Laserové značení papíru a lepenky se využívá ve výrobě k aplikaci číselných kódů (sériová čísla, čárové a QR kódy) na různé papírové a kartonové materiály, od běžného papíru až po vícevrstvé kartonové obaly. Oproti tradičním technologiím tisku nabízí laser bezkontaktní značení vysokou rychlostí, bez potřeby inkoustů či etiket, s konzistentní kvalitou a nesmazatelností popisu. Níže uvádíme přehled vhodných materiálů, metod značení, typů laserů a parametrů doporučených pro efektivní laserové značení papíru a lepenky v průmyslové praxi.
Které papíry a lepenky lze značit laserem
Laserem lze popisovat prakticky všechny běžné papírové a lepenkové materiály, je však potřeba zohlednit jejich povrchovou úpravu a složení. Mezi nejčastěji laserem značené materiály patří:
-
Ofsetový (nenatíraný) papír: Klasický bílý či barevný papír bez povrchové úpravy. Laser zde působí přímo na celulózová vlákna, která při zahřátí zhnědnou až zčernají (karbonizují) . Vhodný zejména pro kontrastní tmavý popis, např. černé značení na bílém papíru.
-
Kraftový papír: Pevný sulfátový papír hnědé barvy (např. balicí papír). Díky tmavšímu odstínu zde může laserový paprsek vytvořit tmavě hnědý až černý popis. U neošetřeného přírodního kartonu (kraft lepenky) vzniká karbonizací dobře čitelný černý text či kód.
-
Vlnitá lepenka: Vícevrstvý karton s vlnitou vložkou (např. krabice). Vnější vrstvy bývají z kraftového nebo recyklovaného papíru. Laserové značení lze aplikovat na povrchu krabice, kdy paprsek typicky ožehne vrchní vrstvu papíru do tmava. Je třeba volit vhodné parametry, aby se neprořízla vrstva skrz a nepoškodila se struktura vlny.
-
Natíraný (kašírovaný) karton: Křída, křídový papír a další povrchově upravené kartony mají na povrchu nanesenou vrstvu kaolinu, laku nebo tenkou plastovou fólii pro vyšší lesk či bariérové vlastnosti. I tyto materiály jsou laserově značitelné, avšak mechanismus značení se liší. Typicky dochází k ablativnímu odpaření vrchní vrstvy místo pouhé karbonizace. Například lakované či laminované krabice lze popsat odstraněním svrchní lakové vrstvy, čímž se odhalí matnější nebo kontrastní spodní vrstva.
-
Vícevrstvé obaly: Kombinace papíru s dalšími vrstvami (plast, hliníková fólie apod.), jako jsou nápojové kartony nebo speciální etiketové štítky. U těchto materiálů lze laserem odstranit potištěnou vrchní vrstvu barvy nebo materiálu a odkrýt kontrastní podklad. Tím vznikne požadovaný obrazec (světlý text na tmavém podkladu nebo naopak).
Každý materiál reaguje na laser trochu odlišně. Obecně platí, že světlejší papíry a kartony umožňují dosažení tmavého kontrastního popisu karbonizací, zatímco u tmavších či povrchově upravených materiálů se uplatňují spíše procesy odstraňování vrstev nebo změna barvy povrchu.
Metody laserového značení papíru a kartonu
Při dopadu silně koncentrované energie laseru na papírový materiál dochází k několika možným dějům. V praxi se pro značení papíru a lepenky využívají především následující procesy:
-
Karbonizace: Termochemická reakce, při níž laserový paprsek lokálně zahřívá materiál a rozkládá uhlíkaté sloučeniny za uvolnění uhlíku. Povrch papíru se tím lehce ožehne a ztmavne bez výrazného narušení celistvosti. Tato metoda značení je ideální pro světlé papíry a lepenky, kde umožňuje vytvořit tmavě hnědé až černé značení na světlém podkladu. Karbonizace poskytuje dobrý kontrast aniž by papír skrz prohořel, je však nutné přesně regulovat dávku energie.
-
Gravírování: Při vyšších intenzitách laseru dochází k odstranění materiálu působením tepla. Horní vrstva papíru se spálí a odpaří. Vzniká tak prohlubeň v materiálu. U tenkých papírů vede příliš intenzivní vypalování k proděravění. U silnějšího kartonu lze touto metodou realizovat mělké značení. Vypalování je doprovázeno zuhelnatěním okrajů prohlubně, což může nebo nemusí být žádoucí. Obecně se gravírování papíru používá spíše pro dekorativní účely. Pro značení kódů se preferuje kontrolovaná karbonizace nebo ablativní popis, jelikož poskytují ostřejší kontrast.
