לייזר סיבי מאפשר סימון של פלסטיק מתקדם

לייזר סיבי מאפשר סימון של פלסטיק מתקדם

תוספים המשולבים בפולימרים פורצי דרך בעלי אישור FDA בעיבוד הראשוני מייעלים את סימון הפלסטיק בלייזר. מהירות גבוהה, ניגודיות מעולה וחיסכון בעלויות הם בין היתרונות המשמעותיים. תוספים כימיים חדשניים יכולים ליצור ניגודיות בשחור עמוק, בצבע בהיר ובצבע מותאם אישית, הן בשיטת "on-the-fly" והן בפעולות משניות. תוספים אלה, המיועדים ללייזרי סיבי איטרביום במחיר משתלם, מאפשרים כעת סימון בלייזר ללא דיו בקו הייצור במקום הדפסת גרביר סיבובית והדפסת טמפו מסורתיות.

עיקרי הדברים

• לרוב הפולימרים אין בליעה באינפרא-אדום קרוב, ולכן תוספים הם מה שמאפשר סימון בטווח 1060–1080 ננומטר בכלל.
• תוספים ללא מתכות כבדות, בעלי אישור FDA ו-EFSA, מספקים ניגודיות גבוהה ללא שינוי בשקיפות, בהעברה הספקטרלית או בתכונות הפיזיקליות.
• תוספים מקצרים את זמן הסימון ב-20% ויותר לעומת פורמולציות שלא עברו אופטימיזציה, ובכך מקזזים במהירות את עלותם.
• MOPA עדיף על Q-switched בקצב חזרה – עד 500 kHz לעומת כ-80 kHz – ופולסים קצרים מתחת ל-40 ns מתאימים לפולימרים רגישים.
• מהירויות on-the-fly מגיעות ל-2,000 יחידות בדקה על מכסים, ול-500 רגל לדקה ויותר על מוצרים משוחלים.

שאלות נפוצות

איזו רמת העמסה של תוסף לייזר נדרשת?

בין 0.01% ל-4.0% במשקל בחלק הסופי, בהתאם לתוסף ולפולימר. גרגירים מעורבבים ישירות עם השרף; אבקה מומרת תחילה למאסטרבאץ'. חומר צבע מתורכב מראש מספק אחידות טובה יותר מריכוז צבע לאקסטרוזיה, להזרקה ולתרמופורמינג.

האם תוספי לייזר משפיעים על השקיפות או על התכונות הפיזיקליות?

תוספים שנוסחו כראוי אינם משפיעים. שקיפות הפולימר, ההעברה הספקטרלית ותכונות הבסיס הפיזיקליות אינן משתנות, וזה מה שהופך את סימון הפולימרים השקופים והשקופים למחצה לישים ללא פגיעה במוצר.

באיזו מהירות יכול סימון בלייזר on-the-fly לפעול בפועל?

מהירויות הסימון של פקקי יין סינתטיים מפוליאולפין ושל קידומי מכירות מתחת למכסה על סגרי משקאות ללא בטנה מגיעות ל-2,000 יחידות בדקה עבור טקסט אלפאנומרי וגרפיקה. סימון ליניארי של טקסט וקודי ראייה ממוחשבת משיג 500 רגל לדקה ומהר יותר.

מה ההבדל בין לייזרי סיבים Q-switched ל-MOPA?

לייזרי סיבים Q-switched פועלים בדרך כלל ברוחב פולס של 100–120 ns ומוגבלים לקצב חזרה של כ-80 kHz בשל טכנולוגיית ה-Q-switching עצמה. לייזרי MOPA בהפעלה ישירה פועלים עד 500 kHz ברוחבי פולס של ננו-שניות, וקצבי חזרה גבוהים יותר מתורגמים בדרך כלל לסימון מהיר יותר.

האם תוספים אלה מאושרים למגע עם מזון ולמכשירים רפואיים?

לתוספים ספציפיים יש אישור FDA למגע עם מזון ולאריזות מזון בתנאים A–H של 21 CFR 178.3297, חומרי צבע לפולימרים, עם הצהרות תאימות מקבילות באיחוד האירופי. הסמכה נוספת של החלק המוגמר יכולה להשיג תאימות ביולוגית של מכשירים רפואיים. ההסמכה ספציפית לסוג הפולימר, לסף ההעמסה ולמגע ישיר או עקיף.

יישומי מוצר

פולימרים שקופים, שקופים למחצה ואטומים צבעוניים, לרבות ניילונים, פוליאתילן טרפתלט (PET), פוליקרבונטים, פוליאולפינים, פוליוויניל כלוריד (PVC), סטיריניים ואלסטומרים תרמופלסטיים (TPUs) ופוליאורתנים תרמופלסטיים (TPEs), מנוסחים באופן ייחודי באמצעות תוספים ללא מתכות כבדות, בעלי אישור FDA/הרשות האירופית לבטיחות המזון (EFSA), להשגת איכות סימון בניגודיות גבוהה (ראו איור 1). שקיפות הפולימר, ההעברה הספקטרלית ותכונות הבסיס הפיזיקליות אינן מושפעות. סימון לייזר דיגיטלי ללא מגע מחליף תוויות דבק יקרות ותהליכי הדפסה בדיו כימי. התוצאה היא יישום חסכוני, ידידותי לסביבה ובעל מראה אסתטי מעולה.

