תוספים פורצי דרך משפרים סימון בלייזר על פלסטיק: ניגודיות מעולה, פירוט קצוות הקו ומהירות

תוספים פורצי דרך משפרים סימון בלייזר על פלסטיק: ניגודיות מעולה, פירוט קצוות הקו ומהירות

הדור החדש ביותר של תוספי סימון בלייזר המשולבים בפולימרים הוא התקדמות טכנולוגית משמעותית שהוכחה כמאפשרת וחוסכת בעלויות. ניסוחים מתקדמים של מדעי החומרים משיגים ניגודיות סימון, פירוט קצוות קו ומהירות מעולים על פלסטיק שסימונו בלייזר היה קשה באופן מסורתי, אם לא בלתי אפשרי. ניסוחים אלה, המיועדים ללייזרי Fiber, Vanadate ו-YAG במחירים נגישים, פועלים בטווח האינפרא-אדום הקרוב 1060-1070 ננומטר. מאמר זה דן ביישומי סימון בלייזר בניגודיות כהה ובהירה המיועדים ל"פיחום כימי תרמי של פני השטח". זוהי תגובת פני השטח הנפוצה ביותר בפולימרים, ומסלול כימי שונה בתכלית מהמנגנונים של "הקצפה" ושל שינוי "צבע".

פולימרים שקופים וחצי שקופים, ובהם PVC, פוליקרבונט ופולי-אולפינים, מנוסחים כעת באופן ייחודי בעזרת תוספים ללא מתכות כבדות ומאושרי FDA. בהירות הפולימר ותכונות ההעברה הספקטרלית שלו אינן נפגעות. פריצת דרך זו מפיקה ניגודיות סימון בלייזר בשחור עמוק עם שאריות פחמון מינימליות על משטחי צינורות/קווי שחול "בתנועה" (on-the-fly) ובפעולות משניות. סימון בלייזר ללא דיו בקו הייצור מחליף כעת הדפסת גרווירה סיבובית והדפסת טמפו. (ראו תמונה A.)

עיקרי הדברים

• מיועדים לטווח האינפרא-אדום הקרוב 1060 עד 1070 ננומטר, הכולל לייזרי סיב, Vanadate ו-YAG במחירים נגישים.
• פיחום כימי תרמי של פני השטח הוא תגובת פני השטח הנפוצה ביותר בפולימרים, והוא מוקד הניסוחים הללו.
• אין תוסף יחיד הפותר כל בעיית סימון. הכימיה והגדרת הלייזר משתנות לפי הניגודיות המטרה.
• הטעינה נעה בין 0.01% ל-4.0% במשקל בחלק הסופי, עם התאמת צבע באמצעות פיגמנטים וצבעים.
• סימון מהיר עד 25% לעומת חומרים שאינם מותאמים, בריכוזים נמוכים של 0.01% עד 2.0%.

שאלות נפוצות

עד כמה תוספים מנוסחים באופן מיטבי יכולים להאיץ את הסימון?

מחקרים עצמאיים מראים שיפורים מובהקים סטטיסטית, לעיתים 25% ומעלה לעומת חומר שאינו מותאם, המושגים בריכוזים נמוכים מאוד של כ-0.01% עד 2.0%. מכיוון שזמן הסימון הוא עלות ישירה של זמן מחזור, הדבר מקזז במהירות את התוספת במחיר התוסף.

מה קובע כמה זמן נמשך יישום הסימון?

המצע הפולימרי, מספר קווי הווקטור שנשרטטים והמהירות שבה הקרן וראש הסריקה הגלוונומטרי משרטטים אותם. גם תוכנת הלייזר וסוג מילוי הווקטור, חד-כיווני, דו-כיווני או מפותל, משפיעים על זמן הסימון.

מדוע המצע הטבעי נראה לעיתים אפור לאחר הוספת התוסף?

חלק מהתוספים מכילים תערובות של תחמוצת בדיל מסוממת באנטימון ואנטימון טריאוקסיד, המעניקות גוון אפרפר לאטימות הטבעית של המצע הלא צבוע. התאמות צבע באמצעות פיגמנטים וצבעים מחזירות את החלק להתאמת הצבע המבוקשת.

האם תוספים מסופקים כפלט או כאבקה?

