“Akıllı katkı maddeleri” plastik lazer markalamayı geliştirir

“Akıllı katkı maddeleri” plastik lazer markalamayı geliştirir

Geliştirilmiş kontrast, çizgi kenar detayı ve hız

Polimerlere katılan en yeni nesil lazer markalama “akıllı katkı maddeleri”, hem fayda sağlayan hem de maliyet tasarrufu getiren teknolojide dev bir sıçramadır. Bu ileri malzeme bilimi formülasyonları, geleneksel olarak lazerle markalanması zor, hatta imkânsız olan plastiklerde benzeri görülmemiş markalama kontrastı, çizgi kenar detayı ve hız elde eder. Isıl kimyasal yüzey reaksiyonları için tasarlanan bu formülasyonlar, 1060 ile 1070 nm dalga boyunda (yakın kızılötesi spektrum) çalışan fiber, YAG ve vanadat lazerler için idealdir.

Lazerle markalanabilen polimerler, lazer ışığını absorbe edip ışık enerjisinden ısıl enerjiye dönüştürenlerdir. Çoğu polimer 1060 ile 1070 nm'de absorpsiyon özelliğine sahip olmadığından uzmanlar, yerel renk değişimleri için lazer enerjisinin absorpsiyonunu artıran katkı maddeleri, dolgular, pigmentler ve boyalar kullanır. Yüksek kontrastlı ve renkli lazer markalamayı elde etmeye yönelik malzeme bilimi kimyası hem sanat hem bilimdir. Yaygın inanışın aksine, tüm markalama sorunlarını çözen tek bir lazer katkı maddesi yoktur. İstenen markalama kontrastına ve işlevselliğe bağlı olarak çok farklı formülasyon kimyaları, lazer türü (fiber, YAG, vanadat) ve lazer optiği/kurulum parametreleri kullanılır.

ŞEKİL 1, polietilen üzerinde (solda) “koyu markalama kontrastını”, naylon üzerinde (ortada) “beyaz markalama kontrastını” ve ABS üzerinde (sağda) özel renk sarı-altını göstermektedir. Ayrıca üç benzersiz yüzey reaksiyon mekanizmasını da gösterir. Birincisi, kömürleşme süreci, emilen enerjinin absorpsiyon bölgesini çevreleyen malzemenin yerel sıcaklığını polimerin ısıl bozunmasına yol açacak kadar yükseltmesiyle oluşur. Bu, oksijen varlığında polimerin yanmasına yol açabilse de altlık malzemenin iç kısmındaki sınırlı oksijen temini, polimerin kömürleşerek siyah veya koyu bir markalama kontrastı oluşturmasına neden olur. Markanın koyuluğu, emilen enerjiye ve malzemenin kendine özgü ısıl bozunma yoluna bağlıdır. Reçine renklendirici matrisine harmanlandığında, koyu markalama kontrastı veren katkı maddeleri çoğu zaman antimon katkılı kalay oksit, antimon trioksit veya alüminyum parçacıkları karışımları içerir. Hepsi polimerlerde kolayca dağılır. Tipik ağırlıkça yükleme konsantrasyonu düzeyleri yüzde 0,01 ile 3,0 arasındadır. Nihai formülasyonların çoğu, 21 CFR 178.3297 Polimerler için renklendirici standardının A-H koşulları uyarınca kullanım için FDA onayı almıştır.

İkinci yüzey reaksiyonu, bozunma sırasında buhar salan katkı maddeleri kullanılarak gerçekleştirilen ve polimerin köpürmesine yol açan kimyasal değişimdir. Köpürme sürecinde lazer enerjisi, köpürtücü ajanın yakınındaki bir katkı maddesi tarafından emilir. Absorbanın ürettiği ısı, köpürtücü ajanın bozunarak buhar salmasına neden olur. Köpürtücü ajanlara örnek olarak alüminyum hidroksit veya çeşitli karbonatlar verilebilir. Karbonizasyonu önlemek için mekanizma, polimerin köpürtücü katkı maddesinden daha yüksek bir sıcaklıkta bozunmasını gerektirir. Lazer çalışma parametrelerinin sıkı kontrolüyle koyu altlık malzemeler üzerinde yüksek kaliteli ve dayanıklı açık renkli markalar elde edilebilir. Zayıf lazer kontrolü ise kolayca çizilebilen (düşük dayanıklılık) kolay ufalanan veya düşük kontrastlı bir marka oluşturabilir.

Üçüncüsü, bir renklendirici karışımındaki tek bir renklendiriciyi ısıtmak/bozundurmak için lazer enerjisi kullanılır ve bu bir renk değişimiyle sonuçlanır. Bunun bir örneği, 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.

