Znakowanie laserowe nylonu

Znakowanie, grawerowanie i trawienie laserowe nylonu (poliamidu)

Jak znakować laserem światłowodowym tworzywa nylonowe (poliamidowe)

Tworzywa nylonowe, znane też jako poliamidy, to ważna klasa termoplastów stosowanych w wymagających aplikacjach: broni palnej, elektronice, kolektorach samochodowych, częściach rowerowych, rurach, kolczykach identyfikacyjnych dla zwierząt, podeszwach obuwia sportowego i innych. Należą do najtrudniejszych polimerów do znakowania, grawerowania czy trawienia laserem ze względu na zróżnicowane właściwości materiałowe, warunki formowania i konfiguracje laserów. Lasery światłowodowe iterbowe idealnie nadają się do czarnych oznaczeń przez karbonizację, białych przez spienianie oraz zmian koloru przez indukowane laserem termochemiczne reakcje pigmentowanych polimerów. Przy znakowaniu tworzyw istotne są natężenie napromienienia (irradiancja), fluencja i optyka wiązki. Lasery MOPA o zmiennym impulsie zapewniają najlepszą kontrolę szerokości impulsu przy ograniczeniu nadmiaru ciepła.

Nylony występują w wielu odmianach materiałowych (np. nylon 6,6; 6,12; 4,6; 6; 12 itd.), co daje szeroki wybór materiałów i właściwości — homopolimerów, kopolimerów i odmian wzmacnianych. W nylonie wzmacnianym często stosuje się długie i krótkie włókna szklane. Choć korzystne konstrukcyjnie, ich wadą są wady „wyłaniania się szkła" z formowania, które obniżają podatność na znakowanie laserowe.

Powierzchnie formowane muszą być bogate w żywicę, aby energia lasera mogła oddziaływać z matrycą polimerową. Nylony można też mieszać z innymi tworzywami konstrukcyjnymi dla poprawy określonych parametrów. Te czynniki z natury wpływają na to, jak znakuje się każdy typ materiału. Kolory, pigmenty i barwniki, właściwości wypełniaczy, mieszanki różnych dostawców, dyspersja i dystrybucja przy formowaniu oraz tekstura powierzchni — wszystko to wpływa na jakość oznaczenia.

Wysokiej jakości znakowanie przemysłowymi laserami światłowodowymi: trwałe znakowanie funkcjonalne i dekoracyjne podnosi wartość produktów i zapobiega podrabianiu. Kluczem do wysokiego kontrastu i trwałości jest wprowadzenie dodatków wzmacniających znakowanie do materiału nylonowego podczas formowania — w koncentratach barwiących lub materiałach prekompandowanych. Specjalistyczne dodatki zaprojektowane pod lasery bliskiej podczerwieni optymalizują kontrast bez wpływu na właściwości materiału, zwiększają szybkość znakowania (krótszy czas cyklu) i są ekonomiczne.

Eksperci przemysłowego znakowania laserowego

Kompleksowe rozwiązania znakowania laserowego tworzyw z jednego źródła — od inżynierii materiałowej po integrację systemów na zamówienie.

Usługi techniczne

• Indywidualne formulacje i mieszanki dopasowania koloru pod laser, zgodność regulacyjna, próbki prototypowe — masterbatch, materiały prekompandowane (pre-color), laminaty laserowe.
• Projektowanie systemów laserowych, integracja systemów pod klucz i szkolenia, wizja maszynowa, indywidualne HMI, dokumentacja procesu.
• Rozwiązywanie problemów na miejscu (w dowolnej lokalizacji na świecie), analiza procesu laserowego i optymalizacja systemu, indywidualna grafika wektorowa.
• Certyfikacja bezpieczeństwa laserowego, kompletna aplikacja z projektem i obudową CDRH Class 1, inspektor bezpieczeństwa laserowego (LSO) do audytów wewnętrznych.
• Formowanie wtryskowe tworzyw i analizy analityczne, mold flow, dyspersja/dystrybucja dodatków i barwników.
• Usługowe znakowanie zlecone