בשתי הצורות. מוצרי גרגירים מתערבבים ישירות עם שרף הפולימר, ואילו צורות אבקה הופכות למאסטרבאץ'. אפשר לספק כל אחת מהן כחומר מתורכב מראש או כתרכיז צבע.

איזו מומחיות דורש בפועל ניסוח לסימון בלייזר?

ידע בפולימרים ובדרגות התכונות בכל משפחה, וכן בצבענים, פיגמנטים וצבעים מבחינת מסיסות, גודל חלקיקים, מגבלות ריכוז סף, התאמת צבע ואישורי רגולציה, לרבות GRAS ומגע ישיר ועקיף עם מזון לפי FDA.

מנגנון התגובה של סימון בלייזר בפולימרים

פולימרים שניתן לסמן בלייזר הם אלה הבולעים אור לייזר וממירים אותו מאנרגיית אור לאנרגיה תרמית. מכיוון שלרוב הפולימרים אין תכונות בליעה באורך גל 1060-1070nm, מומחים משתמשים בתוספים, חומרי מילוי, פיגמנטים וצבעים המשפרים את בליעת אנרגיית הלייזר לשינויי צבע מקומיים. כימיית מדעי החומרים להשגת סימון בלייזר בניגודיות גבוהה ובצבע היא גם אמנות וגם מדע. בניגוד לדעה הרווחת, אין תוסף לייזר יחיד הפותר את כל בעיות הסימון. משתמשים בכימיות ניסוח שונות בתכלית ובאופטיקה/פרמטרי הגדרה שונים של הלייזר, בהתאם לניגודיות הסימון ולפונקציונליות הרצויות.

מנגנון תגובת פני השטח הנפוץ ביותר מכונה "פיחמון" או "פיחום" כימי תרמי (ראו תמונה B), שבו האנרגיה הנבלעת במצע מעלה את הטמפרטורה המקומית של החומר סביב אתר הבליעה לרמה גבוהה דיה לגרום לפירוק תרמי של הפולימר. אף שבנוכחות חמצן הדבר עלול להביא לשריפת הפולימר, אספקת החמצן המוגבלת בפנים המצע גורמת לפיחום הפולימר וליצירת ניגודיות סימון שחורה או כהה. מידת הכהות או הבהירות של הסימון תלויה באנרגיה הנבלעת, וכן במסלול הפירוק התרמי הייחודי של החומר.

תוספי לייזר משפרים את מידת הניגודיות, שאפשר להגביר עוד באמצעות שינוי פרמטרי הגדרת הלייזר. לפולימרים יש מאפיינים מובנים המניבים ניגודיות סימון "כהה" או "בהירה". (ראו תמונה B.) כל דרגת צבען של פולימר, אפילו בתוך אותה משפחת פולימרים, יכולה להניב תוצאות שונות. תרכובות צבען המכילות כמויות קטנות של TiO2, פחמן שחור ותחמוצות מתכת מעורבות בולעות גם הן אור לייזר ובמקרים מסוימים משפרות את ניגודיות הסימון.

עיבוד ראשוני, תוספי לייזר והתאמת צבע

תוספי לייזר הזמינים מסחרית מסופקים בצורת גרגירים ואבקה. מוצרי גרגירים ניתנים לערבוב ישיר עם שרף הפולימר, ואילו צורות אבקה הופכות למאסטרבאץ'.

חלק מהתוספים הללו מכילים תערובות של תחמוצת בדיל מסוממת באנטימון ו/או אנטימון טריאוקסיד, המעניקות גוון "אפרפר" לאטימות הטבעית (הלא צבועה) של המצע. התאמות צבע נעשות באמצעות פיגמנטים וצבעים כדי להשיג את מראה התאמת הצבע הסופי. בהתאם לתוסף ולפולימר הספציפיים, רמת הריכוז במשקל (בחלק הסופי) יכולה לנוע בין 0.01 אחוז ל-4.0 אחוזים. ניתן לספק הן גרגירים והן אבקה כחומר צבע מתורכב מראש או כתרכיז צבע.

