Lasery światłowodowe: dobór i dodatki

Lasery światłowodowe: dobór i dodatki

Uwaga redakcji: w tym artykule technologicznym Scott Sabreen omawia dwa zagadnienia związane z laserami światłowodowymi: dobór typu lasera światłowodowego do znakowania tworzyw sztucznych oraz poprawę kontrastu znakowania za pomocą dodatków.

Najważniejsze wnioski

• Lasery światłowodowe zasadniczo różnią się od innych laserów DPSS — ośrodek czynny jest rozproszony w samym kablu światłowodowym.
• Struktura całkowicie światłowodowa wyjaśnia ich niezawodność i odporność, a tym samym szybki wzrost popularności.
• Lasery z modulacją dobroci (Q-switch) osiągają maksymalnie ok. 80 kHz, co jest nieodłącznym ograniczeniem tej technologii, przy szerokości impulsu 100–120 ns.
• DM-MOPA osiąga 500 kHz przy impulsach nanosekundowych, co zazwyczaj przekłada się na szybsze znakowanie.
• Nie istnieje uniwersalne rozwiązanie laserowe. Opracowanie zastosowania w dużym stopniu zależy od materiału.

Najczęściej zadawane pytania

Czym laser światłowodowy różni się od innych laserów na ciele stałym?

Ośrodek czynny generujący wiązkę jest rozproszony w specjalnym kablu światłowodowym, a w przeciwieństwie do laserów z dostarczaniem wiązki światłowodem cała droga wiązki pozostaje wewnątrz tego kabla aż do optyki wyjściowej. Ta całkowicie światłowodowa struktura w dużej mierze odpowiada za niezawodność i odporność tych laserów.

Laser o stałym impulsie czy MOPA — który wybrać?

Zależy to od materiału. Lasery z modulacją dobroci o stałym impulsie 100–120 ns stosuje się w niektórych zastosowaniach znakowania, lecz sama technologia ogranicza częstotliwość powtarzania do ok. 80 kHz. Lasery MOPA z modulacją bezpośrednią osiągają do 500 kHz przy impulsach nanosekundowych, co zazwyczaj oznacza szybsze znakowanie.

Czy wyższa częstotliwość powtarzania zawsze oznacza szybsze znakowanie?

Zazwyczaj tak, ale tylko w połączeniu z pozostałymi parametrami lasera i falowodu. Sama częstotliwość powtarzania nie decyduje o wydajności — wpływ mają także energia impulsu, moc szczytowa, prędkość wiązki i reakcja materiału.

Czy istnieje jeden najlepszy laser do tworzyw sztucznych?

Nie. Opracowanie zastosowania jest silnie zależne od przypadku, a wybór typu lasera wynika z tego, jak charakterystyka wyjściowa lasera oddziałuje ze zoptymalizowanym materiałem polimerowym. Materiał i laser trzeba dobierać łącznie.

Jak dodatki zmieniają możliwości znakowania laserem światłowodowym?

Poprawiają stopień kontrastu, który można następnie dodatkowo wzmocnić parametrami ustawień lasera. Polimery mają naturalną skłonność do kontrastu ciemnego lub jasnego, a nawet gatunki z tej samej rodziny dają różne wyniki, dlatego dodatek dobiera się do konkretnego gatunku.

Dobór lasera światłowodowego do znakowania tworzyw sztucznych — który laser jest najlepszy?

Nanosekundowe lasery światłowodowe na iterbie należą do najważniejszych osiągnięć w dziedzinie znakowania, spawania i cięcia. Lasery światłowodowe zasadniczo różnią się od innych laserów znakujących na ciele stałym pompowanych diodowo (DPSS). W laserach światłowodowych ośrodek czynny generujący wiązkę jest rozproszony w specjalnym kablu światłowodowym. W przeciwieństwie do laserów z dostarczaniem wiązki światłowodem cała droga wiązki biegnie wewnątrz kabla światłowodowego aż do optyki wyjściowej. Ta całkowicie światłowodowa struktura w dużej mierze odpowiada za niezawodność i odporność tych laserów, co tłumaczy ich szybki wzrost popularności.

Jaki typ lasera światłowodowego — o stałym impulsie czy MOPA — jest najlepszy do znakowania tworzyw sztucznych?

IPG Photonics, wiodący producent wysokowydajnych laserów światłowodowych, oferuje zarówno lasery o stałym impulsie z serii YLP (określane czasem jako „Q-switch”), jak i lasery YLPN (MOPA) o zmiennym, krótkim impulsie. Lasery światłowodowe z modulacją dobroci, zazwyczaj o szerokości impulsu 100–120 ns, są stosowane w niektórych zastosowaniach znakowania, lecz ich częstotliwość powtarzania jest ograniczona do ok. 80 kHz ze względu na nieodłączne ograniczenie technologii modulacji dobroci. Lasery światłowodowe MOPA z modulacją bezpośrednią (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 pozostałymi parametrami lasera i falowodu).

