關(guān)于激光切割塑料技術(shù)應(yīng)用的探討

1、<p>　　關(guān)于激光切割塑料技術(shù)應(yīng)用的探討</p><p>　　摘要: 塑料薄膜的激光切割和打孔看似微不足道, 但將該工藝引入到制袋工藝中,制袋質(zhì)量和包裝功能將能進(jìn)一步優(yōu)化, 企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力將進(jìn)一步提升。介紹了激光技術(shù)應(yīng)用于塑料薄膜的切割和打孔的原理和優(yōu)勢(shì), 回顧了激光技術(shù)在薄膜加工中的研究進(jìn)展, 并展望了激光技術(shù)在軟包裝應(yīng)用中的廣闊前景。 </p><p>　　關(guān)鍵詞: 激光

2、加工; 塑料薄膜; 激光切割; 激光打孔; 軟包裝 </p><p>　　Abstract: Laser cutting and perforation of polymer film seems to be not worth mentioning, but the technology is introduced to the making process, making quality and packag

3、ing function can be optimized further, the market competitiveness of enterprises will further enhance. Introduced the principle and advantage of drilling cutting application of laser technology in plastic film and, revie

4、ws the development of laser technology in film processing, and prospects of laser technology in soft packagin</p><p>　　Key words: laser processing; plastic film; laser cutting; laser drilling; soft package &

5、lt;/p><p>　　中圖分類(lèi)號(hào)：TG485文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)： </p><p>　　1、塑料薄膜材料激光切割的原理 </p><p>　　聚焦后的高強(qiáng)度激光束照射在被切割塑料薄膜的表面,光能轉(zhuǎn)換為熱能。在數(shù)微秒的時(shí)間內(nèi),光斑區(qū)的溫度迅速升高到塑料材料的熔點(diǎn)甚至沸點(diǎn),這樣激光照射的塑料材料被熔化和汽化, 一個(gè)小孔被刺穿。當(dāng)激光束在振鏡的作用沿著設(shè)定路徑移動(dòng)或塑料

6、薄膜相對(duì)于激光束移動(dòng)時(shí),光子與塑料材料不斷相互作用, 隨著汽化物逸出并經(jīng)排煙系統(tǒng)抽出,便在塑料上形成切縫, 見(jiàn)圖1。在塑料軟包裝的應(yīng)用中, 通過(guò)調(diào)整激光輸出功率, 達(dá)到不同的切割深度, 塑料薄膜切割通常分為層切和切穿2種。 </p><p>　　圖1 塑料薄膜激光切割系統(tǒng)簡(jiǎn)圖 </p><p>　　1. 1塑料薄膜的層切 </p><p>　　幾乎所有的軟包裝薄膜都

7、是多層薄膜疊合而成的結(jié)構(gòu),每層薄膜厚度大約在10多個(gè)微米, 每1層具有不同的功能, 如PET剛度大,保香性好; PE熱封性好, 抗撕裂能力強(qiáng); PP的水蒸汽阻隔性能好;鋁箔通常用于阻光密封; 紙通常能給薄膜以良好的挺度。激光的層切是指有選擇性地切割某一薄膜層,而不影響到其他薄膜層的功能。比如微量切割某個(gè)高強(qiáng)度薄膜層,可以形成易開(kāi)啟結(jié)構(gòu), 但由于切痕很小, 不影響包裝外觀。 </p><p>　　塑料薄膜機(jī)械劃痕或

8、機(jī)械沖孔的方法雖然速度快而且也相當(dāng)簡(jiǎn)單, 但這2種方法都不能區(qū)分不同的薄膜層。機(jī)械劃痕或機(jī)械沖孔的結(jié)果是: ( 1)如果劃痕深度太少了,就連薄膜的機(jī)械支撐層都沒(méi)有完全被劃開(kāi); ( 2)如果劃痕深度太大了, 阻光層和阻隔水汽層都被破壞了。因此,人們一度在研究一種可靠的方法, 可以有選擇地切割在不同的薄膜層上。激光技術(shù)提供了一種新的解決方案,因?yàn)椴煌乃芰媳∧佑胁煌墓鈱W(xué)性質(zhì)。 </p><p>　　塑料薄膜層、金

