Laserové značenie papiera a lepenky sa využíva vo výrobe na aplikáciu číselných kódov (sériové čísla, čiarové a QR kódy) na rôzne papierové a kartónové materiály – od bežného papiera až po viacvrstvové kartónové obaly. V porovnaní s tradičnými tlačovými technológiami ponúka laser bezkontaktné značenie vysokou rýchlosťou, bez potreby atramentov či etikiet, s konzistentnou kvalitou a nezmazateľnosťou popisu. Nižšie uvádzame prehľad vhodných materiálov, metód značenia, typov laserov a parametrov odporúčaných pre efektívne laserové značenie papiera a lepenky v priemyselnej praxi.
Ktoré papiere a lepenky je možné značiť laserom
Laserom je možné popisovať prakticky všetky bežné papierové a kartónové materiály, je však potrebné zohľadniť ich povrchovú úpravu a zloženie. Medzi najčastejšie laserom značené materiály patria:
-
Ofsetový (nenatieraný) papier: Klasický biely alebo farebný papier bez povrchovej úpravy. Laser tu pôsobí priamo na celulózové vlákna, ktoré sa pri zahrievaní sfarbujú dohneda až načierno (karbonizujú). Vhodný najmä na kontrastný tmavý popis, napr. čierne značenie na bielom papieri.
-
Kraftový papier: Pevný sulfátový papier hnedej farby (napr. baliaci papier). Vďaka tmavšiemu odtieňu dokáže laser vytvoriť tmavohnedý až čierny popis. Pri neošetrenom prírodnom kartóne (kraft lepenke) vzniká karbonizáciou dobre čitateľný čierny text alebo kód.
-
Vlnitá lepenka: Viacvrstvový kartón s vlnitou výplňou (napr. krabice). Vonkajšie vrstvy bývajú z kraftového alebo recyklovaného papiera. Laserové značenie je možné aplikovať na povrch krabice, pričom lúč zvyčajne zhnedne vrchnú vrstvu papiera. Je potrebné voliť vhodné parametre, aby sa neprepálila celá vrstva a nepoškodila sa vlnitá výplň.
-
Natieraný (kašírovaný) kartón: Kriedový papier, krieda a ďalšie povrchovo upravené kartóny majú na povrchu vrstvu kaolínu, laku alebo tenkú plastovú fóliu pre vyšší lesk či bariérové vlastnosti. Aj tieto materiály sú laserovo značiteľné, no mechanizmus značenia je odlišný. Typicky dochádza k ablačnému odpareniu vrchnej vrstvy, namiesto čistej karbonizácie. Napríklad lakované alebo laminované krabice možno popísať odstránením povrchovej lakovej vrstvy, čím sa odkryje matnejšia alebo kontrastná spodná vrstva.
-
Viacvrstvové obaly: Kombinácia papiera s inými vrstvami (plast, hliníková fólia a pod.), ako sú nápojové kartóny alebo špeciálne etiketové štítky. Pri týchto materiáloch je možné laserom odstrániť potlačenú vrchnú vrstvu farby alebo materiálu a odkryť kontrastné pozadie. Tak vznikne požadovaný obrazec (svetlý text na tmavom podklade alebo naopak).
Každý materiál reaguje na laser trochu inak. Vo všeobecnosti platí, že svetlejšie papiere a kartóny umožňujú dosiahnuť tmavý kontrastný popis karbonizáciou, zatiaľ čo pri tmavších alebo povrchovo upravených materiáloch sa uplatňujú najmä procesy odstraňovania vrstiev alebo zmeny farby povrchu.
