सतह पूर्व-उपचार और कस्टम इंक से प्लास्टिक व फ़िल्मों पर इंकजेट प्रिंटिंग में प्रगति

सतह पूर्व-उपचार और कस्टम इंक से प्लास्टिक व फ़िल्मों पर इंकजेट प्रिंटिंग में प्रगति

प्लास्टिक पर लेज़र और इंकजेट प्रिंटिंग जैसी डिजिटल प्रिंटिंग तकनीकें पारंपरिक एनालॉग विधियों, जैसे पैड प्रिंटिंग, हॉट स्टैम्पिंग, स्क्रीन प्रिंटिंग आदि की तुलना में निर्माताओं को अत्यंत महत्वपूर्ण लाभ देती हैं। डिजिटल प्रिंटिंग से उत्पाद का पूर्ण कस्टमाइज़ेशन, पुर्ज़ों की अद्वितीय अल्फ़ान्यूमेरिक पहचान, उत्पाद सुरक्षा, सीरियलाइज़ेशन, बारकोड/2D कोड, लोगो, ग्राफ़िक्स आदि संभव होते हैं। आज के डिजिटल इंटरैक्टिव परिवेश में ये क्षमताएँ अनिवार्य हैं। एक अन्य लाभ यह है कि निर्माण प्रक्रिया के अंत में असेंबल किए गए उत्पादों पर भी प्रिंट किया जा सकता है, जिससे लागत में बचत होती है और इन्वेंटरी नियंत्रण बेहतर होता है। यह लेख दो प्रकार की डिजिटल प्रिंटिंग/मार्किंग विधियों की जाँच करता है: फुल-कलर पीज़ोइलेक्ट्रिक ड्रॉप-ऑन-डिमांड इंकजेट प्रिंटिंग और बीम-स्टीयर्ड फाइबर लेज़र मार्किंग। पीज़ोइलेक्ट्रिक ड्रॉप-ऑन-डिमांड (DOD) इंकजेट और फाइबर लेज़र ऐसी आधुनिक तकनीकें हैं जो उत्पाद (और मास) कस्टमाइज़ेशन के लिए अनगिनत लाभ प्रदान करती हैं।

पीज़ोइलेक्ट्रिक DOD इंकजेट प्रिंटिंग और बीम-स्टीयर्ड फाइबर लेज़र मार्किंग, दोनों डिजिटल और संपर्क-रहित प्रक्रियाएँ हैं। अनेक निर्माता विविध पॉलिमर सब्सट्रेट पर कस्टम प्रिंटिंग की आवश्यकताएँ पूरी करने के लिए दोनों तकनीकें उपलब्ध कराने का महत्व पहले ही समझ चुके हैं। अनुप्रयोगों की आवश्यकताओं में विविधता के कारण किसी एक तकनीक को दूसरी से बेहतर या कमतर नहीं कहा जा सकता। किसी अनुप्रयोग के लिए इंकजेट या लेज़र में से कौन-सी प्रक्रिया उपयुक्त है, यह निर्णय सरल लग सकता है। उदाहरण के लिए, यदि सफ़ेद ग्लास-भरे नायलॉन पर एक या अधिक (कस्टम) रंगों में प्रिंट करना हो, तो इंकजेट चुनें। या यदि सफ़ेद नायलॉन पर स्थायी गहरा काला कंट्रास्ट चाहिए, तो लेज़र मार्किंग चुनें। परंतु व्यवहार में इंकजेट इंक विशेष इंक और पूर्व-उपचार के बिना नायलॉन (या अधिकांश निम्न सतह ऊर्जा वाले पॉलिमर) पर आसानी से नहीं चिपकती। सफ़ेद नायलॉन (और अन्य कई हल्के रंग के पॉलिमर) पर काला कंट्रास्ट पाने के लिए लेज़र एन्हांसिंग एडिटिव्स आवश्यक हैं।

मज़बूत मार्किंग/प्रिंटिंग समाधानों के लिए इंक/लेज़र रसायन, पॉलिमर सतह विज्ञान, प्रोसेस डिज़ाइन और उपकरणों की सटीक इंजीनियरिंग आवश्यक है। प्रायः कंपनियाँ “ऑफ़-द-शेल्फ़” सामान्य उपकरण खरीद लेती हैं, जो अपेक्षित परिणाम नहीं दे पाते। इसलिए सिस्टम की खरीद और प्रोसेस अनुकूलन के मार्गदर्शक के रूप में इंकजेट प्रिंटिंग और लेज़र मार्किंग तकनीकों के “संपूर्ण समाधान” पहलू अत्यंत महत्वपूर्ण हो जाते हैं।

