Laser światłowodowy umożliwia znakowanie zaawansowanych tworzyw sztucznych

Laser światłowodowy umożliwia znakowanie zaawansowanych tworzyw sztucznych

Przełomowe dodatki wprowadzane do polimerów zatwierdzone przez FDA, mieszane z polimerem podczas przetwarzania pierwotnego, optymalizują znakowanie tworzyw sztucznych. Do istotnych korzyści należą duża prędkość, doskonały kontrast i oszczędności kosztów. Nowe dodatki chemiczne mogą dawać kontrast głęboko czarny, jasny i w kolorach na zamówienie, zarówno w procesie „w locie”, jak i w operacjach wtórnych. Zaprojektowane z myślą o przystępnych cenowo laserach światłowodowych iterbowych, bezatramentowe znakowanie laserowe w linii zastępuje dziś tradycyjny druk rotograwiurowy i tampondruk.

Najważniejsze wnioski

• Większość polimerów nie absorbuje promieniowania bliskiej podczerwieni, więc to dodatki w ogóle umożliwiają znakowanie w zakresie 1060–1080 nm.
• Dodatki niezawierające metali ciężkich, zatwierdzone przez FDA i EFSA, zapewniają wysoki kontrast bez zmiany przejrzystości, transmisji widmowej ani właściwości fizycznych.
• Dodatki skracają czas znakowania o 20% lub więcej w porównaniu z niezoptymalizowanymi formulacjami, co szybko rekompensuje ich koszt.
• MOPA przewyższa Q-switched pod względem częstotliwości powtarzania – do 500 kHz wobec około 80 kHz – a krótkie impulsy poniżej 40 ns nadają się do wrażliwych polimerów.
• Prędkości znakowania „w locie” sięgają 2000 sztuk/min na zamknięciach oraz 500 ft/min i więcej na liniowych wyrobach wytłaczanych.

Najczęściej zadawane pytania

Jaki poziom dodatku laserowego jest wymagany?

Od 0,01% do 4,0% wagowo w gotowym wyrobie, w zależności od dodatku i polimeru. Granulat miesza się bezpośrednio z żywicą; proszek najpierw przekształca się w masterbatch. Prekomponowany materiał barwiony zapewnia lepszą jednorodność niż koncentrat barwiący w wytłaczaniu, wtryskiwaniu i termoformowaniu.

Czy dodatki laserowe wpływają na przejrzystość lub właściwości fizyczne?

Prawidłowo sformułowane dodatki nie wpływają. Przejrzystość polimeru, transmisja widmowa i podstawowe właściwości fizyczne pozostają bez zmian, dzięki czemu znakowanie polimerów przezroczystych i półprzezroczystych jest praktyczne bez pogarszania jakości produktu.

Jak szybko może faktycznie pracować znakowanie laserowe „w locie”?

Prędkości znakowania korków do wina z syntetycznych poliolefin oraz nadruków promocyjnych pod zakrętką na zamknięciach napojów bez wkładki uszczelniającej sięgają 2000 sztuk na minutę dla tekstu alfanumerycznego i grafiki. Liniowe znakowanie tekstu i kodów wizji maszynowej osiąga 500 ft/min i więcej.

Czym różnią się lasery światłowodowe Q-switched i MOPA?

Lasery światłowodowe Q-switched pracują zwykle z impulsami 100–120 ns, a częstotliwość powtarzania ogranicza je do około 80 kHz sama technologia Q-switching. Modulowane bezpośrednio lasery MOPA pracują do 500 kHz przy impulsach nanosekundowych, a wyższe częstotliwości powtarzania zazwyczaj oznaczają szybsze znakowanie.

Czy te dodatki są dopuszczone do kontaktu z żywnością i wyrobów medycznych?

Określone dodatki mają zatwierdzenie FDA do kontaktu z żywnością i opakowań żywności w warunkach A–H z 21 CFR 178.3297 (Colorants for Polymers), z równoważnymi oświadczeniami zgodności UE. Dalsza kwalifikacja gotowego wyrobu może zapewnić biozgodność wyrobów medycznych. Certyfikacja zależy od rodzaju polimeru, progu udziału oraz kontaktu bezpośredniego lub pośredniego.