Metódy laserového značenia papiera a kartónu
Pri dopade silne koncentrovanej energie laseru na papierový materiál dochádza k viacerým možným javom. V praxi sa na značenie papiera a lepenky využívajú predovšetkým nasledujúce procesy:
-
Karbonizácia: Termochemická reakcia, pri ktorej laserový lúč lokálne zahrieva materiál a rozkladá uhlíkaté zlúčeniny za uvoľnenia uhlíka. Povrch papiera sa tým mierne opáli a stmavne bez výrazného narušenia celistvosti. Táto metóda značenia je ideálna pre svetlé papiere a lepenky, kde umožňuje vytvoriť tmavohnedé až čierne značenie na svetlom podklade. Karbonizácia poskytuje dobrý kontrast bez prepálenia papiera, avšak vyžaduje presné riadenie dávky energie.
-
Gravírovanie: Pri vyšších intenzitách laseru dochádza k odstraňovaniu materiálu vplyvom tepla. Horná vrstva papiera sa spáli a odparí, čím vznikne prehĺbenina v materiáli. Pri tenkých papieroch vedie príliš intenzívne vypaľovanie k prerazeniu. Pri hrubšom kartóne je touto metódou možné realizovať plytké značenie. Gravírovanie je sprevádzané zuhoľnatením okrajov výrezu, čo môže byť žiaduce alebo neželané. Vo všeobecnosti sa gravírovanie papiera využíva skôr na dekoratívne účely. Na značenie kódov sa uprednostňuje kontrolovaná karbonizácia alebo ablačné značenie, pretože poskytujú ostrejší kontrast..
-
Ablačné značenie (odstránenie vrchnej vrstvy): Táto metóda sa uplatňuje pri papieroch a kartónoch s viacerými vrstvami alebo povrchovou úpravou (napr. farebná potlač, lak, fólia). Laserový lúč selektívne odparí alebo oddelí vrchnú farebnú či materiálovú vrstvu bez výrazného poškodenia podkladu. Tým sa odkryje spodná vrstva v odlišnom farebnom odtieni a značenie získa kontrast. Ablačný popis je veľmi presný a vhodný pre materiály, pri ktorých bežné opálenie neposkytuje dostatočný kontrast (napr. tmavo potlačené alebo lakované kartóny). Vyžaduje však precízne riadenie výkonu laseru, aby sa odstránila len požadovaná vrstva a nedošlo k prepáleniu až do hlbších vrstiev obalu..
V priemyselnej praxi sa často kombinuje karbonizačný a ablačný efekt. Napríklad pri ľahko natieraných kartónoch lúč najprv odstráni tenkú vrstvu farby (odkryje podklad) a zároveň povrch podkladu jemne opáli na zvýšenie kontrastu.
Vhodné typy laserov
CO₂ lasery
Na značenie papiera a kartónu sa používajú predovšetkým CO₂ lasery, prípadne vláknové (fiber) lasery alebo UV lasery, pričom každý z nich má špecifické výhody a obmedzenia pre túto aplikáciu.
Najvhodnejším typom lasera na značenie papiera a lepenky je CO₂ laser, pretože papier ako organický materiál výborne absorbuje vlnovú dĺžku CO₂ lasera. CO₂ popisovacie lasery s galvanometrickou hlavou dokážu v kombinácii s výkonom v desiatkach wattov značiť vo vysokých rýchlostiach. V priemyselných linkách sa dosahuje rýchlosť posuvu obalov desiatky až stovky m/min, pri skenovacej rýchlosti lúča až niekoľko m/s (typicky 3000–7000 mm/s pri 30W systéme).
Možnou nevýhodou je zvýšené riziko vznietenia pri veľmi suchých a tenkých papieroch. Je preto potrebné správne nastaviť parametre, prípadne použiť ofuk inertným plynom alebo vzduchom, aby sa predišlo horeniu. Napriek tomu CO₂ laser predstavuje základné a najčastejšie používané riešenie na popis kartónových krabíc a štítkov v priemysle.