मुख्य निष्कर्ष

• इंकजेट और लेज़र एक-दूसरे के पूरक हैं, प्रतिस्पर्धी नहीं। कोई भी सार्वभौमिक रूप से बेहतर नहीं है; अनुप्रयोग तय करता है कि कौन-सा उपयुक्त है।
• इंक आसंजन सतह ऊर्जा की समस्या है। सब्सट्रेट की सतह ऊर्जा को इंक के पृष्ठ तनाव से लगभग 10 dynes/cm अधिक रखने का लक्ष्य रखें।
• UV LED क्योरिंग ने मर्करी लैंप की जगह ले ली है — तुरंत चालू/बंद, 20,000+ घंटे का जीवनकाल, IR ताप नहीं और ओज़ोन बहुत कम।
• लेज़र मार्किंग के लिए एडिटिव्स आवश्यक हैं, क्योंकि अधिकांश पॉलिमर में अपना कोई निकट-अवरक्त अवशोषण नहीं होता।
• ऑफ़-द-शेल्फ़ उपकरण विफलता का सामान्य कारण हैं। विशेष रूप से इंकजेट में प्रिंटहेड, इंक, क्योर, पूर्व-उपचार और हैंडलिंग का एकीकरण आवश्यक है।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

प्लास्टिक पुर्ज़ों के लिए मुझे इंकजेट प्रिंटिंग चुननी चाहिए या लेज़र मार्किंग?

जब आपको एक या अधिक रंग चाहिए, तब इंकजेट; जब आपको स्थायी, उच्च-कंट्रास्ट मोनोक्रोम मार्क चाहिए और कोई उपभोग्य सामग्री नहीं चाहिए, तब लेज़र। व्यवहार में निर्णय शायद ही इतना सरल होता है — इंकजेट इंक विशेष इंक और पूर्व-उपचार के बिना नायलॉन और अन्य निम्न सतह ऊर्जा वाले पॉलिमर पर नहीं चिपकती, और हल्के रंग के पॉलिमर पर कंट्रास्ट पाने के लिए लेज़र मार्किंग को एन्हांसिंग एडिटिव्स की आवश्यकता होती है।

मेरे प्लास्टिक पुर्ज़ों पर UV इंकजेट इंक क्यों नहीं चिपकती?

इसका कारण सतह ऊर्जा है। UV इंक का पृष्ठ तनाव कम, लगभग 25 dynes/cm होता है, जबकि अधिकांश इंजीनियरिंग प्लास्टिक रासायनिक रूप से निष्क्रिय, अपारगम्य और निम्न ऊर्जा वाले होते हैं। स्वीकार्य आसंजन के लिए सामान्यतः सब्सट्रेट का इंक से लगभग 10 dynes/cm अधिक होना आवश्यक है। सतह पूर्व-उपचार इस अंतर को पाट देता है।

मर्करी लैंप की तुलना में UV LED क्योरिंग के क्या लाभ हैं?

UV LED लगभग 395 nm पर केंद्रित एक संकरा बैंड उत्सर्जित करता है, इसलिए लगभग सारी ऊर्जा फोटोइनिशिएशन के काम आती है। यह तुरंत चालू और बंद होता है, 20,000 घंटे से अधिक चलता है — यानी UV लैंप से लगभग दस गुना — इंफ्रारेड उत्सर्जित नहीं करता, जो ताप-संवेदी प्लास्टिक के लिए उपयुक्त है, और ओज़ोन बहुत कम बनाता है।

ग्रेस्केल इंकजेट क्या है और यह क्यों महत्वपूर्ण है?

मानक इंकजेट बाइनरी होता है: प्रत्येक पिक्सेल पर या तो बूँद गिरती है या नहीं गिरती। ग्रेस्केल प्रिंटहेड कई छोटी बूँदें इतनी तेज़ी से छोड़ते हैं कि वे एक ही डॉट के रूप में प्रिंट होती हैं; उन्नत हेड आठ स्तर प्रदान करते हैं। परिणामस्वरूप उसी नेटिव हेड रेज़ोल्यूशन से स्पष्ट रूप से अधिक प्रतीत होने वाला रेज़ोल्यूशन मिलता है।

ऑफ़-द-शेल्फ़ इंकजेट सिस्टम प्लास्टिक पर अक्सर विफल क्यों होते हैं?

क्योंकि कोई एक निर्माता सभी घटक उपलब्ध नहीं कराता। कार्यशील सिस्टम में प्रिंटहेड, ड्राइव इलेक्ट्रॉनिक्स, इंक, पार्ट्स हैंडलिंग, मोशन कंट्रोल, क्योरिंग इरेडिएटर और फ़ाइल प्रोटोकॉल सॉफ़्टवेयर का एकीकरण होता है। पैड या स्क्रीन प्रिंटिंग के विपरीत, यहाँ कोई संपूर्ण टर्नकी पैकेज नहीं होता, इसलिए घटकों की संगतता को इंजीनियर करना पड़ता है।

पीज़ोइलेक्ट्रिक “ड्रॉप-ऑन-डिमांड” UV LED इंकजेट तकनीक

इंकजेट एक संपर्क-रहित, कंप्यूटर-टू-प्रिंट प्रक्रिया है, जिसमें डिजिटल फ़ाइल से प्राप्त नियमित x-y पिक्सेल पैटर्न में इंक की बूँदें सब्सट्रेट की ओर फेंकी जाती हैं। इसके मुख्य सिस्टम घटक हैं: प्रिंटहेड असेंबली, प्रिंटहेड ड्राइव इलेक्ट्रॉनिक कंट्रोलर, UV इंक, क्योरिंग इरेडिएटर और मोशन-नियंत्रित पार्ट्स हैंडलिंग।

