प्लास्टिक पर लेज़र मार्किंग के लिए मटेरियल साइंस की बुनियादी बातें

प्लास्टिक पर लेज़र मार्किंग के लिए मटेरियल साइंस की बुनियादी बातें

प्लास्टिक पर डायरेक्ट लेज़र मार्किंग में हुई प्रगति से मार्किंग की गुणवत्ता, कंट्रास्ट और गति अभूतपूर्व स्तर पर पहुँच गई है। उचित अनुप्रयोग के साथ लेज़र मार्किंग अनेक विनिर्माण लाभ दे सकती है और उत्पाद के स्वरूप तथा कार्यक्षमता में मूल्य जोड़ सकती है। प्लास्टिक मटेरियल साइंस और लेज़र उपकरण प्रणालियों की नवीनतम पीढ़ी पारंपरिक इंक प्रिंटिंग के विकल्प के रूप में स्थायी लेज़र मार्किंग की उद्योग में सशक्त माँग को बढ़ा रही है। यह लेख पॉलिमर, लेज़र एडिटिव्स और (विभिन्न लेज़र स्रोतों से उत्सर्जित) लेज़र प्रकाश की विशिष्ट तरंगदैर्घ्यों के बीच होने वाली रासायनिक अभिक्रियाओं से संबंधित बुनियादी अवधारणाएँ और जानकारी प्रस्तुत करता है।

विशेषज्ञ अक्सर मान लेते हैं कि प्लास्टिक पर लेज़र मार्किंग के सभी अनुप्रयोगों के लिए लेज़र मटेरियल एडिटिव्स आवश्यक होते हैं। किंतु मार्क किए जाने वाले प्लास्टिक के प्रकार और कंट्रास्ट तथा तीक्ष्ण/बारीक रेखा-विवरण की गुणवत्ता की अंतिम-उपयोग आवश्यकताओं के आधार पर, लेज़र-अनुकूलित सामग्री फ़ॉर्मूलेशन का उपयोग हमेशा आवश्यक नहीं होता। इसके बजाय, तरंगदैर्घ्य और लेज़र के प्रकार का सही चयन आवश्यक स्तर की मार्किंग-क्षमता प्रदान कर देगा। परिणाम इन कारकों से तय होंगे: a) रेज़िन का विशिष्ट ग्रेड और गुण; b) लेज़र का प्रकार (तरंगदैर्घ्य, बीम गुणवत्ता आउटपुट मोड, ऑप्टिकल कॉन्फ़िगरेशन, पावर डेंसिटी, पीक/औसत पावर, मार्किंग गति); c) कलरेंट यौगिक और फ़िलर घटक; d) चमक और सतह की बनावट; और e) रीग्राइंड की मात्रा। TiO2 और कार्बन ब्लैक जैसे कलरेंट यौगिकों में कुछ विशिष्ट तरंगदैर्घ्यों पर कुछ हद तक अवशोषण गुण होते हैं। इन यौगिकों का कण आकार और जेटनेस भी कारक हैं। इसके अलावा, एक ही सामान्य परिवार के भीतर भी विशिष्ट रेज़िन ग्रेड बहुत भिन्न परिणाम दे सकते हैं, जैसे स्टाइरीनिक्स।

दूसरी ओर, लेज़र एडिटिव्स शामिल करने पर विचार करते समय एक अक्सर अनदेखा लाभ यह है कि अनुकूलित लेज़र फ़ॉर्मूलेशन न केवल सजावटी या कार्यात्मक मार्किंग के कंट्रास्ट और गुणवत्ता को, बल्कि मार्किंग की गति को भी बेहतर बना सकते हैं। लेज़र एडिटिव्स के उपयोग से मार्किंग साइकिल समय लगभग हमेशा घटता है और कम लेज़र पावर से काम चल जाता है। ये कारक अंततः लागत बचाते हैं और विनिर्माण उत्पादन बढ़ाते हैं।