Jakość wiązki laserowej: lasery światłowodowe iterbowe pracują w bliskiej podczerwieni (NIR) przy długościach fal 1060–1070 nm. Współczynnik jakości wiązki M2 kwantyfikuje zdolność wiązki do ogniskowania i ma krytyczne znaczenie dla znakowania. Współczynnik M2 ogranicza stopień, w jakim wiązkę można zogniskować przy danej rozbieżności, limitowanej aperturą soczewki ogniskującej. M2 = 1 to idealna wiązka gaussowska. Wraz z mocą optyczną współczynnik jakości wiązki określa jasność („radiancję") wiązki. Stałość współczynnika M2 jest ważniejsza niż sama wartość, bo różne zastosowania wymagają różnych modów wiązki. Lasery niższej klasy często cierpią na brak stałości, co prowadzi do wariacji znakowania oraz problemów z wyglądem i funkcjonalnością. Lasery przemysłowe przewyższają tanie hurtowe (od pośredników) lasery hobbystyczne. Tanie lasery mają kapryśną jakość znakowania, a niedroga optyka i elektronika skutkują wahaniami jakości wiązki i niespójnym znakowaniem. Lasery nie są sobie równe.

Znakowanie i grawerowanie laserowe, wizja maszynowa i unikalna identyfikacja wyrobów (IUID): MIL-STD 130 przydaje się w zarządzaniu zapasami i śledzeniu produktów w wielu branżach. Słaba jakość znakowania jest szczególnie problematyczna i kosztowna, gdy kody kreskowe 1D i kody 2D AIM DPM nie mogą być poprawnie zweryfikowane i ocenione przez kamerę. Dodatki laserowe robią kluczową różnicę, gdy dla bezpośredniego znakowania części (DPM) kodami Data Matrix i kreskowymi wymagana jest wysoka rozdzielczość, jakość krawędzi linii i małe komórki danych. Im dłuższy łańcuch danych, tym gęstsze komórki. Weryfikacja klasy „A" (ISO 15415) jest często wymagana dla wyrobów wojskowych, lotniczych, motoryzacyjnych i farmaceutycznych. Wysoki kontrast i czytelność kodu dają dodatkowe korzyści: szybsze znakowanie i możliwość używania tanich czytników ręcznych w całej fabryce.

Najczęstsze pytania o znakowanie laserowe nylonu

Dlaczego niektóre nylony znakują się lepiej niż inne? Istnieje wiele teorii o mechanizmach znakowania laserowego nylonów syntetycznych, ale nie ma jednoznacznej odpowiedzi. Część ekspertów uważa, że nylony wyróżniają się grupami amidowymi (CONH). Grupy amidowe łatwiej się spieniają, co częściowo wynika z azotu, podczas gdy grupy metylenowe lepiej nadają się do karbonizacji. W PA12 struktura jest bardziej polietylenowa, z grupą amidową co 12 jednostek monomeru. Dla porównania PA6 zawiera grupę amidową co sześć jednostek. W praktyce oznacza to, że PA12 ma mniejszą skłonność do spieniania i większą do ciemnych oznaczeń niż PA6. Istnieją jednak wyjątki od ogólnych obserwacji.

Inżynierowie projektujący produkty muszą przy wyborze nylonu uwzględnić zarówno parametry części, jak i jej podatność na znakowanie laserowe.

Czym są poliamidy nylonowe?

Poliamidy, znane jako nylon, to ważna klasa termoplastów do zastosowań wysokowydajnościowych. Zawierają wiązania amidowe –CO-NH–. Nylon syntetyzuje się przez polikondensację, w której diamina reaguje z dikwasem, albo przez polimeryzację z otwarciem pierścienia laktamów o sześciu, jedenastu lub dwunastu atomach węgla. Monomery nylonu mogą być alifatyczne, półaromatyczne lub aromatyczne (aramidy), a struktura — od amorficznej po półkrystaliczną o większej lub mniejszej krystaliczności. Dwa główne poliamidy to poli(adypamid heksametylenu) (nylon 6,6) i polikaprolaktam (nylon 6). Poliamidy alifatyczne obejmują nylon 12, 69, 6-10, 6-12, 46 i 1212. Biopochodne tworzywo konstrukcyjne nylon 11 pozyskuje się z surowców odnawialnych — z rącznika.

Czy dodatki z włókna szklanego wpływają na znakowanie laserowe?

