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激光打碼技術與食品安全

文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2019-7-2     瀏覽次數:    

  近年來,隨著一系列食品安全事件的發生,食品安全問題越來越受到人們關注,并一度成為百姓談之色變的話題。出現食品安全問題的原因很多,有一部分是因為食品包裝上的油墨噴碼造成的,這不僅會產生污染,危害人們的身體健康;還會因為易涂改而導致制假售假問題。

  針對以上問題,目前越來越多的食品生產商開始在包裝上采用激光噴碼技術來替代傳統的油墨噴碼。利用激光對食品包裝進行標記,不僅快速清晰,且標記信息永久不可擦除,徹底杜絕了人為涂改標識信息的隱患,無疑為食品安全添加了又一重保障。此外激光噴碼設備無耗材、免維護、設備使用周期長,從長遠的經濟性考慮更有利于企業的投資回報。

  激光打標技術是用激光束在各種不同的物質表面打上永久的標記。打標的效應是通過表層物質的蒸發露出深層物質,或者是通過光能導致表層物質的化學物理變化而“刻”出痕跡,或者是通過光能燒掉部分物質,顯出所需刻蝕的圖案、文字。目前主要有“熱加工”和“冷加工”兩種打標方式:

  “熱加工”具有較高能量密度的激光束(它是集中的能量流),照射在被加工材料表面上,材料表面吸收激光能量,在照射區域內產生熱激發過程,從而使材料表面(或涂層)溫度上升,產生變態、熔融、燒蝕、蒸發等現象。

  “冷加工”具有很高負荷能量的(紫外)光子,能夠打斷材料(特別是有機材料)或周圍介質內的化學鍵,至使材料發生非熱過程破壞。這種冷加工在激光標記加工中具有特殊的意義,因為它不是熱燒蝕,而是不產生"熱損傷" 副作用的、打斷化學鍵的冷剝離,因而對被加工表面的里層和附近區域不產生加熱或熱變形等作用。

  激光器實質是一種將電能轉化為光能的裝置,壽命可長達數十萬小時,無需消耗任何輔料或者耗材。相對于油墨噴碼機,幾乎是無耗材免維護的設備。經過聚焦之后的光斑通常在0.03mm~0.1mm,因此可以標記出極細的字符或者圖案。比如光纖打標機標刻最小字符達到0.2mm。無論是采用“熱加工”還是“冷加工”工藝,激光打標本質上是一種破壞性“去除”加工,一旦對材料進行了“去除”加工即無法再恢復,不像油墨是“增量”式加工,可以被人為擦拭掉。此外,油墨因含有鉛等重金屬有毒元素,在食品藥品等行業是使用大忌,而激光加工則不帶來任何物質,不會產生有害元素,屬于無毒且近乎零排放的加工設備。

  選擇合適的激光噴碼機

  激光器、振鏡、控制器是激光噴碼設備的核心三大件。

  由于激光器的種類繁多,食品包裝所用的材料也很多,不同激光在不同材料上會表現出不同的標刻效果。因此,選擇一臺合適的激光噴碼機,對食品生產企業至關重要。目前在激光噴碼行業應用較多的有CO2激光噴碼機以及光纖激光噴碼機,區別主要是激光器的不同。

  CO2激光器輸出激光波長為9.3~10.6微米,功率從10W到60W不等,主要用于非金屬打標。光纖激光器輸出激光波長為1064納米,功率從10W到50W不等,主要用于金屬或部分塑料材料打標。

  此外,目前綠激光打標和紫外打標正逐漸興起,在某些材料上可以得到更好的標記效果。下面介紹幾種典型的應用供參考:

  礦泉水瓶打標

  塑料瓶打標為“熱加工”工藝。礦泉水瓶或者食用油瓶身材料主要為PET,采用CO2激光打標可以得到較好的標記效果。此外,不同波段激光器可以打出不同的效果。如果瓶身材料較厚,可采用10.6微米波長的CO2激光器,打出比較通透的字體。如果瓶身材料較薄,可采用9.3微米的激光器,打出比較白的字體效果。由于PET材料對CO2 激光的吸收較好,采用30W 激光器即可輕松打上痕跡,生產效率可達到40,000瓶/小時。

  紙盒打標

  紙盒打標也為“熱加工”工藝。紙盒根據顏色可分為兩種,深色紙盒可采用光纖或者CO2激光進行打標,淺色紙盒則只能用CO2激光進行打標。由于淺色(白色)紙質材料對光纖的吸收較差,光纖激光很難在白紙上打出痕跡,即使打出來速度也不快,效果也不會好。采用CO2激光加工主要是利用CO2的熱能對紙質材料進行碳化處理,形成深色痕跡和圖案。而深色(黑色)材料對光纖激光吸收較好,深色紙盒由于表層為黑色涂層,內部為白色或者淺色紙張,采用光纖對黑色表層進行打標去除,露出里層淺色痕跡形成圖案。

  塑料包裝袋打標

  塑料包裝袋或者盒子的材料種類較多,有PET、PC、HDPE、PE、PP、ABS和PBT等。通常如果包裝袋較厚均可用CO2激光進行打標,CO2激光打標的不良反應是熱量較高,容易灼穿袋子或者使包裝袋局部變形影響外觀。如果包裝袋子需打標的地方顏色較深,可采用光纖激光進行打標,原理同深色紙盒打標。如果包裝袋子比較薄,打標位置顏色又較淺,則采用紫外(UV)激光打標可能是更好的選擇。此外,部分材料如HDPE、PE、PP等白色材料對光纖激光不吸收,采用CO2 激光則容易灼傷,采用綠光或者紫外激光是比較好的打標方式。