प्लास्टिक पर लेज़र मार्किंग के लिए इष्टतम मटेरियल साइंस रसायन फ़ॉर्मूलेशन तैयार करने के लिए पॉलिमर, पॉलिमर परिवारों के भीतर गुण-ग्रेड, कलरेंट, पिगमेंट और डाई (घुलनशीलता, कण आकार, सीमा सांद्रता, लेज़र एडिटिव्स के साथ कलर-मैच) तथा नियामक प्रमाणन (GRAS, FDA प्रत्यक्ष/अप्रत्यक्ष खाद्य संपर्क) में विशेषज्ञता आवश्यक है। मटेरियल साइंस समाधान किफ़ायती और उपयोग में आसान होने चाहिए, और पॉलिमर उत्पादों के भौतिक और रासायनिक गुणों पर उनका कोई हानिकारक प्रभाव नहीं पड़ना चाहिए। इसलिए यह नितांत आवश्यक है कि रसायनविदों/फ़ॉर्मूलेटरों को तेज़ विनिर्माण उत्पादन गति पर मज़बूत मार्किंग सुनिश्चित करने के लिए विभिन्न प्रकार की लेज़र प्रौद्योगिकियों का व्यापक ज्ञान हो।

यह लेख 1060 से 1070 nm की सीमा में कार्य करने वाले बीम-स्टीयर्ड प्रकार के लेज़र पर केंद्रित है। इनमें Nd:YAG (आर्क लैंप और डायोड पंप्ड), वैनाडेट और फाइबर लेज़र शामिल हैं। पारंपरिक “YAG” लेज़र पिछले कई दशकों में अपनी उत्सर्जन तरंगदैर्घ्य, पावर प्रदर्शन और व्यापक बहुमुखी उपयोगिता के कारण लेज़र मार्किंग उद्योग में सबसे लोकप्रिय हैं। वैनाडेट और फाइबर लेज़र कहीं नई प्रौद्योगिकियाँ हैं और अक्सर इनका चयन अनुप्रयोग-विशिष्ट होता है। फिर भी, उपयुक्त अनुप्रयोगों में ये उत्कृष्ट परिणाम दे सकते हैं।

1060 से 1070 nm तरंगदैर्घ्य का उपयोग करने वाली बीम-स्टीयर्ड लेज़र मार्किंग की मूल प्रक्रिया में पॉलिमर को उच्च-ऊर्जा विकिरण स्रोत (लेज़र) से विकिरणित किया जाता है। विकिरण ऊर्जा को सामग्री स्थानीय रूप से अवशोषित करती है और वह ऊष्मीय ऊर्जा में बदल जाती है। यह ऊष्मीय ऊर्जा, बदले में, सामग्री में अभिक्रियाएँ उत्पन्न करती है। इस निकट-IR तरंगदैर्घ्य क्षेत्र में कई प्रकार की अभिक्रियाएँ संभव हैं, जिनमें कम से कम ये शामिल हैं: 1) चारिंग (कार्बनीकरण); 2) एब्लेशन; और 3) रासायनिक परिवर्तन। वांछित मार्किंग कंट्रास्ट परिणाम के अनुसार, पसंदीदा प्रकार की अभिक्रिया प्राप्त करने के लिए बहुत भिन्न रसायन और लेज़र सिस्टम पैरामीटर चुने जा सकते हैं। आम धारणा के विपरीत, ऐसा कोई एकल लेज़र एडिटिव नहीं है जो मार्किंग की सभी समस्याओं का समाधान कर दे!

चारिंग अभिक्रिया तब होती है जब अवशोषित ऊर्जा अवशोषण स्थल के आसपास की सामग्री का स्थानीय तापमान इतने ऊँचे स्तर तक बढ़ा देती है कि पॉलिमर का ऊष्मीय क्षरण हो जाता है। ऑक्सीजन की उपस्थिति में इससे पॉलिमर जल जाता है, लेकिन वर्कपीस के भीतर ऑक्सीजन की सीमित आपूर्ति के कारण पॉलिमर चार होकर काला निशान बनाता है। निशान का कालापन अवशोषित ऊर्जा तथा सामग्री के ऊष्मीय क्षरण पथ पर निर्भर करता है।

