CN115229344A - 一种pet塑料瓶高速激光打印系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于塑料瓶身加工处理技术领域，具体涉及一种PET塑料瓶高速激光打印系统及方法，包括旋转装置和激光器，所述旋转装置用以装夹塑料瓶，并带动塑料瓶旋转；所述激光器为高频紫外激光器，输出高频紫外激光，照射到塑料瓶表面需要黑化的标记点位置，实现对塑料瓶的激光打印。本发明不需要增加色母粒子就能直接使用激光在瓶身上高速高效地打印出精细图案和信息，而且动态打印效率高，打印效果更清晰。
Description
技术领域
本发明属于塑料瓶身加工处理技术领域，具体涉及一种PET塑料瓶高速激光打印系统及方法。
背景技术
饮料行业大量采用PET塑料生产瓶坯，并将瓶坯进一步吹塑制作成透明的饮料瓶身。为宣传产品和增加产品辨识度，企业一般采用瓶身上附上热收缩膜标签或不干胶标签，但是这些标签带来材料的损耗以及回收时需分离的困难。伴随着近年来低碳环保的发展趋势，一些食品饮料企业尝试缩小饮料标签面积，使用更环保的非PVC标签以及面向市场推出无标签瓶装饮料。现有生产无标签瓶装饮料瓶身有如下几种方式，第一种是通过在单层或多层材料的瓶坯上进行表面刻蚀或者产生内部气泡，生成若干较小的图案，这些图案经过吹塑之后放大，形成较大的图案，毛刺和气泡在吹塑过程中变得更为平滑，可以获得相对较好的外观效果。第二种方式则是通过在挤塑生产PET瓶坯时加入特殊的色母粒子，这些粒子对特定波长激光敏感，当被激光照射后，可以改变颜色。第三种是采用最为常见的二氧化碳激光打标机在吹塑好的PET瓶身上打印少量信息，例如产品名称以及生产日期等，而将完整的信息打印在纸盒箱上，饮料通常不单瓶销售。二氧化碳激光通过激光焦点处的高温气化刻蚀瓶身，表面毛刺感强，笔画不精细，不适合大范围打印图案，因而只能获得相对简陋的外观。第四种方式是采用普通紫外激光或准分子激光，将单脉冲功率降低至烧蚀能量以下，并控制光斑位置使得若干个脉冲重复刻蚀同一个位置，通过累加的光热效应和光化学效应，进而产生结晶微结构、聚合物分解和表面碳化，最终实现材料变色。
用于实际生产时，第一种方式通常只能实现粗线条图案，而且瓶坯在吹塑成最终瓶身的过程中的变形影响因素较多，批量生产一致性难以保证，而第二种方式需要添加色母粒子，增加了材料成本，且可能降低PET瓶透明度。第三种方式生产的瓶身缺乏辨识度，只适合整箱销售。而第四种方式一般要求同一个标记点叠加约10个脉冲甚至数十个脉冲，因此对重叠定位精度要求高，目前只在实验室中用于静态加工。因此，饮料企业希望不需要增加色母粒子，直接使用激光在瓶身上高速高效的生成精细图案和信息的无标签化技术。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种PET塑料瓶高速激光打印系统及方法。本发明旨在解决上述第三种方式和第四种方式中存在的问题，即第三种方式采用大功率脉冲对材料表面进行直接烧蚀去除，无法留下黑色标记；而第四种方式中传统紫外激光器效率低，无法快速绘制有连续线条的图案。更具体的，本发明所采用的技术方案是：
本发明提供一种PET塑料瓶高速激光打印系统，包括旋转装置和激光器，所述旋转装置用以装夹塑料瓶，并带动塑料瓶旋转；所述激光器为高频紫外激光器，输出高频紫外激光，照射到塑料瓶表面需要黑化的标记点位置，实现对塑料瓶的激光打印。
进一步地，所述旋转装置设有角度传感器，所述角度传感器用以输出塑料瓶的转角信息。
进一步地，所述旋转装置包括用以装夹塑料瓶的瓶口卡具。
进一步地，所述激光器包括激光光源和二维高速振镜，所述激光光源产生高频紫外激光，高频紫外激光为高频纳秒紫外激光或超快紫外激光，频率不低于100KHz，该高频紫外激光经过二维高速振镜并最好落在塑料瓶表面。