במהלך כימיית טעינת תוסף הלייזר והתאמת הצבע, לא נדיר שמוצר מוגמר מכיל פחות תוסף לייזר מהכמות המחושבת. בעיה זו קשורה כמעט תמיד לפיזור לא אחיד בשחול או ביציקה. התאמות פשוטות במכונת היציקה, כגון הגברת הלחץ האחורי ומהירות סיבוב הבורג, פותרות את רוב הבעיות. פיזור והתפזרות הומוגניים של תוספי הלייזר בכל חלק הם קריטיים להשגת ביצועי סימון מיטביים. בפעולות שחול, הזרקה וצורות תרמיות, חומרים מתורכבים בצבע מראש מניבים אחידות טובה יותר מתרכיז צבע. יש להימנע מערבוב ידני. זרימת התבנית וסוג ומיקום השער הם גורמים חשובים.

מהירויות סימון גבוהות יותר = חיסכון בעלויות

הזמן הנדרש לסימון חלק תלוי במצע הפולימרי, במספר קווי הווקטור שנשרטטים ובמהירות שבה קרן הלייזר/ראש הסריקה הגלוונומטרי משרטטים את כל הקווים. גם תוכנת הלייזר וסוג מילוי הווקטור, חד-כיווני, דו-כיווני או מפותל, משפיעים על זמן הסימון.

מחקרים עצמאיים חדשים מראים שאפשר להשיג מהירויות סימון גבוהות באופן מובהק סטטיסטית באמצעות שילוב ניסוחי תוספי לייזר בריכוזים נמוכים מאוד, בדרך כלל 0.01 אחוז עד 2.0 אחוזים. תוספי לייזר מנוסחים באופן מיטבי חוסכים בעלויות ולרוב מניבים מהירויות סימון גבוהות ב-25 אחוז ויותר לעומת ניסוחי חומר שאינם מותאמים. העלייה במהירות ובאיכות מקזזת ביתר את עלות תוסף החומר הנוספת.

המדע של תוספי הלייזר (איור 1 בעמוד 34) מציג גרף ניתוח תרמוגרבימטרי (TGA) של שני פוליאתילנים בצפיפות גבוהה (HDPE) המשמשים בסגרי משקאות בקוטר 28mm ללא מרווח (linerless). לשני הפולימרים טמפרטורות פירוק תרמי שונות, התהליך היוצר את סימון הלייזר. הפולימר בעל הטמפרטורה הגבוהה יותר ידרוש יותר אנרגיית לייזר, מהירויות סימון נמוכות יותר או יותר תוסף בולע כדי להשיג את אותו מראה סימון.

ללא תוספי לייזר לא ניתן היה לייצר בצורה חסכונית כמה מוצרי תעשייה מוכרים. יישום מעניין אחד הוא סימון בלייזר "בתנועה" (on-the-fly) לקידום מכירות מתחת לסגר על סגרי משקאות ללא מרווח. מערכות בפריסה מלאה מסוגלות לסמן גרפיקה ייחודית וטקסט אלפאנומרי במהירויות של עד 1,500 – 2,000 סגרים בדקה. (ראו תמונה B.)

טכנולוגיית לייזר

ההתקדמות בטכנולוגיית הלייזר הייתה מכרעת לפיתוח המהיר של הדור החדש ביותר של תוספי לייזר. הופעתם של לייזרי סיב בננו-שניות היא אחת מההתקדמויות המשמעותיות ביותר בסימון, בריתוך ובחיתוך. באופן מהותי, לייזרי סיב שונים מלייזרי סימון אחרים מצב מוצק. בלייזרי סיב המדיום הפעיל היוצר את קרן הלייזר פזור בתוך כבל סיב אופטי ייעודי. בניגוד ללייזרים המוזנים בסיב, כל נתיב הקרן נמצא בתוך כבל סיב אופטי עד לאופטיקת העברת הקרן.

לייזרי סיב מניבים איכות קרן ובהירות מעולות. מדד איכות הקרן הוא M2. ככל שערך M2 קטן יותר, איכות הקרן טובה יותר, ו-M2 = 1 הוא קרן לייזר גאוסיאנית אידיאלית. לייזר בעל איכות קרן מעולה ניתן למקד לגודל כתם קטן, מה שמוביל לצפיפות אנרגיה גבוהה. לייזרי סיב בפולס קבוע ומשתנה עם אנרגיית פולס של עד 1 mJ וצפיפות הספק גבוהה יכולים לסמן פולימרים רבים שהיו קשים לסימון בעבר, כולל ניילונים, אורתנים ואצטלים. גם ללייזרי Vanadate ערך M2 קטן, עם רוחב פולס קצר יותר מלייזרי סיב קבועים ולייזרי YAG. משך הפולס משפיע על מידת החום והפיחום בחומר. רוחב פולס קצר יכול להיות יתרון ביישומי פולימרים רגישים.