Zastosowania produktowe

Przezroczyste, półprzezroczyste i nieprzezroczyste barwne polimery, w tym nylony, politereftalan etylenu (PET), poliwęglany, poliolefiny, polichlorek winylu (PVC), styreny oraz elastomery termoplastyczne (TPU) i termoplastyczne poliuretany (TPE), są specjalnie formułowane z użyciem niezawierających metali ciężkich dodatków zatwierdzonych przez FDA/Europejski Urząd ds. Bezpieczeństwa Żywności (EFSA), aby uzyskać wysoką jakość kontrastu znakowania (zob. rysunek 1). Przejrzystość polimeru, transmisja widmowa i podstawowe właściwości fizyczne nie ulegają zmianie. Bezdotykowe cyfrowe znakowanie laserowe zastępuje kosztowne etykiety samoprzylepne i chemiczne procesy druku atramentowego. Efektem jest opłacalne, przyjazne środowisku i estetycznie doskonałe rozwiązanie.

Mechanizm reakcji znakowania laserowego polimerów

Postęp w formułowaniu dodatków chemicznych do laserów bliskiej podczerwieni (NIR, długość fali 1060–1080 nm) polega na ich zgodności z laserami światłowodowymi iterbowymi, wanadanowymi i wcześniejszymi laserami Nd:YAG. Większość polimerów bez dodatków chemicznych nie wykazuje absorpcji NIR¹. Polimery, które można znakować laserem, to te, które pochłaniają światło lasera i zamieniają energię świetlną w cieplną. Specjaliści stosują dodatki, wypełniacze, pigmenty i barwniki, aby zwiększyć absorpcję energii lasera i uzyskać lokalne zmiany koloru. W zależności od oczekiwanego kontrastu znakowania i funkcjonalności stosuje się bardzo różne chemie formulacji oraz układy optyczne i parametry ustawień lasera.

Najczęstszym mechanizmem reakcji powierzchniowej jest termiczna „karbonizacja” lub „zwęglanie”, w którym energia pochłonięta w podłożu podnosi lokalną temperaturę materiału wokół miejsca absorpcji na tyle, aby spowodować termiczną degradację polimeru. O ciemności lub jasności znaku decyduje pochłonięta energia oraz właściwa dla materiału ścieżka degradacji termicznej. Dzięki optymalizacji ustawień lasera pozostałości karbonizacji na powierzchni są minimalne.

Dodatki laserowe

Dodatki do laserów bliskiej podczerwieni poprawiają stopień kontrastu, który można dodatkowo zwiększyć, zmieniając parametry ustawień lasera. Polimery mają wrodzone cechy dające „ciemny” lub „jasny” kontrast znakowania. Niektóre związki barwiące zawierające niewielkie ilości dwutlenku tytanu (TiO2) i sadzy technicznej również mogą pochłaniać światło lasera, a w niektórych przypadkach poprawiać kontrast znakowania. Każdy gatunek polimeru, nawet w obrębie tej samej rodziny, może dawać inne wyniki. Formulacje dodatków nie mogą być toksyczne ani niekorzystnie wpływać na wygląd produktu ani jego właściwości fizyczne lub funkcjonalne.

W porównaniu z procesami druku atramentowego (tampondruk/sitodruk i druk atramentowy) dodatki laserowe pozwalają oszczędzać koszty i mogą zapewnić o 20% i więcej szybsze znakowanie w porównaniu z materiałami niezoptymalizowanymi. Dodatki laserowe dostarcza się w postaci granulatu i proszku. Granulat można mieszać bezpośrednio z żywicą polimerową, a proszek przekształca się w masterbatch. Większość łatwo dysperguje się w polimerach. W zależności od dodatku i polimeru stężenie wagowe (w gotowym wyrobie) mieści się w zakresie od 0,01 do 4,0%.

Zarówno granulat, jak i proszek można mieszać z prekomponowanym materiałem barwionym lub koncentratem barwiącym. Wybór dodatku zależy od składu polimeru, koloru podłoża, oczekiwanego koloru kontrastu znakowania i wymagań certyfikacyjnych dla końcowego zastosowania. W wytłaczaniu, wtryskiwaniu i termoformowaniu materiały prekomponowane z barwnikiem zapewniają lepszą jednorodność niż koncentrat barwiący. Należy unikać mieszania ręcznego. Ważne czynniki to przepływ w formie oraz typ i położenie wlewu. Jednorodny rozkład/dyspersja dodatków laserowych w całym wyrobie ma kluczowe znaczenie dla optymalnej jakości znakowania.