एब्लेशन तब होता है जब पॉलिमर को इतना गर्म किया जाता है कि उसका क्षरण हो जाए और क्षरण के उप-उत्पाद वाष्पित हो जाएँ, जिससे एचिंग वाला क्षेत्र बनता है। इस प्रकार की मार्किंग में सामान्यतः कम कंट्रास्ट मिलता है। संदर्भ के लिए, कंटिन्युअस वेव (CW) CO₂ लेज़र 10.6 µm तरंगदैर्घ्य (सुदूर अवरक्त स्पेक्ट्रम) पर कार्य करते हैं। CW CO₂ लेज़र तुलनात्मक रूप से काफ़ी कम पीक पावर उत्पन्न करते हैं और सामान्यतः अधिकांश प्लास्टिक पर उच्च-कंट्रास्ट मार्किंग नहीं बना पाते।

रासायनिक परिवर्तन, ऐसे एडिटिव्स के उपयोग से होता है जो क्षरण के दौरान भाप छोड़ते हैं और जिससे पॉलिमर में फ़ोमिंग होती है। फ़ोमिंग प्रक्रिया के दौरान लेज़र ऊर्जा को फ़ोमिंग एजेंट के निकट स्थित एडिटिव अवशोषित करता है। अवशोषक की ऊष्मा से फ़ोमिंग एजेंट का क्षरण होता है और भाप निकलती है। फ़ोमिंग एजेंट के उदाहरण एल्युमिनियम हाइड्रॉक्साइड या विभिन्न कार्बोनेट हैं। चारिंग रोकने के लिए इस प्रक्रिया में पॉलिमर का क्षरण फ़ोमिंग एडिटिव की तुलना में अधिक तापमान पर होना आवश्यक है। लेज़र के संचालन पैरामीटर पर सख़्त नियंत्रण से गहरे सब्सट्रेट पर उच्च गुणवत्ता वाले हल्के निशान बनाए जा सकते हैं। लेज़र का खराब नियंत्रण भंगुर या कम कंट्रास्ट वाला निशान पैदा कर सकता है।

लेज़र मार्किंग का एक और तरीका निकट-IR लेज़र ऊर्जा से कलरेंट मिश्रण में से किसी एक कलरेंट को गर्म/क्षरित करना है, जिससे रंग बदल जाता है। इसका एक उदाहरण कार्बन ब्लैक और एक स्थिर अकार्बनिक कलरेंट का मिश्रण है। गर्म करने पर कार्बन ब्लैक हट जाता है और अकार्बनिक कलरेंट रह जाता है। ये मिश्रित कलरेंट प्रणालियाँ विशिष्ट कलरेंट स्थिरताओं पर निर्भर करती हैं और सभी रंग-परिवर्तन संभव नहीं होते।

निष्कर्ष के रूप में, यह पहचानना महत्वपूर्ण है कि सभी बीम-स्टीयर्ड लेज़र एक समान नहीं होते। केवल मटेरियल साइंस रसायन मार्किंग की सभी गुणवत्ता समस्याओं का समाधान नहीं कर सकता। लेज़र निर्माता अपने उपकरण में जो हार्डवेयर और सॉफ़्टवेयर घटक लगाता है, वे मार्किंग की गुणवत्ता, गति और बहुमुखी उपयोगिता में उल्लेखनीय अंतर पैदा करते हैं। लेज़र उपकरण खरीदते समय यह ध्यान रखना ज़रूरी है कि कोई एकल सार्वभौमिक समाधान नहीं है। प्रत्येक अनुप्रयोग प्लास्टिक रेज़िन सब्सट्रेट की संरचना और रंग तथा वांछित मार्किंग कंट्रास्ट (“गहरे पर हल्का”, “हल्के पर गहरा” या “कस्टम रंग”) के संदर्भ में अनूठा होता है। पॉलिमर मटेरियल साइंस और लेज़र वेवगाइड में आज की आधुनिक प्रगति उससे कहीं आगे की लंबी छलाँग है, जिसे कुछ ही वर्ष पहले असंभव माना जाता था।