进一步地，所述激光器还包括动态变焦镜组，所述动态变焦镜组位于激光光源和二维高速振镜之间，其用以调节激光光斑焦点与二维高速振镜之间的距离。
所述二维高速振镜的标记线速度不低于3000m/s。
本发明还提供一种PET塑料瓶高速激光打印方法，包括：采用如上所述的打印系统对塑料瓶进行激光打印，其中，所述激光器产生的高频紫外激光的脉冲频率100KHz-500KHz，二维高速振镜的标记线速度3000m/s-12000m/s。
进一步地，还包括：采用分批重复打印同一个图案，在打印完一次后，等待材料表面冷却，再对同一个区域再次叠加一定数量的脉冲。
进一步地，所述激光器的脉冲频次设定为160KHz, 脉宽设定为 40ns，额定功率设定为25W，输出功率设定10%，二维高速振镜的标记线速度设定为 3000mm/s。
本发明的有益效果是： 本发明不需要增加色母粒子就能直接使用激光在瓶身上高速高效地打印出精细图案和信息，而且动态打印效率高，打印效果更清晰。
附图说明
图1为本发明所述的PET塑料瓶身高速激光打印图案系统的原理示意图；
图2为采用分批重复打印同一个图案时叠加错位的示意图；
图3为采用本发明所述方法打印的PET瓶表面图案。
图中：塑料瓶1、旋转装置2、瓶口卡具21、激光器3、激光光源31、高速振镜32、高速振镜33、动态变焦镜组34、激光束4、标记点5、点阵51、点阵52、点阵53。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“一端”、 “另一端”、 “外侧”、 “上”、 “内侧”、 “水平”、 “同轴”、 “中央”、 “端部”、 “长度”、 “外端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如前所述，现有技术采用常见普通紫外激光或准分子激光，通过若干个激光脉冲重复刻蚀同一个位置，通过累加的光热效应和光化学效应产生结晶微结构，造成聚合物分解和表面碳化，最终实现材料变色。采用这种方式比较适合绘制少量点阵图案，无法快速地绘制有连续线条的图案，这是因为传统紫外激光或准分子激光的单个脉冲脉宽相对较长（上百ns～数十us），脉冲重复频率较低（100~30K Hz），而为了让PET瓶身表面产生足够的表面改性，一般要求同一个标记点叠加5-10个脉冲甚至数十个脉冲，为了确保激光脉冲的重复定位精度足够高，就需要瓶身移动速度或转动速度慢、抖动小，在打完一个标记点之后再打下一个标记点，而在实际生产中，PET塑料瓶的移动速度或旋转速度是维持在一个较高的速度值，而且PET塑料瓶也存在一定的抖动，因此传统技术在一个标记点上打上足够的脉冲存在困难，绘制速度慢，也无法连续绘制，无法用于实际生产。
本发明的原理是选取频率高于100KHz的高频紫外激光，实现在每一个绘制点区域叠加一定数量的脉冲，这些脉冲具有良好的位置重叠性，因此可以产生累加的光热效应和光化学效应，获得多次表面改性；同时控制脉冲频次和脉宽等参数，以控制单位区域单位时间内总能量，避免产生烧蚀去除，经过一定时间之后，等待材料表面冷却，再对同一个区域再次叠加一定数量的脉冲。
下面结合附图对本发明做进一步说明。
请参阅图1，一种PET塑料瓶高速激光打印系统，包括旋转装置2和激光器3，旋转装置2用以装夹塑料瓶1，并带动塑料瓶1旋转，其包括角度传感器和瓶口夹具21，角度传感器优选为角度编码器，角度传感器用以输出塑料瓶1的转角信息，瓶口夹具21优选为三爪卡盘。激光器3为高频紫外激光器，其用以对塑料瓶1进行激光打印，激光器3包括依次设置的激光光源31、动态变焦镜组34、二维高速振镜，二维高速振镜的结构为公知技术，包括第一高速振镜32和第二高速振镜33。
