一種用於表面覆膜的包裝材料的雷射在線打標方法和裝置與流程

2023-06-07 10:16:32 2

本發明屬於雷射打標技術領域，具體涉及一種用於表面覆膜的包裝材料的雷射在線打標方法和裝置。

背景技術：

隨著現代人生活水平的提高，對人體自身健康方面的關注越來越多，特別是在快速消費品領域，很多包裝材料的內表面都覆有一層透明的保護膜，以阻止直接進入人體口中的食品、藥品、飲料和乳製品等與包裝材料直接接觸，因為未覆膜的包裝材料內表面通常會有油墨、油漆和顏料等對人體有害的物質。

另一方面，隨著現代科技的高速發展，假冒偽劣商品也越來越猖獗。傳統的防偽技術很容易被仿冒，而雷射打標技術因為產生的標識是永久性的，不容易被擦除，越來越多的被應用在商品防偽上。同時，很多商品需要對其生產、加工、流通和銷售的各個環節進行追溯，也進一步催生了雷射打標技術在包裝材料上的應用。

對於內表面覆膜的包裝材料，採用雷射打標技術進行加工時，一種情況是存在將內表面的膜層擊穿的問題，另一種情況是存在雷射光束無法穿透膜層也不會被膜層吸收的問題。前一種情況會造成透明膜層在一個局部無法起到應有的保護作用，特別是對飲料和乳製品等流體性物質，會造成其與包裝材料的有害層直接接觸的機率更大，缺點尤為明顯。後一種情況會造成雷射打標根本無法實現。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了解決上述背景技術存在的不足，提供一種用於表面覆膜的包裝材料的雷射在線打標方法和裝置，使其打標時不破壞包裝材料內表面，確保其密封保護功能

本發明採用的技術方案是：一種用於表面覆膜的包裝材料雷射在線打標的方法，過程為：在工控機中導入待打標的圖案，設置雷射器的參數，控制雷射器產生的雷射束作用於包裝材料內層的透明薄膜層內部或穿過透明薄膜層作用於有色層內部，使圖案打標於包裝材料內層的透明薄膜層內部或有色層內部，打標完成後對打標的圖案進行檢測，將檢測的打標不合格的產品剔除。

進一步地，所述透明薄膜層內部或有色層內部的圖案的打標深度小於10μm。

根據採用的雷射光源的波段的不同，該方法的工作原理有所不同。對于波長小於650nm的雷射光源，該方法的工作原理是：通過對伺服電機的精細控制在z方向對升降支架進行精細調節，使得雷射束透過材料內表面的透明薄膜層，雷射束會聚的焦點在第二層有色層上，有色層吸收到的雷射能量密度大於材料破壞的臨界值，從而在其表面產生微米量級的破裂層。通過計算機等控制技術調控雷射束的能量大小，使其剛好能讓第二層有色層的微觀性能發生轉變但不產生宏觀的爆裂層，雷射束的作用範圍被限制在第二層有色層表面的幾個微米之內，沒有穿透整個第二層有色層。這樣，觀察者無論從包裝材料正面或者反面垂直材料表面的角度去觀察，是無法清晰觀察到雷射打標後形成的標識圖案的。只有當採用強光照射材料表面，或者觀察的角度與垂直方向有一定的傾斜後，才能通過第二層有色層表面粗糙度的反差識別出雷射打標後的標識圖案。