  礦泉水瓶瓶身材料主要為PET,采用CO2激光打標可以得到較好的標記效果。

  除了上述的不同材料需選擇不同的激光器進行加工,食品廠家還需要根據自己的產線產能來進行激光噴碼設備配置。目前國內激光噴碼設備生產廠家較多,產品品質也良莠不齊。如果客戶盲目選擇一臺便宜的激光噴碼設備,很可能貪小便宜而吃大虧。因為除了激光器,激光噴碼設備還有一個重要的組成部分是打標頭,激光行業內專業的術語叫振鏡頭。打標頭是一個運動模塊,由一對響應極快速的電機帶動兩片反射鏡片進行激光的軌跡控制。打標頭的響應速度和穩定性對激光噴碼設備的生產效率和穩定性起到了關鍵作用。

  目前,振鏡技術在國內外發展極不平衡,國產振鏡價格便宜但速度較慢,且穩定性不及進口。由于激光噴碼設備主要用于流水線生產,一旦設備出現問題將導致整個產線停工,影響極大。出于穩定生產的角度,更多的知名品牌均選用了進口振鏡作為激光噴碼設備的核心配置。此外,像礦泉水以及香煙等生產線產品體積小,流水線運轉速度極快,進口振鏡在速度性能上更能滿足產能需求。

  此外,激光噴碼設備還有一個重要的模塊為控制系統??刂葡到y是整臺設備的大腦,一個性能優良操作簡單工作穩定的控制系統決定了整臺設備的檔次。目前很多激光噴碼設備采用普通PC 機作為控制器載體,并非是一個好的選擇,因為在生產惡劣的工廠現場,普通PC 機很容易罷工。比如在礦泉水或者酒類飲料生產線上,地面經常有水或者飲料液體,普通PC 電腦既不防塵也不防潮,抗震性也較差,比較容易出現問題。

  國內一些激光設備廠商為圖便宜采用了性能及穩定性較差的控制主板,也容易導致設備運行效率低下或者出現故障。根據筆者多年的工業生產現場應用經驗,采用全封閉式無風扇散熱的嵌入式控制器較為適合食品生產線使用,配備工業觸摸顯示屏,簡單直觀的人機操作界面,更有利于產線上工人的使用和操作??刂栖浖詈媚芫邆浞旨壙刂乒芾砉δ?,使用者、設計師、管理員具備不同的設備操作權限,可有效避免使用者亂動設備導致的生產事故。

  激光噴碼技術的問題

  激光噴碼技術作為替代油墨噴碼的工業應用雖已經興起數年,但目前仍然存在部分障礙使其難以普及??偨Y主要有如下問題:

  1)激光設備相比于傳統油墨噴碼等標記類設備成本普遍較高。激光設備根據配置不同銷售價格往往是數十萬到幾十萬,相對于油墨噴碼設備的價格要高出幾倍,企業購置設備一次性投入較大。隨著激光技術的發展以及成本逐年降低,相信激光噴碼設備價格很快會逐漸降低到客戶可接受的范圍。另外,激光設備基本為一次性投入,無后繼的耗材消耗以及高額的維護成本。而油墨噴碼設備除了買設備花錢外,每年還需花費數額可觀的油墨、稀釋劑等耗材費用,油墨噴頭容易被堵,需要經常性的維護修理。

  2)部分包裝材料用激光噴碼打不出好的效果。比如白色紙質材料或者透明PE

  塑料薄膜材料,采用激光打標很難得到顏色對比清晰的效果,這部分需要激光工藝技術持續研發,比如研究出更多特種的激光器來。有些客戶產品的包裝材料種類較多,可能需要根據材料不斷的切換激光噴碼設備,這在使用的方便性上打了折扣。

  3)目前國內知名的激光設備類生產廠家以生產標準機型為主,主要用于單機加工,而食品類生產企業多為定制型生產線或自動化流水線,對于激光噴碼設備的需求也要求配套靈活,方便定制,快速對接。這要求激光設備生產商們能具備更快速靈活的響應能力,產品有較好的模塊化設計,有非標定制的研發實力。隨著機器替人的呼聲越來越大,自動化以及機器人技術的迅速普及,越來越多的激光設備生產商開始將目光投向激光在線噴碼領域。

  被譽為史上最嚴的新版《食品安全法》將于今年10月起實施。其中規定,國家將建立食品全程追溯制度。通過在食品包裝上標刻序列號或條碼等標識,即可賦予食品唯一的“身份證”,這種永久性“身份證”可追溯每個產品生產過程的所有關鍵信息,并以此為基礎實現后期產品的追蹤,以此來分析產品質量缺陷的問題所在,有效實現防偽防竄和快速召回。用激光進行打條碼或者二維碼,已在很多食品公司逐步開始應用。

  由于激光控制系統的強大功能,采用激光進行打碼不僅可以實現自動生成條碼或者二維碼,還可以實現自動跳號,與客戶數據庫管理系統進行數據對接等功能,更可以方便接入物聯網,不僅實現從零件到產品的全面品質追蹤,更可實現從產品到終端用戶的數據網絡連接。一臺激光噴碼設備既可為一臺生產設備,也可為一臺帶IP

  地址的網絡終端,不僅可以連接到自動化的生產線,也可以連接到通向大數據的物聯網。毫無疑問,激光噴碼技術將在未來的食品安全中起到舉足輕重的作用。



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