Opracowanie zastosowania jest silnie zależne od przypadku i nie istnieje uniwersalne rozwiązanie laserowe. Lasery MOPA o krótkim czasie trwania impulsu pozwalają w pełni wykorzystać działanie czułych dodatków chemicznych wprowadzonych do polimerów. Lokalna, przestrzenna i czasowa kontrola dopływu ciepła z lasera oraz szybkości jego dostarczania zapewnia maksymalną wydajność.

O wyborze typu lasera do zintegrowania decydują parametry wyjściowe lasera oddziałujące ze zoptymalizowanym materiałem polimerowym. Rysunek 2 przedstawia czasowe kształty impulsów laserów światłowodowych na iterbie o stałej i zmiennej (MOPA) długości impulsu.

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).

Podczas konfiguracji 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 procent oznacza maksymalne możliwe zasilanie elektryczne diod pompujących).

Podczas konfiguracji 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.

Dodatki laserowe do znakowania tworzyw sztucznych laserami światłowodowymi

Dodatki laserowe do bliskiej podczerwieni poprawiają stopień kontrastu, który można dodatkowo wzmocnić, zmieniając parametry ustawień lasera. Polimery mają naturalną skłonność do uzyskiwania kontrastu znaku „ciemnego” lub „jasnego”. Niektóre związki barwiące zawierające niewielkie ilości dwutlenku tytanu (TiO2) i sadzy mogą również absorbować światło lasera i w niektórych przypadkach poprawiać kontrast znakowania.

Każdy gatunek polimeru, nawet w obrębie tej samej rodziny, może dawać inne wyniki. Receptury dodatków nie mogą być toksyczne ani negatywnie wpływać na wygląd, właściwości fizyczne lub funkcjonalne wyrobów.

W porównaniu z procesami druku atramentowego (tampodruk, sitodruk i druk atramentowy) dodatki laserowe pozwalają obniżyć koszty i mogą zapewnić o 20 procent większą prędkość znakowania w porównaniu z materiałami niezoptymalizowanymi. Dodatki laserowe są dostarczane w postaci granulatu i proszku. Produkty granulowane można mieszać bezpośrednio z żywicą polimerową, natomiast proszki przetwarza się na masterbatch. Większość z nich łatwo dyspergować w polimerach. W zależności od dodatku i polimeru stężenie wagowe (w gotowym wyrobie) mieści się w zakresie od 0,01 do 4,0 procent.

Zarówno granulat, jak i proszek można wprowadzać do prekompaundowanego materiału barwionego lub koncentratu barwnika. Wybór dodatku zależy od składu polimeru, koloru podłoża, oczekiwanego koloru kontrastu znaku oraz wymaganych certyfikatów dla końcowego zastosowania. W procesach wytłaczania, wtrysku i termoformowania materiały prekompaundowane w kolorze zapewniają lepszą jednorodność niż koncentrat barwnika.

Należy unikać ręcznego mieszania. Ważnymi czynnikami są przepływ tworzywa w formie oraz rodzaj i położenie wlewu. Jednorodne rozmieszczenie i dyspersja dodatków laserowych w całym wyrobie mają decydujące znaczenie dla optymalnej jakości znakowania.

Niektóre dodatki zawierają mieszaniny tlenku cyny domieszkowanego antymonem i trójtlenku antymonu, które mogą nadawać „szarawy” odcień nieprzezroczystości naturalnego (niebarwionego) podłoża. Inne dodatki mogą zawierać cząstki aluminium, mieszane tlenki metali i związki opatentowane. Korekty koloru przeprowadza się za pomocą pigmentów i barwników rozpuszczalnych w celu uzyskania końcowego dopasowania koloru.

Dostępne komercyjnie, specjalne dodatki (stosowane także w spawaniu laserowym) uzyskały zgodę FDA na kontakt z żywnością i zastosowanie w opakowaniach do żywności na warunkach A–H zgodnie z 21 CFR 178.3297 – Colorants for Polymers. W Unii Europejskiej obowiązują podobne oświadczenia o zgodności. Warunki certyfikacji zależą od rodzaju polimeru, progowego poziomu dozowania oraz kontaktu bezpośredniego lub pośredniego. Dalsza kwalifikacja dodatków zatwierdzonych przez FDA, wprowadzonych do „gotowego wyrobu”, może zapewnić biokompatybilność wyrobów medycznych.

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.

---