סימון בלייזר של PPS בלייזרי סיב

סימון בלייזר של PPS (פוליפנילן סולפיד) באמצעות לייזרי סיב

תקציר

סימון וחריטה על PPS (פוליפנילן סולפיד) הם משימה קשה מאוד, משום שהחומר עומד בטמפרטורות גבוהות כאשר הוא מחומם בלייזר. התקדמויות אחרונות בטכנולוגיית הצבענים, בשחור פחמן ייעודי ללייזר ובלייזרי סיב מאפשרות סימון בהיר, בעל ניגודיות גבוהה ועמיד בשריטות על PPS שחור מלא סיבי זכוכית, ובהסמכת Yellow Card. התקדמות משמעותית זו מאפשרת סימון ומיקרו-סימון של קודי Data Matrix, ברקודים, קודי QR וזיהוי ייחודי של חלקים במגזרים רבים, ובהם רכב, תעופה וחלל ואלקטרוניקה בתקני NASA MIL, משאבות ושסתומים, מכשירי חשמל ועוד. ההתקנה והאופטיקה של לייזרי סיב מסוג יטרביום מחייבות דיוק כדי להשיג סימון חזק ועמיד בשריטות.

נקודות מפתח

• PPS קשה לסימון משום שהוא עמיד בפני חום. יציבות בטמפרטורות גבוהות פירושה שקשה לעורר את תגובות פני השטח שיוצרות את הניגודיות.
• לייזרי סיב יטרביום מסוג MOPA הם הבחירה הנכונה, עם משכי פולס של 20–40 ns ותדר פולסים גבוה מ-100 kHz.
• בקרת טמפרטורת פני השטח היא שקובעת את העמידות בשריטות. זמני עלייה וירידה שגויים יגרמו לסימון להימחק בשפשוף.
• פני שטח עשירים בשרף הם תנאי הכרחי. הופעת זכוכית על PPS מלא ב-30–40% סיבי זכוכית מפיקה סימון נחות.
• יש להזריק בטמפרטורת תבנית של 275–300°F ומעלה לקבלת גיבוש מלא, אחרת החלק ישנה את מידותיו בעת השימוש.

סימון בלייזר מיטבי. כדי ליצור על PPS שחור מלא סיבי זכוכית סימון בהיר, בעל ניגודיות גבוהה ועמיד בשריטות, לייזרי סיב יטרביום מסוג MOPA הם הבחירה הטובה ביותר, משום שהם מאפשרים בקרה מדויקת על רוחב הפולס ועל צפיפות ההספק הממוקדת. דיוק זה מאפשר שליטה טובה יותר בתהליך ההקצפה הכימית של פני השטח באורך גל בתחום ה-IR הקרוב, 1060-1070nm. משך הפולס המיטבי הוא בין 20 ל-40 ננו-שניות, בתדר פולסים גבוה מ-100 קילוהרץ. נדרשת הגדרה מדויקת של הלייזר כדי לשלוט בטמפרטורת פני השטח (זמני עלייה וירידה); אחרת, ניתן לגרד את הסימון בקלות.

השגת סימון בלייזר באיכות גבוהה על פולימרים מלאי סיבי זכוכית, ובהם PPS, מחייבת תהליך הזרקה יציב וכן פיזור והתפלגות נכונים של צבענים מותאמי לייזר ושל חומרים מעורבבים מראש. הוספת סיבי זכוכית עלולה לפגוע בתהליכי ההזרקה, וכתוצאה מכך באיכות הסימון בלייזר. פני שטח עשירים בשרף הם תנאי הכרחי לסימון חזק. פני שטח עשירים בסיבי זכוכית יפיקו תוצאות סימון נחותות.