לא כל לייזרי Fiber, Vanadate ו-YAG מוסטי הקרן שווים. לרכיבי החומרה והתוכנה שיצרן לייזרים משלב במערכותיו יש השפעה משמעותית על ניגודיות הסימון, איכותו ומהירותו. מאפיין עיקרי הוא צפיפות ההספק (וואט/סמ"ר) על פני הסימון (השונה מהספק היציאה הגולמי של הלייזר). מצב היציאה של קרן הלייזר קריטי לביצועי הסימון. מצבי יציאה אלה קשורים לגורמים כגון התבדרות הקרן והתפלגות ההספק לאורך קוטר קרן הלייזר.

צפיפות ההספק היא פונקציה של גודל כתם הלייזר הממוקד. גודל כתם הלייזר הממוקד, לכל אורך מוקד של עדשה ואורך גל של לייזר, הוא פונקציה של התבדרות קרן הלייזר, הנשלטת בידי תצורת הלייזר, גודל הצמצם הבורר את המצב וההגדלה של המגדיל (מרחיב הקרן, upcollimator).

קצב חזרת הפולסים וצפיפות הספק השיא הם פרמטרים קריטיים ביצירת הסימון ובהשגת ניגודיות ומהירות אופטימליות. העקומות האריתמטיות של הספק לעומת קצב חזרת פולסים הן ביחס הפוך. הספק שיא גבוה בתדר נמוך מעלה במהירות את טמפרטורת פני השטח ומאדה את החומר תוך העברת חום מינימלית אל המצע. ככל שקצב חזרת הפולסים עולה, הספק שיא נמוך יותר יוצר אידוי מזערי אך מעביר יותר חום. גורמים נוספים המשפיעים על ניגודיות הסימון ואיכותו הם כמובן מהירות הקרן ומרחק ההפרדה בין קווי הווקטור.

סיכום

הדור החדש ביותר של תוספי סימון בלייזר המשולבים בפולימרים מניב ניגודיות סימון, פירוט קצוות קו ומהירות מעולים. סימון בלייזר ללא דיו בקו הייצור מחליף כעת הדפסת גרווירה סיבובית והדפסת טמפו. יתרונות אלה מקזזים במהירות את עלות תוסף החומר הנוספת. השגת ניסוח כימי אופטימלי של מדעי החומרים לסימון בלייזר על פלסטיק דורשת מומחיות בפולימרים, בדרגות תכונות בתוך משפחות פולימרים, בצבענים, פיגמנטים וצבעים מבחינת מסיסות, גודל חלקיקים, מגבלות ריכוז סף, התאמת צבע ואישורי רגולציה (GRAS, FDA מגע ישיר/עקיף עם מזון). פתרונות מדעי החומרים חייבים להיות חסכוניים, קלים לשימוש וללא השפעות מזיקות על התכונות הפיזיקליות והכימיות של הפולימר.

הכרת תודה

• Dr. Tony Hoult, IPG Photonics, "Laser Marking with Fiber Lasers", Industrial Laser Solutions, September 2012.
• BASF Corporation Mark-it™ Laser Marking Pigment Technical Bulletin 2002, with technical content contributions from The Sabreen Group, Inc. Lasers&Optronics, July 1997.
• Bruce Mulholland (Hoechst Technical Polymers) and Scott Sabreen (The Sabreen Group, Inc.), "Enlightened Laser Marking", Lasers&Optronics, July 1997.
• Daniel S. Burgess, Scott R. Sabreen and Carl Baasel Lasertechnik GmbH, Feature Article, "Laser Marking: A Clean Economical Packaging Solution", Photonics Spectra, November 2001.

Scott R. Sabreen הוא מייסד ונשיא The Sabreen Group, Inc., חברת הנדסה המתמחה בתהליכי ייצור משניים של פלסטיק, כגון סימון בלייזר, טיפולים מקדימים בפני השטח, הדבקה, עיטור וגימור ואבטחת מוצרים. Sabreen מפתח טכנולוגיות חלוציות ופותר בעיות ייצור למעלה מ-30 שנה. ניתן ליצור עמו קשר בטלפון 972.820.6777 או באתרים www.sabreen.com ו-www.plasticslasermarking.com.

---