Podstawy materiałoznawstwa w znakowaniu laserowym tworzyw sztucznych

Podstawy materiałoznawstwa w znakowaniu laserowym tworzyw sztucznych

Postępy w bezpośrednim znakowaniu laserowym tworzyw sztucznych zapewniają dotychczas nieosiągalną jakość, kontrast i szybkość znakowania. Przy prawidłowym zastosowaniu znakowanie laserowe daje liczne korzyści produkcyjne i podnosi wartość wyglądu oraz funkcji wyrobu. Najnowsza generacja materiałoznawstwa tworzyw sztucznych i systemów laserowych napędza silny popyt przemysłu na trwałe znakowanie laserowe jako alternatywę dla konwencjonalnego druku atramentowego. Niniejszy artykuł przedstawia podstawowe pojęcia i informacje dotyczące reakcji chemicznych między polimerami, dodatkami do znakowania laserowego a określonymi długościami fali światła laserowego (emitowanego przez różne źródła laserowe).

Praktycy często zakładają, że dodatki do znakowania laserowego są niezbędne w każdym zastosowaniu znakowania laserowego tworzyw sztucznych. Jednak w zależności od rodzaju znakowanego tworzywa oraz wymagań końcowego zastosowania w zakresie kontrastu i ostrości cienkich linii nie zawsze trzeba stosować receptury zoptymalizowane pod kątem lasera. Wymaganą zdolność do znakowania można często uzyskać przez właściwy dobór długości fali i rodzaju lasera. O wyniku decydują takie czynniki, jak: a) konkretny gatunek i właściwości żywicy; b) rodzaj lasera (długość fali, jakość wiązki, tryb wyjściowy, konfiguracja optyczna, gęstość mocy, moc szczytowa i średnia, prędkość znakowania); c) składniki barwiące i wypełniacze; d) połysk i faktura powierzchni; oraz e) zawartość regranulatu. Związki barwiące, takie jak TiO2 i sadza, wykazują pewien stopień absorpcji przy określonych długościach fali. Znaczenie ma także wielkość cząstek i głębia czerni tych związków. Ponadto poszczególne gatunki żywic, nawet w obrębie tej samej rodziny, mogą dawać bardzo różne wyniki, np. styreny.

Z drugiej strony często pomijaną korzyścią przy rozważaniu zastosowania dodatków laserowych jest to, że zoptymalizowane receptury mogą zwiększyć szybkość znakowania, a nie tylko kontrast i jakość znaku dekoracyjnego lub funkcjonalnego. Stosowanie dodatków laserowych niemal zawsze skraca czas cyklu znakowania i pozwala użyć lasera o niższej mocy. Czynniki te ostatecznie obniżają koszty i zwiększają wydajność produkcji.

Opracowanie optymalnej receptury materiałowej do znakowania laserowego tworzyw sztucznych wymaga wiedzy z zakresu polimerów, gatunków właściwościowych w obrębie rodzin polimerowych, barwników, pigmentów i barwników rozpuszczalnych w odniesieniu do rozpuszczalności, wielkości cząstek, progowych limitów stężenia, dopasowania koloru przy stosowaniu z dodatkami laserowymi oraz certyfikatów regulacyjnych (GRAS, FDA – kontakt bezpośredni i pośredni z żywnością). Rozwiązania materiałowe muszą być opłacalne, łatwe w użyciu i nie mogą negatywnie wpływać na właściwości fizyczne i chemiczne wyrobów z polimerów. Chemicy i technolodzy receptur muszą zatem dysponować rozległą wiedzą o różnych technologiach laserowych, aby zapewnić niezawodne znakowanie przy dużych prędkościach produkcji.