פוליפנילן סולפיד (PPS)

פוליפנילן סולפיד (PPS) הוא תרמופלסט הנדסי חצי-גבישי לטמפרטורות גבוהות. בתעשייה מוכר PPS כ"פלסטיק שמתפקד כמו מתכת". תכונותיו של PPS, בדומה לפלסטיקים אחרים בעלי ביצועים בטמפרטורות גבוהות ובהם PEEK ו-LCP, תלויות בהתנהגות ההתגבשות שלו. נמכרות שתי צורות נבדלות של PPS: מבנה מולקולרי "מסועף" (Branched) ומבנה "ליניארי" (Linear). בין המותגים המוכרים ביותר נמנים Celanese Fortron®, Solvay Ryton®, SABIC Supec, Toray Torelina ו-DIC PPS. הגרסה המסועפת נוטה להיות קשיחה יותר. הגרסה הליניארית מציעה בדרך כלל חוזק מכני וחוזק כפיפה טובים יותר, וכן יציבות התכה גבוהה יותר. ל-PPS ליניארי יש גם פחות זיהומים יוניים. סיבי זכוכית (30 אחוז ו-40 אחוז) ותערובות של סיבי זכוכית ומינרלים המוספים ל-PPS סטנדרטי מאפשרים יישומים ייעודיים ותובעניים. יצרני אלקטרוניקה בוחרים לרוב ב-PPS מלא ב-40 אחוז סיבי זכוכית עבור מוצרי בידוד ומחברים.

כדי להגיע למצב גבישי מלא נדרשות טמפרטורות תבנית של 275 עד 300 מעלות פרנהייט לפחות. כאשר PPS מוזרק מתחת ל-275 מעלות פרנהייט, החלקים המוזרקים הם אמורפיים או חצי-גבישיים ונשארים במצב זה עד שהם נחשפים לטמפרטורות שירות גבוהות יותר. אם טמפרטורת השירות עולה על טמפרטורת ההזרקה, החלקים יהפכו לגבישיים יותר, ותוצאת הדבר היא שינויים במידות ובתכונות.

החומרים המשמשים לייצור סיבי זכוכית הם סיליקה, אבן גיר ואפר סודה. הסיליקה היא החומר העיקרי שיוצר את הזכוכית, ואילו אפר הסודה ואבן הגיר משמשים להורדת טמפרטורת ההיתוך. "הופעת זכוכית" (glass emergence) היא פגם חמור בפני השטח, הפוגע לרוב במוצרים מוזרקים מלאי סיבי זכוכית. חשיפת סיבי הזכוכית יוצרת פני שטח עשירים בסיבי זכוכית. עודף זכוכית נוצר על פני השטח בעת מילוי ההתך וההזרקה. לאחר ההתעבות וההזרקה מופיעים סימנים לבנים על פני השטח. פני השטח של החלק המוזרק חייבים להיות "עשירים בשרף" כדי להפיק סימון באיכות גבוהה, שבו האנרגיה מהלייזר מגיבה עם מטריצת הפולימר. לעומת זאת, פני שטח עשירים בסיבי זכוכית מסומנים בצורה גרועה, והבעיה מחריפה ככל שתכולת הסיבים גבוהה יותר. סיבי הזכוכית עצמם אינם בולעים טובים של אור לייזר בתחום ה-IR הקרוב (NIR).

לייזרי סיב תעשייתיים

לייזרי סיב יטרביום ברמת הננו-שנייה (MOPA ופולס קבוע) אידיאליים לסימון, לחריטה ולצריבה של פלסטיק, הודות לאיכות האלומה המעולה שלהם (M2) ולבהירות הגבוהה ("radiance"). הם מסוגלים להתמקד לגודל נקודה קטן (פחות מ-20 מיקרון), ומכאן צפיפות אנרגיה גבוהה. יתרון משמעותי בשימוש בלייזרי MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) הוא היכולת לכוונן במדויק את רוחב הפולס. עוצמת ההקרנה של הלייזר (W/cm2) והפלואנס (J/cm2) הם פרמטרים חשובים בסימון פלסטיק. עוצמת ההקרנה היא למעשה עוצמת אלומת הלייזר, שהיא פונקציה של גודל הנקודה הממוקדת. הפלואנס קובע את כמות האנרגיה המועברת אל פני השטח של החומר. אם הפלואנס נמוך מדי, ייתכן שהחומר לא יושפע כלל. אם הוא גבוה מדי, החומר עלול להינזק במידה מופרזת, מעבר לאפקט הסימון הרצוי.

