Jak znakować tworzywa sztuczne laserem? Znakowanie laserowe tworzyw sztucznych z dodatkami laserowymi

Jak znakować tworzywa sztuczne laserem? Znakowanie laserowe tworzyw sztucznych z dodatkami laserowymi

Najważniejsze wnioski

• Poliamidy należą do najtrudniejszych do znakowania polimerów ze względu na zróżnicowane właściwości materiałowe, warunki formowania i konfiguracje lasera.
• Kontrast powstaje w wyniku trzech mechanizmów powierzchniowych – czarnego przez karbonizację, białego przez tworzenie piany oraz zmiany barwy w polimerach pigmentowanych.
• Do najbardziej poszukiwanych kontrastów należą: nieprzezroczysta biel na czerni, głęboka czerń na bieli i nieprzezroczysta biel na średnim błękicie.
• Zakres 20–50 ns to optymalna szerokość impulsu MOPA dla wielu polimerów, w tym nylonów.
• Weryfikacja klasy A jest często wymagana w produktach dla wojska, lotnictwa, motoryzacji i farmacji.

SABREEN oferuje następujące rozwiązania w zakresie znakowania laserowego tworzyw sztucznych:

• Indywidualne receptury dopasowania koloru do znakowania laserowego, zgodność z przepisami, próbki prototypowe
• Optymalizacja procesu wtryskiwania, dyspersja i dystrybucja, badania analityczne
• Projektowanie i integracja systemów laserowych, wizja maszynowa
• Rozwiązywanie problemów na miejscu, optymalizacja procesu laserowego, grafika wektorowa
• Certyfikacja bezpieczeństwa laserowego, inspektor bezpieczeństwa laserowego (LSO)

Potrzeby w zakresie znakowania laserowego tworzyw sztucznych w kolejnym projekcie można powierzyć naszemu zespołowi ekspertów. Zdobywamy zaufanie każdego klienta w każdych okolicznościach. Nasza kultura koncentruje się na osiąganiu najlepszych rozwiązań produkcyjnych i rozwijaniu technologii dzięki niezachwianemu dążeniu do doskonałości. Każdy ekspert The Sabreen Group jest uznanym specjalistą w swojej dziedzinie. PORAŻKA NIE WCHODZI W GRĘ!

Najczęściej zadawane pytania

Jak znakować tworzywa sztuczne laserem?

Laser bliskiej podczerwieni – światłowodowy z iterbem, wanadanowy lub Nd:YAG – dostarcza energię, którą polimer pochłania i zamienia na ciepło, co powoduje jedną z trzech zmian powierzchni: czarne znakowanie przez karbonizację, białe znakowanie przez tworzenie piany lub zmianę barwy w wyniku termicznej reakcji chemicznej w polimerach pigmentowanych. Większość polimerów wymaga dodatku wzmacniającego działanie lasera, aby w ogóle pochłaniać jego światło.

Dlaczego nylon tak trudno znakować laserowo?

Poliamidy, w tym poliftalamidy, mają zróżnicowane właściwości materiałowe, warunki formowania i konfiguracje lasera, a podobnie jak większość polimerów nie pochłaniają naturalnie światła lasera, co uniemożliwia zmianę barwy. Chemiczne dodatki wzmacniające działanie lasera znacząco poprawiają kontrast, szybkość i trwałość znakowania.

Jaka szerokość impulsu sprawdza się najlepiej w nylonie?

Lasery MOPA generują impulsy o szerokości od 1 ns do 250 ns i większej. The Sabreen Group stwierdziła, że zakres 20–50 ns jest idealny do uzyskania optymalnego kontrastu barwnego w wielu zastosowaniach polimerowych, w tym w nylonach. Lasery MOPA ze zmienną, krótką szerokością impulsu są szczególnie skuteczne w przypadku polimerów wrażliwych na temperaturę, w których należy unikać nadmiernej karbonizacji.

Jaka jest typowa zawartość dodatku?

Od 0,01% do 3,0% wagowo w gotowej części. Granulat miesza się bezpośrednio z żywicą, a proszek przetwarza się na masterbatch. O spójności kontrastu decyduje jednorodna dystrybucja i dyspersja dodatku w każdej części.

Dlaczego jakość znakowania ma znaczenie dla kodów Data Matrix?

Ponieważ im dłuższy ciąg danych, tym gęściej upakowane są komórki danych. Wysoka jakość krawędzi linii decyduje o czytelności małych komórek w bezpośrednim znakowaniu części. Weryfikacja klasy A jest często wymagana w zastosowaniach wojskowych, lotniczych, motoryzacyjnych i farmaceutycznych, a kody o wysokim kontraście znakuje się też szybciej i można je odczytywać tanimi czytnikami ręcznymi.