מנגנון התגובה בסימון פולימרים בלייזר

ההתקדמות שהושגה בניסוח תוספים כימיים ללייזר לשימוש עם לייזרי אינפרא-אדום קרוב (NIR) (אורך גל 1060–1080nm) היא התאימות שלהם ללייזרי סיבי איטרביום, ונדאט ולייזרי Nd:YAG הקודמים להם. לרוב הפולימרים אין תכונות בליעה ב-NIR ללא תוספים כימיים¹. פולימרים שניתן לסמן בלייזר הם אלה הבולעים אור לייזר וממירים אותו מאנרגיית אור לאנרגיה תרמית. מומחים משתמשים בתוספים, מילויים, פיגמנטים וצבענים כדי לשפר את בליעת אנרגיית הלייזר לשינויי צבע מקומיים. נעשה שימוש בכימיות ניסוח שונות מאוד ובפרמטרי אופטיקה והתקנת לייזר שונים, בהתאם לניגודיות הסימון ולפונקציונליות הרצויות.

מנגנון תגובת פני השטח הנפוץ ביותר נקרא "פחמון" או "חרירה" תרמו-כימיים, שבהם האנרגיה הנבלעת במצע מעלה את הטמפרטורה המקומית של החומר סביב אתר הבליעה מספיק כדי לגרום לפירוק תרמי של הפולימר. כהות הסימון או בהירותו תלויות באנרגיה הנבלעת ובנתיב הפירוק התרמי הייחודי של החומר. באמצעות אופטימיזציה של התקנת הלייזר, שאריות הפחמון על פני השטח מזעריות.

תוספי לייזר

תוספי לייזר לאינפרא-אדום קרוב משפרים את מידת הניגודיות, שאותה ניתן להעצים עוד על ידי שינוי פרמטרי התקנת הלייזר. לפולימרים יש מאפיינים מובנים ליצירת ניגודיות סימון "כהה" או "בהירה". גם תרכובות צבע מסוימות המכילות כמויות נמוכות של טיטניום דיאוקסיד (TiO2) ופחם שחור עשויות לבלוע אור לייזר, ובמקרים מסוימים לשפר את ניגודיות הסימון. כל דרגת פולימר, אפילו באותה משפחה פולימרית, יכולה להניב תוצאות שונות. פורמולציות של תוספים אינן יכולות להיות רעילות או לפגוע במראה המוצרים, בתכונותיהם הפיזיקליות או בתפקודם.

בהשוואה לתהליכי הדפסה בדיו (הדפסת טמפו/משי והזרקת דיו), תוספי לייזר חוסכים בעלויות ויכולים להציג מהירויות סימון גבוהות ב-20% ויותר לעומת חומרים שלא עברו אופטימיזציה. תוספי לייזר מסופקים בצורת גרגירי פלט ואבקה. מוצרי גרגירים ניתנים לערבוב ישיר עם שרף הפולימר, ואילו אבקות מומרות למאסטרבאץ'. רובם מתפזרים בקלות בפולימרים. בהתאם לתוסף ולפולימר, רמת ריכוז ההעמסה במשקל (בחלק הסופי) נעה בין 0.01 ל-4.0%.

גם גרגירים וגם אבקה ניתנים לערבוב לחומר צבע מתורכב מראש או לריכוז צבע. הבחירה באיזה תוסף לשלב תלויה בהרכב הפולימר, בצבע המצע, בצבע ניגודיות הסימון הרצוי ובדרישות ההסמכה לשימוש הסופי. בפעולות אקסטרוזיה, הזרקה ותרמופורמינג, חומרים מתורכבים מראש בצבע מניבים אחידות טובה יותר מריכוז צבע. יש להימנע מערבוב ידני. זרימת התבנית וסוג/מיקום השערים הם גורמים חשובים. פיזור והתפלגות הומוגניים של תוספי הלייזר בכל חלק הם קריטיים להשגת ביצועי סימון אופטימליים.

תוספים מסוימים מכילים תערובות של תחמוצת בדיל מסוממת באנטימון ואנטימון טריאוקסיד, העשויות להקנות גוון "אפרפר" לאטימות הטבעית (הלא צבועה) של המצע. תוספים אחרים יכולים להכיל חלקיקי אלומיניום, תחמוצות מתכת מעורבות ותרכובות קנייניות. התאמות צבע נעשות באמצעות פיגמנטים וצבענים להשגת מראה התאמת הצבע הסופי. תוספים ספציפיים המסופקים מסחרית (המשמשים גם לריתוך בלייזר) קיבלו אישור FDA לשימוש במגע עם מזון ובאריזות מזון בתנאים A-H של 21 CFR 178.3297 – חומרי צבע לפולימרים. באיחוד האירופי קיימות הצהרות תאימות דומות. תנאי ההסמכה ספציפיים לסוג הפולימר, לסף רמת ההעמסה ולמגע ישיר או עקיף. הסמכה נוספת של תוספים בעלי אישור FDA המשולבים ב"חלק סופי" יכולה להשיג תאימות ביולוגית של מכשירים רפואיים².