其中，塑料瓶1通过瓶口卡具21被临时固定在旋转装置2上，旋转装置2设有角度编码器（图中未示出），可以准确输出转角信息。激光器3内部的激光光源31产生激光束4，该激光束4的特征为高频纳秒紫外激光或超快紫外激光，具有单脉冲能量高，脉冲频次高的特征，激光束4先后通过扩束镜（图中未示出）、动态变焦镜组34，以及高速振镜32和33，以及F-theta场镜等辅助光学器件，最终落在塑料瓶1表面的标记点5的位置。控制系统（图中未示出）通过改变动态变焦镜组34的焦距，以及第一高速振镜32和第一高速振镜33的角度，就可以调整标记点5的三维空间坐标位置。其中，动态变焦镜组34为可选的装置，采用动态变焦镜组34可以高速地调节激光光斑焦点与镜头之间的距离，使得光斑焦点更准确地落在瓶身上，提高绘制质量。
其中，激光器3为高频紫外激光器，可采用高频纳秒紫外激光器或超快紫外激光器，例如，北京莱泽光电公司的高频纳秒紫外激光器Nano-25-355，波长355nm，额定功率25W，脉冲频次最高可达200KHz，以及北京科益虹源公司的超高频超快紫外激光器，波长266nm，额定功率3W，脉冲频次最高可达70MHz。理论上，无论是传统低频紫外激光和高频紫外激光都可以将标记点打黑，只要脉冲能量合理，并且每个标记点上叠加的脉冲数量足够，都能产生相同的光化学效应。但是在实际生产中，只有高频紫外激光能满足生产效率要求。
需要说明的是，本发明所采用的旋转装置2和激光器3的结构均为公知技术，旋转装置2上设置角度传感器也未公知技术。
一种PET塑料瓶高速激光打印方法，包括：采用如上所述的打印系统对塑料瓶1进行激光打印。其中，激光器3对塑料瓶1的瓶身进行激光打印，激光器3中的动态变焦镜组34、二维高速振镜改变激光的照射位置，以绘制出图案，旋转装置2带动塑料瓶1进行旋转，实现大图案、多图案的打印。
具体地，激光器3产生的高频紫外激光的脉冲频率100KHz-500KHz，二维高速振镜的标记线速度3000m/s-12000m/s。打印时采用分批重复打印同一个图案，在打印完一次后，等待材料表面冷却，再对同一个区域再次叠加一定数量的脉冲，目的是控制一个地方持续照射的时间不能太久，以避免烧蚀。
更具体地，激光器3的脉冲频次设定为160KHz, 脉宽设定为 40ns，额定功率设定为25W，输出功率设定10%，二维高速振镜的标记线速度设定为 3000mm/s。
采用上述北京莱泽光电的高频紫外激光器进行实验对比，通过实验确认其他工艺参数的优选范围，例如脉宽 25~40ns，功率10%，振镜速度 3000mm/s，进一步对脉冲频次等进行对比。在瓶身静止状态下绘制点阵图案，使用30KHz脉冲，打黑一个标记点平均需要10个脉冲，采用100KHz高频脉冲，打黑一个点需要8个脉冲，采用160KHz高频脉冲，打黑一个点需要6个脉冲。由此可见，选择优化的高频脉冲频率，相邻脉冲之间的光化学效应和光热效应相互影响，提高了光化学效应中聚合物分解效率和碳化效率。
在生产线上实验绘制连续图案，采用100KHz高频脉冲，打黑一个点需要10个脉冲，而采用160KHz高频脉冲，打黑一个点仍只需要6个脉冲。这是因为，在高速振镜移动过程中，相邻脉冲对应光斑之间的重叠面积与脉冲频率成反比，当激光重复频次较低时，重叠区域过小，视觉检测结果表明采用160KHz高频紫外激光，相邻脉冲光斑的面积重叠比例通常不低于80%，而采用100KHz普通紫外激光，相邻脉冲光斑的面积重叠比例通常低于60%；对于30KHz脉冲，由于重叠比例更低，单次绘制无法获得变黑效果，需要采用重复运行10余次相同的轨迹来加粗加黑，打黑一个标记点平均需要20个脉冲，这是因为瓶身在标刻过程中存在不可避免地轻微抖动，而且高速振镜32和33的定位精度、以及旋转装置2的角度编码器都存在一定的误差，即使重复运行相同的轨迹，一部分脉冲依然无法产生有效叠加，因此需要重复打印更多次积累足够的重叠脉冲才能获得较好的标刻质量。通过计算可知，采用160KHz脉冲频率，相比100KHz，生产效率提高约2.67倍，而相比传统紫外激光的30KHz，生产效率可提高15倍以上，单机单瓶打印时间在1-2秒左右，通过并列安装十台左右的PET塑料瓶高速激光打印系统，已经可以用于无标签瓶装饮料瓶的生产。