Znakowanie laserowe tworzyw sztucznych – kompleksowe rozwiązania dla wysokokontrastowego znakowania laserowego tworzyw sztucznych

Zapotrzebowanie na wysokokontrastowe znakowanie laserowe wyrobów z nylonu (poliamidu) szybko rośnie ze względu na szerokie zastosowania przemysłowe. Znakowania funkcjonalne i dekoracyjne obejmują identyfikację alfanumeryczną, kody wizyjne Data Matrix/QR, schematy i mikrostruktury.

Poliamidy, w tym poliftalamidy (PPA), należą do najtrudniejszych do znakowania laserowego polimerów ze względu na zróżnicowane właściwości materiałowe, warunki formowania i konfiguracje lasera. Inteligentne dodatki dla laserów bliskiej podczerwieni rozwiązują problemy z kontrastem znakowania i zwiększają szybkość znakowania (krótszy czas cyklu) bez wpływu na właściwości materiału.

Artykuł przybliża zagadnienia dotyczące nylonów, dodatków chemicznych i laserów światłowodowych, które umożliwiają uzyskanie wysokokontrastowego koloru i ekonomicznego znakowania laserowego.

Podstawowym parametrem opisującym jakość znakowania jest kontrast barwny między znakowaną powierzchnią a podłożem. Istnieją trzy mechanizmy powierzchniowe zmiany barwy przy użyciu laserów NIR, w tym laserów światłowodowych z iterbem, wanadanowych (Nd:YVO4) i Nd:YAG: 1) czarne znakowanie przez karbonizację, 2) białe znakowanie przez tworzenie piany oraz 3) zmiany barwy wskutek wywołanych laserem termicznych reakcji chemicznych w polimerach pigmentowanych1. Do najbardziej poszukiwanych kontrastów należą: nieprzezroczysta biel na czerni, głęboka czerń na bieli i nieprzezroczysta biel na średnim błękicie. Takie zestawienia kolorów często wymagają dodatków chemicznych. Dodatki zwiększają stopień kontrastu barwnego (pochłanianie światła lasera), co dodatkowo wzmacnia optymalny dobór lasera i parametrów znakowania.

Czym jest nylon (poliamid)?

Poliamidy, czyli nylon, to główna klasa tworzyw termoplastycznych konstrukcyjnych i o wysokich parametrach, zawierających powtarzalne wiązania amidowe, tj. –CO-NH–. Powstają w wyniku kondensacji identycznych jednostek, a kopolimery – różnych jednostek.

Nylon wytwarza się przez polikondensację kwasu dikarboksylowego z diaminą lub przez polimeryzację z otwarciem pierścienia laktamów o sześciu, 11 lub 12 atomach węgla2. Monomery nylonu mogą być alifatyczne, półaromatyczne lub aromatyczne (aramidy), a ich struktura może być amorficzna lub półkrystaliczna, o większej lub mniejszej krystaliczności.

Poliamidy alifatyczne produkuje się na znacznie większą skalę niż w pełni aromatyczne i są one jedną z najważniejszych klas konstrukcyjnych tworzyw termoplastycznych.

Dwa ważne poliamidy to poli(heksametylenoadypamid) (nylon 6,6) i polikaprolaktam (nylon 6). Dodatkowe poliamidy alifatyczne to nylon 12, 69, 6-10, 6-12, 46 i 1212. Nylon 11 to biopochodne tworzywo konstrukcyjne uzyskiwane z surowców odnawialnych (rącznik).

Półaromatyczne, półkrystaliczne poliamidy otrzymywane w wyniku kondensacji amidów alifatycznych to m.in. PA 6T i PA 6I. Poliamidy półaromatyczne są często ekonomiczną alternatywą dla droższych, w pełni aromatycznych aramidów. Poliamidy aromatyczne, zwane aramidami, mają wyższą wytrzymałość, lepszą odporność na rozpuszczalniki, ogień i ciepło oraz większą stabilność wymiarową niż amidy alifatyczne. Powszechnie znanym amidem aromatycznym jest Kevlar, poli(tereftalamid p-fenylenu).

Poliamidy, w tym poliftalamidy (PPA), należą do najtrudniejszych do znakowania laserowego polimerów ze względu na zróżnicowane właściwości materiałowe, warunki formowania i konfiguracje lasera.

Poliftalamid (PPA) to podgrupa termoplastycznych żywic syntetycznych z rodziny poliamidów (nylonów), definiowana jako taka, w której co najmniej 55% moli części kwasu karboksylowego jednostki powtarzalnej w łańcuchu polimeru stanowią kwasy aromatyczne. PPA jest półaromatyczny i półkrystaliczny. PPA wypełniają lukę w parametrach między nylonami alifatycznymi, takimi jak PA6,6 i PA6, a znacznie droższymi poliaramidami.