मूल घटक प्रिंटहेड है (चित्र 2)। इसमें इंक की आपूर्ति और छोटे आयतन के अनेक इंक चैंबर होते हैं, जिनके गोल नोज़ल से बूँदें बाहर निकलती हैं। नोज़ल गति की दिशा के लंबवत रैखिक रूप में व्यवस्थित होते हैं। प्रत्येक हेड में एक से पाँच पंक्तियाँ हो सकती हैं — प्रत्येक पंक्ति में 128, 256, 512 या 768 नोज़ल। प्रत्येक रंग की अपनी इंक आपूर्ति और प्रिंटहेड होते हैं। प्रस्तावित प्रिंटर में प्रिंटहेड आगे-पीछे (x दिशा) स्कैन करते हैं, जबकि हर पास के साथ वस्तुएँ (y दिशा में) एक कदम आगे बढ़ती हैं। स्टेप और नोज़ल स्पेसिंग आपस में मिलाए जाते हैं (चित्र 1)। अधिक बार फ़ायरिंग और छोटे स्टेप से समतुल्य पिक्सेल स्पेसिंग नोज़ल स्पेसिंग से काफ़ी कम हो सकती है। उदाहरण के लिए, 300 dpi हेड 300×300, 300×600 और इसी प्रकार अधिकतम 2400×2400 डॉट प्रति इंच तक प्रिंट कर सकता है। सामान्य प्रिंटिंग बाइनरी होती है – प्रत्येक स्थान पर या तो बूँद होती है या नहीं। उच्च-स्तरीय तकनीक ग्रेस्केल प्रदान करती है, जिसका अर्थ है कि प्रत्येक डॉट के लिए इंक की मात्रा जानबूझकर बदली जा सकती है।

पीज़ोइलेक्ट्रिक DOD प्रिंटहेड डिज़ाइन

पीज़ोइलेक्ट्रिक ड्रॉप-ऑन-डिमांड इंकजेट में पीज़ोसिरेमिक पदार्थ के विरूपण से प्रेशर चैंबर में इंक का आयतन बदलता है, जिससे एक दाब तरंग बनती है जो नोज़ल की ओर बढ़ती है। यह ध्वनिक दाब तरंग छोटे नोज़ल में श्यानता के कारण होने वाली दाब हानि और इंक मेनिस्कस के पृष्ठ तनाव बल को पार कर लेती है, जिससे नोज़ल पर इंक की बूँद बनना शुरू हो सकता है। बूँद बन जाने पर उसे रिकॉर्डिंग मीडिया की ओर फेंकने के लिए दाब पर्याप्त होना चाहिए (चित्र 2)। 10 से 20 mPa-s की श्यानता यह सुनिश्चित करती है कि द्रव तेज़ी से गति करे। सामान्यतः पीज़ोइलेक्ट्रिक ड्राइवर का विरूपण सब-माइक्रॉन स्तर का होता है। बूँद बनाने के लिए पर्याप्त इंक आयतन विस्थापन पाने हेतु पीज़ोइलेक्ट्रिक ड्राइवर का भौतिक आकार प्रायः इंक ऑरिफ़िस से काफ़ी बड़ा होता है। सब्सट्रेट का प्रत्येक पिक्सेल या तो इंक से ढका होता है या नहीं – यह एक बाइनरी विकल्प है। ग्रेस्केल इंकजेट इससे भिन्न है, क्योंकि इसमें प्रिंट हेड कई छोटी बूँदें अत्यंत तेज़ी से – इतनी तेज़ कि वे एक ही डॉट के रूप में प्रिंट हों – छोड़ सकता है। उन्नत प्रिंटहेड में आठ स्तर होते हैं – शून्य से सात बूँदें। परिणामस्वरूप बाइनरी के समान नेटिव रेज़ोल्यूशन पर स्पष्ट रूप से अधिक प्रतीत होने वाला रेज़ोल्यूशन मिलता है।

UV-क्योरेबल इंक

पराबैंगनी (UV)-क्योरेबल इंक और कोटिंग्स औद्योगिक और बाहरी अनुप्रयोगों के लिए पसंद की जाती हैं, क्योंकि क्योर होने के बाद ये मज़बूत और टिकाऊ होती हैं। इनमें पूर्ण कलर गैमट होता है और बारीक रेज़ोल्यूशन के साथ ये उत्कृष्ट प्रिंट गुणवत्ता देती हैं। UV-क्योरेबल फ़ॉर्मूलेशन में फोटोइनिशिएटर, मोनोमर, ऑलिगोमर, कलरेंट और एडिटिव्स शामिल होते हैं। मोनोमर और ऑलिगोमर फ़ॉर्मूलेशन का लगभग 85 प्रतिशत होते हैं, कलरेंट 10 प्रतिशत तक, फोटोइनिशिएटर लगभग पाँच प्रतिशत, और सर्फ़ैक्टेंट व स्टेबलाइज़र एक से दो प्रतिशत।

