Laser CO₂ – jak działa, co można nim znakować i kiedy warto wdrożyć tę technologię?

Laser CO₂ to urządzenie do trwałego znakowania przede wszystkim materiałów niemetalicznych, takich jak tworzywa sztuczne, szkło, folie, laminaty czy wybrane materiały opakowaniowe. Dzięki promieniowaniu o długości fali ok. 10,6 µm może trwale modyfikować powierzchnię materiału, np. poprzez odbarwienie, spienienie, usunięcie warstwy powierzchniowej lub mikrograwerowanie. W treści artykułu odpowiemy na pytania, jak działa ta technologia, co można nią znakować, czym różni się od lasera fiber i UV oraz na co zwrócić uwagę, wybierając laser CO₂ do własnego procesu produkcyjnego.

Czym jest laser CO₂ i jak działa?

Laser CO₂ to urządzenie służące do trwałego znakowania powierzchni i produktów, w którym ośrodkiem czynnym generującym wiązkę jest mieszanka gazów – dwutlenku węgla, helu i azotu – pobudzana wyładowaniem elektrycznym. W wyniku tego procesu emitowane jest promieniowanie o długości fali ok. 10,6 µm, czyli w zakresie dalekiej podczerwieni.

Ta długość fali ma kluczowe znaczenie praktyczne: jest bardzo dobrze absorbowana przez materiały organiczne i niemetaliczne, znacznie słabiej natomiast przez metale. Dlatego laser gazowy sprawdza się przede wszystkim do znakowania szkła, tworzyw sztucznych, drewna, papieru czy tekstyliów, a nie jest najlepszym wyborem do znakowania metalu, w odróżnieniu do laserów fiber.

W praktyce wiązka generowana w tubie gazowej jest kierowana przez układ luster (głowicę skanującą) na powierzchnię materiału, zgodnie z zaprojektowanym wzorem, tekstem lub kodem. W zależności od rodzaju podłoża, energia wiązki może powodować:

• odbarwienie powierzchni (np. na tworzywach, gdzie pigment reaguje na ciepło),
• spienienie lub stopienie cienkiej warstwy materiału (np. na foliach czy laminatach),
• usunięcie powierzchniowej warstwy (np. lakieru lub powłoki farby),
• mikropęknięcia w strukturze (np. przy znakowaniu szkła).

Cały proces jest bezkontaktowy i sterowany komputerowo, co – podobnie jak w przypadku lasera fiber – zapewnia wysoką powtarzalność oznaczeń niezależnie od wielkości serii produkcyjnej.

Co można znakować laserem CO₂?

Laser CO₂ znajduje zastosowanie przede wszystkim do znakowania materiałów niemetalicznych, takich jak szkło, tworzywa sztuczne, folie, laminaty, papier czy wybrane materiały opakowaniowe:

Jakie informacje można znakować laserem CO₂?

Laser CO₂ może służyć do nanoszenia zarówno prostych oznaczeń tekstowych, jak i kodów oraz zmiennych danych identyfikacyjnych, m.in.:

• kodów 2D – QR, GS1 QR i kodów Data Matrix (w tym GS1 DataMatrix)
• kodów kreskowych 1D
• numerów partii i numerów seryjnych
• dat produkcji i dat ważności
• logotypów i oznaczeń producenta
• zmiennych danych generowanych automatycznie z systemu produkcyjnego, jak liczniki, numery kolejne itp.

Dzięki temu znakowanie laserowe CO₂ może wspierać identyfikowalność produktów (traceability), kontrolę jakości oraz automatyzację linii produkcyjnych i pakujących.

Jakie są zalety znakowania laserem CO₂?

Znakowanie laserem CO₂ ma kilka istotnych przewag nad tradycyjnymi metodami nanoszenia oznaczeń, takimi jak nadruk atramentowy czy etykieta:

1. Trwałość oznaczenia – w zależności od materiału i zastosowanej metody (odbarwienie, spienienie, usunięcie warstwy), oznaczenie jest zwykle znacznie bardziej odporne na ścieranie, wilgoć czy działanie olejów i rozpuszczalników niż nadruk atramentowy, choć rzeczywista trwałość na materiałach organicznych (drewno, skóra, tworzywa) zależy od głębokości znakowania i warunków eksploatacji.
2. Bezkontaktowy proces – wiązka lasera nie dotyka powierzchni materiału jak np. etykieta, co eliminuje ryzyko uszkodzenia delikatnych opakowań czy odkształcenia cienkich folii.
3. Brak materiałów eksploatacyjnych – proces nie wymaga atramentu, rozpuszczalnika ani taśmy barwiącej.
4. Wysoka jakość i precyzja – możliwość nanoszenia małych, kontrastowych kodów 1D/2D czytelnych dla skanerów przemysłowych.
5. Duża prędkość znakowania – laser CO₂ dobrze sprawdza się na szybkich liniach pakujących, gdzie liczy się czas cyklu.
6. Powtarzalność – każde kolejne oznaczenie, niezależnie od wielkości partii, jest identyczne dzięki pełnej kontroli komputerowej procesu