Niektóre dodatki zawierają mieszaniny tlenku cyny domieszkowanego antymonem i trójtlenku antymonu, które mogą nadawać „szarawy” odcień naturalnej (niebarwionej) nieprzezroczystości podłoża. Inne dodatki mogą zawierać cząstki aluminium, mieszane tlenki metali i związki własnościowe. Korekty koloru wykonuje się za pomocą pigmentów i barwników, aby uzyskać ostateczny wygląd dopasowanego koloru. Dostępne w handlu, określone dodatki (stosowane też w spawaniu laserowym) uzyskały zatwierdzenie FDA do kontaktu z żywnością i opakowań żywności w warunkach A–H z 21 CFR 178.3297 – Colorants for Polymers. W Unii Europejskiej istnieją podobne oświadczenia zgodności. Warunki certyfikacji zależą od rodzaju polimeru, progu poziomu udziału oraz kontaktu bezpośredniego lub pośredniego. Dalsza kwalifikacja dodatków zatwierdzonych przez FDA, wmieszanych do „wyrobu końcowego”, może zapewnić biozgodność wyrobów medycznych².

Nanosekundowa technologia laserów światłowodowych iterbowych

Postęp w technice laserowej odegrał kluczową rolę w szybkim rozwoju najnowszej generacji dodatków laserowych zatwierdzonych przez FDA. Pojawienie się nanosekundowych laserów światłowodowych iterbowych jest jednym z najważniejszych osiągnięć w znakowaniu, spawaniu i cięciu.

Zasadniczo lasery światłowodowe różnią się od innych laserów półprzewodnikowych pompowanych diodowo (DPSS) do znakowania. W laserach światłowodowych ośrodek czynny generujący wiązkę lasera jest rozproszony w specjalnym kablu światłowodowym. W odróżnieniu od laserów z dostarczaniem światłowodem cała droga wiązki przebiega w kablu światłowodowym aż do optyki dostarczającej wiązkę. Ta konstrukcja całkowicie światłowodowa w dużej mierze odpowiada za niezawodność i wytrzymałość tych laserów, co tłumaczy ich szybki wzrost.

Lasery światłowodowe zapewniają lepszą jakość wiązki (M2) i jasność w porównaniu z laserami Nd:YAG. Laser o lepszej jakości wiązki można skupić na małej plamce, co daje dużą gęstość energii. Lasery światłowodowe MOPA (master oscillator power amplifier) o stałej i zmiennej długości impulsu, z energią impulsu do 1 mJ i dużą gęstością mocy, mogą znakować wiele polimerów historycznie trudnych (zob. rysunek 2)³.

Lasery wanadanowe również mają niską wartość M2 i krótszy czas impulsu niż lasery światłowodowe o stałym impulsie i lasery YAG. Czas trwania impulsu wpływa na stopień nagrzania i karbonizacji materiału. Krótkie impulsy, zwykle <40 ns, umożliwiają bardziej kontrolowany dopływ energii podczas obróbki wrażliwych materiałów polimerowych. Impulsy te nadal mają moc szczytową wystarczającą do pokonania progów materiału, lecz mają mniejszą energię impulsu, co ogranicza miejscowe uszkodzenia termiczne.

IPG Photonics, wiodący producent i deweloper wysokowydajnych laserów światłowodowych, oferuje zarówno lasery serii YLP o stałym impulsie (czasami nazywane „Q-switch”), jak i lasery YLPN (MOPA) o zmiennym krótkim impulsie. Lasery światłowodowe Q-switched, zwykle z impulsem 100–120 ns, są stosowane w niektórych zastosowaniach znakowania, lecz ich częstotliwość powtarzania jest ograniczona do około 80 kHz z powodu wrodzonego ograniczenia technologii Q-switching. Modulowane bezpośrednio lasery światłowodowe MOPA (DM-MOPA) mogą pracować z częstotliwością powtarzania do 500 kHz przy impulsach nanosekundowych. Wysokie częstotliwości powtarzania zazwyczaj przekładają się na większą prędkość znakowania (w połączeniu z innymi parametrami lasera/falowodu).

