Çift amaçlı “lazer katkı maddeleri” polimerlerde markalama ve kaynağı mümkün kılıyor

Çift amaçlı "lazer katkı maddeleri" polimerlerde markalama ve kaynağı mümkün kılıyor

Birincil işleme sırasında polimerlere harmanlanan çift amaçlı lazer katkı maddeleri, şeffaf ve opak polimerlerin markalanmasını ve geçirgen (transmisyon) kaynağını mümkün kılar. FDA ve tıbbi uygunluğa sahip olanlar dahil yeni kimyasal katkı maddeleri, yüksek mukavemetli hermetik sızdırmaz kaynak bağlantıları ve silinmez, opak markalama kontrastı sağlar. Lazer markalama ve lazer kaynağı süreçleri temassızdır, kontrolü kolaydır ve çevre dostudur. Uygun fiyatlı, yüksek hızlı lazerler ve ekipman için tasarlanan polimer markalama ve kaynağı, günümüzün karmaşık uygulamalarının getirdiği zorlukları karşılar.

Temel çıkarımlar

• Tek bileşik, iki proses. Çift amaçlı katkı maddeleri aynı malzemede hem markalamayı hem de geçirgen kaynağı destekler.
• TTLW üç aşamada gerçekleşir (ısıtma, birleşme ve kaynak); tipik kaynak süreleri bir ila sekiz saniyedir.
• İki parçanın zıt optik özelliklere sahip olması gerekir: üst parça dalga boyunu geçirmeli, alt parça ise ince bir katmanda soğurmalıdır.
• Orta düzey soğurma en kötü durumdur; malzemenin tüm kalınlığını ısıtır ve parçayı bağlantının her iki tarafı için de zayıf bir aday yapar.
• Lazer kaynağı; çapaksız, partikülsüz, minimum ısıdan etkilenen bölgeli ve parça yüzeyinde iz bırakmayan hermetik sızdırmazlık sağlar.

Sık sorulan sorular

Lazer kaynağında "geçirgen (transmisyon)" ne anlama gelir?

Lazer, lazere şeffaf üst parçadan geçer ve lazer soğurucu alt parçanın yüzeyinde soğurulur. Parçalar önceden monte edilip kenetlenir; böylece birleştirme yüzeyleri sıkı temas halinde olur ve kaynak bu arayüzde oluşur.

Geçirgen lazer kaynağının aşamaları nelerdir?

Üç aşama vardır. Isıtma aşamasında lazer, arayüzdeki soğurucu polimeri ısıtır; polimer genleşir ve kaynak basıncını artırır. Birleşme aşamasında ek genleşme basıncı yükseltir ve az miktarda kaynak oluşur. Kaynak aşamasında yeterli miktarda erimiş malzeme çökerek gerçek bir kaynak oluşturur; bu tipik olarak 0,13 mm mertebesindedir.

Cam dolgulu malzemeler lazerle kaynaklanabilir mi?

Dolgulu malzemeler yüzde 50'ye varan cam içeriğiyle kaynaklanmıştır, ancak hermetik sızdırmazlık için değil. Dolgular, katkı maddeleri ve pigmentlerin tümü polimerin lazer ışınına tepkisini değiştirir; bu nedenle malzeme uygunluğu, lazer kaynağında diğer tüm birleştirme proseslerine göre daha hassastır.

Ultrasonik veya sıcak plaka kaynağı yerine neden lazer kaynağı seçilmeli?

Pürüzsüz bir cam plaka altında hafif kenetleme ile temassızdır; dolayısıyla parçada iz bırakmaz ve titreşim iletilmez. Kaynak yüzey altındadır ve neredeyse görünmezdir, ısıdan etkilenen alan çok küçüktür ve önceden yerleştirilmiş hassas bileşenler zarar görmez, kırpılacak çapak yoktur ve hermetik, gaz geçirmez sızdırmazlık elde edilebilir.

Farklı plastikler birbirine lazerle kaynaklanabilir mi?

Evet; gerekli optik ve termal ölçütleri karşılıyorlarsa. Her polimer, üç ana kaynak dalga boyunu farklı şekilde geçirir; bu nedenle her iki malzeme de ayrı ayrı değil, birlikte değerlendirilmelidir.