Artykuł dotyczy laserów z wychylaną wiązką pracujących w zakresie od 1060 do 1070 nm. Obejmuje to lasery Nd:YAG (pompowane lampą łukową i diodowo), wanadanowe oraz światłowodowe. Tradycyjne lasery „YAG” są od dziesięcioleci najpopularniejsze w znakowaniu laserowym ze względu na długość fali emisji, osiągi mocy i ogromną wszechstronność. Lasery wanadanowe i światłowodowe to znacznie nowsze technologie, a ich wybór jest często bardziej zależny od konkretnego zastosowania. W odpowiednich zastosowaniach mogą jednak zapewnić doskonałe rezultaty.

Podstawowy mechanizm znakowania laserem z wychylaną wiązką przy długości fali od 1060 do 1070 nm polega na naświetlaniu polimeru źródłem promieniowania o wysokiej energii (laserem). Energia promieniowania jest pochłaniana lokalnie przez materiał i zamieniana na energię cieplną, która z kolei wywołuje w materiale reakcje. W zakresie bliskiej podczerwieni możliwe są co najmniej trzy rodzaje reakcji: 1) zwęglenie; 2) ablacja; 3) zmiana chemiczna. W zależności od oczekiwanego kontrastu znaku można dobrać zupełnie różne układy chemiczne i parametry systemu laserowego, aby uzyskać preferowany rodzaj reakcji. Wbrew powszechnemu przekonaniu nie istnieje jeden dodatek laserowy rozwiązujący wszystkie problemy ze znakowaniem!

Reakcja zwęglenia zachodzi, gdy pochłonięta energia podnosi temperaturę materiału wokół miejsca absorpcji do poziomu wystarczającego do degradacji termicznej polimeru. W obecności tlenu prowadzi to do spalenia polimeru, jednak wewnątrz obrabianego elementu ograniczony dostęp tlenu powoduje zwęglenie polimeru i powstanie czarnego znaku. Ciemność znaku zależy od pochłoniętej energii oraz od ścieżki degradacji termicznej materiału.

Ablacja zachodzi, gdy polimer zostaje ogrzany na tyle, że ulega degradacji, a produkty uboczne degradacji odparowują, tworząc wytrawiony obszar. Ten rodzaj znakowania zazwyczaj daje znaki o niskim kontraście. Dla porównania, lasery CO₂ pracy ciągłej (CW) działają na długości fali 10,6 µm (daleka podczerwień). Lasery CO₂ CW generują znacznie niższą moc szczytową i zazwyczaj nie pozwalają uzyskać znaków o wysokim kontraście na większości tworzyw sztucznych.

Zmiana chemiczna, wywołana przez dodatki uwalniające parę wodną podczas rozkładu, powoduje spienienie polimeru. W trakcie spieniania energia lasera jest pochłaniana przez dodatek znajdujący się w bezpośrednim sąsiedztwie środka spieniającego. Ciepło z absorbera powoduje rozkład środka spieniającego i uwolnienie pary. Przykładami środków spieniających są wodorotlenek glinu lub różne węglany. Aby zapobiec zwęgleniu, mechanizm wymaga, by polimer ulegał degradacji w temperaturze wyższej niż dodatek spieniający. Dzięki ścisłej kontroli parametrów pracy lasera można uzyskać jasne znaki wysokiej jakości na ciemnych podłożach. Słaba kontrola lasera może skutkować powstaniem kruchego znaku lub znaku o niskim kontraście.

Kolejna metoda znakowania laserowego polega na wykorzystaniu energii lasera bliskiej podczerwieni do ogrzania lub rozkładu jednego barwnika w mieszaninie barwników, co powoduje zmianę koloru. Przykładem jest mieszanina sadzy i stabilnego barwnika nieorganicznego. Po ogrzaniu sadza zostaje usunięta, a barwnik nieorganiczny pozostaje. Takie mieszane układy barwników zależą od stabilności poszczególnych barwników i nie wszystkie zmiany koloru są możliwe.

