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激光促进薄膜包装工业的增长

小型、密封CO2激光器的出现和更短输出波长的发展正在促进薄膜包装工业的增长。

密封CO2激光技术在不断发展，性能在提高，可靠性在增加，体积在减小,激光器总成本在下降。作为坚固和可靠工具的密封CO2激光器在工业中的应用非常广泛，最新的应用之一是软包改变类引申计的检定处于无标准可依的状态装，即将纸、塑料薄膜和其它状材料折叠成预先设定的包装形状。本文主要介绍CO2激光技术的最近进展是如何促进食品激光软包装市场快速增长的。

激光软包装技术

用于加工食品和饮料的软包装可以采用多种形式和形状,包括封套、袋装,特别是能重新封口的包装发展很快。这些包装大都采用薄膜材料，如聚酯(PE)、铝箔和聚丙烯(PP)-通常为双轴导向的聚丙烯(BOPP)。通常，还要将这些材料组合起来，形成二层或多层的复合结构。最普通的薄膜合成材料是碾压在一起的双层PP和PE，其中PE为阻隔层，与食品直接接触,有图形的PP层在外面，是印刷层。整个膜厚约在100微米量级，即使是能立起来的袋状包装也是如此。在包装过程中，绕在卷筒上的薄膜，由于卷筒快速转动而不断向前运动，这时则用激光来切割、修整薄膜，或在薄膜上刻痕和钻孔。例如，激光刻痕可使包装袋容易打开，激光钻孔可使包装袋透气。

同传统的机械加工方法相比，非接触式激光加工的优点是：无工具磨损问题，提高了产品的一致性。此外，灵活性也是非常重要的，因为当今的产品生产，周期很短。包括工具成本在内的机械加工不适合于短期经营，不适合于在不同薄膜类型和包装形式间来回变化。由于可对激光参数进行实时控制，激光加工包装的灵活性可使生产者得到一致的刻痕结果，即使在薄膜厚度发生变化时，也是一样。

很明显，在产量大/利润低的业务领域，如薄膜包装,激光的可靠性和总成本都是所有者考虑的关键问题。激光器的体积小也是非常重要的，因为这样就可以把它们装配到包装设备中。在激光输出功率方面，这些应用通常只需要30到100瓦的功率,因为所要加工的多层结构材料通常都是很薄的。 这些特点使今天的小型CO2激光器成为折叠软包装市场的理想工具。相干（Coherent）公司生产的低功率密封钻石CO2激光器，具有高可靠性，每瓦的成本低,且体积小的特点，其尺寸就像一个普通鞋盒那样大(见图1)。这些折叠式波导激光器是加工塑料(聚丙烯和聚酯)薄膜的理想工具，加工速度大于300米/分钟(1000英尺/分钟)。除了能为中等功率应用项目提供廉价的解决方案之外，新型激光器的小尺寸，还使在较宽卷筒(如1.5 公尺/60英寸宽的主卷筒)上安排多个激光器成为可能，从而，为软包装提供了前所未有的加工灵活性。而且，这些激光器无需维护，寿命在10,000到20,000小时之间，完全可以满足典型的高产量包装设备的需要。

更快的速度

小型CO2激光器在其它输出波长方面的进步，是对食品软包装市场产生重大影响的另一个重要因素。原因是：大多数高分子薄膜的红外吸收谱含有若干个尖峰。因此，激光波长的微小变化就可能对吸收系数产生巨大影响，因为在软包装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，通过调整波长来增加薄膜的吸收系数，会大大增加给定激光功率下的加工速度。

大多数CO2激光器的输出波长集中在10.6微米，但是，如果在折叠腔结构中插入波长选择光学元件，就会产生其它波长在国内的市场份额大,如10.2微米波长。Coherent应用实验室最近研究了商用10.2微米激光器对热塑性塑料的影响，结果发表在文献1中。对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别。但对普遍使用的BOPP薄膜(微米厚),差别就非常明显。

此外，采用不同的二氧化碳同位素，可以将激光输出波长移得更远，这将对其它方面的应用产生重要影响。例如, Coherent公司已经发现：在对电子和其它行业中普遍使用的Kapton(聚酰亚胺)膜进行加工时，9.4微米波长的激光能产生最佳结果。

多个激光器组合

Alcan Packaging(芝加哥，IL)公司是软包装设备的主要供应商,它的产品主要用于肉类、奶制品、果汁，及健康和美容产品的包装市场(见图3)。早在1985年,该公司就开始了激光刻痕薄膜。现在，它又将密封的CO2激光器用于热塑性塑料和金属箔的软包装。Alcan Packaging的高级工程师Finian Flood解释说：“小型、坚固的CO2激光器出现，使我们能将它用于纵切、打孔和刻痕，以代替模板和其它的机械工具。我们常常在巨大的卷筒(直到400毫米/15.75英寸宽)中制作较小的包装袋。今天的密封激光器很小，有利于将它们用于更宽的卷筒。在这种情况下，我们采用多个激光器, 采用固定的光学系统,沿卷筒纵切和刻痕。另外还有一条线，使用光学系统让光束在卷筒上横向扫描，以产生复杂的形状”。

现在，已经能买到好几种500瓦以上的密封CO2激光器了,为什么不使用它们，而采用多个低功率激光器? 大量实践表明：采用多个激光器，灵活性最大，因为能对每个光束进行实时和独立的控制。例如，他以激光刻痕为例。“在易开食品包装领域，采用激光刻痕日益普遍。用机械方法刻痕时，如出现薄膜厚度微小变化这样一些小问题，也会对加工结果产生重要影响，而我们的激光加工技术能很容易地适应这些变化”。

激光数字软包装

LasX Industries公司自1998年开张以来，就成了激光软包装领域的佼佼者。该公司提供LaserSharp软包装解决方案和承包加工。公司创办人和董事长Bill Dinauer解释说：“对我们来说，似乎很清楚，美国的软包装不可能无限期地与机械加工并驾齐驱。 现在，产品周期是如此之短，现在还无法证明采用软包装技术是绝对正当的。此外，密封CO2激光器的出现已经使‘数字软包装’，即计算机控制的激光软包装成为可能。

LasX公司售出的大多数软包装设备是现有切卷机—复卷机的式样翻新。这种划算的战略是将切卷机—复卷机的现有功能与激光数字软包装技术,如激光刻痕、打孔等结合在一起。因此，在不增加劳力和时间的情况下，增加了新的功能。现在，有两种新结构：一种是采用多个激光器，用固定的光束对卷筒上的薄膜材料进行加工，这种形式与Alcan包装设备类似；另一个形式是动态的(以扫描为基础)，让光束横穿卷筒扫描。这里，激光光束可对卷筒上的薄膜材料进行横向和纵向扫描，以产生任何所需要的图样。根据卷筒宽度、图样复杂性和重复图样的间隔情况，激光组件的数量可以不同。典型的扫描器式机器含有2个和4个激光组件。L浙江大学的谢韬教授及其同事们建立了1种基于水凝胶的系统asX公司已将它的设备融入到用于窄卷筒(如标签)数字包装打印机中了。

结论：对像软包装这样产量大、利润小的加工来说，现有的小型密封CO2激光器具有成本低、可靠性高和体积小等综合优势。可以将直流机电作业进程中会在电刷和换向器之间产生火花激光软包装设备加入生产线，以得到成本最低和投入劳力最少的目的。由于用于包装的薄膜和有机聚合物很多,对系统供应商和类似包装设备制造商来说，如果能使这些激光器运转在最佳波长，将使它们更具有吸引力。

信息来源：Coherent公司 David Clark