To właśnie ta grupa cech – wysoka trwałość, brak materiałów eksploatacyjnych i związanych z nimi kosztów, jak też  wysoka jakość znakowania – sprawia, że laser CO₂ jest chętnie wybierany w branżach, gdzie liczy się zarówno zgodność z wymogami identyfikowalności, jak też sama estetyka opakowania i nadruku.

Czy laser CO₂ wymaga tuszu lub innych materiałów eksploatacyjnych?

Nie. Znakowanie laserem CO₂, podobnie jak pozostałe technologie laserowe (fiber, UV), nie wymaga atramentu. Oznaczenie powstaje w wyniku fizycznego lub chemicznego oddziaływania wiązki lasera z materiałem, a nie poprzez naniesienie na jego powierzchnię warstwy farby czy tuszu.

W praktyce nie trzeba więc zamawiać, magazynować ani wymieniać atramentu, rozcieńczalnika, etykiet czy taśmy termotransferowej. Eliminuje to również koszty związane z utylizacją odpadów powstających po tych materiałach.

Nie oznacza to jednak całkowitego braku kosztów eksploatacyjnych. Jednym z elementów, który może podlegać okresowej wymianie, jest tuba gazowa będąca źródłem promieniowania lasera CO₂. Jej żywotność zależy m.in. od konstrukcji źródła, mocy wyjściowej oraz intensywności eksploatacji urządzenia. W przemysłowych laserach CO₂ stosuje się zwykle hermetycznie zamknięte tuby wzbudzane wysoką częstotliwością (RF), których żywotność może być liczona w dziesiątkach tysięcy godzin pracy.

Kosztem eksploatacyjnym może być również okresowa wymiana filtrów systemu odciągu pyłów i gazów – produktów ubocznych powstających podczas znakowania.

Laser CO₂ a laser fiber – czym się różnią?

Choć obie technologie należą do znakowania laserowego, różnią się zasadniczo pod względem budowy i przeznaczenia:

• Ośrodek czynny – w laserze CO₂ jest to mieszanka gazów pobudzana wyładowaniem elektrycznym, w laserze fiber – domieszkowane włókno szklane pompowane diodami laserowymi.
• Długość fali – laser CO₂ pracuje przy ok. 10,6 µm, laser fiber przy ok. 1,064 µm. Różnica ta decyduje o tym, jakie materiały każdy z laserów efektywnie znakuje.
• Materiały docelowe – laser CO₂ sprawdza się przy materiałach organicznych i niemetalicznych (szkło, tworzywa, drewno, papier, PET, tekstylia), natomiast laser fiber jest zoptymalizowany pod metale i niektóre twarde tworzywa.
• Konstrukcja – laser CO₂ wykorzystuje tubę gazową, która może wymagać wymiany, natomiast laser fiber nie ma tego typu elementu eksploatacyjnego. Jak jednak wspomnieliśmy, w przemysłowych laserach CO₂ żywotność hermetycznie zamkniętych tub ze źródłem laserowym liczona jest w dziesiątkach tysięcy godzin pracy, co praktycznie oznacza kilka lat eksploatacji. Mimo to w rachunku kosztów utrzymania liczonym na wiele lat, brak takiego elementu w laserze fiber daje mu dodatkową przewagę.
• Obudowa bezpieczeństwa – ze względu na inną długość fali, obudowy ochronne laserów CO₂ wykonuje się zwykle z pleksi, a laserów fiber – z metalu.
• Kompaktowość – tuba gazowa lasera CO₂ ma zwykle większe rozmiary niż źródło laserowe w laserze fiber, co ma znaczenie przy integracji z liniami o ograniczonej przestrzeni.

W praktyce wybór między tymi technologiami sprowadza się przede wszystkim do rodzaju znakowanego materiału: przy metalach zdecydowanie lepiej sprawdzi się laser fiber, natomiast przy szkle, tworzywach, kartonikach czy foliach – laser CO₂. Więcej o technologii światłowodowej i jej zastosowaniach w znakowaniu metalu piszemy w artykule Laser fiber – znakowanie metalu. Jak działa i kiedy warto go zastosować?

Laser CO₂ czy UV – który wybrać?