实践中，考虑到不同厂商的激光器参数不同和振镜速度不同，为了进一步提高生产效率，需要考虑激光功率、振镜速度、脉宽与脉冲频率等参数之间的相互影响。脉冲频率并非越高越好，当脉冲频率过高时，需要相应的提高振镜速度、减小脉宽或功率，以控制单位区域单位时间内总能量，否则可能产生烧蚀去除。当振镜速度无法提高，而减小脉宽则会削弱打黑效果时，可以合理地规划运动轨迹，经过一定时间之后，等待材料表面冷却，再对同一个区域再次叠加一定数量的脉冲，提高打黑效果。如图2所示为采用分批重复打印同一个图案时产生的叠加错位的打印效果。在标记点5区域，在第一遍绘制过程中，激光光斑先后落在圆圈点阵51的各个点上，每个点上脉冲重复数量通常为2-4个，在第二遍绘制过程中，由于瓶身抖动和运动误差等因素，激光光斑一般不会重复落在圆圈点阵51，而是落在菱形点阵52上，两个点阵重叠部分为点阵53，点阵53上每个单点累计的能量输入较大，甚至略微超过单脉冲激光烧蚀去除所需的能量，但是由于时间跨度长，通常不会产生烧蚀去除，反而可以获得加粗加黑的效果。需要指出的是，点阵51和点阵52各自内部的点之间并不需要刻意分离，可以紧贴或有一定重叠。
如图3所示为采用图1所示的系统，通过高频纳秒紫外激光器对PET塑料瓶进行图案绘制，所获得的成品样品。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种PET塑料瓶高速激光打印系统，其特征在于，包括旋转装置（2）和激光器（3），所述旋转装置（2）用以装夹塑料瓶（1），并带动塑料瓶（1）旋转；所述激光器（3）为高频紫外激光器，输出高频紫外激光，照射到塑料瓶（1）表面需要黑化的标记点位置，实现对塑料瓶（1）的激光打印。
2.根据权利要求1所述的一种PET塑料瓶高速激光打印系统，其特征在于，所述旋转装置（2）设有角度传感器，所述角度传感器用以输出塑料瓶（1）的转角信息。
3.根据权利要求1所述的一种PET塑料瓶高速激光打印系统，其特征在于，所述旋转装置（2）包括用以装夹塑料瓶（1）的瓶口卡具（21）。
4.根据权利要求1所述的一种PET塑料瓶高速激光打印系统，其特征在于，所述激光器（3）包括激光光源（31）和二维高速振镜，所述激光光源（31）产生高频紫外激光，高频紫外激光为高频纳秒紫外激光或超快紫外激光，频率不低于100KHz，该高频紫外激光经过二维高速振镜并落在塑料瓶（1）表面。
5.根据权利要求4所述的一种PET塑料瓶高速激光打印系统，其特征在于，所述激光器（3）还包括动态变焦镜组（34），所述动态变焦镜组（34）位于激光光源（31）和二维高速振镜之间，其用以调节激光光斑焦点与二维高速振镜之间的距离。
6.根据权利要求1所述的一种PET塑料瓶高速激光打印系统，其特征在于，所述二维高速振镜的标记线速度不低于3000m/s。
7.一种PET塑料瓶高速激光打印方法，其特征在于，包括：采用如权利要求1-5中任一所述的打印系统对塑料瓶（1）进行激光打印，其中，所述激光器（3）产生的高频紫外激光的脉冲频率100KHz-500KHz，二维高速振镜的标记线速度3000m/s-12000m/s。
8.根据权利要求7所述的一种PET塑料瓶高速激光打印方法，其特征在于，还包括：采用分批重复打印同一个图案，在打印完一次后，等待材料表面冷却，再对同一个区域再次叠加一定数量的脉冲。
9.根据权利要求7所述的一种PET塑料瓶高速激光打印方法，其特征在于，所述激光器（3）的脉冲频次设定为160KHz, 脉宽设定为 40ns，额定功率设定为25W，输出功率设定10%，二维高速振镜的标记线速度设定为 3000mm/s。
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