Fiber lazerler: seçim ve katkı maddeleri

Fiber lazerler: seçim ve katkı maddeleri

Editörün notu: Bu Teknoloji yazısında Scott Sabreen, fiber lazerlerle ilgili iki konuyu ele alıyor: plastikleri markalarken fiber lazer türünün seçimi ve katkı maddeleri kullanarak markalama kontrastının iyileştirilmesi.

Temel çıkarımlar

• Fiber lazerler diğer DPSS lazerlerden temelde farklıdır; aktif ortam fiber optik kablonun içine dağılmıştır.
• Tamamen fiber yapı, güvenilirliklerini ve sağlamlıklarını, dolayısıyla hızlı büyümelerini açıklar.
• Q-anahtarlamalı lazerler, 100–120 ns darbe genişliğinde teknolojinin doğal bir kısıtı olarak yaklaşık 80 kHz'de sınırlanır.
• DM-MOPA, nanosaniye darbe genişliklerinde 500 kHz'e ulaşır; bu da genellikle daha hızlı markalama anlamına gelir.
• Evrensel bir lazer çözümü yoktur. Uygulama geliştirme malzemeye son derece özgüdür.

Sık sorulan sorular

Fiber lazeri diğer katı hal lazerlerinden farklı kılan nedir?

Işını üreten aktif ortam özel bir fiber optik kablonun içine dağılmıştır ve fiberle iletilen lazerlerin aksine ışının tüm yolu, iletim optiklerine kadar bu kablonun içinde kalır. Bu tamamen fiber yapı, güvenilirlik ve sağlamlıklarından büyük ölçüde sorumludur.

Sabit darbeli mi, MOPA mı seçmeliyim?

Malzemeye bağlıdır. 100 ila 120 ns'lik Q-anahtarlamalı sabit darbeli lazerler bazı markalama uygulamalarında kullanılır ancak teknolojinin kendisi nedeniyle yaklaşık 80 kHz tekrarlama hızıyla sınırlıdır. Doğrudan modülasyonlu MOPA lazerler, nanosaniye darbe genişliklerinde 500 kHz'e kadar ulaşır; bu da genellikle daha hızlı markalama anlamına gelir.

Daha yüksek tekrarlama hızı her zaman daha hızlı markalama demek midir?

Genellikle evet, ancak yalnızca diğer lazer ve dalga kılavuzu parametreleriyle birlikte. Verimi tek başına tekrarlama hızı belirlemez; darbe enerjisi, tepe güç, ışın hızı ve malzeme tepkisi de katkıda bulunur.

Plastikler için tek bir en iyi lazer var mı?

Hayır. Uygulama geliştirme son derece özgüdür ve hangi lazer türünün entegre edileceği, lazerin çıkış özelliklerinin optimize edilmiş polimer malzemeyle nasıl etkileşime girdiğine göre belirlenir. Malzeme ve lazer birlikte seçilmelidir.

Katkı maddeleri, bir fiber lazerin neyi markalayabileceğini nasıl değiştirir?

Kontrast derecesini iyileştirirler; bu da lazer kurulum parametreleriyle daha da güçlendirilebilir. Polimerlerin doğal olarak koyu veya açık kontrast verme eğilimleri vardır ve aynı ailedeki kaliteler bile farklı sonuçlar verir; bu nedenle katkı maddesi belirli kaliteye göre eşleştirilir.

Plastik markalamak için fiber lazer seçimi: hangi lazer en iyisi?

Nanosaniye İterbiyum fiber lazerler; markalama, kaynak ve kesme alanındaki en önemli ilerlemeler arasındadır. Temelde fiber lazerler, diğer diyot pompalı katı hal (DPSS) markalama lazerlerinden farklıdır. Fiber lazerlerde lazer ışınını üreten aktif ortam, özel bir fiber optik kablonun içine dağılmıştır. Fiberle iletilen lazerlerin aksine ışının tüm yolu, ışın iletim optiklerine kadar bir fiber optik kablonun içindedir. Bu tamamen fiber yapı, bu lazerlerin güvenilirliğinden ve sağlamlığından büyük ölçüde sorumludur; bu da hızlı büyümelerini açıklar.