Jakość oznaczenia zależy od polimeru, dodatków i barwników oraz procesu formowania wtryskowego. Wady powierzchni formowanego polimeru pogarszające czytelność mogą wpływać na bezpieczeństwo, parametry i działanie wyrobu. Przykładem są dodatkowe włókna szklane. Ich dodatek może niekorzystnie wpływać na procesy formowania, co z kolei odbija się na jakości znakowania. Udział włókna szklanego zwykle wynosi od 10 do 60%. Istnieją dwa rodzaje wzmocnień szklanych — włókno krótkie i długie — każde z zaletami i wadami. Powierzchnie wyprasek muszą być „bogate w żywicę", by dawać wysokiej jakości oznaczenia, w których energia lasera oddziałuje z matrycą polimerową. Powierzchnie bogate we włókno znakują się słabo, a problem narasta z zawartością włókna. Samo włókno szklane słabo absorbuje światło laserowe NIR.

Jak działają dodatki wzmacniające znakowanie laserowe?

Ponieważ większość polimerów ma ograniczoną absorpcję w tym zakresie fal (NIR) i nie daje zauważalnego kontrastu, eksperci stosują rozmaite dodatki, wypełniacze, pigmenty i barwniki zwiększające absorpcję i zapewniające wysoki kontrast. Dodatki zwiększają stopień kontrastu barwnego (absorpcję światła lasera), co dodatkowo wzmacnia optymalny dobór lasera i parametrów znakowania. Wbrew obiegowej opinii nie istnieje jeden uniwersalny dodatek.

Niektóre dodatki zawierają mieszaniny tlenku cyny domieszkowanego antymonem i tritlenku antymonu, które mogą nadawać naturalnej (niebarwionej) nieprzezroczystości podłoża „szarawy" odcień. Inne mogą zawierać cząstki aluminium, mieszane tlenki metali lub związki własnościowe. Korekty koloru wykonuje się pigmentami i barwnikami, by uzyskać pożądany wygląd. Określone dodatki zostały zatwierdzone przez FDA do kontaktu z żywnością i opakowań spożywczych w warunkach A–H normy 21 CFR 178.3297 „Barwniki do polimerów".

Związki dodatków laserowych są dostępne w formie granulatu i proszku. Granulaty miesza się bezpośrednio z żywicą polimerową, a proszki przetwarza w masterbatch. Stężenie wagowe (w gotowej części) wynosi zwykle od 0,01 do 3,0%. Dla najlepszego kontrastu dodatki laserowe muszą być równomiernie rozprowadzone/zdyspergowane w całej części.

Jakie są typy mechanizmów laserowego znakowania polimerów?

Tworzywa znakowalne laserowo cechuje zdolność absorbowania światła lasera i zamiany go w energię cieplną w zakresie bliskiej podczerwieni (NIR) 1060–1070 nm. Trzy popularne typy laserów to iterbowe światłowodowe (MOPA i o stałym impulsie), wanadanowe (Nd:YVO4) i Nd:YAG. Zależnie od typu lasera i pożądanego kontrastu można wykorzystać różne chemie do wywołania reakcji powierzchniowych: zwęglania (karbonizacji), spieniania (zmiany chemicznej) i zmiany koloru. Jakość oznaczenia zależy od pochłoniętej energii i unikalnej ścieżki degradacji termicznej materiału. Każdy gatunek polimeru, nawet w obrębie tej samej rodziny, może dawać inne wyniki. Ten sam laser wykona wszystkie reakcje powierzchniowe po zmianie ustawień w oprogramowaniu (moc, częstotliwość repetycji impulsów, prędkość znakowania). Lasery CO2 fali ciągłej (CW) mają długość fali 10,6 mikrona (daleka podczerwień), niższą moc szczytową i nie tworzą kontrastowych oznaczeń na tworzywach.

Czym różnią się lasery światłowodowe od laserów ze światłowodowym doprowadzeniem wiązki?

