Fiber lazer, gelişmiş plastiklerin markalanmasını mümkün kılıyor

Fiber lazer, gelişmiş plastiklerin markalanmasını mümkün kılıyor

Birincil işleme sırasında polimerlere karıştırılan FDA onaylı çığır açan katkı maddeleri, plastiklerin lazer markalamasını optimize eder. Yüksek hız, üstün kontrast ve maliyet tasarrufu başlıca önemli faydalar arasındadır. Yeni kimyasal katkı maddeleri hem “hareket halinde” (on-the-fly) hem de ikincil işlemlerde simsiyah, açık renkli ve özel renk kontrastı üretebilir. Uygun maliyetli iterbiyum fiber lazerler için tasarlanan hat içi mürekkepsiz lazer markalama artık geleneksel rotogravür ve tampon baskının yerini almaktadır.

Önemli çıkarımlar

• Çoğu polimerin yakın kızılötesi absorpsiyonu yoktur; bu nedenle 1060–1080 nm markalamayı mümkün kılan şey katkı maddeleridir.
• Ağır metal içermeyen, FDA ve EFSA onaylı katkı maddeleri; berraklığı, spektral geçirgenliği veya fiziksel özellikleri değiştirmeden yüksek kontrast sağlar.
• Katkı maddeleri, optimize edilmemiş formülasyonlara kıyasla markalama süresini %20 veya daha fazla kısaltır; bu da maliyetlerini hızla telafi eder.
• MOPA, tekrarlama hızında Q-anahtarlamalı lazerlerden üstündür – yaklaşık 80 kHz'e karşılık 500 kHz'e kadar – ve 40 ns'nin altındaki kısa darbeler hassas polimerlere uygundur.
• Hareket halinde markalama hızları kapaklarda 2.000 adet/dk'ya, doğrusal ekstrüde üründe ise 500 ft/dk ve üzerine ulaşır.

Sıkça sorulan sorular

Hangi lazer katkı maddesi oranı gereklidir?

Katkı maddesine ve polimere bağlı olarak nihai parçada ağırlıkça %0,01 ile %4,0 arasında. Granül formundakiler doğrudan reçineyle karıştırılır; toz formundakiler önce masterbatch'e dönüştürülür. Önceden kompaundlanmış renk malzemesi; ekstrüzyon, enjeksiyon kalıplama ve termoform işlemleri için renk konsantresine göre daha iyi homojenlik sağlar.

Lazer katkı maddeleri berraklığı veya fiziksel özellikleri etkiler mi?

Doğru formüle edilmiş katkı maddeleri etkilemez. Polimer berraklığı, spektral geçirgenlik ve temel fiziksel özellikler etkilenmez; bu da ürünü bozmadan berrak ve yarı saydam polimerlerin markalanmasını uygulanabilir kılar.

Hareket halinde lazer markalama gerçekte ne kadar hızlı çalışabilir?

Poliolefin sentetik şarap mantarları ve contasız içecek kapaklarının kapak altı promosyonları için markalama hızları, alfanümerik metin ve grafikler için dakikada 2.000 adede ulaşır. Metin ve makine görüşü kodlarının doğrusal markalaması dakikada 500 ft ve daha hızlı hızlara ulaşır.

Q-anahtarlamalı ve MOPA fiber lazerler arasındaki fark nedir?

Q-anahtarlamalı fiber lazerler tipik olarak 100–120 ns darbe genişliğinde çalışır ve Q-anahtarlama teknolojisinin kendisi nedeniyle yaklaşık 80 kHz tekrarlama hızıyla sınırlıdır. Doğrudan modüle edilen MOPA lazerler ise nanosaniye darbe genişliklerinde 500 kHz'e kadar çalışır ve daha yüksek tekrarlama hızları genellikle daha hızlı markalamaya dönüşür.

Bu katkı maddeleri gıda teması ve tıbbi cihazlar için onaylı mı?

Belirli katkı maddeleri, 21 CFR 178.3297 (Polimerler için Renklendiriciler) kapsamındaki A–H koşulları altında gıda teması ve gıda ambalajı için FDA onayına sahiptir; AB için de eşdeğer uygunluk beyanları vardır. Bitmiş parçanın ek nitelendirilmesiyle tıbbi cihaz biyouyumluluğu sağlanabilir. Sertifikasyon; polimer türüne, katkı oranı eşiğine ve doğrudan veya dolaylı temasa özgüdür.