UV एक्सपोज़र से फोटोइनिशिएटर बंध टूट जाते हैं, जिससे दो मुक्त मूलक बनते हैं। ये मोनोमर और ऑलिगोमर में शृंखला अभिक्रिया शुरू करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप रेज़िन का व्यापक, किंतु अपूर्ण, क्रॉस-लिंकिंग (क्योरिंग) होता है। यह अभिक्रिया ऊष्माक्षेपी है, और UV स्रोत भी ऊष्मा उत्सर्जित करते हैं। तापमान में वृद्धि आसंजन और क्योर की मात्रा, दोनों में सहायक हो सकती है, जो क्योर हुए द्रवों के घर्षण, मार और खरोंच प्रतिरोध में योगदान देती है1। UV क्योर इंक फ़ॉर्मूलेशन की एक चुनौती अत्यंत कम श्यानता की आवश्यकता पूरी करते हुए उपयोगी पॉलिमर बनाना है। फिर भी, इंक, प्रिंट हेड और इंक डिलीवरी सिस्टम को लगभग 50ºC तक गर्म करने से पीज़ोइलेक्ट्रिक प्रिंटहेड के लिए उपयोगी श्यानता प्राप्त हो जाती है, यद्यपि कमरे के तापमान वाले सिस्टम की तुलना में लागत काफ़ी अधिक होती है।

इंक – प्लास्टिक सब्सट्रेट संगतता

सभी इंक प्रिंटिंग प्रक्रियाओं में उचित सतह वेटिंग के लिए द्रव इंक रसायन (UV, सॉलिड्स, थर्मल आदि) का प्लास्टिक सब्सट्रेट के अनुकूल होना आवश्यक है। UV इंक की श्यानता सामान्यतः पैड या स्क्रीन प्रिंटिंग इंक की तुलना में कम होती है (लगभग 25 dynes/cm)। इंक-सब्सट्रेट संगतता का एक प्रमुख कारण यह है कि अनेक प्लास्टिक रासायनिक रूप से निष्क्रिय, अपारगम्य सतहें होते हैं जिनकी सतह ऊर्जा कम होती है। आज के उच्च-प्रदर्शन इंजीनियरिंग रेज़िन पर सतह पूर्व-उपचार से इंक आसंजन की अधिकांश समस्याएँ हल हो जाती हैं। सामान्य नियम के रूप में, स्वीकार्य इंक आसंजन तब प्राप्त होता है जब सब्सट्रेट की सतह ऊर्जा (dynes/cm में मापी गई) द्रव के पृष्ठ तनाव से लगभग 10 dynes/cm अधिक हो। इस स्थिति में द्रव सतह पर “वेट आउट” होता है, अर्थात चिपकता है।

पृष्ठ तनाव, जो सतह ऊर्जा का माप है, वह गुण है (आणविक बलों के कारण) जिसके द्वारा सभी द्रव, सतह के संकुचन से, अपने आयतन को न्यूनतम सतह क्षेत्रफल वाले आकार में लाने की प्रवृत्ति रखते हैं। इसलिए, द्रव के पृष्ठ तनाव की तुलना में ठोस सब्सट्रेट की सतह ऊर्जा जितनी अधिक होगी, उसकी “वेटेबिलिटी” उतनी बेहतर होगी और संपर्क कोण उतना छोटा होगा। (सतह पूर्व-उपचार की विस्तृत जानकारी के लिए Plastics Decorating के अप्रैल/मई 2018 अंक के पृष्ठ 44-51 पर “Plasma Surface Pretreatment of Polymers for Improved Adhesion” देखें।)

सतह पूर्व-उपचार का उपयोग सतह ऊर्जा बढ़ाने और पॉलिमर सामग्रियों के वेटिंग व आसंजन गुणों को सुधारने के लिए किया जाता है। उद्योग में अनेक गैस-फ़ेज़ सतह ऑक्सीकरण पूर्व-उपचार प्रक्रियाएँ प्रयुक्त होती हैं, जिनमें निम्न-दाब कोल्ड गैस प्लाज़्मा (माइक्रोवेव/RF), इलेक्ट्रिकल (कोरोना डिस्चार्ज), फ्लेम प्लाज़्मा और निम्न-तापमान, वोल्टेज-रहित वायुमंडलीय प्लाज़्मा शामिल हैं। प्रत्येक विधि अनुप्रयोग-विशिष्ट होती है और उसके अपने लाभ तथा संभावित सीमाएँ हैं। इनमें से प्रत्येक प्रक्रिया की पहचान “गैस प्लाज़्मा” उत्पन्न करने की क्षमता से होती है – एक अत्यंत अभिक्रियाशील गैस, जिसमें मुक्त इलेक्ट्रॉन, धनायन और अन्य रासायनिक स्पीशीज़ होती हैं। भौतिकी में इन प्लाज़्मा के उत्पन्न होने की क्रियाविधियाँ भिन्न हैं, परंतु सतह वेटेबिलिटी पर उनके प्रभाव समान हैं। कभी-कभी गैस प्लाज़्मा प्रक्रियाओं के स्थान पर रासायनिक प्राइमर का उपयोग किया जा सकता है।

