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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装，即将纸、塑料薄膜和其它网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。 （图片）
图1：这个小型、密封激光器能输出30瓦功率，重量仅为6公斤。 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,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(30-50微米厚),差别就非常明显(见图2)。 （图片）
图2：用10.2和10.6微米波长的激光切割PP时，两者切割速度之比较。 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”。 （图片）
图3：小型CO2激光器的出现允许软包装设备在卷筒的方向上安装多个激光器。 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。LasX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。
David Clark (david.clark@coherent.com) 来自Coherent公司, (www.coherent.com).
6/15/2005
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