Ürün uygulamaları

Naylonlar, polietilen tereftalat (PET), polikarbonatlar, poliolefinler, polivinil klorür (PVC), stirenikler, termoplastik elastomerler (TPU'lar) ve termoplastik poliüretanlar (TPE'ler) dahil berrak, yarı saydam ve opak renkli polimerler, yüksek kontrastlı markalama kalitesi elde etmek için ağır metal içermeyen, FDA/Avrupa Gıda Güvenliği Otoritesi (EFSA) onaylı katkı maddeleri kullanılarak özel olarak formüle edilir (bkz. Şekil 1). Polimer berraklığı, spektral geçirgenlik ve temel fiziksel özellikler etkilenmez. Temassız dijital lazer markalama, pahalı yapışkanlı etiketlerin ve mürekkep-kimyasal baskı proseslerinin yerini alır. Sonuç, uygulamada uygun maliyetli, çevre dostu ve üstün bir estetik görünümdür.

Polimerik lazer markalama reaksiyon mekanizması

Yakın kızılötesi (NIR) lazerlerle (1060–1080 nm dalga boyu) kullanılan lazer kimyasal katkı maddelerinin formülasyonunda elde edilen gelişmeler, bunların iterbiyum fiber, vanadat ve öncül Nd:YAG lazerlerle uyumlu olmasıdır. Çoğu polimer kimyasal katkı maddeleri olmadan NIR absorpsiyon özelliğine sahip değildir¹. Lazerle markalanabilen polimerler, lazer ışığını absorbe edip ışık enerjisinden ısıl enerjiye dönüştüren polimerlerdir. Uzmanlar, yerel renk değişimleri için lazer enerjisinin absorpsiyonunu artırmak amacıyla katkı maddeleri, dolgu maddeleri, pigmentler ve boyalar kullanır. İstenen markalama kontrastına ve işlevselliğe bağlı olarak çok farklı formülasyon kimyaları ve lazer optiği/kurulum parametreleri kullanılır.

En yaygın yüzey reaksiyon mekanizması, altlıkta absorbe edilen enerjinin absorpsiyon bölgesini çevreleyen malzemenin yerel sıcaklığını polimerin ısıl bozunmasına yol açacak kadar yükselttiği termal kimyasal “karbonizasyon” veya “kömürleşme” olarak adlandırılır. Markanın koyuluğu veya açıklığı, absorbe edilen enerjiye ve malzemenin kendine özgü ısıl bozunma yoluna bağlıdır. Lazer kurulumu optimize edilerek yüzey karbonizasyon kalıntısı minimuma indirilir.

Lazer katkı maddeleri

Yakın kızılötesi lazer katkı maddeleri kontrast derecesini artırır; bu, lazer kurulum parametreleri değiştirilerek daha da güçlendirilebilir. Polimerler, “koyu renkli” veya “açık renkli” markalama kontrastı verme yönünde doğal özelliklere sahiptir. Az miktarda titanyum dioksit (TiO2) ve karbon siyahı içeren bazı renklendirici bileşikler de lazer ışığını absorbe edebilir ve bazı durumlarda 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 %20 ve daha hızlı markalama hızı gösterebilir. Lazer katkı maddeleri pelet granül ve toz formunda sunulur. Granül ürünler doğrudan polimer reçineyle karıştırılabilir; toz formundakiler ise masterbatch'e dönüştürülür. Çoğu polimerlerde kolayca dağılır. Katkı maddesine ve polimere bağlı olarak (nihai parçada) ağırlıkça katkı konsantrasyonu %0,01 ile %4,0 arasında değişir.

