Znakowanie laserowe papieru i tektury znajduje zastosowanie w przemyśle do nanoszenia kodów numerycznych (numery seryjne, kody kreskowe, QR kody) na różnorodne materiały papierowe i kartonowe, od zwykłego papieru po wielowarstwowe opakowania z tektury. W porównaniu do tradycyjnych technologii druku oferuje laserowe znakowanie bezkontaktową metodę pracy z dużą prędkością, bez potrzeby stosowania tuszy czy etykiet, przy zachowaniu spójnej jakości i trwałości oznaczeń. Poniżej przedstawiamy przegląd odpowiednich materiałów, metod znakowania, typów laserów oraz parametrów zalecanych do efektywnego znakowania laserowego papieru i tektury w praktyce przemysłowej.
Jakie papiery i tektury nadają się do znakowania laserem
Laserem można znakować praktycznie wszystkie standardowe materiały papierowe i kartonowe, jednak należy uwzględnić ich wykończenie powierzchniowe i skład. Do najczęściej znakowanych materiałów należą:
-
Papier offsetowy (niepowlekany): Klasyczny biały lub kolorowy papier bez powłoki. Laser działa bezpośrednio na włókna celulozowe, które pod wpływem ciepła brązowieją lub czernieją (karbonizacja). Idealny do uzyskania kontrastowego ciemnego znaku, np. czarne oznaczenie na białym papierze.
-
Papier kraftowy: Mocny papier siarczanowy o brązowej barwie (np. papier pakowy). Dzięki ciemniejszemu odcieniowi wiązka lasera może wygenerować ciemnobrązowe lub czarne oznaczenie. W przypadku niepowlekanego kartonu kraft laser powoduje wyraźne czarne napisy lub kody.
-
Tektura falista: Wielowarstwowy karton z warstwą falistą (np. pudła kartonowe). Warstwy zewnętrzne wykonane są zazwyczaj z papieru kraftowego lub makulaturowego. Znakowanie laserowe wykonuje się bezpośrednio na powierzchni pudełka, gdzie wiązka zazwyczaj przypala wierzchnią warstwę papieru, nadając jej ciemniejszy odcień. Należy dobrać odpowiednie parametry, aby nie przeciąć materiału i nie uszkodzić struktury falistej.
-
Karton powlekany (kaszerowany): Kreda, papier kredowy i inne kartony z powłoką (np. kaolin, lakier, cienka folia plastikowa) zapewniające połysk lub właściwości barierowe. Również te materiały można znakować laserowo, jednak mechanizm działania jest inny. Zazwyczaj dochodzi do ablacyjnego usunięcia warstwy wierzchniej zamiast karbonizacji. Przykładowo, lakierowane lub laminowane pudełka można oznaczać poprzez usunięcie warstwy lakieru, co odsłania matową lub kontrastową warstwę pod spodem.
-
Opakowania wielowarstwowe: Połączenia papieru z innymi warstwami (plastik, folia aluminiowa itp.), jak kartony na napoje lub etykiety specjalne. W tych materiałach laser usuwa nadrukowaną lub zewnętrzną warstwę materiału, odsłaniając kontrastowe tło. W ten sposób tworzy się pożądany wzór (jasny tekst na ciemnym tle lub odwrotnie).
Każdy materiał reaguje na laser nieco inaczej. Ogólna zasada mówi, że jaśniejsze papiery i kartony pozwalają na uzyskanie ciemnych, kontrastowych znaków metodą karbonizacji, natomiast w przypadku ciemniejszych lub powlekanych materiałów stosuje się raczej procesy usuwania warstw lub zmiany koloru powierzchni.
Metody znakowania laserowego papieru i tektury
Podczas oddziaływania silnie skoncentrowanej energii lasera na materiał papierowy mogą zajść różne procesy. W praktyce do znakowania papieru i tektury wykorzystuje się przede wszystkim następujące metody:
-
Karbonizacja: Reakcja termochemiczna, w której wiązka lasera lokalnie nagrzewa materiał i rozkłada związki węgla, uwalniając wolny węgiel. Powierzchnia papieru zostaje w ten sposób lekko przypalona i ściemniona, bez wyraźnego naruszenia jej struktury. Ta metoda znakowania jest idealna do jasnych papierów i tektur, ponieważ umożliwia uzyskanie ciemnobrązowych lub czarnych znaków na jasnym tle. Karbonizacja zapewnia dobry kontrast bez przepalania materiału na wylot, jednak wymaga precyzyjnej kontroli ilości dostarczonej energii.