Laser CO₂ i laser UV bywają rozważane w podobnych zastosowaniach – przy materiałach niemetalicznych – jednak każdy z nich ma swoją niszę:

• Laser CO₂ sprawdza się najlepiej przy materiałach grubszych i mniej wrażliwych na ciepło – szkle, kartoniku, drewnie, grubszych foliach i laminatach, powierzchniach pokrytych farbą.
• Laser UV działa na zasadzie procesu „zimnego znakowania” – energia fotonów rozrywa wiązania chemiczne w materiale, praktycznie bez wydzielania ciepła. Dzięki temu sprawdza się przy materiałach delikatnych, cienkich i wrażliwych na przegrzanie, np. monofoliach, cienkich powłokach czy niektórych elementach elektronicznych.
• Precyzja – laser UV pozwala uzyskać wiązkę o mniejszej średnicy plamki, co przekłada się na wyższą rozdzielczość przy znakowaniu bardzo małych kodów i detali.
• Zakres materiałów – laser CO₂ ma zwykle szerszy zakres zastosowań przy standardowych opakowaniach, podczas gdy laser UV jest wybierany do zastosowań specjalistycznych, wymagających minimalnego oddziaływania termicznego na podłoże.

Decyzja powinna zależeć od konkretnego materiału i wymaganej jakości oznaczenia – w praktyce najlepszym rozwiązaniem jest wykonanie próby znakowania na próbce docelowego materiału, aby porównać efekt obu technologii. A jeśli nie wiesz, czy laser CO₂ to dobry kierunek, sprawdź porównanie trzech technologii znakowania: Laser CO₂, fiber czy UV – jak wybrać technologię znakowania laserowego?

Na co zwrócić uwagę przy wyborze lasera CO₂?

Przy wyborze konkretnego modelu lasera CO₂ do własnego procesu produkcyjnego warto uwzględnić kilka czynników:

1. Rodzaj i grubość znakowanego materiału – inne parametry mocy będą potrzebne przy cienkiej folii, a inne przy grubym szkle czy kartoniku opakowaniowym.
2. Prędkość linii produkcyjnej – im szybsza linia, tym wyższa wymagana moc i częstotliwość impulsów lasera, aby zachować czytelność oznaczenia.
3. Treść nanoszonych oznaczeń – im więcej informacji trzeba nanieść w tym samym czasie wyznaczonym przez prędkość linii, tym wyższa wymagana moc lasera.
4. Wymagana trwałość oznaczenia – w zależności od warunków eksploatacji produktu, takich jak wilgoć, ścieranie, kontakt z chemikaliami, dobiera się głębokość i inne parametry znakowania.
5. Przestrzeń i integracja z linią – tuba gazowa lasera CO₂ ma zwykle większe wymiary niż źródło lasera fiber, co trzeba uwzględnić przy projektowaniu stanowiska.
6. Koszty eksploatacyjne w czasie – warto zapytać o żywotność tuby gazowej i koszt jej ewentualnej wymiany, aby oszacować całkowity koszt utrzymania urządzenia w długim okresie czasu.
7. Bezpieczeństwo pracy – lasery CO₂ wymagają odpowiedniej obudowy ochronnej oraz przestrzegania przepisów BHP dotyczących pracy z promieniowaniem laserowym, jak np. właściwe okulary ochronne.

W Coleman International każdy projekt poprzedzamy wykonaniem próbek znakowania na materiale dostarczonym przez klienta – dzięki temu dobór parametrów i modelu lasera odpowiada rzeczywistym warunkom docelowej aplikacji.

Laser CO₂ w przemyśle – gdzie znajduje zastosowanie?

Ze względu na uniwersalność w zakresie materiałów, laser CO₂ wykorzystywany jest w wielu branżach:

• Przemysł spożywczy i napojowy – znakowanie dat ważności i numerów partii na butelkach szklanych i PET, zakrętkach oraz opakowaniach kartonowych.
• Kosmetyki i chemia gospodarcza – oznaczenia na opakowaniach szklanych i plastikowych, foliach termokurczliwych, etykietach i kartonikach.
• Farmacja – znakowanie opakowań zgodnie z wymogami identyfikowalności leków, w tym na kartonikach i blistrach.
• Przemysł tytoniowy – znakowanie opakowań i folii zgodnie z regulacjami dotyczącymi śledzenia produktów.
• Przetwórstwo drewna i meblarstwo – oznaczenia na płytach, elementach meblowych oraz paletach.

Laser CO₂ dobrze wpisuje się  w strategie ograniczania zużycia materiałów eksploatacyjnych i odpadów opakowaniowych.

Laser CO₂ – najczęściej zadawane pytania