Hem granül hem de toz form, önceden kompaundlanmış renk malzemesine veya renk konsantresine karıştırılabilir. Hangi katkı maddesinin kullanılacağı; polimer bileşimine, altlık rengine, istenen markalama kontrast rengine ve nihai kullanım sertifikasyon gereksinimlerine bağlıdır. Ekstrüzyon, enjeksiyon kalıplama ve termoform işlemlerinde önceden renklendirilmiş kompaund malzemeler, renk konsantresine kıyasla daha iyi homojenlik sağlar. Elle karıştırmadan kaçınılmalıdır. Kalıp akışı ile yolluk türü/konumu önemli faktörlerdir. Lazer katkı maddelerinin her parça boyunca homojen dağılımı/dispersiyonu, optimum markalama performansı için kritiktir.

Bazı katkı maddeleri, doğal (renklendirilmemiş) altlık opaklığına “gri” bir ton verebilen antimon katkılı kalay oksit ve antimon trioksit karışımları içerir. Diğer katkı maddeleri alüminyum parçacıkları, karışık metal oksitler ve tescilli bileşikler içerebilir. Nihai renk eşleşmesi görünümünü elde etmek için pigmentler ve boyalar kullanılarak renk ayarları yapılır. Ticari olarak temin edilen, belirli katkı maddeleri (lazer kaynağı için de kullanılır), 21 CFR 178.3297 – Polimerler için Renklendiriciler kapsamında A-H koşulları altında gıda teması ve gıda ambalajı kullanımı için FDA onayı almıştır. Avrupa Birliği için de benzer uygunluk beyanları vardır. Sertifikasyon koşulları polimer türüne, katkı oranı eşiğine ve doğrudan veya dolaylı temasa özgüdür. “Nihai parça” içine karıştırılan FDA onaylı katkı maddelerinin ek nitelendirilmesi, tıbbi cihazların biyouyumluluğunu sağlayabilir².

Nanosaniye iterbiyum fiber lazer teknolojisi

Lazer teknolojisindeki gelişmeler, FDA onaylı lazer katkı maddelerinin en yeni neslinin hızla geliştirilmesinde belirleyici olmuştur. Nanosaniye iterbiyum fiber lazerlerin ortaya çıkışı; markalama, kaynak ve kesme için en önemli gelişmelerden biridir.

Temelde fiber lazerler, diğer diyot pompalı katı hal (DPSS) markalama lazerlerinden farklıdır. Fiber lazerlerde lazer ışınını üreten aktif ortam, özel bir fiber optik kablo içine dağıtılmıştır. Fiber ile iletilen lazerlerin aksine, ışının tüm yolu ışın iletim optiklerine kadar bir fiber optik kablo içindedir. Bu tamamen fiber yapı, bu lazerlerin güvenilirliğinin ve sağlamlığının büyük ölçüde nedenidir ve hızlı büyümelerini açıklar.

Fiber lazerler, Nd:YAG lazerlere kıyasla üstün ışın kalitesi (M2) ve parlaklık sağlar. Üstün ışın kalitesine sahip bir lazer küçük bir nokta boyutuna odaklanabilir; bu da yüksek enerji yoğunluğuna yol açar. Darbe enerjisi 1 mJ'e kadar olan ve yüksek güç yoğunluğuna sahip sabit ve değişken darbeli master osilatör güç amplifikatörü (MOPA) fiber lazerler, tarihsel olarak zor olan birçok polimeri markalayabilir (bkz. Şekil 2)³.

Vanadat lazerler de küçük bir M2 değerine ve sabit fiber ile YAG lazerlerden daha kısa darbe genişliğine sahiptir. Darbe süresi, malzemeye ısı ve karbonizasyon derecesini etkiler. Tipik olarak <40 ns olan kısa darbeler, hassas polimerik malzemeleri işlerken daha kontrollü enerji girişi sağlar. Bu darbeler malzeme eşiklerini aşacak tepe gücüne yine de sahiptir, ancak yerel ısıl hasarı azaltmak için daha düşük darbe enerjisine sahiptir.