Rozwój zastosowań jest wysoce specyficzny, ponieważ nie istnieje uniwersalne rozwiązanie laserowe. Lasery MOPA o krótkim czasie impulsu mogą w pełni wykorzystać potencjał wrażliwych dodatków chemicznych zatwierdzonych przez FDA. Lokalna kontrola przestrzenna i czasowa dopływu ciepła lasera oraz szybkości jego dopływu umożliwia maksymalną wydajność. Wybór typu lasera do integracji zależy od charakterystyki wyjściowej lasera oddziałującego ze zoptymalizowanym materiałem polimerowym. RYSUNEK 3 przedstawia czasowe kształty impulsów laserów światłowodowych iterbowych o stałej i zmiennej (MOPA) długości impulsu [3].

Przy ustawianiu lasera światłowodowego o stałej długości impulsu do znakowania należy ustawić dwa parametry:

• Częstotliwość powtarzania impulsów (często nazywaną częstotliwością impulsów) oraz
• Moc pompy w procentach – 100% oznacza maksymalny możliwy pobór elektryczny diod pompujących.

Przy ustawianiu lasera światłowodowego MOPA o zmiennym krótkim impulsie do znakowania ustawia się trzy parametry:

• Czas trwania impulsu (często nazywany długością impulsu);
• Częstotliwość powtarzania impulsów (częstotliwość impulsów) oraz
• Moc pompy w procentach, jak wyjaśniono powyżej.

W obu przypadkach określona kombinacja parametrów wejściowych steruje właściwościami wyjściowymi wiązki lasera, a mianowicie energią impulsu, mocą szczytową (najwyższa chwilowa wartość szczytowa energii impulsu, dżule/czas trwania impulsu) oraz mocą średnią (moc średnia w watach = energia impulsu w dżulach × częstotliwość powtarzania impulsów w hercach).

Znakowanie laserowe „w locie”

Znakowanie laserowe „w locie” jest jednym z najbardziej wyspecjalizowanych zastosowań na wyrobach formowanych i wytłaczanych, takich jak przewody/kable, rury i węże. Prędkości znakowania korków do wina z syntetycznych poliolefin oraz nadruków promocyjnych pod zakrętką na zamknięciach napojów bez wkładki uszczelniającej sięgają 2000 sztuk/min dla tekstu alfanumerycznego i grafiki (zob. rysunek 4). Prędkości znakowania liniowego tekstu i kodów wizji maszynowej mogą wynosić 500 ft/min i więcej, gdzie znakowanie laserowe bez atramentu zastępuje dziś druk rotograwiurowy i tampondruk.

Prędkość znakowania zależy od wielu zmiennych, w tym rodzaju polimeru, koloru podłoża, rodzaju dodatku laserowego i poziomu udziału, rozmiaru (masy) kabla, typu i mocy lasera, oprogramowania, liczby znaków alfanumerycznych, wysokości tekstu, długości ciągu tekstu, odstępu między znakami, kodu kreskowego/Data Matrix, logo/grafiki, czcionek jednoliniowych lub wypełnionych typu true-type, kierunku wypełnienia oraz tekstu ciągłego lub powtarzanego. Zastosowanie odpowiednio sformułowanego dodatku barwiącego zapewni, że „gęstość mocy” na powierzchni znaku nie będzie czynnikiem ograniczającym. Zamiast tego galwanometry sterujące wiązką będą pracować z maksymalną prędkością.

Ze względu na złożoność czynników wpływających na możliwości znakowania „w locie” w produkcji każde zastosowanie należy dokładnie przeanalizować. Istnieje niewiele reguł, jeśli w ogóle, które można ekstrapolować. Dla ogólnej orientacji można jednak rozważyć następujący przykład z polimerem nylonowym: laser światłowodowy 50 W, soczewka pola płaskiego 254 mm, 100 znaków alfanumerycznych, wysokość 2 mm, długość powtarzanego ciągu tekstu 14,68 cala i czas znakowania 0,232 s. Obliczona prędkość wynosi około 315 stóp bieżących/min.

