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Ricerca sull'effetto di marcatura dei raggi laser sulla buccia di arancia

Con il miglioramento continuo del tenore di vita, l'attenzione del pubblico per la sicurezza alimentare è aumentata. In questo contesto, la tracciabilità dei frutti, soprattutto dei frutti verdi, è diventata un requisito oggettivo. Attualmente, incollare codici a barre su carta...

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Ricerca sull'effetto di marcatura dei raggi laser sulla buccia di arancia

Con il miglioramento continuo del tenore di vita, l'attenzione del pubblico alla sicurezza alimentare è aumentata. In questo contesto, la tracciabilità dei frutti, specialmente dei frutti verdi, è diventata un requisito oggettivo. Attualmente, incollare etichette a codice a barre su carta sulla superficie dei frutti è il principale modo per raggiungere la tracciabilità dei frutti. Tuttavia, alcune etichette in carta sono inclini a cadere, causando la perdita di informazioni chiave, mentre altre sono attaccate così saldamente che spesso è difficile rimuoverle. Pertanto, questo studio seleziona gli aranci come oggetto di ricerca e intende utilizzare la tecnologia laser per inciderne direttamente i codici a barre bidimensionali sulla superficie del frutto. Confrontando gli effetti di marcatura dei raggi laser a ultracorto impulso picosecondo (ps) e degli impulsi laser a corto impulso nanosecondo (ns), si mira a fornire una tecnologia di marcatura con codici a barre chiari e duraturi per la tracciabilità dei frutti.

1 Strumenti e Metodi Sperimentali

1.1 Struttura e Composizione del Macchina da marchiatura

La Macchina da marchiatura è composto da un laser, un sistema ottico, un sistema di controllo numerico e un sistema di controllo al computer. La struttura specifica è mostrata nella Figura 1.

图 1 激光打标装置示意图.jpg

Figura 1 Diagramma schemático del dispositivo di marchio a laser

Il principio di funzionamento del Macchina da marchiatura è la seguente: utilizza l'effetto fototermico del fascio laser per evaporare il materiale superficiale, esponendo il materiale sottostante, o brucia parte del materiale tramite energia luminosa per mostrare i disegni incisi e i caratteri. Per soddisfare diverse esigenze di lavorazione, il laser emesso dal laser deve essere trasmesso e processato dal sistema ottico. Il sistema ottico nella macchina per il marchio è principalmente composto da un sistema di lenti a fuoco e campo. I laser sono un laser Nd:YAG nanosecondo a pompa semiconduttrice laterale e un laser ad attimo picosecondo.
Il software di marchio è il software di marchio CS Mark sviluppato dalla Beijing Century Sunny Technology Co., Ltd. È un software di applicazione di marchio progettato appositamente per Marcatura Laser , integrando potenti funzioni di modifica grafica e varie funzioni di marcatura. Quando utilizzato in combinazione con la scheda di controllo e il galvanometro di scansione, è in grado di soddisfare i requisiti di vari processi laser ad alta precisione ed alta velocità.

1.2 Fonti Luminose

La sorgente laser a nanosecondi a brevi impulsi utilizza un laser Nd:YAG a commutazione ottica acustica realizzato internamente, con una frequenza operativa di 3 KHz, una larghezza di impulso di 15 ns e una lunghezza d'onda di uscita di 532 nm. La sorgente laser a picosecondi ad ultra - brevi impulsi utilizza un laser a struttura a bastone Nd:YVO₄ a blocco modalità MOPA (Penny - pico - 10, Ziyun Laser Technology Co., Ltd.), con una lunghezza d'onda di uscita di 532 nm, una potenza massima di 10 W, una larghezza di impulso di 5 ps e una frequenza operativa di 1 - 100 kHz.

1.3 Metodi Sperimentali

Sono state selezionate arance acquistate nello stesso lotto con una similarità di lisciozza superficiale. Sono stati utilizzati impulsi laser a picosecondo e impulsi laser a nanosecondo per effettuare la marcatura rispettivamente sulle loro superfici, e ogni metodo è stato ripetuto 10 volte. Successivamente, è stata utilizzata una microscopio polarizzante (OLYMPUS - BX51, Olympus Corporation) per l'osservazione e l'analisi a ingrandimento 100X per confrontare e analizzare gli effetti di marcatura dei due laser sulla buccia delle arance.

