小型、密封CO2激光器的出現(xiàn)和更短輸出波長(zhǎng)的發(fā)展正在促進(jìn)薄膜包裝工業(yè)的增長(zhǎng)。 密封CO2激光技術(shù)在不斷發(fā)展，性能在提高，可靠性在增加，體積在減小,激光器總成本在下降。作為堅(jiān)固和可靠工具的密封CO2激光器在工業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛，最新的應(yīng)用之一是軟包裝，即將紙、塑料薄膜和其它網(wǎng)狀材料折疊成預(yù)先設(shè)定的包裝形狀。本文主要介紹CO2激光技術(shù)的最近進(jìn)展是如何促進(jìn)食品激光軟包裝市場(chǎng)快速增長(zhǎng)的。 激光軟包裝技術(shù) 用于加工食品和飲料的軟包裝可以采用多種形式和形狀,包括封套、袋裝,特別是能重新封口的包裝發(fā)展很快。這些包裝大都采用薄膜材料，如聚酯(PE)、鋁箔和聚丙烯(PP)-通常為雙軸導(dǎo)向的聚丙烯(BOPP)。通常，還要將這些材料組合起來(lái)，形成二層或多層的復(fù)合結(jié)構(gòu)。最普通的薄膜合成材料是碾壓在一起的雙層PP和PE，其中PE為阻隔層，與食品直接接觸,有圖形的PP層在外面，是印刷層。整個(gè)膜厚約在100微米量級(jí)，即使是能立起來(lái)的袋狀包裝也是如此。在包裝過(guò)程中，繞在卷筒上的薄膜，由于卷筒快速轉(zhuǎn)動(dòng)而不斷向前運(yùn)動(dòng)，這時(shí)則用激光來(lái)切割、修整薄膜，或在薄膜上刻痕和鉆孔。例如，激光刻痕可使包裝袋容易打開，激光鉆孔可使包裝袋透氣。 同傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法相比，非接觸式激光加工的優(yōu)點(diǎn)是：無(wú)工具磨損問(wèn)題，提高了產(chǎn)品的一致性。此外，靈活性也是非常重要的，因?yàn)楫?dāng)今的產(chǎn)品生產(chǎn)，周期很短。包括工具成本在內(nèi)的機(jī)械加工不適合于短期經(jīng)營(yíng)，不適合于在不同薄膜類型和包裝形式間來(lái)回變化。由于可對(duì)激光參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，激光加工包裝的靈活性可使生產(chǎn)者得到一致的刻痕結(jié)果，即使在薄膜厚度發(fā)生變化時(shí)，也是一樣。 很明顯，在產(chǎn)量大/利潤(rùn)低的業(yè)務(wù)領(lǐng)域，如薄膜包裝,激光的可靠性和總成本都是所有者考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。激光器的體積小也是非常重要的，因?yàn)檫@樣就可以把它們裝配到包裝設(shè)備中。在激光輸出功率方面，這些應(yīng)用通常只需要30到100瓦的功率,因?yàn)樗庸さ亩鄬咏Y(jié)構(gòu)材料通常都是很薄的。 圖1：這個(gè)小型、密封激光器能輸出30瓦功率，重量?jī)H為6公斤。這些特點(diǎn)使今天的小型CO2激光器成為折疊軟包裝市場(chǎng)的理想工具。相干（Coherent）公司生產(chǎn)的低功率密封鉆石CO2激光器，具有高可靠性，每瓦的成本低,且體積小的特點(diǎn)，其尺寸就像一個(gè)普通鞋盒那樣大(見(jiàn)圖1)。這些折疊式波導(dǎo)激光器是加工塑料(聚丙烯和聚酯)薄膜的理想工具，加工速度大于300米/分鐘(1000英尺/分鐘)。除了能為中等功率應(yīng)用項(xiàng)目提供廉價(jià)的解決方案之外，新型激光器的小尺寸，還使在較寬卷筒(如1.5 公尺/60英寸寬的主卷筒)上安排多個(gè)激光器成為可能，從而，為軟包裝提供了前所未有的加工靈活性。而且，這些激光器無(wú)需維護(hù)，壽命在10,000到20,000小時(shí)之間，完全可以滿足典型的高產(chǎn)量包裝設(shè)備的需要。 更快的速度 小型CO2激光器在其它輸出波長(zhǎng)方面的進(jìn)步，是對(duì)食品軟包裝市場(chǎng)產(chǎn)生重大影響的另一個(gè)重要因素。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，因?yàn)樵谲洶b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)大大增加給定激光功率下的加工速度。 大多數(shù)CO2激光器的輸出波長(zhǎng)集中在10.6微米，但是，如果在折疊腔結(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10.2微米波長(zhǎng)。Coherent應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室最近研究了商用10.2微米激光器對(duì)熱塑性塑料的影響，結(jié)果發(fā)表在文獻(xiàn)1中。對(duì)于未伸展的聚丙烯薄膜，采用10.6和10.2微米激光加工，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(30-50微米厚),差別就非常明顯(見(jiàn)圖2)。 