Lazer formülasyonları toksik olamaz ve ürünlerin görünümünü, fiziksel veya işlevsel özelliklerini olumsuz etkileyemez. Markayı oluşturmak üzere polimerin kömürleşmesini veya köpürmesini sağlayacak kadar yüksek bir düzeye polimerin yerel sıcaklığını yükseltmek için yeterli lazer enerjisi absorbe etmelidirler. Bu sıcaklık, aynı polimer ailesi içinde bile farklı polimerler için değişir.

Temel çıkarımlar

• Evrensel bir katkı maddesi yoktur. Yaygın inanışın aksine kimya; polimere, renge ve lazere göre eşleştirilmelidir.
• Üç mekanizma (kömürleşme, köpürme ve renklendirici renk değişimi) koyu, beyaz ve özel renkli markaları kapsar.
• Yükleme düşüktür; tipik olarak ağırlıkça yüzde 0,01 ile 3,0 arasındadır ve formülasyonların çoğu 21 CFR 178.3297 kapsamında FDA onaylıdır.
• Yüzde 15 veya daha fazla hız kazanımı, yüzde 0,01 ile 2,0 kadar düşük konsantrasyonlardaki katkı maddelerinden gelir.
• Isıl bozunma sıcaklığı markalanabilirliği öngörür. İki HDPE kalitesi yalnızca bu nedenle çok farklı markalanabilir.

Sık sorulan sorular

Tüm markalama sorunlarını çözen tek bir lazer katkı maddesi var mı?

Hayır. Yaygın inanışın aksine evrensel bir katkı maddesi yoktur. İstenen kontrasta ve işlevselliğe bağlı olarak çok farklı formülasyon kimyaları, lazer türleri (fiber, YAG veya vanadat) ile optik ve kurulum parametreleri gerekir.

Katkı maddeleri koyu plastik üzerinde nasıl beyaz marka oluşturur?

Köpürme yoluyla. Bir katkı maddesi bozunurken buhar salar ve lazer enerjisi, köpürtücü ajanın yakınındaki bir absorban tarafından emilir. Alüminyum hidroksit ve çeşitli karbonatlar tipik köpürtücü ajanlardır. Polimer, köpürtücü katkı maddesinden daha yüksek bir sıcaklıkta bozunmalıdır; aksi halde bunun yerine kömürleşme oluşur.

Aynı polimerin iki kalitesi neden farklı markalanır?

Isıl bozunma sıcaklıkları farklıdır. İki HDPE numunesinin termogravimetrik analizi, bozunma başlangıcında ölçülebilir farklar gösterir ve yüksek sıcaklıklı polimer, aynı marka görünümüne ulaşmak için daha fazla lazer enerjisi, daha yavaş markalama veya daha fazla absorplayan katkı maddesi gerektirir.

Optimize edilmiş katkı maddeleriyle markalama ne kadar daha hızlıdır?

Optimize edilmemiş formülasyonlara kıyasla, yaklaşık yüzde 0,01 ile 2,0 gibi düşük konsantrasyonlarda elde edilen yüzde 15 veya daha fazla, istatistiksel olarak anlamlı kazanımlar. Contasız içecek kapaklarında “akış halinde” kapak altı promosyon markalama, dakikada 1.500 kapağa varan hızlarda çalışır.

Açık renkli bir markanın kolayca silinmesine ne neden olur?

Köpürme sırasında zayıf lazer kontrolü. Sıkı parametre kontrolü olmadan sonuç, mekanizmanın üretebileceği yüksek kaliteli ve dayanıklı açık renkli marka yerine düşük dayanıklılıkta, kolay ufalanan veya düşük kontrastlı bir markadır.

Daha hızlı markalama hızlarına ulaşmak

Bir parçayı markalamak için gereken süre; polimerik altlık malzemenin, çizilen vektör çizgilerinin sayısının ve lazer ışını/galvanometre tarama başlığının tüm çizgileri ne kadar hızlı çizdiğinin bir fonksiyonudur. Lazer yazılımı ve vektör dolgu türü (tek yönlü, çift yönlü veya yılankavi) de markalama süresini etkileyebilir. Yeni bağımsız çalışmalar, yüzde 0,01 ile 2,0 gibi çok düşük konsantrasyon düzeylerinde lazer katkı maddesi formülasyonları eklenerek istatistiksel olarak anlamlı ölçüde daha hızlı markalama hızlarına ulaşılabildiğini göstermektedir.