Yüksek performanslı fiber lazerlerin önde gelen geliştiricisi ve üreticisi IPG Photonics, hem sabit darbeli YLP Serisi (bazen “Q-switch” olarak anılır) hem de değişken kısa darbeli YLPN (MOPA) lazerler sunmaktadır. Genellikle 100–120 ns darbe genişliğine sahip Q-anahtarlamalı fiber lazerler bazı markalama uygulamalarında kullanılır, ancak tekrarlama hızları Q-anahtarlama teknolojisinin doğal kısıtı nedeniyle yaklaşık 80 kHz ile sınırlıdır. Doğrudan modüle edilen MOPA (DM-MOPA) fiber lazerler nanosaniye darbe genişliklerinde 500 kHz'e kadar tekrarlama hızlarında çalışabilir. Yüksek tekrarlama hızları genellikle (diğer lazer/dalga kılavuzu parametreleriyle birlikte) daha hızlı markalama hızına dönüşür.

Uygulama geliştirme son derece özeldir; çünkü evrensel bir lazer çözümü yoktur. Kısa darbe süreli MOPA lazerler, FDA onaylı hassas kimyasal katkı maddelerinin performansından tam olarak yararlanabilir. Lazer ısı girişinin ve ısı giriş hızının yerel uzamsal ve zamansal kontrolü maksimum performans sağlar. Hangi lazer türünün entegre edileceği, lazerin çıkış özelliklerinin optimize edilmiş polimer malzemeyle etkileşimine göre belirlenir. ŞEKİL 3, sabit ve değişken (MOPA) darbe uzunluklu iterbiyum fiber lazerlerin zamansal darbe şekillerini göstermektedir [3].

Markalama için sabit darbe uzunluklu bir fiber lazer kurulurken iki girdi ayarlanmalıdır:

• Darbe tekrarlama hızı (çoğunlukla darbe frekansı olarak anılır) ve
• Yüzde olarak pompa gücü – %100, pompa diyotlarına verilebilecek maksimum elektrik girişini ifade eder.

Markalama için değişken kısa darbeli bir MOPA fiber lazer kurulurken üç girdi ayarlanır:

• Darbe süresi (çoğunlukla darbe uzunluğu olarak anılır);
• Darbe tekrarlama hızı (darbe frekansı) ve
• Yukarıda açıklandığı gibi yüzde olarak pompa gücü.

Her iki grafik için de parametre girdilerinin belirli kombinasyonu, lazer ışınının çıkış özelliklerini, yani darbe enerjisini, tepe gücünü (darbe enerjisinin en yüksek anlık tepesi, joule/darbe süresi) ve ortalama gücü (watt cinsinden ortalama güç = joule cinsinden darbe enerjisi × hertz cinsinden darbe tekrarlama hızı) kontrol eder.

‘Hareket halinde’ (on-the-fly) lazer markalama

“Hareket halinde” lazer markalama, tel/kablo, tüp ve boru gibi kalıplanmış ve ekstrüde ürünler üzerinde gerçekleştirilen en özel uygulamalardan biridir. Poliolefin sentetik şarap mantarları ve contasız içecek kapaklarının kapak altı promosyonları için markalama hızları, alfanümerik metin ve grafikler için 2000 adet/dk'ya ulaşabilir (bkz. Şekil 4). Metin ve makine görüşü kodlarının doğrusal markalama hızları 500 ft/dk ve daha yüksek hızlara ulaşabilir; burada mürekkepsiz lazer markalama artık rotogravür ve tampon baskının yerini almaktadır.

Markalama hızı; polimer türü, altlık rengi, lazer katkı maddesi türü ve oranı, kablo boyutu (ağırlığı), lazer türü ve gücü, yazılım, alfanümerik karakter sayısı, metin yüksekliği, metin dizisi uzunluğu, karakterler arası boşluk, barkod/data matrix, logolar/grafikler, tek vuruşlu veya true-type dolgulu yazı tipleri, dolgu yönü ve sürekli veya tekrarlayan metin dahil birçok değişkenin bir fonksiyonudur. Uygun şekilde formüle edilmiş katkı renklendiricisinin kullanılması, markalama yüzeyindeki “güç yoğunluğunun” sınırlayıcı faktör olmamasını sağlar. Bunun yerine ışın yönlendirmeli galvanometreler maksimum hızda çalışacaktır.