Podsumowując, należy pamiętać, że nie wszystkie lasery z wychylaną wiązką są sobie równe. Sama chemia materiałowa nie rozwiąże wszystkich problemów z jakością znakowania. Komponenty sprzętowe i programowe stosowane przez producenta lasera w jego urządzeniach mają istotny wpływ na jakość, szybkość i wszechstronność znakowania. Przy zakupie urządzeń laserowych warto pamiętać, że nie istnieje jedno uniwersalne rozwiązanie. Każde zastosowanie jest wyjątkowe ze względu na skład i kolor podłoża z żywicy oraz oczekiwany kontrast znaku („ciemny na jasnym”, „jasny na ciemnym” lub „kolor niestandardowy”). Współczesne osiągnięcia w materiałoznawstwie polimerów i falowodach laserowych są skokiem jakościowym w porównaniu z tym, co jeszcze kilka lat temu uważano za niemożliwe.

Najważniejsze wnioski

• Znakowanie jest reakcją chemiczną między polimerem, ewentualnym dodatkiem laserowym i określoną długością fali źródła laserowego.
• Dodatki nie zawsze są wymagane — to częste założenie, które warto sprawdzić dla danego materiału, zamiast przyjmować je bez weryfikacji.
• Znakowanie laserowe jest alternatywą dla konwencjonalnego druku atramentowego, a materiałoznawstwo sprawia, że jest to rozwiązanie opłacalne.
• Długość fali należy dopasować do materiału, a nie dobierać według dostępności urządzeń.
• Prawidłowo zastosowane znakowanie zwiększa wartość wyglądu i funkcji wyrobu, a nie służy wyłącznie identyfikacji.

Najczęściej zadawane pytania

Czy wszystkie tworzywa sztuczne wymagają dodatku laserowego do znakowania?

Nie, a jest to częste założenie, które warto zweryfikować. Praktycy często zakładają, że dodatki są zawsze potrzebne, jednak konieczność ich użycia zależy od polimeru, zawartych w nim barwników i wypełniaczy oraz długości fali stosowanego źródła laserowego.

Co właściwie tworzy znak?

Reakcja chemiczna między polimerem, obecnymi dodatkami laserowymi i określoną długością fali światła laserowego emitowanego przez źródło. Zrozumienie tej interakcji pozwala przewidzieć, czy dana kombinacja materiału i lasera zapewni użyteczny znak.

Dlaczego znakowanie laserowe zastępuje konwencjonalny druk atramentowy?

Ponieważ najnowsza generacja materiałoznawstwa tworzyw sztucznych i urządzeń laserowych zapewnia dotychczas nieosiągalną jakość, kontrast i szybkość znakowania, bez materiałów eksploatacyjnych w postaci tuszów i rozpuszczalników. Prawidłowo zastosowane przynosi korzyści produkcyjne i podnosi wartość wyglądu oraz funkcji wyrobu.

Czy rodzaj źródła lasera zmienia wynik?

Tak. Różne źródła laserowe emitują różne długości fali, a reakcje chemiczne między polimerami, dodatkami i światłem lasera zależą od długości fali. Wybór źródła jest zatem decyzją materiałoznawczą, a nie tylko sprzętową.

Od czego należy zacząć projekt znakowania laserowego?

Od materiału. Ustalenie, jak konkretny gatunek polimeru, jego barwniki i dodatki reagują na rozważane długości fali, determinuje wszystko, co następuje później: czy dodatki są potrzebne, jaki kontrast można osiągnąć i jaka prędkość jest realna.

Scott R. Sabreen jest założycielem i prezesem The Sabreen Group, Inc., firmy inżynieryjnej specjalizującej się we wtórnych procesach przetwórstwa tworzyw sztucznych: znakowaniu laserowym, obróbce wstępnej powierzchni, łączeniu, zdobieniu i wykańczaniu oraz bezpieczeństwie produktu. Sabreen opracowuje pionierskie technologie i rozwiązuje problemy produkcyjne od ponad 30 lat. Można się z nim skontaktować pod numerem 972.820.6777 lub odwiedzając stronę www.sabreen.com albo www.plasticslasermarking.com.

---