Ürün uygulamaları

Naylonlar, polietilen tereftalat (PET), polikarbonatlar, poliolefinler, polivinil klorür (PVC), stirenikler ile termoplastik elastomerler (TPE) ve termoplastik poliüretanlar (TPU) dahil şeffaf, yarı saydam ve opak renkli polimerler, ağır metal içermeyen, FDA/Avrupa Gıda Güvenliği Otoritesi (EFSA) onaylı katkı maddeleriyle, lazerle kaynaklanan ürünler de dahil (Şekil 1) yüksek kontrastlı markalama kalitesi elde edecek şekilde özel olarak formüle edilir. Polimerin şeffaflığı, spektral geçirgenliği ve temel fiziksel özellikleri etkilenmez. Temassız dijital lazer markalama, pahalı yapışkanlı etiketlerin ve mürekkep-kimyasal baskı proseslerinin yerini alır. Sonuç, uygun maliyetli, çevre dostu ve üstün estetik görünümdür.

Lazer markalamada yüzey reaksiyon mekanizmaları

Yakın kızılötesi (NIR) lazerlerle (1.060-1.080 nm dalga boyu) kullanılmak üzere lazer kimyasal katkı maddelerinin formüle edilmesinde kaydedilen ilerlemeler, itterbiyum fiber, vanadat ve Nd:YAG lazerlerle uyumluluklarını da kapsar. Çoğu polimer, kimyasal katkı maddeleri olmadan NIR soğurma özelliğine sahip değildir. Lazerle markalanabilen polimerler, lazer ışığını soğurup ışık enerjisini ısıl enerjiye dönüştüren polimerlerdir. Lokal renk değişimleri için lazer enerjisinin soğurulmasını artırmak amacıyla katkı maddeleri, dolgular, pigmentler ve boyalar kullanılır. İstenen markalama kontrastına ve işlevselliğe bağlı olarak son derece farklı formülasyon kimyaları ve lazer optiği/kurulum parametreleri yapılandırılır.

Şekil 1'de iki yaygın yüzey reaksiyon mekanizması gösterilmiştir. Birincisi, altlık malzemede soğurulan enerjinin, soğurma noktasını çevreleyen malzemenin yerel sıcaklığını polimerin termal bozunmasına yol açacak kadar yükselttiği ısıl kimyasal "karbonizasyon" veya "kömürleşme" oluşabilir. Markanın koyuluğu veya açıklığı, soğurulan enerjiye ve malzemenin kendine özgü termal bozunma yoluna bağlıdır. Lazer kurulumu optimize edilerek yüzey karbonizasyon kalıntısı minimuma indirilir.

İkinci yüzey reaksiyonu olan "köpürme", bozunma sırasında buhar salan katkı maddeleri kullanılarak oluşturulan kimyasal bir değişimdir ve polimerin köpürmesiyle sonuçlanır. Köpürme sürecinde lazer enerjisi, köpürtücü ajanın hemen yakınındaki bir katkı maddesi tarafından soğurulur. Soğurucudan gelen ısı, köpürtücü ajanın bozunarak buhar salmasına neden olur. Lazer çalışma parametreleri sıkı biçimde kontrol edilerek koyu altlık malzemeler üzerinde yüksek kaliteli ve dayanıklı açık renkli "beyaz" markalar oluşturulabilir.

Üçüncü bir reaksiyonda (gösterilmemiştir) lazer enerjisi, bir renklendirici karışımındaki tek bir renklendiriciyi ısıtmak/bozundurmak için kullanılır ve renk değişimi sağlar. Bir örnek, karbon siyahı ile kararlı bir inorganik renklendiricinin karışımıdır. Isıtıldığında karbon siyahı uzaklaşır ve inorganik renklendirici geride kalır. Bu karışık renklendirici sistemleri belirli renklendirici kararlılıklarına bağlıdır ve her renk değişimi mümkün değildir. Karbon siyahı formülasyonları lazer kaynağının ayrılmaz bir parçasıdır.