-
Ablativní značení (odstranění vrchní vrstvy): Tato metoda se uplatňuje u papírů a kartonů, které mají více vrstev nebo povrchovou úpravu (např. barevný tisk, lak, fólie). Laserový paprsek selektivně odpaří či odloučí vrchní barevnou nebo materiálovou vrstvu, aniž by výrazně poškodil podklad. Tím se odkryje spodní vrstva v odlišném barevném odstínu a značení získá kontrast. Ablativní popis je velmi přesný a hodí se pro materiály, kde prosté opálení nedává dostatečný kontrast (např. tmavě potištěné nebo lakované kartony). Vyžaduje však pečlivé řízení výkonu laseru, aby došlo pouze k odstranění požadované vrstvy a nikoli k prohoření až do spodních vrstev obalu.
V průmyslové praxi se často kombinuje karbonizační a ablativní efekt. Například u lehce natíraných kartonů paprsek nejprve odstraní tenkou vrstvu barvy (odhalí podklad) a současně povrch podkladu jemně ožehne pro zvýšení kontrastu.
Vhodné typy laserů
CO₂ lasery
Pro papír a karton se používají především CO₂ lasery, eventuálně vláknové (fiber) lasery nebo UV lasery, přičemž každý z nich má specifické výhody a omezení pro tuto aplikaci.
Nejvhodnější typ laseru ke značení papíru a lepenky je CO₂ laser, protože papír jako organický materiál výborně absorbuje vlnovou délku CO₂ laseru. CO₂ popisovací lasery s galvanometrickou hlavou umí ve spojení s výkony desítek wattů značit ve vysokých rychlostech. V průmyslových linkách se dosahuje rychlosti posuvu obalů desítky až stovky m/min, při skenovací rychlosti paprsku až v řádu několika m/s (typicky 3000–7000 mm/s u 30W systému).
Možnou nevýhodou je vyšší riziko vznícení u velmi suchých a tenkých papírů. Je nutné správně nastavit parametry, případně použít ofuk inertním plynem či vzduchem k zamezení hoření. Přesto CO₂ laser představuje základní a nejčastěji používané řešení pro popis kartonových krabic a štítků v průmyslu.
Vláknové (fiber) lasery
Kratší vlnovou délku ~1064 nm vláknových laserů čistý papír hůře absorbuje, zejména pokud jde o světlý nebo bělený papír. Bílý papír a světlý karton mají vysokou odrazivost v oblasti viditelného a blízkého IR světla, takže energie vláknového laseru může materiálem procházet nebo se odrážet místo toho, aby byla pohlcena a způsobila změnu barvy.
Z toho důvodu vláknové lasery obvykle nedosahují při značení papíru uspokojivých výsledků. U tmavších papírů či kartonů s obsahem pigmentů (např. recyklovaný šedý karton, barevné papíry) je absorpce lepší a fiber laser může vytvořit viditelný popis, stále však s opatrností.
Fiber laser se v praxi pro přímé značení lepenky a papíru používá omezeně. Fiber lasery se zde uplatňují zejména při odstranění povrchové vrstvy, která IR o vlnové délce 1 μm dobře absorbuje. Příkladem může být černě potištěný bílý karton. Pigment v černém inkoustu absorbuje energii vláknového laseru, což odpaří tmavou vrstvu, zatímco světlý podkladový papír zůstane viditelný. Výsledkem je pěkně čitelný světlý text na tmavém pozadí.
Vláknový laser se tak osvědčuje při ablativním značení barevných potisků nebo laků na papírových obalech. Oproti CO₂ laseru navíc fiber laser méně zahřívá hlubší vrstvy. Energie je soustředěna těsně pod povrch materiálu, čímž lze dosáhnout čistšího odpaření tenké vrstvy bez spálenin okolního materiálu.
Fiber laser má také velmi vysokou špičkovou energii pulzů, což u hořlavých materiálů zvyšuje riziko propálení a vzniku plamínku. Nastavení laserového procesu musí být velmi precizní. Často se využívá nižších výkonů a případně lehké defokusace, aby se energie rozložila na větší plochu.
UV lasery
UV záření je dobře absorbováno mnoha materiály včetně papíru. Celulóza i různé optické zjasňovače obsažené v papíru silně pohlcují UV světlo. Tím dochází k rozrušení chemických vazeb a mikrostruktur na povrchu papíru, což může způsobit změnu barvy (např. žloutnutí či zhnědnutí papíru) i bez klasického hoření.
UV lasery tedy dokáží na papírech a kartonech vytvářet značky s vysokým kontrastem, často bez zuhelnatění a bez hlubokého poškození materiálu. V praxi UV laser umí vytvořit ostré tmavé znaky na světlém papíře podobně jako CO₂ laser, ovšem s menším tepelným rozlišením okrajů (menší zuhelnatění znamená čistší obrys).