對于波長大於650nm的雷射光源，該方法的工作原理是：，雷射束大部分被材料表面的第一層透明薄膜層所吸收，雷射束未能透過包裝材料內表面的透明薄膜層到達第二層有色層。通過對伺服電機的精細控制在z方向對雷射打標頭的高低進行精細調節，使得雷射束會聚的焦點剛好位於包裝材料內表面的透明薄膜層內部，透明薄膜層吸收到的雷射能量密度大於其破壞的臨界值，從而使其表面產生微米量級的破裂層。通過計算機等控制技術調控雷射束的能量大小，使其剛好能讓第一層透明薄膜層的微觀性能發生轉變但不造成其爆裂，雷射束的作用範圍被限制在第一層透明薄膜層表面的幾個微米之內，沒有穿透整個透明薄膜層。這樣，觀察者正面或者反面垂直材料表面的角度去觀察，是無法清晰觀察到雷射打標後形成的標識圖案的。只有當採用強光照射材料表面，或者觀察的角度與垂直方向有一定的傾斜後，才能通過其表面粗糙度的反差識別出雷射打標後的標識圖案。

一種用於表面覆膜的包裝材料的雷射在線打標裝置，包括支座和設置於支座一側的操作櫃和升降支架，所述操作柜上安裝工控機，所述升降支架上安裝雷射器，所述工控機與雷射器電連接，所述支座上安裝輸送平臺，輸送平臺上放置表面覆膜的包裝材料，所述雷射器的打標頭正對輸送平臺上方，所述支座上設有檢測機構和剔除機構，所述檢測機構設置於輸送平臺上方，所述剔除機構設置於輸送平臺一側，所述打標頭、檢測機構和剔除機構沿輸送平臺的前進方向依次布置。

進一步地，所述檢測機構包括用於提供光照檢測的強光光源和用於對打標的圖案進行甄別的工業相機。

進一步地，所述包裝材料包括依次疊層布置的第一透明薄膜層、有色層和基底層，所述第一透明薄膜層為包裝材料的內層。

進一步地，所述第一透明薄膜層包括多層透明薄膜，所述透明薄膜材質為eva透明薄膜、pe透明薄膜、pp透明薄膜、pet透明薄膜、pvc透明薄膜、tpr透明薄膜或tpu透明薄膜。

進一步地，所述有色層與基底層之間設有第二透明薄膜層。

進一步地，所述雷射器為全固態紅外雷射器、綠光雷射器、紫外雷射器、光纖雷射器或二氧化碳雷射器中的任意一種，所述雷射器輸出的雷射為脈衝雷射或連續雷射。

更進一步地，所述升降支架包括絲杆、進行粗調的渦輪和進行細調的伺服電機，所述絲杆與渦輪配合連接，所述絲杆與伺服電機之間通過聯軸器連接，所述伺服電機與工控機電連接。

本發明在表面覆膜的包裝材料上的雷射打標方法可以選擇在透明膜層表面用雷射打標出10微米以下的淺層圖案，也可以選擇讓雷射束透過表面透明薄膜層到達包裝材料的中間有色層層，在中間層表面用雷射打標出10微米以下的淺層圖案。這兩種方法均不會造成包裝材料表面的透明膜層被擊穿，密封性能好；打標出的圖案因為很淺，用肉眼從垂直材料表面的角度去觀察，是無法清晰觀察到雷射打標後形成的圖案的，只有在採用強光照射材料表面，或者觀察的角度與垂直方向有一定的傾斜後，才能通過被打標層表面粗糙度的反差識別出雷射打標後的圖案。而且，被加工的表面均是在包裝材料的內表面，在實際的商品包裝中，只有拆開包裝，才可能尋找到被加工的部位。因此，假冒偽劣的可能性被大大的降低了，商品的可追溯性也更容易通過這種方式實現。

本發明圖案打標於透明薄膜層或有色層內部，二維碼、批號等防偽識別碼永不磨損，包裝材料內表面沒有損傷，不會破壞原有包裝材料的組織層結構及其密封性能。本發明裝置集打標、檢測、剔除為一體，縮短了後續的操作工序，效率更高，打標二維碼、批號等防偽識別碼速度快、效果清晰美觀、適應各類表面覆膜的包裝材料，可以廣泛應用於液態食品奶飲品、固態食品、藥品、化工產品、生活日用品等行業領域。