Vláknové (fiber) lasery
Kratšiu vlnovú dĺžku ~1064 nm vláknových laserov čistý papier horšie absorbuje, najmä ak ide o svetlý alebo bielený papier. Biely papier a svetlý kartón majú vysokú odrazivosť v oblasti viditeľného a blízkeho infračerveného svetla, takže energia vláknového lasera môže materiálom prechádzať alebo sa odrážať namiesto toho, aby bola pohltená a spôsobila zmenu farby.
Z tohto dôvodu vláknové lasery zvyčajne nedosahujú pri značení papiera uspokojivé výsledky. Pri tmavších papieroch alebo kartónoch s obsahom pigmentov (napr. recyklovaný sivý kartón, farebné papiere) je absorpcia lepšia a fiber laser môže vytvoriť viditeľný popis, stále však s opatrnosťou.
Vláknový laser sa v praxi na priame značenie lepenky a papiera používa len obmedzene. Uplatňuje sa najmä pri odstraňovaní povrchovej vrstvy, ktorá dobre absorbuje infračervené žiarenie s vlnovou dĺžkou 1 μm. Príkladom môže byť čierno potlačený biely kartón. Pigment v čiernom atramente absorbuje energiu vláknového lasera, čo spôsobí odparenie tmavej vrstvy, zatiaľ čo svetlý podkladový papier zostane viditeľný. Výsledkom je dobre čitateľný svetlý text na tmavom pozadí.
Vláknový laser sa teda osvedčuje pri ablačnom značení farebných potlačí alebo lakov na papierových obaloch. Oproti CO₂ laseru navyše fiber laser menej zahrieva hlbšie vrstvy. Energia je sústredená tesne pod povrch materiálu, čím sa dosahuje čistejšie odparenie tenkej vrstvy bez spálenín okolia.
Vláknový laser má tiež veľmi vysokú špičkovú energiu pulzov, čo pri horľavých materiáloch zvyšuje riziko prepálenia a vzniku plameňa. Nastavenie laserového procesu preto musí byť veľmi precízne. Často sa používajú nižšie výkony a prípadne mierna defokusácia, aby sa energia rozložila na väčšiu plochu.
UV lasery
UV žiarenie je dobre absorbované mnohými materiálmi vrátane papiera. Celulóza aj rôzne optické zjasňovače obsiahnuté v papieri silno pohlcujú UV svetlo. Tým dochádza k narušeniu chemických väzieb a mikroštruktúr na povrchu papiera, čo môže spôsobiť zmenu farby (napr. zožltnutie či zhnednutie papiera) aj bez klasického horenia.
UV lasery teda dokážu na papieroch a kartónoch vytvárať značky s vysokým kontrastom, často bez zuhoľnatenia a bez hlbšieho poškodenia materiálu. V praxi UV laser vie vytvoriť ostré tmavé znaky na svetlom papieri podobne ako CO₂ laser, avšak s menším tepelným ovplyvnením okrajov (menšie zuhoľnatenie znamená čistejší obrys).
Hlavnou výhodou UV lasera je mimoriadna jemnosť a presnosť popisu. Vďaka trojnásobne kratšej vlnovej dĺžke v porovnaní s vláknovým laserom je možné lúč zaostriť na veľmi malý bod. UV lasery dosahujú extrémne vysoké rozlíšenie, a preto sú vhodné na aplikácie vyžadujúce miniatúrne kódy, mikroskopické texty alebo zložité grafické detaily na papieri.
Ďalšou výhodou je minimálne tepelné ovplyvnenie: UV laser dokáže značiť aj tenké alebo citlivé vrstvy (napr. povrchovo upravené etikety) bez rizika prepálenia materiálu. Rovnako pri viacvrstvových obaloch dokáže UV laser presne odpariť len povrchovú vrstvu farby a nezahrieva spodný nosný papier.
Nevýhodou UV laserov sú vyššie obstarávacie náklady a nižší výkon v porovnaní s CO₂ a vláknovými lasermi. Bežné priemyselné UV lasery na značenie majú výkon v jednotkách wattov (napr. 3–10 W), čo limituje maximálnu rýchlosť značenia väčších plôch. Na značenie menších kódov to spravidla postačuje, ale pri požiadavke na vysoký takt linky by použitie viacerých UV lúčov paralelne výrazne predražilo systém. Životnosť UV rezonátorov (DPSS laserov) býva takisto spravidla kratšia.