Hlavní výhodou UV laseru je dokonalá jemnost a přesnost popisu. Díky třikrát kratší vlnové délce oproti vláknovému laseru lze paprsek zaostřit na velmi drobný bod. UV lasery dosahují extrémně vysokého rozlišení, takže jsou vhodné pro aplikace, které vyžadují miniaturní kódy, mikroskopické texty či složité grafické detaily na papíru.
Další výhodou je minimální tepelné ovlivnění: UV laser může značit i tenké nebo citlivé vrstvy (např. povrchově upravené etikety) bez rizika propálení skrz materiál. Také u vícevrstvých obalů dokáže UV laser přesně odpařit jen povrchovou vrstvu barvy a nezahřát spodní nosný papír.
Nevýhodou UV laserů jsou vyšší pořizovací náklady a nižší výkony ve srovnání s CO₂ a fiber lasery. Běžné průmyslové UV lasery pro značení mají výkony v jednotkách wattů (např. 3–10 W), což limituje maximální rychlost značení větších ploch. Pro aplikaci kódů o malé ploše to obvykle postačuje, ale při požadavku na vysoký takt linky by značení více UV paprsky paralelně výrazně prodražilo systém. Životnost UV rezonátorů (DPSS laserů) je také zpravidla kratší. Z tohoto důvodu se UV lasery nasazují jen tam, kde je to nutné, typicky pro velmi jemné, precizní značení, u něhož CO₂ laser nedosáhne dostatečné kvality či kontrastu.
Doporučené parametry značení
Pro CO₂ lasery, které často pracují v kontinuálním nebo rychle modulovaném módu, jsou kritické zejména parametry výkonu a rychlosti:
• Výkon laseru: Typické CO₂ lasery používané pro popis papírových obalů mají výkon v rozsahu desítek wattů. Pro většinu aplikací postačí vzduchem chlazené zdroje do cca 30 W, které zvládají vytvořit kontrastní značení bez prohoření materiálu. Vyšší výkony (50–100 W) se uplatní při velmi rychlém značení na výrobních linkách nebo pro silné vícevrstvé materiály, kde je třeba odpařit vrchní vrstvu. Příliš vysoký výkon však může papír okamžitě zapálit či propálit, proto se výkon často nastavuje spíše nižší a kompenzuje se pomalejším pohybem paprsku, chceme-li tmavší značku. Například u tenkého papíru může již 10W CO₂ laser způsobit proděravení, pokud se paprsek zastaví na místě. Výkon musí být sladěn s rychlostí, aby došlo jen k povrchovému zabarvení.
• Rychlost značení: Pro papír se volí vysoké rychlosti skenování (řádově stovky až tisíce mm/s), aby se předešlo prodlevám, které by vedly k propálení. Například pro čitelný černý popis na bílé lepenkové krabici lze použít rychlost ~1000 mm/s při výkonu 20–30 W. Paprsek se plynule pohybuje a povrch jen lehce karbonizuje. Naopak nižší rychlost (~100–200 mm/s) se hodí, pokud potřebujeme hlubší nebo sytější popis na odolnějším materiálu (tlustý karton, vícevrstvý obal), ale vždy za cenu vyššího rizika protržení.
• Počet průchodů: Ve většině případů značení kódů stačí jeden průchod paprsku. Opakované průchody mohou zvýšit kontrast, avšak u papíru více průchodů zvyšuje riziko deformace, očouzení okrajů nebo propálení do hloubky. Proto se multi-pass využívá spíše výjimečně, například když první průchod odpaří lak a druhý lehce začerní podklad. Při požadavku na vyšší kontrast se častěji místo vícenásobného gravírování volí úprava jiných parametrů (nižší rychlost, mírně vyšší výkon či defokusace) v rámci jednoho průjezdu.
• Defokusace paprsku: Laserové značení se obvykle provádí zaostřeným paprskem pro dosažení jemných detailů. Nicméně u popisu papíru někdy záměrně dochází k mírnému rozostření (defocus), typicky o několik milimetrů nad nebo pod ideální rovinu ostrosti. Rozostřený paprsek má větší průměr a nižší hustotu energie, čímž způsobuje širší, rovnoměrnější ožehnutí místo ostrého řezu. Tato technika pomáhá dosáhnout sytě tmavého popisu bez proříznutí materiálu. Například defokus ~+2 mm může zajistit tmavší linky kódu, ovšem za cenu mírného snížení rozlišení hran. Defokusace se osvědčuje pro ztmavení velkých ploch či plných znaků, kdy laser “stínuje” povrch. Pro jemné detaily jako jemné čáry či malé QR kódy je vhodnější ostré zaostření. Optimální defokus závisí na použité optice a materiálu a obsluha laseru jej musí doladit testováním.