9、屬薄膜層和紙質(zhì)層在CO2 激光器發(fā)生的波長(zhǎng)范圍(9. 4~ 11um)表現(xiàn)不同的吸收性能和反射性能。包裝工業(yè)中的大多數(shù)塑料材料, 如PET、PS、PC、PVC或OPA, 在典型的10. 6um波長(zhǎng)上,能非常有效地吸收激光束。吸收激光束以后, 塑料薄膜的局部被加熱并完全熔化。而少數(shù)塑料薄膜如OPP、PE甚至是LLPE對(duì)10. 6um的激光波長(zhǎng)完全透過(guò)。鋁箔層在低功率的CO2激光器所發(fā)射的所有波長(zhǎng)都不吸收, 完全反射了。按照希望的層切結(jié)構(gòu)進(jìn)

10、行切割復(fù)合包裝材料,只要使用正確的激光波長(zhǎng), 從正確的薄膜面進(jìn)行層切即可。下面舉例說(shuō)明激光層切復(fù)合薄膜的基本原理,見(jiàn)圖2。 </p><p>　　圖2激光層切復(fù)合薄膜的基本原理 </p><p>　　1) PET Al PE:這是食品包裝典型的復(fù)合材料, 如咖啡包裝袋。材料對(duì)CO2激光器( 10. 6um)的選擇性吸收可以使起機(jī)械支撐作用的PET層在非常細(xì)小的局部完全汽化, 而不會(huì)影響到其

11、他層, 鋁箔層的反射效應(yīng)有助于更有效地使用激光。 </p><p>　　2) OPP PE:這是洗衣粉包裝常用的復(fù)合包裝材料, 由于PP對(duì)激光束的吸收能力比PE強(qiáng),因此在層切時(shí)就可以有選擇地層切PP層而不會(huì)影響到其他層, 在這種情況下, 激光束可以從薄膜的任何一面射入, 也就是說(shuō),也允許激光束首先穿透PE層,然后再熔穿PP層。 </p><p>　　根據(jù)具體應(yīng)用的要求,激光層切可以采用固定

12、激光頭或移動(dòng)掃描激光頭2種方式。大多在卷筒復(fù)合材料上進(jìn)行加工,沿著卷筒復(fù)合材料前進(jìn)方向進(jìn)行激光層切,激光器可以固定安裝在卷筒幅面的正上方。由于生產(chǎn)需要,大多數(shù)包裝袋需要沿卷筒復(fù)合材料前進(jìn)的垂直方向進(jìn)行層切。這樣就需要安裝移動(dòng)掃描頭的激光器來(lái)補(bǔ)償卷筒材料前進(jìn)速度,利用飛行光路技術(shù)甚至能在高速的條件下刻劃出任何結(jié)構(gòu)形狀,也可以在包裝袋的邊緣刻劃出半圓或多邊形的開(kāi)口結(jié)構(gòu)。 </p><p>　　根據(jù)采用的材料和技術(shù),

13、層切速度一般在10~ 15( m·s- 1), 這樣卷筒復(fù)合材料的運(yùn)行速度就在100~ 250(m·min- 1)。固定激光頭時(shí),最小層切切口寬度大約100um; 安裝掃描光學(xué)系統(tǒng)時(shí), 最小層切切口寬度大約200um。這樣的寬度, 對(duì)人的肉眼來(lái)說(shuō)幾乎看不見(jiàn), 因此可以層切許多材料。層切采用的激光功率較小,一般在30~ 100W。 </p><p>　　作為易開(kāi)啟技術(shù)的激光層切,應(yīng)用范圍包括各種