קצב חזרת הפולסים של הלייזר וצפיפות הספק השיא הם קריטיים ליצירת הסימון ולהשגת הניגודיות והמהירות המיטביות. עקומות ההספק מול קצב חזרת הפולסים הן ביחס הפוך. הספק שיא גבוה בתדר נמוך מעלה במהירות את טמפרטורת פני השטח ומאדה את החומר, תוך הולכת חום מזערית אל תוך המצע. ככל שקצב חזרת הפולסים עולה, הספק שיא נמוך יותר מפיק אידוי מזערי אך מוליך יותר חום.

פנו אל The SABREEN Group למידע נוסף — הביאו אלינו את אתגרי סימון הלייזר הקשים ביותר שלכם!

שאלות נפוצות

מדוע כה קשה לסמן PPS בלייזר?

PPS הוא תרמופלסט חצי-גבישי לטמפרטורות גבוהות, העומד בחום שהלייזר מפעיל, ולכן קשה הרבה יותר לעורר את תגובות הפחמון וההקצפה שיוצרות ניגודיות בפלסטיק רגיל. המילוי בסיבי זכוכית, הנפוץ בחלקי PPS, מחמיר את הבעיה.

אילו הגדרות לייזר מפיקות סימון עמיד בשריטות על PPS שחור מלא סיבי זכוכית?

לייזר סיב יטרביום מסוג MOPA עם משך פולס של בין 20 ל-40 ננו-שניות ותדר פולסים גבוה מ-100 kHz. ההגדרה המדויקת היא שקובעת את זמני העלייה והירידה של טמפרטורת פני השטח; ללא בקרה זו הסימון נשרט בקלות.

האם תכולת הזכוכית משפיעה על איכות הסימון על PPS?

במידה ניכרת. סיבי זכוכית אינם בולעים קרינת IR קרובה, ולכן פני שטח עשירים בזכוכית מסומנים בצורה גרועה, והבעיה מחריפה ככל שתכולת הסיבים עולה. מחברים באלקטרוניקה מיוצרים לרוב מ-PPS מלא ב-40% סיבי זכוכית, ולכן יצירת פני שטח עשירים בשרף היא עדיפות בתהליך ההזרקה.

איזו טמפרטורת תבנית נדרשת ל-PPS?

לפחות 275 עד 300°F כדי להגיע למצב גבישי מלא. חלקים המוזרקים מתחת לטמפרטורה זו נשארים אמורפיים או חצי-גבישיים, ויתגבשו בשלב מאוחר יותר אם טמפרטורת השירות תעלה על טמפרטורת ההזרקה, ותגרום לשינויים במידות ובתכונות.

מה ההבדל בין PPS ליניארי ל-PPS מסועף?

PPS מסועף נוטה להיות קשיח יותר. PPS ליניארי מציע בדרך כלל חוזק מכני וחוזק כפיפה טובים יותר, יציבות התכה גבוהה יותר ופחות זיהומים יוניים.

Scott R. Sabreen הוא מייסד ונשיא The Sabreen Group, Inc., חברת הנדסה המתמחה בתהליכי עיבוד משני של פלסטיק — טיפול מקדים בפני השטח, הדבקה, עיטור וגימור, סימון בלייזר ואבטחת מוצר. הוא מפתח טכנולוגיות חדשות ופותר בעיות ייצור מזה למעלה מ-30 שנה. ניתן ליצור קשר עם Sabreen בטלפון 972.820.6777, באתר www.sabreen.com או בכתובת https://sabreen.com/solutions/plastics-laser-marking/

---