Odporúčané parametre značenia
Pri CO₂ laserových systémoch, ktoré často pracujú v kontinuálnom alebo rýchlo modulovanom režime, sú kľúčové najmä parametre výkonu a rýchlosti:
• Výkon lasera: Typické CO₂ lasery používané na značenie papierových obalov majú výkon v rozsahu desiatok wattov. Pre väčšinu aplikácií postačujú vzduchom chladené zdroje do cca 30 W, ktoré umožňujú vytvoriť kontrastné značenie bez prepálenia materiálu. Vyššie výkony (50–100 W) sa používajú pri veľmi rýchlom značení vo výrobných linkách alebo pri silných viacvrstvových materiáloch, kde je potrebné odpariť vrchnú vrstvu. Príliš vysoký výkon však môže papier okamžite zapáliť alebo prepáliť, preto sa často nastavuje nižší výkon a kompenzuje sa pomalším pohybom lúča, ak chceme tmavšiu značku. Napríklad už 10W CO₂ laser môže preraziť tenký papier, ak sa lúč zastaví na mieste. Výkon musí byť správne zladený s rýchlosťou, aby došlo len k povrchovému zafarbeniu.
• Rýchlosť značenia: Pri papieri sa volia vysoké skenovacie rýchlosti (v stovkách až tisícoch mm/s), aby sa predišlo prestojom, ktoré by viedli k prepáleniu. Napríklad na čitateľný čierny popis na bielej lepenkovej krabici je vhodná rýchlosť okolo 1000 mm/s pri výkone 20–30 W. Lúč sa plynule pohybuje a povrch sa len ľahko karbonizuje. Naopak, nižšia rýchlosť (100–200 mm/s) sa hodí pri požiadavke na hlbší alebo sýtejší popis na odolnejšom materiáli (hrubý kartón, viacvrstvový obal), no vždy s vyšším rizikom pretrhnutia.
• Počet prechodov: Vo väčšine prípadov značenia kódov postačuje jeden prechod lúča. Opakované prechody môžu zvýšiť kontrast, avšak pri papieri viacnásobné prechody zvyšujú riziko deformácie, očadenia okrajov alebo prepálenia do hĺbky. Preto sa viacnásobné značenie využíva výnimočne, napríklad ak prvý prechod odstráni lak a druhý ľahko začerní podklad. Pri požiadavke na vyšší kontrast sa zvyčajne namiesto viacerých prechodov upravujú iné parametre (nižšia rýchlosť, mierne vyšší výkon alebo defokusácia) v rámci jedného prejazdu.
• Defokusácia lúča: Laserové značenie sa bežne vykonáva zaostreným lúčom pre dosiahnutie jemných detailov. Pri značení papiera sa však niekedy zámerne používa mierne rozostrenie (defokusácia), typicky niekoľko milimetrov nad alebo pod ohniskovú rovinu. Rozostrený lúč má väčší priemer a nižšiu hustotu energie, čím spôsobuje širšie a rovnomernejšie opálenie namiesto ostrého rezu. Táto technika pomáha dosiahnuť sýto tmavý popis bez prerezania materiálu. Napríklad defokusácia o ~+2 mm môže zabezpečiť tmavšie línie kódu, no za cenu mierneho zníženia ostrosti hrán. Defokusácia sa osvedčuje pri zatmavení väčších plôch alebo plných znakov, kde laser „tieňuje“ povrch. Na jemné detaily ako tenké čiary alebo malé QR kódy je vhodnejšie ostré zaostrenie. Optimálny defokus závisí od použitej optiky a materiálu a musí sa doladiť testovaním obsluhou lasera.