附圖說明

圖1為本發明打標裝置的結構示意圖。

圖2為本發明表面覆膜的包裝材料的結構示意圖。

圖3為本發明打標位置的示意圖。

圖中：1-第一透明薄膜層，2透明薄膜，3-有色層，4-第二透明薄膜層，5-基底層，6-第三透明薄膜層，7-操作櫃、8-工控機、9-雷射器、10-打標頭、11-升降支架、12-輸送平臺、13-包裝材料、14-光源、15-工業相機，16-檢測機構，17-剔除機構，18-支座。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的詳細說明，便於清楚地了解本發明，但它們不對本發明構成限定。

如圖1所示，本發明用於表面覆膜的包裝材料的雷射在線打標裝置包括支座18、操作櫃7和升降支架11，操作櫃7和升降支架11位於支座18的兩側或同一側，所述操作櫃7上安裝工控機8，所述升降支架11上安裝雷射器9，所述工控機7與雷射器9電連接，所述支座18上安裝輸送平臺12，輸送平臺12上放置表面覆膜的包裝材料13，輸送平臺12按一定的速度輸送表面覆膜的包裝材料13，所述雷射器9的打標頭10正對輸送平臺12上方，所述支座08上設有檢測機構16和剔除機構17，所述檢測機構16設置於輸送平臺12上方，所述剔除機構17設置於輸送平臺12一側，所述打標頭10、檢測機構16和剔除機構17沿輸送平臺12的前進方向(即圖1所示的箭頭x方向)依次布置。

工控機8內安裝打標控制系統，打標控制系統能實現控制雷射器的開關光、雷射打標頭上的振鏡動作、升降支架的精細調節、待打標內容的獲取和在線編輯，與輸送平臺控制系統的通訊，與工業相機的通訊，重要信號的輸入和輸出等多種功能。

升降支架11是以細導程的絲杆為主體結構，同時配有手動的渦輪和伺服電機，伺服電機與工控機電連接，手動的渦輪能實現粗略調節，伺服電機與絲杆之間通過聯軸器相連，可實現電動的精細調節。

檢測機構16包括用於提供光照檢測的強光光源14和用於對打標的圖案進行甄別的工業相機15。

剔除機構17由支撐座、旋轉氣缸、升降氣缸和吸盤組成，旋轉氣缸和升降氣缸與工控機電連接。當檢測到不合格的產品時，升降氣缸先向下動作，這樣吸盤就能接觸到包裝材料靠吸附力將其吸住，接著升降氣缸向上運動。然後，旋轉氣缸旋轉180度將吸附有包裝材料的那一頭旋轉到輸送平臺的外側，接著升降氣缸向下動作接近廢料盒，吸盤退去吸附力，打標不合格的包裝材料靠重力的作用回落到廢料盒內。

如圖2所示，表面覆膜的包裝材料13由從內到外的第一透明薄膜層1、有色層3和基底層5緊密貼合構成。其中，第一透明薄膜層1還可進一步由多層厚度更薄的透明薄膜2構成。同樣，中間的有色層3和外部的基底層5也可以由多層材料構成。有色層3和基底層5之間也可以再加入一個第二透明薄膜層4。基底層5的外部也可以再加入一個第三透明薄膜層6。

上述第一透明薄膜層1、第二透明薄膜層4和第三透明薄膜層6結構基本相同，第一透明薄膜層1為eva透明薄膜、pe透明薄膜、pp透明薄膜、pet透明薄膜、pvc透明薄膜、tpr透明薄膜或tpu透明薄膜中的任意一種，或者是這些薄膜的層疊構成，其厚度一般在0.2mm以下。