„Inteligentne” dodatki

Jednym z parametrów opisujących jakość znakowania jest kontrast barwny między znakowaną powierzchnią a tłem. Kontrast nie zawsze wynika z samej zmiany barwy, gdyż można go również uzyskać dzięki zmiennemu ugięciu światła.

Równie ważna jest jakość lub wierność znakowania, tj. rozdzielczość drobnych linii lub ostrość. Wiele polimerów, w tym nylony, nie pochłania naturalnie światła lasera, co uniemożliwia zmianę barwy. Chemiczne dodatki wzmacniające działanie lasera znacząco poprawiają kontrast, szybkość i trwałość znakowania (zob. obraz 1). Znaczenie ma barwa podłoża, ponieważ związki takie jak sadza, TiO2 i środki zmniejszające palność pochłaniają światło lasera w różnym stopniu.

Dodatki laserowe dostarcza się w postaci granulatu i proszku. Produkty granulowane miesza się bezpośrednio z żywicą polimerową, a formy proszkowe przetwarza się na masterbatch. Stężenie wagowe (w gotowej części) mieści się zwykle w zakresie 0,01–3,0%. Jednorodna dystrybucja i dyspersja dodatków laserowych w całej części jest kluczowa dla uzyskania optymalnego kontrastu barwnego.

Korekty koloru wykonuje się za pomocą pigmentów i barwników, aby uzyskać ostateczny wygląd zgodny z wzorcem. Określone dodatki uzyskały zatwierdzenie FDA do kontaktu z żywnością i do opakowań żywności na warunkach A–H według 21 CFR 178.3297 Colorants for Polymers 1.

Lasery światłowodowe z iterbem

Lasery światłowodowe NIR z iterbem weszły na przemysłowy rynek znakowania około 2010 roku, zastępując tradycyjne lasery YAG. Lasery światłowodowe cechuje doskonała jakość wiązki (M2) i wysoka jasność, a także możliwość ogniskowania do małej plamki (poniżej 20 mikrometrów), co daje wysoką gęstość energii. Są niezwykle wszechstronne, ekonomiczne, typu plug-and-play i praktycznie bezobsługowe.

Nanosekundowe lasery światłowodowe o stałym impulsie (z modulacją dobroci) i o zmiennym impulsie (MOPA) oferuje wiele firm, m.in. IPG Photonics i SPI Lasers. Lasery światłowodowe z modulacją dobroci, zwykle o szerokości impulsu 100–150 ns, stosuje się w niektórych zastosowaniach znakowania polimerów, ale ich częstotliwość powtarzania jest ograniczona do około 80 kHz ze względu na ograniczenie tkwiące w technologii modulacji dobroci.

Lasery światłowodowe z bezpośrednio modulowanym MOPA (DM-MOPA) pracują z częstotliwościami powtarzania do 500 kHz przy nanosekundowych szerokościach impulsu. Szerokość impulsu [ns] jest miarą czasu między początkiem a końcem impulsu, zwykle określaną na podstawie szerokości połówkowej (FWHM) kształtu impulsu.

Wysokie częstotliwości powtarzania oznaczają zwykle wyższą szybkość znakowania (w połączeniu z innymi parametrami lasera i kształtu fali). Występują znaczące różnice w kształtach fali i stopniu karbonizacji powierzchni3 (zob. obraz 1).

Lokalna, przestrzenna i czasowa kontrola dopływu ciepła z lasera oraz jego szybkości umożliwia uzyskanie maksymalnej wydajności. W przypadku polimerów wrażliwych na temperaturę lasery światłowodowe o zmiennym, krótkim impulsie (MOPA) są szczególnie skuteczne w uzyskiwaniu wysokiego kontrastu bez nadmiernej karbonizacji.

Znakowanie podpowierzchniowe jest możliwe w przezroczystych tworzywach do zastosowań medycznych. Ogólnie lasery MOPA generują impulsy o szerokości (czasie trwania) od 1 ns do 250 ns (i większej). The Sabreen Group stwierdziła, że zakres 20–50 ns jest idealny do uzyskania optymalnego kontrastu barwnego w wielu zastosowaniach polimerowych, w tym w nylonach.

W kontraście znakowania kosmetycznego i funkcjonalnego dodatki laserowe mają kluczowe znaczenie, gdy do bezpośredniego znakowania części (DPM) kodami Data Matrix i kreskowymi wymagana jest wysoka rozdzielczość, jakość krawędzi linii i małe komórki danych. Im dłuższy ciąg danych, tym gęściej upakowane są komórki danych.

Weryfikacja klasy „A” jest często wymagana w produktach dla wojska, lotnictwa, motoryzacji i farmacji. Czytelność kodów o wysokim kontraście daje dodatkowe korzyści – wyższą szybkość znakowania oraz możliwość stosowania w całym zakładzie tanich czytników ręcznych.

Podsumowanie

Bibliografia

• 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 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.

---