Nanosekundowe lasery iterbowe światłowodowe to jeden z najważniejszych przełomów w znakowaniu, spawaniu i cięciu. Zasadniczo lasery światłowodowe różnią się od innych laserów znakujących DPSS: ośrodek czynny generujący wiązkę jest rozproszony w specjalnym kablu światłowodowym. W odróżnieniu od laserów z doprowadzeniem światłowodowym cała droga wiązki — aż po optykę wyjściową — przebiega w światłowodzie. Ta całkowicie światłowodowa budowa w dużej mierze odpowiada za niezawodność i wytrzymałość tych laserów, co tłumaczy ich szybki rozwój.

Jak częstotliwość repetycji impulsów i moc szczytowa wpływają na znakowanie?

Częstotliwość repetycji impulsów i gęstość mocy szczytowej to krytyczne parametry formowania oznaczenia oraz osiągania optymalnego kontrastu i prędkości. Wysoka moc szczytowa przy niskiej częstotliwości gwałtownie podnosi temperaturę powierzchni, odparowując materiał przy minimalnym przewodzeniu ciepła w głąb podłoża. Wraz ze wzrostem repetycji niższa moc szczytowa daje minimalne odparowanie, ale przewodzi więcej ciepła. Krzywe mocy względem częstotliwości repetycji są odwrotnie proporcjonalne. Dodatkowe czynniki — prędkość wiązki i odstęp linii wektorowych — określają kontrast i jakość. Staranne dostrajanie i kontrola tych parametrów pozwalają tworzyć precyzyjne, wysokiej jakości oznaczenia na wielu tworzywach. To równowaga zależna od właściwości materiału, pożądanej głębokości oznaczenia i wymaganej prędkości. Dodanie absorberów laserowych do tworzywa znacząco poszerza zakres znakowalnych materiałów, poprawia jakość oznaczeń i rozszerza okno procesowe, zapewniając ich powtarzalność.

Czym jest irradiancja lasera?

Irradiancja lasera: to moc lasera na jednostkę powierzchni, mierzona w watach na centymetr kwadratowy (W/cm2). To w istocie natężenie wiązki, będące funkcją wielkości zogniskowanej plamki. Wielkość plamki dla danej ogniskowej soczewki i długości fali zależy od rozbieżności wiązki. Większa plamka to niższa gęstość energii. Wysoka irradiancja prowadzi do szybkiego nagrzewania i odparowania materiału, a zbyt niska może w ogóle nie zostawić widocznego śladu. Irradiancja wpływa na szybkość i jakość znakowania: wysoka przyspiesza proces, bo materiał szybko się nagrzewa i odparowuje, ale nadmierna może uszkodzić materiał (pęknięcia, przypalenia). Zbyt niska irradiancja oznacza wolne znakowanie lub brak widocznego oznaczenia.

Na natężenie wpływają:

• Częstotliwość impulsów (Hz, kHz) — częstotliwość repetycji
• Moc lasera (waty) — czym innym jest gęstość mocy W/cm2
• Wielkość plamki ogniskowej — zwana też średnicą ogniska
• Szerokość impulsu — czas między początkiem a końcem impulsu, mierzony w nano-, piko- lub femtosekundach. Czynnik kontroli gęstości energii, krytyczny dla optymalizacji procesu. Regulacja czasu trwania impulsu w laserach MOPA jest elastyczniejsza niż w laserach światłowodowych Q-switched (o stałym impulsie).

Czym jest fluencja lasera?

Fluencja lasera: to miara energii lasera na jednostkę powierzchni, zwykle w dżulach na centymetr kwadratowy (J/cm2). Fluencja określa ilość energii przekazywanej powierzchni materiału. Zbyt niska może w ogóle nie wpłynąć na materiał; zbyt wysoka — uszkodzić go ponad zamierzony efekt znakowania. Fluencja musi odpowiadać konkretnemu materiałowi: niektóre wymagają wyższej, by pochłonąć dość energii dla widocznego śladu, inne niższej, by uniknąć uszkodzeń. Od fluencji zależy też głębokość oznaczenia — na ogół wyższa fluencja daje głębsze oznaczenia.

Na fluencję wpływają:

• Natężenie wiązki
• Prędkość skanera
• Nakładanie się impulsów
• Średnica wiązki w ognisku

Jakie są zalety lasera MOPA wobec Q-switch o stałym impulsie?