14、各樣的食品包裝袋和日用品包裝袋、甚至化妝品包裝袋和醫(yī)藥產(chǎn)品包裝袋等。在這些應(yīng)用中, 激光技術(shù)與傳統(tǒng)的使用輪轉(zhuǎn)刀具等機(jī)械方法相比, 激光技術(shù)有以下優(yōu)勢(shì): </p><p>　　1) 激光對(duì)不同薄膜材料的特殊選擇性, 使得在層切某一薄膜層的同時(shí)不會(huì)影響到其他層。 </p><p>　　2) 不同于機(jī)械加工方法, 激光在加工時(shí),沒(méi)有接觸和磨損發(fā)生, 這保證了在高速加工過(guò)程中工藝的可靠性。 <

15、;/p><p>　　3) 機(jī)械加工軟包裝袋的易撕口, 有2個(gè)不足:首先要經(jīng)常維修更換膜具、刀具;其次不能控制客戶(hù)撕開(kāi)后撕裂線(xiàn)的走向,往往不能沿產(chǎn)品設(shè)計(jì)的撕裂線(xiàn)撕開(kāi),許多人都易出現(xiàn)撕開(kāi)軟包裝時(shí)將袋整個(gè)撕壞,包裝物泄漏的不愉快經(jīng)歷。激光技術(shù)層切易撕拉線(xiàn), ,既不破壞包裝功能,又使撕裂時(shí)可以規(guī)則地沿易撕線(xiàn)撕開(kāi), 為軟包裝袋易撕拉口的加工提供了新的方法, 使得包裝設(shè)計(jì)具有更大的靈活性。由于激光聚焦性好,機(jī)械強(qiáng)度降低得少, 刻

16、痕基本不可見(jiàn)?？毯劭梢允鞘纸徊婢€(xiàn)或一些靈活的曲線(xiàn), 還允許在短距離內(nèi)刻上多條線(xiàn),這就開(kāi)創(chuàng)了易開(kāi)啟技術(shù)的新形式。 </p><p>　　1. 2塑料薄膜的切穿 </p><p>　　與層切不同的是,切穿是將復(fù)合薄膜的各層都切割開(kāi), 因此需要的激光功率更大些。根據(jù)材料的不同,一般選擇100~2000W的激光器。 </p><p>　　2、 塑料薄膜材料激光打孔的原理

17、</p><p>　　新鮮蔬果等的貨架壽命對(duì)其經(jīng)濟(jì)價(jià)值有很大的影響,它決定了盈利還是虧損。蔬果的新鮮程度由通氣情況和水分的保持決定的。激光打孔技術(shù)能在包裝薄膜上有選擇性地形成微孔, 一定數(shù)量的微孔保證了空氣的循環(huán)和水份的保持。塑料薄膜材料激光打孔的原理見(jiàn)圖3, 一般采用高脈沖強(qiáng)度的10. 6umCO2 激光器,與激光層切不同, 激光強(qiáng)度非常高,因而復(fù)合材料的各層都可以局部受熱熔穿,形成微孔。根據(jù)要開(kāi)孔的材料特性來(lái)

18、選用激光功率, 一般在100~ 2000W。圖3是采用多邊形反射鏡產(chǎn)生開(kāi)孔(也可以采用同步脈沖的固定光學(xué)系統(tǒng)),它只能產(chǎn)生呈直線(xiàn)排列的開(kāi)孔, 每厘米可以開(kāi)50個(gè)以上的孔。如果采用不同的光學(xué)系統(tǒng), 如掃描振鏡系統(tǒng), 可以靈活選擇孔與孔之間的距離,以及決定產(chǎn)生直線(xiàn)排列的孔還是曲線(xiàn)排列的孔。 </p><p>　　沒(méi)有鋁箔層的復(fù)合薄膜, 典型的開(kāi)孔大小是60~ 400 m, 有鋁箔層的復(fù)合薄膜需要更大的激光功率,熱量輸