-
Grawerowanie: Przy wyższych intensywnościach lasera dochodzi do usunięcia materiału na skutek działania ciepła. Wierzchnia warstwa papieru zostaje spalona i odparowana, tworząc zagłębienie w materiale. W przypadku cienkich papierów zbyt intensywne wypalanie może prowadzić do ich przebicia. W przypadku grubszej tektury możliwe jest płytkie grawerowanie. Procesowi towarzyszy zwęglenie krawędzi zagłębienia, co może być pożądane lub nie, w zależności od zastosowania. Grawerowanie papieru stosuje się głównie do celów dekoracyjnych. W przypadku znakowania kodów preferuje się kontrolowaną karbonizację lub znakowanie ablacyjne, ponieważ zapewniają one ostrzejszy kontrast.
-
Znakowanie ablacyjne (usuwanie warstwy wierzchniej): Ta metoda znajduje zastosowanie w przypadku papierów i tektur wielowarstwowych lub z powłoką powierzchniową (np. kolorowy nadruk, lakier, folia). Wiązka lasera selektywnie odparowuje lub oddziela wierzchnią warstwę barwną lub materiałową, nie uszkadzając przy tym znacząco podłoża. W rezultacie zostaje odsłonięta dolna warstwa o odmiennym odcieniu, co nadaje znakowaniu wyraźny kontrast. Znakowanie ablacyjne jest bardzo precyzyjne i sprawdza się w przypadku materiałów, gdzie samo przypalenie nie daje wystarczającego efektu kontrastu (np. ciemno zadrukowane lub lakierowane kartony). Wymaga jednak starannego kontrolowania mocy lasera, aby usunąć jedynie pożądaną warstwę, nie przebijając się przez kolejne warstwy opakowania..
W praktyce przemysłowej często łączy się efekt karbonizacji i ablacji. Na przykład w przypadku lekko powlekanych kartonów wiązka lasera najpierw usuwa cienką warstwę farby (odsłaniając podłoże), a jednocześnie delikatnie przypala powierzchnię odsłoniętego materiału w celu zwiększenia kontrastu.
Odpowiednie typy laserów
CO₂ lasery
Do znakowania papieru i tektury stosuje się przede wszystkim lasery CO₂, ewentualnie lasery fibrowe (światłowodowe) lub lasery UV, przy czym każdy z nich ma swoje specyficzne zalety i ograniczenia w tej aplikacji.
Najbardziej odpowiednim typem lasera do znakowania papieru i tektury jest laser CO₂, ponieważ papier jako materiał organiczny bardzo dobrze absorbuje długość fali lasera CO₂. Lasery znakujące CO₂ z głowicą galwanometryczną umożliwiają, przy mocach rzędu kilkudziesięciu watów, znakowanie z dużą prędkością. W liniach przemysłowych osiąga się prędkości przesuwu opakowań rzędu dziesiątek do setek metrów na minutę, przy prędkości skanowania wiązki sięgającej kilku metrów na sekundę (typowo 3000–7000 mm/s w systemie 30W).
Potencjalną wadą jest większe ryzyko zapłonu w przypadku bardzo suchych i cienkich papierów. Należy odpowiednio dobrać parametry pracy, a w razie potrzeby zastosować nadmuch gazu obojętnego lub powietrza, aby zapobiec zapaleniu materiału. Mimo to, laser CO₂ pozostaje podstawowym i najczęściej stosowanym rozwiązaniem do znakowania kartonowych pudeł i etykiet w przemyśle.