Pojawienie się nanosekundowych laserów iterbowych o konstrukcji MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) to jeden z najważniejszych przełomów w laserowym znakowaniu tworzyw. Ta zmieniająca branżę konstrukcja dostarcza energię impulsową inaczej niż tradycyjne rezonatory lustrzane/Q-switch — wykorzystuje „przebiegi falowe" jako narzędzie do szybkiej obróbki i precyzyjnej kontroli impulsu. Wykres 1 pokazuje 40 różnokolorowych przebiegów impulsów laserów TRUMPF TruPulse Nano MOPA. Każdy kolor to odrębny przebieg MOPA, którym można równoważyć fluencję i irradiancję dla optymalnych wyników znakowania tworzyw. Jak przy wielu konkurujących technologiach, często dochodzi do nieporozumień i mimowolnego przekłamywania ważnej terminologii i cech wyróżniających.

Laser MOPA (schemat 1) wzmacnia modulowaną diodę laserową małej mocy klasy telekomunikacyjnej, by wytwarzać precyzyjne impulsy o dużej mocy. Dzięki wewnętrznemu generatorowi impulsów modulującemu diodę, laser może selektywnie ustawiać, utrzymywać lub regulować szerokość impulsu i wynikową energię w szerokim zakresie częstotliwości modulacji.

Schemat 1. Konstrukcja wzmacniacza światłowodowego Trumpf GTWave dla stałej jakości wiązki M2

Ta architektura skutecznie rozprzęga parametry lasera względem Q-switched i zapewnia lepszą optymalizację procesu oraz powtarzalność — lepsze i stabilniejsze wyniki znakowania. Standardowe konstrukcje MOPA mogą wykazywać podobne wahania jakości wiązki (M2) jak lasery Q-switched. TRUMPF, czołowy producent laserów światłowodowych, oferuje opatentowaną dwustopniową konstrukcję wzmacniacza GTWave, utrzymującą stałe M2 w całym specyfikowanym zakresie repetycji impulsów. W przeciwieństwie do MOPA, aktywnie przełączany laser Q-switched działa przez zakłócanie wzmocnienia w rezonatorze: pozwala ono na narastanie wzmocnienia we wzmacniaczu i emisję impulsów dużej mocy po usunięciu zakłócenia. Kluczowe parametry laserów Q-switched są ściśle sprzężone.

Prąd diody można zwiększać lub zmniejszać, zmieniając moc wyjściową. Wzrost częstotliwości repetycji powinien zwiększać moc średnią, ale w laserach Q-switched tak nie jest — moc impulsu spada. Wykres 2 pokazuje moc i częstotliwości repetycji w funkcji czasu. M2 (jakość wiązki) w laserach Q-switched może znacząco się zmieniać przy każdej zmianie mocy i częstotliwości repetycji. Wahanie M2 między 1,1 a 1,5 daje dwukrotną zmianę gęstości mocy w ognisku, co może diametralnie zmienić jakość znakowania tworzyw.

Schemat 2. Aktywnie przełączany laser światłowodowy Q-switched

Zastosowania znakowania laserowego nylonu

Tworzywa nylonowe mają szerokie zastosowanie: broń palna, motoryzacja, elektryka i elektronika, przemysł, materiały eksploatacyjne oraz sektor naftowo-gazowy. Najpopularniejsze i najtrudniejsze kontrasty to kryjąca biel na czerni, głęboka czerń na bieli i kryjąca biel na średnim błękicie.

Kontrast znakowania w głębokiej czerni (jet black). Nowy dodatek zgodny z FDA. Nie zawiera metali ciężkich — tlenków antymonowo-cynowych. Idealny dla zwierząt.

Powiązane artykuły centrum wiedzy

Znakowanie laserem światłowodowym tworzyw nylonowych (poliamidowych)

Znakowanie laserowe polimerów z włóknem szklanym — rola operacji formowania wtryskowego

Jak znakować tworzywo laserem? Znakowanie laserowe tworzyw z dodatkami laserowymi

Znakowanie laserowe i kody wizyjne dla bezpieczeństwa produktów i identyfikowalności

Kolorowy druk atramentowy i znakowanie laserowe tworzyw

Technologie druku cyfrowego dla tworzyw — kolorowy druk atramentowy i znakowanie laserowe

---