UV LED क्योरिंग

हाल तक सारा क्योर मर्करी डिस्चार्ज लैंप से शुरू किया जाता था। मर्करी का उत्सर्जन स्पेक्ट्रम बहुत चौड़ा होता है, जिसमें UV की तुलना में ऊष्मा के रूप में अधिक ऊर्जा निकलती है। कम दक्षता एक कमी है। दूसरी कमी इंक और सब्सट्रेट का गर्म होना है, जिससे UV क्योर का उपयोग अनेक अनुप्रयोगों में संभव नहीं हो पाता। (मर्करी लैंप स्वास्थ्य के लिए हानिकारक स्तर का ओज़ोन बनाते हैं, जो एक और जटिलता है।) अब UV LED लैंप (चित्र 3) मर्करी बल्बों का स्थान ले रहे हैं। UV LED क्योरिंग में प्रकाश उत्सर्जक डायोड का उपयोग होता है जो UV का संकरा बैंड उत्सर्जित करते हैं और UV ऊर्जा का शिखर – सामान्यतः 400nm पर केंद्रित – प्रदान करते हैं, इसलिए अधिकांश ऊर्जा फोटोइनिशिएशन के काम आती है। कुछ मात्रा दृश्य प्रकाश की होती है, परंतु इंफ्रारेड (IR) बहुत कम होता है।

एक और लाभ यह है कि ये लगभग तुरंत चालू-बंद हो जाते हैं, जिससे डाउनटाइम, ऊर्जा और सामग्री की बर्बादी घटती है, जैसा कि मर्करी लैंप के पूर्ण शक्ति पर आने के दौरान होता है। UV LED क्योरिंग के पारंपरिक मर्करी (Hg) वेपर लैंप की तुलना में और भी लाभ हैं। छोटे आकार वाले सेमीकंडक्टर उपकरण 20,000 घंटे से अधिक संचालन समय तक चलने के लिए डिज़ाइन किए जाते हैं, जो UV लैंप से लगभग 10 गुना अधिक है। आउटपुट लंबे समय तक अत्यंत स्थिर रहता है। UV LED बिना IR के शुद्ध UV उत्सर्जित करता है, जिससे यह ताप-संवेदी प्लास्टिक सब्सट्रेट के लिए प्रक्रिया-अनुकूल है। बहुत कम तरंगदैर्घ्य के प्रकाश के बिना ओज़ोन भी काफ़ी कम बनता है।

इंकजेट उपकरण सिस्टम

इंकजेट प्रिंटिंग प्रक्रिया पारंपरिक इंक प्रिंटिंग तकनीकों से इस मायने में भिन्न है कि टर्नकी सिस्टम्स इंटीग्रेशन के लिए अनेक भिन्न विषयों में इंजीनियरिंग आवश्यक है। इसके विपरीत, पैड और स्क्रीन प्रिंटिंग उपकरणों के निर्माता लगभग हमेशा इंक, प्रिंटिंग उपभोग्य सामग्री, क्योरिंग उपकरण, ऑटोमेशन और रासायनिक सफ़ाई उपकरण सहित टर्नकी सिस्टम उपलब्ध करा सकते हैं। इंकजेट सिस्टम के घटक हैं: प्रिंटहेड, ड्राइव इलेक्ट्रॉनिक्स, इंक, पार्ट्स-हैंडलिंग और मोशन कंट्रोल हार्डवेयर, तथा क्योरिंग इरेडिएटर। इसके अतिरिक्त, डिजिटल जानकारी को मुख्य कंट्रोलर ड्राइव सॉफ़्टवेयर सहित हार्डवेयर/सॉफ़्टवेयर फ़ाइल प्रोटोकॉल के माध्यम से प्रिंटहेड तक पहुँचाना आवश्यक है। कोई एक निर्माता प्रत्येक कस्टम अनुप्रयोग के लिए उपर्युक्त सभी घटक उपलब्ध नहीं कराता। मज़बूत विनिर्माण संचालन के लिए सभी इंकजेट घटकों और पुर्ज़ों की संगतता का उच्च स्तर का इंजीनियरिंग ज्ञान अत्यंत आवश्यक है।

यटरबियम फाइबर लेज़र मार्किंग तकनीक

बीम-स्टीयर्ड लेज़र मार्कर उन दर्पणों का उपयोग करते हैं जो उच्च-गति, कंप्यूटर-नियंत्रित गैल्वेनोमीटर पर लगे होते हैं और मार्क की जाने वाली सतह पर लेज़र बीम को निर्देशित करते हैं, बिल्कुल वैसे ही जैसे कागज़ पर पेंसिल से लिखा जाता है। प्रत्येक गैल्वेनोमीटर, एक Y-अक्ष पर और एक X-अक्ष पर, मार्किंग क्षेत्र में बीम की गति प्रदान करता है। फ़्लैट-फ़ील्ड लेंस असेंबली सब्सट्रेट सतह पर उच्च शक्ति घनत्व प्राप्त करने के लिए लेज़र प्रकाश को फ़ोकस करती है। चित्र 4 कंप्यूटर-नियंत्रित गैल्वेनोमीटर का उपयोग करने वाला ऑप्टिकल बीम डिलीवरी सिस्टम दर्शाता है।