मुख्य बिंदु

• मार्किंग पॉलिमर, मौजूद किसी भी लेज़र एडिटिव और लेज़र स्रोत की विशिष्ट तरंगदैर्घ्य के बीच होने वाली रासायनिक अभिक्रिया है।
• एडिटिव्स हमेशा आवश्यक नहीं होते — यह एक आम धारणा है जिसे मान लेने के बजाय प्रत्येक सामग्री के लिए परखना चाहिए।
• लेज़र मार्किंग पारंपरिक इंक प्रिंटिंग का विकल्प है, और इसे व्यवहार्य बनाने वाला आधार मटेरियल साइंस है।
• तरंगदैर्घ्य को सामग्री के अनुरूप चुना जाना चाहिए, उपकरण की उपलब्धता के आधार पर नहीं।
• उचित रूप से लागू होने पर मार्किंग केवल पहचान ही नहीं, बल्कि स्वरूप और कार्यक्षमता में भी मूल्य जोड़ती है।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

क्या मार्क करने के लिए सभी प्लास्टिक को लेज़र एडिटिव की आवश्यकता होती है?

नहीं, और यह एक आम धारणा है जिसे जाँचना चाहिए। विशेषज्ञ अक्सर मान लेते हैं कि एडिटिव्स हमेशा आवश्यक होते हैं, लेकिन एडिटिव की आवश्यकता पॉलिमर, उसके कलरेंट और फ़िलर, तथा उपयोग किए जा रहे लेज़र स्रोत की तरंगदैर्घ्य पर निर्भर करती है।

वास्तव में निशान क्या बनाता है?

पॉलिमर, मौजूद किसी भी लेज़र एडिटिव और स्रोत से उत्सर्जित लेज़र प्रकाश की विशिष्ट तरंगदैर्घ्य के बीच होने वाली रासायनिक अभिक्रिया। इस पारस्परिक क्रिया को समझने से ही आप अनुमान लगा पाते हैं कि कोई विशेष सामग्री और लेज़र संयोजन उपयोगी निशान बनाएगा या नहीं।

लेज़र मार्किंग पारंपरिक इंक प्रिंटिंग की जगह क्यों ले रही है?

क्योंकि प्लास्टिक मटेरियल साइंस और लेज़र उपकरण की नवीनतम पीढ़ी बिना उपभोग्य स्याही या सॉल्वेंट के अभूतपूर्व मार्किंग गुणवत्ता, कंट्रास्ट और गति देती है। उचित रूप से लागू होने पर यह विनिर्माण लाभ देती है और उत्पाद के स्वरूप तथा कार्यक्षमता में मूल्य जोड़ती है।

क्या लेज़र स्रोत का प्रकार परिणाम बदलता है?

हाँ। अलग-अलग लेज़र स्रोत अलग-अलग तरंगदैर्घ्य उत्सर्जित करते हैं, और पॉलिमर, एडिटिव्स तथा लेज़र प्रकाश के बीच होने वाली रासायनिक अभिक्रियाएँ तरंगदैर्घ्य-विशिष्ट होती हैं। इसलिए स्रोत का चयन केवल उपकरण का नहीं, बल्कि मटेरियल साइंस का निर्णय है।

लेज़र मार्किंग परियोजना कहाँ से शुरू करनी चाहिए?

सामग्री से। यह स्थापित करना कि विशिष्ट पॉलिमर ग्रेड, उसके कलरेंट और एडिटिव्स संभावित तरंगदैर्घ्यों पर कैसी प्रतिक्रिया देते हैं, आगे की हर बात तय करता है — एडिटिव्स की आवश्यकता है या नहीं, कितना कंट्रास्ट प्राप्त हो सकता है, और कौन-सी गति व्यावहारिक है।

Scott R. Sabreen, The Sabreen Group, Inc. के संस्थापक और अध्यक्ष हैं, जो प्लास्टिक द्वितीयक प्रसंस्करण — लेज़र मार्किंग, सतह पूर्व-उपचार, बंधन, डेकोरेटिंग व फिनिशिंग और उत्पाद सुरक्षा — में विशेषज्ञता रखने वाली इंजीनियरिंग कंपनी है। Sabreen 30 से अधिक वर्षों से अग्रणी तकनीकों का विकास और विनिर्माण समस्याओं का समाधान कर रहे हैं। उनसे 972.820.6777 पर या www.sabreen.com अथवा www.plasticslasermarking.com पर संपर्क किया जा सकता है।

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