有色層3為顏料層、油漆層、油墨層或金屬箔，其厚度一般在1mm以下。

基底層5為紙板、塑料板或金屬板，其厚度一般在1-3mm。

雷射器9為全固態的紅外雷射器、綠光雷射器、紫外雷射器、光纖雷射器或二氧化碳雷射器中的任意一種，所述雷射器輸出的雷射為脈衝雷射或連續雷射。

採用上述打標裝置實現在表面覆膜的包裝材料的內表面雷射打標的方法，包括如下步驟：

1)將需要打標的內容導入到工控機中，打標的內容一般為包裝材料的生產日期、批號、保質期、條形碼和二維碼等；

2)手動搖動升降支架上的手輪，粗略調節升降支架，使得雷射束經過雷射器的打標頭後會聚的焦點位置大致在輸送平臺上的包裝材料上；

3)根據雷射光源波段的不同，在打標控制系統上輸入相應的指令，通過指令控制升降支架上的伺服電機，由其帶動升降支架上的雷射器的打標頭上下精細調節，使得雷射束的焦點位置在包裝材料的第一層透明薄膜層或有色層上，如圖3所示；

對于波長小於650nm的雷射光源，控制雷射束透過包裝材料的第一透明薄膜層，雷射束會聚的焦點作用在有色層上的b點，有色層吸收到的雷射能量密度大於材料破壞的臨界值，從而在其表面產生微米量級的破裂層。通過計算機等控制技術調控雷射束的能量大小，使其剛好能讓有色層的微觀性能發生轉變但不產生宏觀的爆裂層，雷射束的作用範圍被限制在有色層表面的10微米之內(即b點與有色層表面3.1之間的垂直距離小於10μm)，沒有穿透整個有色層。這樣，觀察者無論從包裝材料正面或者反面垂直材料表面的角度去觀察，是無法清晰觀察到雷射打標後形成的標識圖案的。只有當採用強光照射材料表面，或者觀察的角度與垂直方向有一定的傾斜後，才能通過有色層表面粗糙度的反差識別出雷射打標後的標識圖案。

對于波長大於650nm的雷射光源，雷射束大部分被包裝材料的第一透明薄膜層所吸收，雷射束會聚的焦點作用在有色層上的a點，雷射束未能透過第一透明薄膜層到達有色層，通過調節設備上雷射打標頭的高低，使得雷射束會聚的焦點剛好位於第一透明薄膜層上，第一透明薄膜層吸收到的雷射能量密度大於其破壞的臨界值，從而在其表面產生微米量級的破裂層。通過計算機等控制技術調控雷射束的能量大小，使其剛好能讓第一透明薄膜層的微觀性能發生轉變但不造成其爆裂，雷射束的作用範圍被限制在第一透明薄膜層表面的10微米之內(即a點與第一透明薄膜層表面1.1之間的垂直距離小於10μm)，沒有穿透整個第一透明薄膜層。這樣，觀察者正面或者反面垂直材料表面的角度去觀察，是無法清晰觀察到雷射打標後形成的標識圖案的。只有當採用強光照射材料表面，或者觀察的角度與垂直方向有一定的傾斜後，才能通過其表面粗糙度的反差識別出雷射打標後的標識圖案。

4)在打標控制系統上編輯好打標所需要的雷射器功率、雷射器頻率、打標速度和開關光延時等工藝參數；

5)輸送平臺上的傳感器檢測到輸送過來的包裝材料，觸發雷射器出光和雷射打標頭上的振鏡動作，完成在線打標；

6)打標完成的包裝材料通過輸送平臺傳送到光源和工業相機所在的位置，在強光照射下由工業相機對打標的圖案進行甄別，如合格，包裝材料輸送到下一道工序；如不合格，工業相機對打標控制系統輸出信息，由打標控制系統給緊挨著工業相機的剔除機構發出指令，將不合格的包裝材料從輸送平臺上剔除。

按照圖1所示的設備結構示意圖連接好設備後。打標控制系統通過數據連接線與打標控制系統的硬體相連，打標控制系統的硬體再與雷射器和打標頭相連，打標控制系統接收到輸送平臺上的傳感器發送過來的觸發信號之後，控制雷射器開關光和打標頭上的振鏡動作，實現所需要的圖案的打標，下面以兩種包裝材料為例具體說明打標過程。