Markalama ve kaynak için lazer katkı maddesi kimyaları

Yakın kızılötesi lazer katkı maddeleri kontrast derecesini iyileştirir; bu kontrast lazer kurulum parametreleri değiştirilerek daha da artırılabilir. Polimerler, "koyu renkli" veya "açık renkli" markalama kontrastı vermeye yönelik doğal özelliklere sahiptir. Düşük miktarda titanyum dioksit (TiO2) ve karbon siyahı içeren bazı renklendirici bileşikler de lazer ışığını soğurur ve markalama kontrastını iyileştirebilir. Aynı polimer ailesi içinde bile her polimer kalitesi farklı sonuçlar verebilir. Katkı maddesi formülasyonları toksik olamaz ve ürünlerin görünümünü, fiziksel veya işlevsel özelliklerini olumsuz etkileyemez.

Mürekkep baskı proseslerine (tampon/serigrafi baskı ve mürekkep püskürtme) kıyasla lazer katkı maddeleri maliyet tasarrufu sağlar ve optimize edilmemiş malzemelere göre yüzde 20 ve daha hızlı markalama hızları gösterebilir. Lazer katkı maddeleri granül ve toz formunda temin edilir. Granül ürünler doğrudan polimer reçinesiyle harmanlanabilirken toz formlar masterbatch'e dönüştürülür. Çoğu polimerlerde kolayca dağılır. Katkı maddesine ve polimere bağlı olarak (nihai parçadaki) ağırlıkça yükleme konsantrasyonu yüzde 0,01 ile 4,0 arasında değişir.

Hem granül hem de toz form, önceden kompaundlanmış renkli malzemeye veya renk konsantresine harmanlanabilir. Hangi katkı maddesinin kullanılacağı; polimer bileşimine, altlık malzeme rengine, istenen markalama kontrast rengine ve nihai kullanım sertifikasyon gereksinimlerine bağlıdır. Ekstrüzyon, enjeksiyon kalıplama ve termoform işlemlerinde önceden renk kompaundlanmış malzemeler, renk konsantresine kıyasla daha iyi homojenlik sağlar. Elle karıştırmadan kaçınılmalıdır. Kalıp akışı ve giriş (gate) tipi/konumu önemli faktörlerdir. En iyi markalama performansına ulaşmak için lazer katkı maddelerinin her parça boyunca homojen dağılımı/dispersiyonu kritiktir.

Bazı katkı maddeleri, doğal (renklendirilmemiş) altlık malzeme opaklığına "grimsi" bir ton verebilen antimon katkılı kalay oksit ve antimon trioksit karışımları içerir. Diğer katkı maddeleri alüminyum partikülleri, karışık metal oksitler ve tescilli bileşikler içerebilir. Nihai renk eşleşmesi görünümünü elde etmek için pigmentler ve boyalar kullanılarak renk ayarlamaları yapılır. Ticari olarak temin edildiği şekliyle bazı katkı maddeleri (lazer kaynağı için de kullanılanlar), 21 CFR 178.3297 (Polimerler için renklendiriciler) uyarınca A-H koşullarında gıda temasında ve gıda ambalajında kullanım için FDA onayı almıştır. Avrupa Birliği için benzer uygunluk beyanları mevcuttur. Sertifikasyon koşulları polimer türüne, yükleme seviyesi eşiğine ve doğrudan veya dolaylı temasa özgüdür. "Nihai parça" içine harmanlanan FDA onaylı katkı maddelerinin ek nitelendirmesi, tıbbi cihazlar için biyouyumluluk sağlayabilir.

Lazer katkı maddesi yükleme/renk eşleştirme kimyası sırasında, bitmiş bir ürünün hesaplanan miktardan daha az lazer katkı maddesi içermesi nadir değildir. Bu sorun neredeyse her zaman ekstrüzyon veya kalıplama sırasındaki homojen olmayan dağılımla ilgilidir. Karşı basıncın ve vida dönüş hızının artırılması gibi kalıplama makinesinde yapılan basit ayarlamalar sorunların çoğunu çözer. En iyi markalama performansına ulaşmak için lazer katkı maddelerinin her parça boyunca homojen dağılımı/dispersiyonu kritiktir. Ekstrüzyon, enjeksiyon kalıplama ve termoform işlemlerinde önceden renk kompaundlanmış malzemeler, renk konsantresine kıyasla daha iyi homojenlik sağlar. Elle karıştırmadan kaçınılmalıdır. Kalıp akışı ve giriş (gate) tipi/konumu önemli faktörlerdir.