圖2：用10.2和10.6微米波長(zhǎng)的激光切割PP時(shí)，兩者切割速度之比較。此外，采用不同的二氧化碳同位素，可以將激光輸出波長(zhǎng)移得更遠(yuǎn)，這將對(duì)其它方面的應(yīng)用產(chǎn)生重要影響。例如, Coherent公司已經(jīng)發(fā)現(xiàn)：在對(duì)電子和其它行業(yè)中普遍使用的Kapton(聚酰亞胺)膜進(jìn)行加工時(shí)，9.4微米波長(zhǎng)的激光能產(chǎn)生最佳結(jié)果。 多個(gè)激光器組合 Alcan Packaging(芝加哥，IL)公司是軟包裝設(shè)備的主要供應(yīng)商,它的產(chǎn)品主要用于肉類、奶制品、果汁，及健康和美容產(chǎn)品的包裝市場(chǎng)(見(jiàn)圖3)。早在1985年,該公司就開始了激光刻痕薄膜。現(xiàn)在，它又將密封的CO2激光器用于熱塑性塑料和金屬箔的軟包裝。Alcan Packaging的高級(jí)工程師Finian Flood解釋說(shuō)：“小型、堅(jiān)固的CO2激光器出現(xiàn)，使我們能將它用于縱切、打孔和刻痕，以代替模板和其它的機(jī)械工具。我們常常在巨大的卷筒(直到400毫米/15.75英寸寬)中制作較小的包裝袋。今天的密封激光器很小，有利于將它們用于更寬的卷筒。在這種情況下，我們采用多個(gè)激光器, 采用固定的光學(xué)系統(tǒng),沿卷筒縱切和刻痕。另外還有一條線，使用光學(xué)系統(tǒng)讓光束在卷筒上橫向掃描，以產(chǎn)生復(fù)雜的形狀”。 圖3：小型CO2激光器的出現(xiàn)允許軟包裝設(shè)備在卷筒的方向上安裝多個(gè)激光器。現(xiàn)在，已經(jīng)能買到好幾種500瓦以上的密封CO2激光器了,為什么不使用它們，而采用多個(gè)低功率激光器? 大量實(shí)踐表明：采用多個(gè)激光器，靈活性最大，因?yàn)槟軐?duì)每個(gè)光束進(jìn)行實(shí)時(shí)和獨(dú)立的控制。例如，他以激光刻痕為例。“在易開食品包裝領(lǐng)域，采用激光刻痕日益普遍。用機(jī)械方法刻痕時(shí)，如出現(xiàn)薄膜厚度微小變化這樣一些小問(wèn)題，也會(huì)對(duì)加工結(jié)果產(chǎn)生重要影響，而我們的激光加工技術(shù)能很容易地適應(yīng)這些變化”。 激光數(shù)字軟包裝 LasX Industries公司自1998年開張以來(lái)，就成了激光軟包裝領(lǐng)域的佼佼者。該公司提供LaserSharp軟包裝解決方案和承包加工。公司創(chuàng)辦人和董事長(zhǎng)Bill Dinauer解釋說(shuō)：“對(duì)我們來(lái)說(shuō)，似乎很清楚，美國(guó)的軟包裝不可能無(wú)限期地與機(jī)械加工并駕齊驅(qū)。 現(xiàn)在，產(chǎn)品周期是如此之短，現(xiàn)在還無(wú)法證明采用軟包裝技術(shù)是絕對(duì)正當(dāng)?shù)摹４送猓芊釩O2激光器的出現(xiàn)已經(jīng)使‘?dāng)?shù)字軟包裝’，即計(jì)算機(jī)控制的激光軟包裝成為可能。 LasX公司售出的大多數(shù)軟包裝設(shè)備是現(xiàn)有切卷機(jī)—復(fù)卷機(jī)的式樣翻新。這種劃算的戰(zhàn)略是將切卷機(jī)—復(fù)卷機(jī)的現(xiàn)有功能與激光數(shù)字軟包裝技術(shù),如激光刻痕、打孔等結(jié)合在一起。因此，在不增加勞力和時(shí)間的情況下，增加了新的功能。現(xiàn)在，有兩種新結(jié)構(gòu)：一種是采用多個(gè)激光器，用固定的光束對(duì)卷筒上的薄膜材料進(jìn)行加工，這種形式與Alcan包裝設(shè)備類似；另一個(gè)形式是動(dòng)態(tài)的(以掃描為基礎(chǔ))，讓光束橫穿卷筒掃描。這里，激光光束可對(duì)卷筒上的薄膜材料進(jìn)行橫向和縱向掃描，以產(chǎn)生任何所需要的圖樣。根據(jù)卷筒寬度、圖樣復(fù)雜性和重復(fù)圖樣的間隔情況，激光組件的數(shù)量可以不同。典型的掃描器式機(jī)器含有2個(gè)和4個(gè)激光組件。LasX公司已將它的設(shè)備融入到用于窄卷筒(如標(biāo)簽)數(shù)字包裝打印機(jī)中了。 結(jié)論：對(duì)像軟包裝這樣產(chǎn)量大、利潤(rùn)小的加工來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有的小型密封CO2激光器具有成本低、可靠性高和體積小等綜合優(yōu)勢(shì)。可以將激光軟包裝設(shè)備加入生產(chǎn)線，以得到成本最低和投入勞力最少的目的。由于用于包裝的薄膜和有機(jī)聚合物很多,對(duì)系統(tǒng)供應(yīng)商和類似包裝設(shè)備制造商來(lái)說(shuō)，如果能使這些激光器運(yùn)轉(zhuǎn)在最佳波長(zhǎng)，將使它們更具有吸引力。 David Clark (david.clark@coherent.com) 來(lái)自Coherent公司, (www.coherent.com).