, 10 и 15 Вт. Мощность определяет, сколько материала вы обрабатываете в секунду, а не то, насколько тонкой будет маркировка; за это отвечает объектив.

Размер поля — вот где покупатели разочаровываются. Линза F=110 мм даёт примерно 70x70 мм, F=160 мм — 110x110 мм, а F=254 мм достигает 175x175 мм, при этом пятно растёт с 15 мкм до 40 мкм по мере падения плотности мощности.

Компромисс неизбежен. Код 2 мм требует короткой линзы, бутылка 150 мм — длинной, а всё, что между ними, требует двух позиционированных проходов и видимого шва.

Скорость, время цикла и куда на самом деле уходит производительность

Скорость гальванометра — от 700 до 2 000 мм/с, и она почти никогда не определяет вашу производительность.

Её определяет средняя мощность. При 5 Вт у вас каждую секунду фиксированный бюджет энергии, и его расходует шаг штриховки: шаг 0,03 мм по заполненному блоку 10x10 мм означает около 330 проходов, а 0,01 мм утраивает время. Data Matrix 2x2 мм наносится за 0,2–0,4 секунды, логотип 20x20 мм — за 4–8 секунд, а матовая бутылка 40 мм — за 6–12 секунд при 10 Вт.

Сверху добавляется обработка. На ручном столе 6-секундная маркировка превращается в 20-секундный цикл, как только вы открываете дверцу, устанавливаете деталь и закрываете её. С раздвоенной головкой над конвейером время лазера и есть время цикла, и та же головка обрабатывает 8 000–15 000 мелких деталей в час.

Контроль контраста и удаление дыма

На чёрном PC или чёрном ABS белая маркировка — это пена. Луч разлагает тонкий поверхностный слой, и выходящий газ оставляет микропустоты, которые рассеивают свет обратно. Держите энергию импульса низкой, повышайте частоту до 60 или 100 кГц и выполняйте три прохода при 40 процентах мощности вместо одного при 90 процентах. Горячий одиночный проход оставляет приподнятый валик и отслаивание в течение нескольких месяцев.

Светлые и натуральные цветные пластики при маркировке обугливаются и темнеют. Плотность штриховки 0,01–0,02 мм даёт сплошное поле, а смещение фокуса 0,1–0,3 мм расширяет пятно и сглаживает тон.

Про долговечность скажем честно: вспененная белая метка не так износостойка, как волоконная метка, вплавленная в нержавеющую сталь. Протрите её спиртом и проверьте скотчем, прежде чем обещать десятилетний срок службы маркировки.

Вытяжка не опция. ПВХ содержит около 57 % хлора по массе и при абляции выделяет хлористый водород, а HCl плюс влага — это соляная кислота. Она разрушает покрытия линз и зеркала гальванометров. Мы видели, как головка мощностью 10 Вт теряла выходное окно меньше чем за год на невытягиваемом ПВХ, поэтому для ПВХ нужна ступень щелочной очистки и отдельный воздуховод.

ABS выделяет стирол и акрилонитрил, ПК — следы фенола, и для обоих нужны HEPA H13 плюс угольный фильтр. Рассчитывайте на 200–400 м3/ч у сопла, а не на вытяжку 60 м3/ч, встроенную в дешёвый корпус.

Ресурс источника и конфигурация станка

Источник с длиной волны 355 нм служит меньше, чем волоконный модуль. Ожидайте 15 000–20 000 часов на номинальной мощности против примерно 100 000 часов у волоконного.

Мощность падает раньше, чем источник откажет. Примерно к 12 000 часам вы начинаете поднимать мощность, чтобы удержать контраст, поэтому фиксируйте настройки при вводе в эксплуатацию и перепроверяйте каждые 2 000 часов.

Замена — вот затраты, которые застают врасплох. Модуль 5 Вт стоит 2 500–4 000 долларов США, модуль 10 Вт — 4 000–7 000 долларов США, плюс установка: 20–30 центов в час за номинальный срок службы — мелочь на линии в две смены и трудно оправдано при сорока деталях в день.

Конфигурация тоже важна. Настольный аппарат объединяет лазер, гальванометр и блок управления в одном корпусе за ручной дверцей — это подходит для серийной обработки мелких деталей. Разделённая головка подключается кабелем 2–3 м, поэтому её можно закрепить внутри защитного кожуха, установить над конвейером или подвесить на руку робота; покупатели, интегрирующие оборудование в линию, обычно выбирают
разделённую УФ-маркировочную головку
.

常见问题

УФ-лазерный источник: сколько он служит?
Ожидаемый ресурс — от 15 000 до 20 000 часов при номинальной мощности. Примерно после 12 000 часов выходная мощность постепенно снижается, поэтому вы немного увеличиваете мощность, чтобы сохранить контраст.

Может ли УФ-лазер маркировать HDPE без добавок?
Нет, и это самое частое заблуждение, с которым мы сталкиваемся. Чистый HDPE и PP не поглощают излучение на длине волны 355 нм, поэтому вместо читаемой маркировки получается слабый глянцевый след. Решение — мастербатч в количестве от 0,5 до 2 процентов по весу.

Какая мощность нужна для пластиков?
5 Вт покрывает большинство задач маркировки пластика и металла с покрытием, включая медицинские трубки и небольшие 2D-коды. Переходите на 10 Вт для более высокой производительности или работы с более толстым стеклом. 3 Вт не хватает мощности на залитых областях, а 15 Вт влечёт более крупные затраты на модуль.

Повреждает ли УФ-маркировка поверхность?
Меньше, чем инфракрасная маркировка, но не нулевое. Зона термического влияния обычно составляет от 10 до 50 мкм, и деталь покидает оснастку при температуре окружающей среды — именно поэтому процесс подходит для тонких стенок. Всё равно проверяйте: протирка спиртом, тест скотчем, спецификация на истирание.

Может ли УФ-лазер маркировать металл?
На металле с покрытием и анодированном — да, и чрезвычайно хорошо. Голый металл — это другой разговор: УФ создаёт неглубокую маркировку глубиной в несколько микрон с умеренным контрастом. Для глубокой гравировки, крупных деталей или высокообъёмной маркировки металла правильный инструмент — волоконный или MOPA-источник.

Где УФ проигрывает и что он заменяет

Если вам нужна глубина гравировки 0,3 мм в стали толщиной 3 мм, УФ — не решение. УФ-головка снимает микроны за проход на металле, тогда как волоконный источник снимает десятые доли миллиметра. Работа с цветом металла на нержавеющей стали — задача для
лазерного маркиратора MOPA
, который выращивает плёнку оксида хрома, настраиваемую управлением длительностью импульса.

Размер — другая граница: поле 175x175 мм является пределом для гальво-головки, поэтому панель 400 мм — это задача для волоконного лазера.

Преимущество УФ-печати проявляется там, где другие процессы не справляются. По сравнению с тремя технологиями, которые она обычно заменяет, экономика выглядит так.

Сначала посчитайте. УФ-система за 11 000 долларов США против горячего тиснения по 0,03 доллара США за деталь окупается примерно на 370 000 деталей; при объёме менее 50 000 деталей в год большинству цехов, которым мы делаем расчёт, выгоднее печатать.

Для устройства класса II регуляторный аргумент решает вопрос ещё до расчётов. Маркировка должна выдерживать транспортировку, стерилизацию и обращение конечного пользователя, при этом наноситься без чернил, способных мигрировать в стерильный барьер.

Пришлите нам материал, размер маркировки и объём за смену, и мы скажем, подходит ли УФ. Если ответ — оптоволоконная головка, мы так и скажем.