Geçirgen lazer kaynağının ilkeleri

"Geçirgen (transmisyon)" terimi, Şekil 2'de gösterildiği gibi lazerin lazere şeffaf üst parçadan geçerek lazer soğurucu alt parçanın yüzeyine ulaşmasından kaynaklanır. Plastiklerin Geçirgen Lazer Kaynağı'nda (TTLW) üç aşama vardır. TTLW'de parçalar önceden monte edilir ve birleştirme yüzeyleri arasında sıkı temas sağlamak için birbirine kenetlenir. Bu makalede yüksek güçlü diyot lazerler (λ = 800-1.000 nm) ve katı hal lazerleri (itterbiyum fiber ve Nd:YAG lazer, λ = 1.060-1.080 nm) kullanılmaktadır.

Isıtma aşamasında lazer enerjisi arayüzdeki lazer soğurucu polimeri ısıtır; parça genleşir ve bu da kaynak basıncını artırır. Işının odak noktasında lazer gücü maksimumdadır ve parça o noktada erimeye başlayarak bir erime bölgesi oluşturur. Bu, ikinci aşama olan birleşme aşamasının başlangıcıdır. Parçalar daha da genleşir ve basınç buna karşılık artar. Bu noktada az miktarda kaynak oluşmuştur.

Kaynak aşaması son aşamadır. Gerçek bir kaynak oluşturmak için yeterli miktarda erimiş malzeme üretilir. Sıcak plaka veya füzyon kaynağındakine benzer şekilde erimiş malzemenin çökmesi söz konusudur. Çoğu uygulamada bu, 0,13 mm (0,005 inç) mertebesindedir. Tipik kaynak süreleri çoğu uygulamada bir ila sekiz saniye mertebesindedir; daha büyük parçalarda daha uzun sürebilir. Dört temel TTLW lazer kaynağı prosesi vardır: kontur, maske, eşzamanlı ve yarı eşzamanlı kaynak.

Kaynaklanacak iki parça, belirli bir kaynak dalga boyunda farklı optik soğurma özelliklerine sahip olmalıdır. Üstteki lazere şeffaf parça dalga boyunu mümkün olduğunca fazla geçirmeli, alttaki lazer soğurucu parça ise ince bir katmanda mümkün olduğunca fazla soğurmalıdır. Bu, en enerji verimli kombinasyonu sağlar; çünkü arayüzde yüksek miktarda enerji soğurulur ve alt parça kaynak için yeterince yumuşamadan önce üst parçayı bozundurabilir. Aşırı yansıtıcılık da kaynak için gereken enerji miktarının artmasına neden olur.

Malzeme uygunluğu, lazer kaynağında diğer tüm birleştirme proseslerine göre daha hassastır. Lazer kaynağı teorik olarak lazer ışınına şeffaf tüm termoplastikleri kaynaklayabilir. Ancak her polimerin, lazer kaynağında kullanılan üç ana dalga boyundaki lazerlerin ışığını geçirme yeteneği farklıdır. Ayrıca belirli bir polimerin lazer ışınlarına tepkisi, dolguların, katkı maddelerinin ve pigmentlerin varlığıyla değişir.

Yüksek soğurma oranına sahip malzemeler, enerjinin çoğunu kaynak arayüzünde soğurup lazer kaynağı için ideal olan ince, ısıtılmış bir yüzey katmanı oluşturdukları için TTLW kaynağında alt parça için idealdir. Orta aralıktaki soğurma oranlarına sahip malzemeler sorun olabilir; çünkü lazer enerjisini malzemenin kalınlığı boyunca soğurur ve bu da malzemenin tüm kalınlığının ısınmasına yol açar. Bu malzemeler çok az enerji geçirir; dolayısıyla TTLW lazer kaynağında üst malzeme için zayıf adaylardır. Ayrıca üst kenarlarında çok fazla enerji soğurmazlar ve bu nedenle alt malzeme için de kötü bir seçimdir. Dolgulu malzemeler yüzde 50'ye varan cam içeriğiyle kaynaklanmıştır, ancak hermetik sızdırmazlık için değil.