2 Risultati e Analisi

2.1 Analisi dei Parametri Sperimentali

Parametri come la qualità del fascio, la larghezza dell'impulso ed energia del laser influenzeranno la precisione della marcatura laser, il che a sua volta influisce sulla qualità ed effetto della marcatura. Le ampiezze d'impulso del laser a nanosecondo e del laser a picosecondo sono state regolate allo stato ottimale. La larghezza d'impulso del laser a nanosecondo misurata dall'oscilloscopio del laser probe era di 8,48 ns, mentre quella del laser a picosecondo era di 14,2 ps.
Numerosi esperimenti hanno dimostrato che la potenza del laser, la velocità di marcatura e lo spaziatura delle linee sono i principali fattori che influiscono sulla qualità del codice a barre. Più alta è la frequenza del laser e più breve è il tempo di impulso, più veloce è la velocità di marcatura e più piccolo è lo spazio tra le linee, ottenendo così un miglior effetto di marcatura.

2.2 Effetto di Marcatura e Analisi

Dopo aver importato l'immagine del codice QR nella macchina di marcatura ad nanosecondi tramite l'interfaccia USB, la posizione della buccia di arancia è stata ajustata utilizzando il suo banco di traslazione, dopodiché è iniziata la marcatura. I risultati sono stati osservati sotto un microscopio polarizzante da 100X, come mostrato in Figura 2.
图 2 纳秒打标结果.png
Figura 2 Risultati della marcatura ad nanosecondi
Il grafico del codice QR è stato importato nel software del computer del laser a picosecondi. Dopo aver attivato il raffreddamento ad acqua e aver regolato il piano focale, è stata effettuata la marcatura sulla superficie della buccia di arancia. I risultati sono stati osservati sotto un microscopio polarizzante da 100X, come mostrato in Figura 3.
图 3 皮秒打标结果.png
Figura 3 Risultati della marcatura a picosecondi
Osservando i segni sulle bucce di arancia al microscopio polarizzante, si è scoperto che sia i laser ad impulsi picosecondo che quelli a nanosecondo possono causare cambiamenti morfologici evidenti sulla superficie della buccia e stampare segni relativamente chiari. Tuttavia, il laser ad impulsi picosecondo stampa linee con una maggiore precisione e con contorni lisci e chiari sulla superficie della buccia, causando meno danni all'epidermide. Al contrario, le linee stampate dal laser a nanosecondo sulla superficie della buccia sono meno regolari e i contorni dei segni sono più sfocati.

Il parametro più diretto che influisce sull'effetto di marcatura è la potenza di picco, che è inversamente proporzionale all'ampiezza dell'impulso laser. Pertanto, man mano che l'ampiezza dell'impulso diminuisce, la potenza di picco aumenta. In confronto con il laser a impulsi nanosecondi, il fascio laser emesso dal laser a impulsi picosecondi ha un'ampiezza di impulso più stretta, un'energia maggiore e una precisione superiore. L'effetto di ablazione fotochimica sulla superficie della scorza arancione è evidente, causando carbonizzazione ai bordi del codice QR, senza crepe o detriti superficiali evidenti, quindi i confini sono più chiari.

3 Conclusioni e discussioni

Per ottenere codici a barre bidimensionali chiari e duraturi per la tracciabilità dei frutti senza influire sulla loro commestibilità, è stato condotto un esperimento comparativo per studiare la fattibilità della tecnologia laser per la marcatura delle superfici fruttifere. Sono stati selezionati gli aranci come oggetto di ricerca, e sono stati utilizzati laser nanosecondi e laser picosecondi per stampare codici QR sulle bucce degli aranci rispettivamente, osservando le modifiche sulla superficie della buccia. I risultati sperimentali mostrano che, confrontandolo con il laser a impulsi nanosecondi, il laser a impulsi picosecondi ha una precisione di stampa superiore, una maggiore profondità di marcatura e contorni di marcatura più chiari.
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con una lunghezza di 20 mm o più ma non superiore a 50 mm

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