Plastik markalamada hangi fiber lazer türü en iyisi: sabit darbeli mi, MOPA mı?

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

Uygulama geliştirme son derece özgüdür ve evrensel bir lazer çözümü yoktur. Kısa darbe süreli MOPA lazerler, polimerlere eklenen hassas kimyasal katkı maddelerinin performansından tam olarak yararlanabilir. Lazer ısı girdisinin ve ısı girdisi hızının yerel uzamsal ve zamansal kontrolü, azami performansı mümkün kılar.

Hangi lazer türünün entegre edileceğinin seçimi, lazerin çıkış özelliklerinin optimize edilmiş polimer malzemeyle etkileşimine göre belirlenir. Şekil 2, sabit ve değişken (MOPA) darbe uzunluklu iterbiyum fiber lazerlerin zamansal darbe şekillerini göstermektedir.

Her iki grafik için de parametre girdilerinin belirli kombinasyonu, lazer ışınının çıkış özelliklerini kontrol eder; yani darbe enerjisini, tepe gücü (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).

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 (yüzde 100, pompa diyotlarına verilebilecek azami elektriksel girdiyi 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.

Fiber lazerlerle plastik markalamada lazer katkı maddeleri

Yakın kızılötesi lazer katkı maddeleri kontrast derecesini iyileştirir; bu da lazer kurulum parametreleri değiştirilerek daha da güçlendirilebilir. Polimerler doğal olarak “koyu renkli” veya “açık renkli” markalama kontrastı verme özelliklerine sahiptir. Düşük 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 veya fiziksel ya da 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 yüksek markalama hızları gösterebilir. Lazer katkı maddeleri pelet granül ve toz formunda tedarik edilir. Granül ürünler doğrudan polimer reçineyle harmanlanabilir; toz formlar ise masterbatch'e dönüştürülür. Çoğu, polimerlerde kolayca dağılır. Katkı maddesine ve polimere bağlı olarak (nihai parçadaki) ağırlıkça yükleme konsantrasyonu düzeyi yüzde 0,01 ile 4,0 arasında değişir.

Hem granül hem de toz form, önceden kompaund edilmiş renk malzemesine veya renk konsantresine harmanlanabilir. Hangi katkı maddesinin ekleneceğinin seçimi; polimer bileşimine, altlık malzeme rengine, istenen markalama kontrastı rengine ve nihai kullanım sertifikasyon gereksinimlerine bağlıdır. Ekstrüzyon, enjeksiyon kalıplama ve termoform işlemlerinde, önceden renklendirilmiş kompaund malzemeler renk konsantresine kıyasla daha iyi homojenlik sağlar.

El ile karıştırmadan kaçınılmalıdır. Kalıp akışı ile yolluk türü/konumu önemli faktörlerdir. Lazer katkı maddelerinin her parça boyunca homojen dağılımı/dispersiyonu, en iyi markalama performansını elde etmek için kritiktir.

Bazı katkı maddeleri, antimon katkılı kalay oksit ile antimon trioksit karışımları içerir ve bunlar doğal (renklendirilmemiş) altlık malzeme opaklığına “grimsi” bir ton verebilir. Diğer katkı maddeleri alüminyum parçacıkları, karışık metal oksitler ve tescilli bileşikler içerebilir. Nihai renk eşleşmesi görünümünü elde etmek için pigmentler ve boyalar kullanılarak renk ayarlamaları yapılır.

Ticari olarak tedarik edilen belirli katkı maddeleri (lazer kaynağında da kullanılan), 21 CFR 178.3297 – Polimerler için renklendiriciler standardının A-H koşulları uyarınca gıda teması ve gıda ambalajı kullanımı için FDA onayı almıştır. Avrupa Birliği için benzer uyumluluk beyanları mevcuttur. Sertifikasyon koşulları polimer türüne, yükleme düzeyi eşiğine ve doğrudan veya dolaylı temasa özgüdür. “Nihai parçaya” harmanlanmış FDA onaylı katkı maddelerinin daha ileri nitelendirilmesi, tıbbi cihazların biyouyumluluğunu sağlayabilir.

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

---