TTLW'nin başlıca avantajları şunlardır:

• Temassız kaynak. Lazer kaynağı, kaynaklanacak parçaları 100 lb veya daha az hafif bir kenetleme kuvvetiyle tutmak için pürüzsüz bir cam plaka kullanır ve kaynak aletiyle temas yoktur. Dolayısıyla kaynaklanan parçaların yüzeyinde iz bırakacak bir şey yoktur ve hassas parçalara zarar verebilecek bir kaynak basıncı gerekmez.
• Yüzey altı kaynak. Kaynak, iki parça arasındaki arayüzde oluşur. Kaynak, şeffaf parçalarda neredeyse görünmez, opak parçalarda ise tamamen görünmezdir. Kaynak yüzeyin hemen altında veya parçaların derininde olabilir.
• Hassas kaynak. Lazer kaynağının boyutu ve konumu çok hassas olabilir ve kaynaklanacak parçaya titreşim iletilmez. Lazer ile kaynak parçaları arasında bağıl hareket gerektiren proses sürümlerinde hareket eden lazerdir. Dolayısıyla lazer kaynağı, kaynak prosesleri arasında en hassas olanıdır.
• Minimum ısıdan etkilenen alan. Kaynak noktası çok küçüktür ve ısıdan etkilenen alan oldukça sınırlıdır. Sonuç olarak diğer bileşenleri etkilemeden onlara çok yakın kaynak yapmak mümkündür; bu da önceden yerleştirilmiş hassas ve kırılgan parçalar içeren alt montajların kaynaklanmasına olanak tanır. Ayrıca ısıya bağlı bozulma ve bozunma son derece sınırlıdır ve artık gerilim azalır.
• Farklı plastikleri kaynaklama yeteneği. Gerekli ölçütleri karşılayan farklı plastikler birbirine kaynaklanabilir.
• Çapak yok. Lazer kaynağında kaynak tamamen kapalıdır ve kırpılması gereken çapak oluşmaz. Gevşek partikül yoktur.
• Hermetik sızdırmazlık. Lazer kaynağı, hermetik olarak sızdırmaz, gaz geçirmez bir kaynak oluşturabilir.
• Enerji verimliliği. Diğer kaynak proseslerine kıyasla lazer kaynağı yüksek enerji verimlidir. Bu aynı zamanda çalışma ortamından uzaklaştırılması gereken aşırı ısı üretilmediği anlamına gelir.

Sonuç

Polimerlere katılan çift amaçlı lazer katkı maddeleri; üstün markalama kontrastı, çizgi kenarı detayı ve hız sağlar. Bu katkı maddeleri, benzer ve farklı termoplastiklerin lazer kaynağını optimize eder. Uygun fiyatlı fiber lazer teknolojisindeki ilerlemeler belirleyici olmuştur. Bu faydalar, katkı maddesinin getirdiği ek malzeme maliyetini hızla dengeler. Lazer markalama ve kaynak için optimize edilmiş malzeme bilimi kimyası; çözünürlük, partikül boyutları, eşik konsantrasyon sınırları, renk eşleştirme ve mevzuat sertifikasyonları (GRAS, FDA doğrudan/dolaylı gıda teması) açısından polimerler, renklendiriciler, pigmentler ve boyalar konusunda uzmanlık gerektirir. Polimerlerin lazer markalaması ve TTLW'si, günümüz uygulamalarının getirdiği zorlukları karşılar.

Kaynaklar

• Scott R. Sabreen, "FDA-Approved Additives Boost Inline Laser Marking," Plastics Decorating Magazine, Nisan/Mayıs 2015
• Jordan Rotheiser, The Sabreen Group Inc. uzman danışmanı. Kaynak bölümü alıntıları: Joining of Plastics, Handbook for Designers and Engineers, Third Edition, Jordan Rotheiser, Carl Hanser Verlag, Münih, 2009

Scott R. Sabreen, plastik ikincil işleme süreçlerinde (lazer markalama, yüzey ön işlemleri, yapıştırma, dekorasyon ve yüzey işleme ve ürün güvenliği) uzmanlaşmış bir mühendislik şirketi olan The Sabreen Group, Inc.'in kurucusu ve başkanıdır. Sabreen, 30 yılı aşkın süredir öncü teknolojiler geliştirmekte ve üretim sorunlarını çözmektedir. Kendisine 972.820.6777 numaralı telefondan veya www.sabreen.com ya da www.plasticslasermarking.com adreslerini ziyaret ederek ulaşabilirsiniz.

---