19、入也相應(yīng)更高。 </p><p>　　對(duì)于塑料薄膜的打孔,激光技術(shù)比起針孔技術(shù)和火焰打孔技術(shù)有以下競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì): ( 1)激光技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是能產(chǎn)生更小的孔, 由于具有微小熔化邊緣(見(jiàn)圖4), 甚至還能防裂開(kāi)。而輪轉(zhuǎn)模切針孔技術(shù)不可能打出用來(lái)保證呼吸的微孔,旋轉(zhuǎn)就無(wú)法裁切出非常干凈的小孔,最終產(chǎn)生的小孔還可能會(huì)被余留材料堵住。( 2)激光在非接觸的情況下工作, 無(wú)磨損, 而針孔技術(shù)中使用的針可能變鈍甚至斷針。( 3)

20、由于特殊的多邊形鏡面技術(shù)和極短的激光脈沖, 可以在其為高速的卷材運(yùn)轉(zhuǎn)速度(如300m·min- 1)下打孔。 </p><p>　　圖4為激光打孔的塑料薄膜放大圖, 是熔化了的空洞邊緣, 可以看出它避免了產(chǎn)生微裂紋。 </p><p>　　3、激光加工塑料薄膜的研究進(jìn)展 </p><p>　　傳統(tǒng)的CO2激光器的輸出波長(zhǎng)集中在10. 6um, 新型的CO2

21、激光器可以靈活選擇實(shí)際發(fā)射的激光波長(zhǎng),有2種方法獲得不同波長(zhǎng): ( 1)在激光器折疊腔結(jié)構(gòu)中插入波長(zhǎng)選擇光學(xué)元件, 就會(huì)產(chǎn)生其它波長(zhǎng),如10. 2um波長(zhǎng); ( 2)采用CO2 分子的同位素作為介質(zhì), 產(chǎn)生9. 4um波長(zhǎng)。為什么要采用不同于10. 6um的激光器,主要原因是: 大多數(shù)高分子薄膜的紅外吸收譜含有若干個(gè)尖峰。因此,激光波長(zhǎng)的微小變化就可能對(duì)吸收系數(shù)產(chǎn)生巨大影響。在軟包裝中所使用的薄膜都是非常薄的,通常只能吸收很小部分的激光

22、功率, 因此通過(guò)調(diào)整波長(zhǎng)來(lái)增加薄膜的吸收系數(shù), 會(huì)大大提高在給定激光功率下的加工速度。 </p><p>　　研究表明[ 4], 對(duì)于未拉伸的聚丙烯薄膜, 采用10. 6um和10. 2um激光加工, 在加工速度方面只有小小的差別。但對(duì)普遍使用的BOPP薄膜( 30~50um厚), 差別就非常明顯。 </p><p><b>　　4、結(jié)語(yǔ) </b></p>

23、<p>　　由于我國(guó)包裝生產(chǎn)與國(guó)外尚存在較大差距,包裝生產(chǎn)設(shè)備及工藝還較落后,給激光加工這一高新技術(shù)應(yīng)用推廣帶來(lái)很大困難, 但并不能說(shuō)激光加工技術(shù)在我國(guó)包裝工業(yè)中沒(méi)有市場(chǎng)。不久前,激光切割和打孔目前已經(jīng)應(yīng)用得很廣泛了,幾乎所有的工業(yè)行業(yè)都從中獲益, 從材料的角度, 幾乎所有的工程材料都要經(jīng)過(guò)切割,盡管復(fù)合塑料薄膜的激光切割和打孔相對(duì)來(lái)說(shuō)微不足道,但如果把激光切割和打孔工藝引入到制袋工藝中后,競(jìng)爭(zhēng)力將會(huì)更大。對(duì)像軟包裝這樣的

24、產(chǎn)量大、利潤(rùn)小的加工來(lái)說(shuō),隨著激光技術(shù)的進(jìn)步, 可以將激光軟包裝設(shè)備加入生產(chǎn)線(xiàn), 以得到成本最低和投入勞力最少的目的,最終提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn): </b></p><p>　　[ 1] 劉東華, 馮樹(shù)強(qiáng). 現(xiàn)代激光技術(shù)在包裝行業(yè)中的應(yīng)用[ J]. 株洲工學(xué)院學(xué)報(bào), 2001, 5( 1): 21-23 </p><