Lasery fibrowe (światłowodowe)
Papier słabo pochłania krótszą długość fali ~1064 nm charakterystyczną dla laserów fibrowych, zwłaszcza jeśli jest to papier jasny lub bielony. Biały papier i jasna tektura mają wysoką zdolność odbijania światła w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni, przez co energia lasera fibrowego może przez nie przenikać lub się odbijać, zamiast zostać zaabsorbowana i wywołać zmianę koloru.
Z tego powodu lasery fibrowe zazwyczaj nie dają zadowalających rezultatów podczas bezpośredniego znakowania papieru. W przypadku ciemniejszych papierów lub kartonów zawierających pigmenty (np. szary karton z recyklingu, kolorowe papiery) absorpcja jest lepsza i możliwe jest uzyskanie widocznego znaku, choć nadal wymaga to ostrożności.
W praktyce laser fibrowy jest stosowany raczej do ablacyjnego usuwania wierzchniej warstwy, która dobrze absorbuje promieniowanie podczerwone o długości 1 μm. Przykładem może być biały karton z czarnym nadrukiem, w którym pigment w czarnym tuszu pochłania energię lasera, co powoduje jego odparowanie i odsłonięcie jasnego papieru pod spodem.. Efektem jest czytelny jasny tekst na ciemnym tle.
Laser fibrowy sprawdza się więc przede wszystkim przy ablacyjnym znakowaniu kolorowych nadruków lub lakierów na papierowych opakowaniach. W porównaniu z laserem CO₂ mniej nagrzewa głębsze warstwy materiału – energia skupia się tuż pod powierzchnią, co umożliwia czyste odparowanie cienkiej warstwy bez przypalenia otoczenia.
Laser fibrowy generuje również bardzo wysoką energię impulsów szczytowych, co przy łatwopalnych materiałach zwiększa ryzyko przepalenia i pojawienia się płomienia. Proces laserowy musi być więc bardzo precyzyjnie ustawiony. Często stosuje się niższe moce oraz lekką defokację, aby energia rozłożyła się na większym obszarze.
UV lasery
Promieniowanie UV jest dobrze absorbowane przez wiele materiałów, w tym papier. Celuloza oraz różne optyczne rozjaśniacze zawarte w papierze silnie pochłaniają światło UV. Powoduje to rozbijanie wiązań chemicznych i mikrostruktur na powierzchni papieru, co może prowadzić do zmiany koloru (np. zażółcenia lub zbrązowienia papieru), bez klasycznego przypalenia.
Lasery UV potrafią więc tworzyć na papierze i kartonie oznaczenia o wysokim kontraście, często bez zwęglenia i bez głębokiego uszkodzenia materiału. W praktyce laser UV może tworzyć ostre ciemne znaki na jasnym papierze, podobnie jak laser CO₂, ale z mniejszym efektem termicznym na krawędziach (mniej zwęglenia oznacza czystszy kontur).
Główną zaletą lasera UV jest wyjątkowa precyzja i dokładność znakowania. Dzięki trzykrotnie krótszej długości fali w porównaniu do lasera fibrowego, wiązka może być skupiona w bardzo małym punkcie. Lasery UV osiągają ekstremalnie wysoką rozdzielczość, dlatego nadają się do zastosowań wymagających miniaturowych kodów, mikrotekstu lub złożonych detali graficznych na papierze.
Kolejną zaletą jest minimalny wpływ cieplny: laser UV może znakować także cienkie lub wrażliwe warstwy (np. etykiety z powłoką powierzchniową), bez ryzyka przebicia materiału. Również w przypadku opakowań wielowarstwowych laser UV może precyzyjnie odparować tylko wierzchnią warstwę farby, nie nagrzewając warstwy nośnej pod spodem.
Wadą laserów UV są wyższe koszty zakupu oraz niższe moce w porównaniu do laserów CO₂ i fibrowych. Typowe przemysłowe lasery UV do znakowania mają moc rzędu kilku watów (np. 3–10 W), co ogranicza maksymalną prędkość znakowania większych powierzchni. Dla aplikacji obejmujących małe kody zazwyczaj to wystarcza, jednak przy wysokim takcie linii potrzeba użycia wielu głowic UV znacząco zwiększyłaby koszt systemu. Żywotność rezonatorów UV (laserów DPSS) jest zazwyczaj także krótsza. Z tego względu lasery UV stosuje się jedynie tam, gdzie jest to konieczne, zwykle do bardzo precyzyjnego znakowania, w którym laser CO₂ nie zapewnia wystarczającej jakości lub kontrastu.