實例一：乳製品包裝盒打標。

乳製品包裝盒從內到外依次由pe透明薄膜、pe透明薄膜、鋁箔、pe透明薄膜、紙板和pe透明薄膜共6層構成。本實例實現在表面的兩層pe透明薄膜上在線打標出每一張包裝盒的生產日期和批號，其步驟如下：

1)需打標的生產日期和批號通過相應的接口傳送給工控機，工控機將其導入到打標控制系統的軟體中；

2)手動搖動升降支架上的手輪，粗略調節升降支架，使得雷射束經過雷射打標頭後會聚的焦點位置大致在輸送平臺上表面覆膜的乳製品包裝盒上；

3)選擇的雷射器為波長在9.3-10.6微米的二氧化碳雷射器，在打標控制系統上輸入相應的指令，通過指令控制升降支架上的伺服電機，由其帶動升降支架上的雷射打標頭上下精細調節，使得雷射束的焦點位置剛好在乳製品包裝盒的第一層pe透明薄膜上；

4)在打標控制系統的軟體上選擇雷射重複頻率為50khz,開雷射延時為50μs,關雷射延時為30μs，跳轉延時為30μs，振鏡掃描速度為4500mm/s，跳轉速度為9000mm/s；

5)輸送平臺上的傳感器檢測到輸送過來的乳製品包裝盒，觸發雷射器出光和雷射打標頭上的振鏡動作，完成在線打標；

6)打標完成的乳製品包裝盒通過輸送平臺傳送到強光光源和工業相機所在的位置，在強光照射下由工業相機對打標的圖案進行甄別，短時間內測試了100張乳製品包裝盒，全部合格。

在實際的產品中，該乳製品包裝盒打標有生產日期和批號的那一面在包裝盒的內表面的，打標的深度在10微米以下，打標出來的內容用肉眼不容易識別，只有在強光的照射下才能通過其表面粗糙度的反差識別出來，所以能很好的起到防偽和追溯的作用。

實例二：食品包裝蓋打標。

食品包裝蓋從內到外依次由pet透明薄膜、油漆層和鋁板共3層構成。本實例實現在中間的油漆層上在線打標出每一片食品包裝蓋的生產日期和批號，其步驟如下：

1)需打標的生產日期和批號通過相應的接口傳送給工控機，工控機將其導入到打標控制系統的軟體中；

2)手動搖動升降支架上的手輪，粗略調節升降支架，使得雷射束經過雷射打標頭後會聚的焦點位置大致在輸送平臺上表面覆膜的包裝材料上；

3)選擇的雷射器為波長在355nm的紫外雷射器，在打標控制系統上輸入相應的指令，通過指令控制升降支架上的伺服電機，由其帶動升降支架上的雷射打標頭上下精細調節，使得雷射束的焦點位置剛好在食品包裝蓋的中間油漆層上；

4)在打標控制系統的軟體上選擇雷射重複頻率為20khz,開雷射延時為80μs,關雷射延時為120μs，跳轉延時為50μs，振鏡掃描速度為7000mm/s，跳轉速度為10000mm/s；

5)輸送平臺上的傳感器檢測到輸送過來的表面覆膜的包裝材料，觸發雷射器出光和雷射打標頭上的振鏡動作，完成在線打標；

6)打標完成的食品包裝蓋通過輸送平臺傳送到強光光源和工業相機所在的位置，在強光照射下由工業相機對打標的圖案進行甄別，短時間內測試了200片食品包裝蓋，全部合格。

在實際的產品中，該食品包裝蓋打標有生產日期和批號的那一面是朝著食品包裝罐內部的，打標深度在10微米以下，只有在開啟該食品包裝蓋的情況下，採用強光照射才能通過其表面粗糙度的反差識別出來，用肉眼是不容易識別的，所以能很好的起到防偽和追溯的作用。

本說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員公知的現有技術。