ŞEKİL 2, iki yüksek yoğunluklu polietilen için bir termogravimetrik analiz (TGA) grafiğini göstermektedir. İki polimer, lazer markayı oluşturan süreç olan ısıl bozunma için farklı sıcaklıklar sergiler. Yüksek sıcaklıklı polimer, aynı marka görünümüne ulaşmak için daha fazla lazer enerjisi, daha düşük markalama hızı veya daha fazla absorplayan katkı maddesi gerektirir. Akıllı katkı maddeleri maliyet tasarrufu sağlar ve optimize edilmemiş malzeme formülasyonlarına göre yüzde 15 ve daha hızlı markalama hızları gösterir. İlginç bir uygulama, contasız içecek kapaklarında kapak altı promosyonları için “akış halinde” lazer markalamadır. Anahtar teslim sistemler, dakikada 1.500 kapağa varan hızlarda benzersiz grafikler ve alfanümerik metin markalayabilir. Örnekler ŞEKİL 3'te gösterilmiştir.

Lazer teknolojisi

Lazer teknolojisindeki ilerlemeler, akıllı lazer katkı maddelerinin hızlı gelişiminde belirleyici olmuştur. Nanosaniye fiber lazer teknolojisi yeni gelişen bir alandır ve markalama, kaynak ve kesme için lazerlerdeki en önemli ilerlemelerden biridir. Fiber lazerler, diğer katı hal markalama lazerlerinden temelde 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 fiber optik kablonun içindedir.

Fiber lazerler üstün ışın kalitesi ve parlaklığı sağlar. Işın kalitesinin ölçütü M2'dir. M2 değeri ne kadar küçükse ışın kalitesi o kadar iyidir; M2 = 1 ideal Gauss lazer ışınıdır. Üstün ışın kalitesine sahip bir lazer küçük bir nokta boyutuna odaklanabilir; bu da yüksek enerji yoğunluğuna yol açar. 1 mJ'ye kadar darbe enerjisine ve yüksek güç yoğunluğuna sahip MOPA fiber lazerler; naylonlar, üretanlar ve asetaller dahil tarihsel olarak zor birçok polimeri markalayabilir.

Tüm ışın yönlendirmeli fiber, YAG ve vanadat lazerler eşit değildir. Bir lazer üreticisinin sistemlerine dahil ettiği donanım ve yazılım bileşenleri; markalama kontrastı, kalitesi ve hızında önemli fark yaratır. Temel özellik, markalanan yüzeydeki güç yoğunluğudur (W/cm²) (bu, lazerin ham çıkış gücünden farklıdır). Lazer ışınının çıkış modu, markalama performansı için kritiktir. Bu çıkış modları, ışın ıraksaması ve lazer ışınının çapı boyunca güç dağılımı gibi faktörlerle ilişkilidir. Güç yoğunluğu, odaklanmış lazer nokta boyutunun bir fonksiyonudur.

Belirli bir odak uzaklığındaki lens ve lazer dalga boyu için odaklanmış lazer nokta boyutu, lazer konfigürasyonu, mod seçici diyafram boyutu ve genişletici (ışın genişletici) büyütmesi tarafından kontrol edilen lazer ışını ıraksamasının bir fonksiyonudur. Darbe tekrarlama hızı ve tepe güç yoğunluğu, markanın oluşturulmasında ve en uygun kontrast ile hızın elde edilmesinde kritik parametrelerdir. Düşük frekansta yüksek tepe gücü, altlık malzemeye minimum ısı ileterek malzemeyi buharlaştırırken yüzey sıcaklığını hızla artırır. Darbe tekrarlaması arttıkça daha düşük tepe gücü minimum buharlaşma sağlar ancak daha fazla ısı iletir.

Sonuç

Polimerlere katılan en yeni nesil lazer markalama “akıllı katkı maddeleri”, benzeri görülmemiş markalama kontrastı, çizgi kenar detayı ve hız sağlar. Bu faydalar, ilave malzeme katkı maddesi maliyetini hızla dengeler. Plastik lazer markalama için en uygun malzeme bilimi kimyası formülasyonunu elde etmek; polimerler, polimer aileleri içindeki özellik kaliteleri, renklendiriciler, pigmentler ve boyalar (çözünürlük, tanecik boyutları, eşik konsantrasyon sınırları, renk eşleşmesi) ve mevzuat sertifikaları (GRAS, FDA doğrudan/dolaylı gıda teması) konusunda uzmanlık gerektirir. Malzeme bilimi çözümleri maliyet etkin ve kullanımı kolay olmalı, polimerin fiziksel ve kimyasal özellikleri üzerinde zararlı bir etkisi bulunmamalıdır.

Kaynaklar

• Engelhard Corporation Mark-it™ Laser Marking Pigment Technical Bulletin 2002, The Sabreen Group Inc.'in teknik içerik katkılarıyla.
• Bruce Mulholland (Hoechst Technical Polymers) ve Scott Sabreen (The Sabreen Group Inc.), “Enlightened Laser Marking,” Lasers&Optronics, Temmuz 1997.
• Daniel S. Burgess, Scott R. Sabreen ve Carl Baasel Lasertechnik GmbH, “Laser Marking: A Clean Economical Packaging Solution,” Photonics Spectra, Kasım 2001.

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.

---