Zalecane parametry znakowania
Dla laserów CO₂, które często pracują w trybie ciągłym lub z szybką modulacją, kluczowe są przede wszystkim parametry mocy i prędkości:
• Moc lasera: Typowe lasery CO₂ stosowane do znakowania opakowań papierowych mają moc rzędu kilkudziesięciu watów. W większości zastosowań wystarczają źródła chłodzone powietrzem o mocy do ok. 30 W, które pozwalają uzyskać kontrastowe oznaczenie bez przepalenia materiału. Wyższe moce (50–100 W) sprawdzają się przy bardzo szybkim znakowaniu na liniach produkcyjnych lub przy grubych materiałach wielowarstwowych, gdzie konieczne jest odparowanie warstwy wierzchniej. Zbyt wysoka moc może jednak natychmiast zapalić lub przepalić papier, dlatego moc ustawia się często niżej i kompensuje to wolniejszym ruchem wiązki, jeśli celem jest ciemniejszy znak. Na przykład przy cienkim papierze już 10-watowy laser CO₂ może przebić materiał, jeśli wiązka zatrzyma się w miejscu. Moc musi być zrównoważona z prędkością, aby osiągnąć tylko powierzchniowe ściemnienie.
• Prędkość znakowania: W przypadku papieru stosuje się wysokie prędkości skanowania (rzędu setek do kilku tysięcy mm/s), aby uniknąć opóźnień, które prowadziłyby do przepalenia. Na przykład do uzyskania czytelnego czarnego znaku na białym kartonie można zastosować prędkość ~1000 mm/s przy mocy 20–30 W. Wiązka porusza się płynnie i tylko lekko zwęgla powierzchnię. Z kolei niższe prędkości (~100–200 mm/s) nadają się, gdy potrzebne jest głębsze lub bardziej nasycone oznaczenie na bardziej odpornym materiale (gruby karton, opakowanie wielowarstwowe), jednak kosztem większego ryzyka uszkodzenia.
• Liczba przejść: W większości przypadków znakowania kodów wystarcza jedno przejście wiązki. Wielokrotne przejścia mogą zwiększyć kontrast, lecz przy papierze rośnie ryzyko deformacji, okopceń krawędzi lub przepalenia w głąb. Dlatego technika multi-pass stosowana jest raczej wyjątkowo, np. gdy pierwsze przejście usuwa lakier, a drugie lekko przyciemnia podłoże. Jeśli wymagany jest wyższy kontrast, zamiast wielu przejść częściej reguluje się inne parametry (niższa prędkość, nieco wyższa moc lub defokus) w ramach jednego przejazdu.
• Defokus wiązki: Znakowanie laserowe zwykle wykonuje się skupioną wiązką, aby uzyskać precyzyjne detale. Jednak w przypadku papieru czasami celowo stosuje się lekkie rozogniskowanie (defocus), zwykle o kilka milimetrów powyżej lub poniżej idealnej płaszczyzny ostrości. Rozogniskowana wiązka ma większą średnicę i niższe zagęszczenie energii, co powoduje szersze, bardziej równomierne przypalenie zamiast ostrego nacięcia. Technika ta pozwala uzyskać ciemniejszy znak bez przebicia materiału. Na przykład defokus ~+2 mm może zapewnić ciemniejsze linie kodu, jednak kosztem niewielkiej utraty ostrości krawędzi. Defokusowanie sprawdza się przy zaciemnianiu większych pól lub pełnych znaków, gdy laser “cieniowuje” powierzchnię. Dla drobnych detali, takich jak cienkie linie lub małe kody QR, lepiej sprawdza się dokładne ogniskowanie. Optymalny defokus zależy od użytej optyki i rodzaju materiału, dlatego operator lasera powinien ustawić go doświadczalnie.