पॉलिमर लेज़र मार्किंग की अभिक्रिया क्रियाविधियाँ

अधिकांश पॉलिमर में रासायनिक एडिटिव्स के बिना NIR अवशोषण गुण नहीं होते, इसलिए उन पर लेज़र मार्किंग कठिन या असंभव होती है। नवीन रासायनिक एडिटिव्स ऑन-द-फ़्लाई और द्वितीयक, दोनों प्रकार की प्रक्रियाओं में गहरा काला, हल्के रंग और कस्टम रंग का कंट्रास्ट उत्पन्न कर सकते हैं। पॉलिमर की पारदर्शिता, स्पेक्ट्रल संप्रेषण और मूल भौतिक गुण प्रभावित नहीं होते।

जिन पॉलिमर पर लेज़र से मार्किंग की जा सकती है, वे लेज़र प्रकाश को अवशोषित करके उसे प्रकाश ऊर्जा से ऊष्मीय ऊर्जा में बदलते हैं। स्थानीय रंग परिवर्तन के लिए लेज़र ऊर्जा का अवशोषण बढ़ाने हेतु विशेषज्ञ एडिटिव्स, फ़िलर, पिगमेंट और डाई का उपयोग करते हैं। प्रचलित धारणा के विपरीत, ऐसा कोई एकल लेज़र एडिटिव नहीं है जो सभी मार्किंग समस्याओं का समाधान कर दे। वांछित मार्किंग कंट्रास्ट और कार्यक्षमता के अनुसार अत्यंत भिन्न फ़ॉर्मूलेशन रसायन, लेज़र प्रकार (फाइबर, YAG, वैनेडेट) और लेज़र ऑप्टिक्स/सेटअप पैरामीटर उपयोग में लाए जाते हैं।

निकट-अवरक्त लेज़र एडिटिव्स कंट्रास्ट की मात्रा बढ़ाते हैं, जिसे लेज़र सेटअप पैरामीटर बदलकर और तीव्र किया जा सकता है। ग्रैन्यूल और पाउडर, दोनों रूपों को पहले से कंपाउंड की गई कलर सामग्री या कलर कंसंट्रेट में मिलाया जा सकता है। कौन-सा एडिटिव उपयोग करना है, यह पॉलिमर संरचना, सब्सट्रेट के रंग, वांछित मार्किंग कंट्रास्ट रंग और अंतिम-उपयोग प्रमाणन आवश्यकताओं पर निर्भर करता है।

पॉलिमर में स्वाभाविक रूप से गहरे या हल्के रंग का मार्किंग कंट्रास्ट देने के गुण होते हैं। कुछ कलरेंट यौगिक, जिनमें टाइटेनियम डाइऑक्साइड (TiO2) और कार्बन ब्लैक की मात्रा कम होती है, भी लेज़र प्रकाश को अवशोषित कर सकते हैं और कुछ मामलों में मार्किंग कंट्रास्ट सुधार सकते हैं। एक ही पॉलिमर परिवार के भीतर भी प्रत्येक पॉलिमर ग्रेड भिन्न परिणाम दे सकता है। एडिटिव फ़ॉर्मूलेशन विषैले नहीं होने चाहिए और उत्पादों के स्वरूप या भौतिक अथवा कार्यात्मक गुणों पर प्रतिकूल प्रभाव नहीं डालने चाहिए।

सबसे आम सतह अभिक्रिया क्रियाविधि को थर्मल केमिकल कार्बनाइज़ेशन, या “चारिंग” कहा जाता है, जिसमें सब्सट्रेट में अवशोषित ऊर्जा अवशोषण स्थल के आसपास की सामग्री का स्थानीय तापमान इतना बढ़ा देती है कि पॉलिमर का ऊष्मीय अपघटन हो जाता है (चित्र 5 [b])। मार्क का गहरापन या हल्कापन अवशोषित ऊर्जा और सामग्री के विशिष्ट ऊष्मीय अपघटन पथ पर निर्भर करता है। लेज़र सेटअप को अनुकूलित करके सतह पर कार्बनाइज़ेशन अवशेष न्यूनतम रखा जा सकता है।

जो एडिटिव्स – रेज़िन कलरेंट मैट्रिक्स में मिलाए जाने पर – गहरा मार्किंग कंट्रास्ट देते हैं, उनमें प्रायः एंटीमनी-डोप्ड टिन ऑक्साइड, एंटीमनी ट्राइऑक्साइड या एल्युमीनियम कणों के मिश्रण होते हैं। सभी पॉलिमर में आसानी से बिखर जाते हैं। वज़न के अनुसार सामान्य लोडिंग सांद्रता 0.01 से 3.0 प्रतिशत होती है। अनेक अंतिम फ़ॉर्मूलेशन को 21 CFR 178.3297 (Colorant for Polymers) की शर्तों A-H के अंतर्गत उपयोग के लिए FDA की स्वीकृति मिल चुकी है।