Systemy urządzeń laserowych

Komponenty sprzętowe i programowe, które producent lasera włącza do swoich systemów, mają istotny wpływ na kontrast, jakość i prędkość znakowania. Podstawowym atrybutem jest gęstość mocy (W/cm2) na powierzchni znaku (która różni się od surowej mocy wyjściowej lasera). Tryb wyjściowy wiązki lasera ma kluczowe znaczenie dla jakości znakowania. Tryby te wiążą się z czynnikami takimi jak rozbieżność wiązki i rozkład mocy na średnicy wiązki lasera.

Gęstość mocy zależy od wielkości skupionej plamki lasera. Wielkość skupionej plamki lasera dla danej ogniskowej soczewki i długości fali lasera zależy od rozbieżności wiązki lasera, którą kontrolują konfiguracja lasera, wielkość apertury wybierającej tryb oraz powiększenie kolimatora (poszerzacza wiązki). Częstotliwość powtarzania impulsów i szczytowa gęstość mocy są parametrami krytycznymi w tworzeniu znaku oraz uzyskiwaniu optymalnego kontrastu i prędkości. Krzywe arytmetyczne mocy w funkcji częstotliwości powtarzania impulsów są odwrotnie proporcjonalne. Wysoka moc szczytowa przy niskiej częstotliwości szybko podnosi temperaturę powierzchni, odparowując materiał i przewodząc minimalną ilość ciepła w głąb podłoża. Wraz ze wzrostem częstotliwości powtarzania mniejsza moc szczytowa powoduje minimalne odparowanie, lecz przewodzi więcej ciepła. Dodatkowymi czynnikami wpływającymi na kontrast i jakość znakowania są oczywiście prędkość wiązki i odległość między liniami wektorowymi.

Podsumowanie

Przełomowe dodatki laserowe zatwierdzone przez FDA, wprowadzone do polimerów, zapewniają doskonały kontrast znakowania, szczegółowość krawędzi linii i prędkość. Wyroby zawierające dodatki wzmacniające działanie lasera zapewniają o 20% i więcej szybsze znakowanie. Korzyści szybko rekompensują dodatkowy koszt materiału dodatku. Kluczową rolę odegrał postęp w przystępnych cenowo nanosekundowych laserach światłowodowych iterbowych. Znakowanie laserowe w linii, „w locie”, zastępuje dziś druk rotograwiurowy i tampondruk. Zoptymalizowana chemia materiałowa dla znakowania laserowego tworzyw sztucznych wymaga wiedzy o polimerach, barwnikach, pigmentach i barwnikach rozpuszczalnych w zakresie rozpuszczalności, wielkości cząstek, progowych limitów stężenia, dopasowania koloru i certyfikacji regulacyjnych (GRAS, FDA – kontakt bezpośredni/pośredni z żywnością). Nie wszystkie lasery światłowodowe są sobie równe.

Podziękowania i źródła

Autor dziękuje BASF Corporation za Mark-it Laser Marking Pigment Technical Bulletin 2002, z merytorycznym wkładem The Sabreen Group; Bruce'owi Mulhollandowi z Hoechst Technical Polymers i The Sabreen Group za „Enlightened laser marking”, Lasers & Optronics (lipiec 1997); oraz Danielowi S. Burgessowi z Baasel Lasertechnik GmbH i The Sabreen Group za „Laser marking: A clean economical packaging solution”, Photonics Spectra (listopad 2001).

• Sabreen, S. Fiber Lasers: Selection and Additives, Plastics Decorating, November 2017.
• Polyamide (PA) Nylon Complete Guide, SpecialChem 2019.
• Brodsky, M. Wave Forms: A New Laser Tool, Optics & Photonics, March 2012.

Scott R. Sabreen jest założycielem i prezesem The Sabreen Group, Inc. – firmy doradztwa inżynieryjnego specjalizującej się we wtórnych procesach przetwórstwa tworzyw sztucznych: obróbce wstępnej powierzchni, klejeniu, druku atramentowym, znakowaniu laserowym, zdobieniu i wykańczaniu oraz bezpieczeństwie produktu. Sabreen od ponad 30 lat opracowuje pionierskie technologie i rozwiązuje problemy produkcyjne. Kontakt: 972.820.6777 lub www.sabreen.com.

---