Hareket halinde üretim markalama kabiliyetini etkileyen faktörlerin karmaşıklığı nedeniyle her uygulama titizlikle incelenmelidir. Genelleştirilebilecek kural çok azdır, varsa. Ancak genel amaçlar için, 50W fiber lazer, 254 mm düz alan lensi, 100 alfanümerik karakter, 2 mm yükseklik, 14,68 inç tekrarlayan metin dizisi uzunluğu ve 0,232 s markalama süresi içeren aşağıdaki naylon polimer örneğini göz önünde bulundurun. Hesaplanan hız yaklaşık 315 lin. ft/dk'dır.

Lazer ekipman sistemleri

Bir lazer üreticisinin sistemlerine dahil ettiği donanım ve yazılım bileşenleri; markalama kontrastında, kalitesinde ve hızında önemli fark yaratır. Temel bir özellik, markalama yüzeyindeki güç yoğunluğudur (W/cm2) (bu, lazerin ham çıkış gücünden farklıdır). Lazer ışınının çıkış modu, markalama performansı için kritiktir. Bu çıkış modları; ışın iraksaması ve lazer ışınının çapı boyunca güç dağılımı gibi faktörlerle ilişkilidir.

Güç yoğunluğu, odaklanmış lazer nokta boyutunun bir fonksiyonudur. Herhangi bir odak uzaklığındaki lens ve lazer dalga boyu için odaklanmış lazer nokta boyutu, lazer konfigürasyonu, mod seçici açıklık boyutu ve yükseltici kolimatör (ışın genişletici) büyütmesi tarafından kontrol edilen lazer ışını iraksamasının bir fonksiyonudur. Darbe tekrarlama hızı ve tepe güç yoğunluğu, markanın oluşturulmasında ve optimum kontrast ile hızın elde edilmesinde kritik parametrelerdir. Güç ile darbe tekrarlama hızının aritmetik eğrileri ters orantılıdır. Düşük frekansta yüksek tepe gücü, yüzey sıcaklığını hızla yükselterek malzemeyi buharlaştırırken altlığa minimum ısı iletir. Darbe tekrarlaması arttıkça daha düşük tepe gücü minimum buharlaşma sağlar ancak daha fazla ısı iletir. Markalama kontrastını ve kalitesini etkileyen diğer katkıda bulunan faktörler ise elbette ışın hızı ve vektör çizgi aralığı mesafesidir.

Sonuç

Polimerlere dahil edilen FDA onaylı çığır açan lazer katkı maddeleri üstün markalama kontrastı, çizgi kenar detayı ve hız sağlar. Lazer güçlendirici katkı maddeleri içeren ürünler %20 ve daha hızlı markalama hızı sağlar. Faydalar, ek malzeme katkı maliyetini hızla telafi eder. Uygun maliyetli nanosaniye iterbiyum fiber lazer teknolojisindeki gelişmeler belirleyici olmuştur. Hat içi, hareket halinde lazer markalama artık rotogravür ve tampon baskının yerini almaktadır. Plastik lazer markalama için optimize edilmiş malzeme bilimi kimyası; çözünürlük, parçacık boyutları, eşik konsantrasyon sınırları, renk eşleştirme ve mevzuat sertifikasyonları (GRAS, FDA doğrudan/dolaylı gıda teması) açısından polimer, renklendirici, pigment ve boya uzmanlığı gerektirir. Tüm fiber lazerler eşit değildir.

Teşekkürler ve kaynaklar

Yazar, The Sabreen Group'un teknik içerik katkılarıyla hazırlanan BASF Corporation'ın Mark-it Laser Marking Pigment Technical Bulletin 2002 belgesini; Hoechst Technical Polymers'tan Bruce Mulholland ve The Sabreen Group'un “Enlightened laser marking”, Lasers & Optronics (Jul. 1997) çalışmasını; Baasel Lasertechnik GmbH'den Daniel S. Burgess ve The Sabreen Group'un “Laser marking: A clean economical packaging solution”, Photonics Spectra (Nov. 2001) çalışmasını teşekkürle anar.

• 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, plastik ikincil işleme süreçlerinde (yüzey ön işlemleri, adhezyon ile birleştirme, mürekkep püskürtmeli baskı, lazer markalama, dekorasyon ve yüzey işleme ile ürün güvenliği) uzmanlaşmış bir mühendislik danışmanlığı 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 adresini ziyaret ederek ulaşılabilir.

---