दूसरी सतह अभिक्रिया रासायनिक परिवर्तन है, जो ऐसे एडिटिव्स के उपयोग से होता है जो अपघटन के दौरान भाप छोड़ते हैं, जिससे पॉलिमर में झाग बन जाता है (चित्र 5(c))। फ़ोमिंग प्रक्रिया के दौरान लेज़र ऊर्जा को एक ऐसा एडिटिव अवशोषित करता है जो फ़ोमिंग एजेंट के अत्यंत निकट होता है। अवशोषक की ऊष्मा से फ़ोमिंग एजेंट का अपघटन होता है और भाप निकलती है। फ़ोमिंग एजेंट के उदाहरण एल्युमीनियम हाइड्रॉक्साइड या विभिन्न कार्बोनेट हैं। चारिंग रोकने के लिए इस क्रियाविधि में पॉलिमर का अपघटन फ़ोमिंग एडिटिव के तापमान से अधिक तापमान पर होना आवश्यक है। लेज़र संचालन पैरामीटर पर कड़े नियंत्रण से गहरे सब्सट्रेट पर उच्च गुणवत्ता वाले और टिकाऊ हल्के मार्क बनाए जा सकते हैं। खराब लेज़र नियंत्रण से भुरभुरा या कम-कंट्रास्ट वाला मार्क बन सकता है, जो आसानी से खरोंचा जा सकता है (खराब टिकाऊपन)। हाल ही में विकसित चित्र 5(e) एक ही फ़ॉर्मूलेशन (FDA-स्वीकृत) में गहरा काला और अपारदर्शी सफ़ेद, दोनों कंट्रास्ट दर्शाता है। यह उपलब्धि पारदर्शी (अमॉर्फ़स) पॉलिमर के लिए आदर्श है।

तीसरी विधि में, कलरेंट मिश्रण के एक कलरेंट को लेज़र ऊर्जा से गर्म/अपघटित किया जाता है, जिससे रंग में परिवर्तन होता है (चित्र 5 [d])। इसका एक उदाहरण कार्बन ब्लैक और एक स्थिर अकार्बनिक कलरेंट का मिश्रण है। गर्म करने पर कार्बन ब्लैक हट जाता है और अकार्बनिक कलरेंट शेष रह जाता है। ये मिश्रित कलरेंट सिस्टम विशिष्ट कलरेंट स्थिरता पर निर्भर करते हैं, और सभी रंग परिवर्तन संभव नहीं होते।

चित्र 5 (a) में दर्शाई गई एक अन्य विशिष्ट सतह अभिक्रिया में फ़ोटो पहचान बैज के लिए बहु-लेमिनेट परत संरचना में लेज़र एडिटिव्स शामिल किए जाते हैं। ओवर्ट और कोवर्ट, अद्वितीय उच्च-रेज़ोल्यूशन मार्किंग फ़ीचर और RFID मज़बूत जालसाज़ी-रोधी सुरक्षा प्रदान करते हैं।

इंक प्रिंटिंग प्रक्रियाओं (पैड/स्क्रीन प्रिंटिंग और इंकजेट) की तुलना में लेज़र एडिटिव्स लागत बचाते हैं और गैर-अनुकूलित सामग्रियों की तुलना में 20 प्रतिशत और अधिक तेज़ मार्किंग गति दर्शा सकते हैं। लेज़र एडिटिव्स पेलेट ग्रैन्यूल और पाउडर रूप में आपूर्ति किए जाते हैं। ग्रैन्यूल उत्पादों को सीधे पॉलिमर रेज़िन के साथ मिलाया जा सकता है, जबकि पाउडर रूपों को मास्टरबैच में बदला जाता है। अधिकांश पॉलिमर में आसानी से बिखर जाते हैं। एडिटिव और पॉलिमर के आधार पर (अंतिम पुर्ज़े में) वज़न के अनुसार लोडिंग सांद्रता 0.01 से 4.0 प्रतिशत के बीच होती है।

नैनोसेकंड यटरबियम फाइबर लेज़र तकनीक

लेज़र तकनीक में सुधारों ने FDA-स्वीकृत लेज़र एडिटिव्स की नवीनतम पीढ़ी के तीव्र विकास में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई है। नैनोसेकंड यटरबियम फाइबर लेज़रों का उद्भव मार्किंग, वेल्डिंग और कटिंग की सबसे महत्वपूर्ण प्रगतियों में से एक है। मूल रूप से फाइबर लेज़र अन्य डायोड-पंप्ड सॉलिड-स्टेट (DPSS) मार्किंग लेज़रों से भिन्न होते हैं। फाइबर लेज़रों में लेज़र बीम उत्पन्न करने वाला सक्रिय माध्यम एक विशेष ऑप्टिकल फाइबर केबल के भीतर फैला होता है। फाइबर-डिलीवर्ड लेज़रों के विपरीत, बीम का संपूर्ण पथ बीम डिलीवरी ऑप्टिक्स तक ऑप्टिकल फाइबर केबल के भीतर ही रहता है। इन लेज़रों की विश्वसनीयता और मज़बूती का बड़ा श्रेय इसी ऑल-फाइबर संरचना को जाता है, जो उनकी तीव्र वृद्धि का कारण है।

फाइबर लेज़र Nd:YAG लेज़रों की तुलना में श्रेष्ठ बीम गुणवत्ता (M2) और ब्राइटनेस प्रदान करते हैं। श्रेष्ठ बीम गुणवत्ता वाले लेज़र को छोटे स्पॉट आकार पर फ़ोकस किया जा सकता है, जिससे ऊर्जा घनत्व अधिक होता है। 1mJ तक की पल्स ऊर्जा और उच्च शक्ति घनत्व वाले फ़िक्स्ड- और वेरिएबल-पल्स मास्टर ऑसिलेटर पावर एम्प्लीफ़ायर (MOPA) फाइबर लेज़र ऐतिहासिक रूप से कठिन अनेक पॉलिमर पर मार्किंग कर सकते हैं। वैनेडेट लेज़रों का M2 मान भी छोटा होता है और उनकी पल्स चौड़ाई फ़िक्स्ड फाइबर और YAG लेज़रों से कम होती है। पल्स अवधि सामग्री में ऊष्मा और कार्बनाइज़ेशन की मात्रा को प्रभावित करती है। छोटी पल्स, सामान्यतः ‹40ns, संवेदनशील पॉलिमर सामग्रियों की प्रोसेसिंग में अधिक नियंत्रित ऊर्जा इनपुट देती हैं। इन पल्स में सामग्री की सीमा पार करने के लिए पर्याप्त पीक पावर बनी रहती है, परंतु स्थानीय ऊष्मीय क्षति घटाने के लिए पल्स ऊर्जा कम होती है।

सभी बीम-स्टीयर्ड फाइबर लेज़र समान नहीं होते। लेज़र निर्माता अपने सिस्टम में जो हार्डवेयर और सॉफ़्टवेयर घटक लगाता है, वे मार्किंग कंट्रास्ट, गुणवत्ता और गति में बड़ा अंतर डालते हैं। एक प्रमुख गुण मार्क की सतह पर शक्ति घनत्व (वॉट/cm) है – जो लेज़र की कच्ची आउटपुट पावर से भिन्न होता है। मार्किंग प्रदर्शन के लिए लेज़र बीम का आउटपुट मोड अत्यंत महत्वपूर्ण है। ये आउटपुट मोड बीम डाइवर्जेंस और लेज़र बीम के व्यास पर शक्ति वितरण जैसे कारकों से संबंधित हैं।

शक्ति घनत्व फ़ोकस किए गए लेज़र स्पॉट आकार का फलन है। किसी भी फ़ोकल लंबाई के लेंस और लेज़र तरंगदैर्घ्य के लिए फ़ोकस किया गया लेज़र स्पॉट आकार लेज़र बीम डाइवर्जेंस का फलन है, जो लेज़र कॉन्फ़िगरेशन, मोड सिलेक्टिंग एपर्चर आकार और अपकॉलिमेटर (बीम एक्सपैंडर) आवर्धन से नियंत्रित होता है। पल्स रिपीटिशन रेट और पीक शक्ति घनत्व मार्क बनाने तथा इष्टतम कंट्रास्ट और गति पाने के लिए महत्वपूर्ण पैरामीटर हैं। कम आवृत्ति पर उच्च पीक पावर सतह का तापमान तेज़ी से बढ़ाती है और सब्सट्रेट में न्यूनतम ऊष्मा पहुँचाते हुए सामग्री को वाष्पित कर देती है। पल्स रिपीटिशन बढ़ने पर कम पीक पावर से वाष्पीकरण न्यूनतम होता है, पर अधिक ऊष्मा चालित होती है।

निष्कर्ष

डिजिटल पीज़ोइलेक्ट्रिक DOD इंकजेट और फाइबर लेज़र तकनीकें उत्पाद कस्टमाइज़ेशन के लिए अनगिनत लाभ देती हैं। मज़बूत मार्किंग/प्रिंटिंग समाधानों के लिए इंक/लेज़र रसायन, पॉलिमर सतह विज्ञान, प्रोसेस डिज़ाइन और उपकरणों की सटीक इंजीनियरिंग आवश्यक है। प्रायः जो कंपनियाँ सस्ते, ऑफ़-द-शेल्फ़ उपकरण खरीदती हैं, वे प्रोसेस की समझ के अभाव में मज़बूत सिस्टम एकीकृत करने में विफल रहती हैं। प्रत्येक प्रक्रिया के अपने लाभ और संभावित सीमाएँ हैं। अनेक निर्माता दोनों तकनीकें उपलब्ध कराने का महत्व पहले ही समझ चुके हैं। एक अन्य लाभ यह है कि निर्माण संचालन के अंत में पूरी तरह असेंबल किए गए उत्पादों पर भी प्रिंट किया जा सकता है, जिससे लागत बचती है और इन्वेंटरी नियंत्रण बेहतर होता है।

The Sabreen Group आसंजन बंधन प्रक्रियाओं, प्लाज़्मा पूर्व-उपचार और उन्नत विनिर्माण तकनीकों पर व्यापक ऑनसाइट शिक्षा और प्रशिक्षण प्रदान करता है। पूर्व-उपचार उपकरण का प्रदर्शन इन-हाउस, वास्तविक उत्पादन पुर्ज़ों और रीयल-टाइम परीक्षण के साथ किया जाता है। परिणाम की गारंटी।

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

संदर्भ

• S. Sabreen, “Innovating inkjet technologies for plastics products,” Plastics Decorating magazine (Aug. 2013).
• M. Gailey, “Plastics additives allow inkless marking,” Photonics Spectra (Sept. 2013).
• S. Sabreen, “Fiber laser enables marking of advanced plastics,” Industrial Laser Solutions (Feb. 2013).

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