טכנולוגיית לייזר סיבי איטרביום בננו-שניות

שיפורים בטכנולוגיית הלייזר היו מכריעים בפיתוח המהיר של הדור החדש ביותר של תוספי לייזר בעלי אישור FDA. הופעתם של לייזרי סיבי איטרביום בננו-שניות היא אחת ההתקדמויות המשמעותיות ביותר בסימון, בריתוך ובחיתוך.

באופן יסודי, לייזרי סיבים שונים מלייזרי סימון אחרים מסוג מצב מוצק המוזנים בדיודות (DPSS). בלייזרי סיבים, המדיום הפעיל היוצר את קרן הלייזר פזור בתוך כבל סיבים אופטיים מיוחד. בניגוד ללייזרים המוזנים בסיב, כל נתיב הקרן נמצא בתוך כבל סיבים אופטיים עד לאופטיקת אספקת הקרן. מבנה כל-סיבי זה אחראי במידה רבה לאמינות ולעמידות של לייזרים אלה, שמסבירות את הצמיחה המהירה שלהם.

לייזרי סיבים מניבים איכות קרן (M2) ובהירות מעולות בהשוואה ללייזרי Nd:YAG. לייזר בעל איכות קרן מעולה ניתן למיקוד לגודל נקודה קטן, מה שמוביל לצפיפות אנרגיה גבוהה. לייזרי סיבים מסוג MOPA (master oscillator power amplifier) בעלי פולס קבוע ומשתנה, עם אנרגיית פולס של עד 1mJ וצפיפות הספק גבוהה, יכולים לסמן פולימרים רבים שהיו קשים לסימון בעבר (ראו איור 2)³.

גם ללייזרי ונדאט יש ערך M2 קטן, עם רוחב פולס קצר יותר מלייזרי סיבים קבועים ומלייזרי YAG. משך הפולס משפיע על מידת החום והפחמון בחומר. פולסים קצרים, בדרך כלל <40ns, מאפשרים הזנת אנרגיה מבוקרת יותר בעיבוד חומרים פולימריים רגישים. לפולסים אלה עדיין יש הספק שיא להתגברות על ספי החומר, אך אנרגיית הפולס נמוכה יותר להפחתת נזק תרמי מקומי.

IPG Photonics, מפתחת ויצרנית מובילה של לייזרי סיבים בעלי ביצועים גבוהים, מציעה הן לייזרי YLP בפולס קבוע (המכונים לעיתים "Q-switch") והן לייזרי YLPN (MOPA) בפולס קצר משתנה. לייזרי סיבים Q-switched, בדרך כלל ברוחב פולס של 100–120ns, משמשים בכמה יישומי סימון, אך קצב החזרה שלהם מוגבל לכ-80kHz בשל האילוץ המובנה של טכנולוגיית ה-Q-switching. לייזרי סיבים MOPA בהפעלה ישירה (DM-MOPA) יכולים לפעול בקצבי חזרה של עד 500kHz ברוחבי פולס של ננו-שניות. קצבי חזרה גבוהים מתורגמים בדרך כלל למהירות סימון גבוהה יותר (בשילוב עם פרמטרים נוספים של הלייזר/מוליך הגל).

פיתוח יישומים הוא ספציפי מאוד, שכן אין פתרון לייזר אוניברסלי. לייזרי MOPA בעלי משך פולס קצר מסוגלים לנצל במלואם את הביצועים של תוספים כימיים רגישים בעלי אישור FDA. שליטה מרחבית וזמנית מקומית בהזנת חום הלייזר ובקצב הזנת החום מאפשרת ביצועים מרביים. הבחירה באיזה סוג לייזר לשלב נקבעת לפי מאפייני הפלט של הלייזר בשילוב עם החומר הפולימרי שעבר אופטימיזציה. איור 3 מציג צורות פולס בזמן של לייזרי סיבי איטרביום בעלי אורך פולס קבוע ומשתנה (MOPA) [3].

בהתקנת לייזר סיבי בעל אורך פולס קבוע לצורך סימון, יש להגדיר שני קלטים:

• קצב חזרת פולסים (המכונה לעיתים תדר פולס), ו-
• הספק שאיבה באחוזים – 100% מתייחס להזנה החשמלית המרבית האפשרית לדיודות השאיבה.

בהתקנת לייזר סיבי MOPA בפולס קצר משתנה לצורך סימון, מוגדרים שלושה קלטים:

• משך פולס (המכונה לעיתים אורך פולס);
• קצב חזרת פולסים (תדר פולס); ו-
• הספק שאיבה באחוזים, כמוסבר לעיל.

בשני הגרפים, שילוב פרמטרי הקלט המסוים קובע את תכונות הפלט של קרן הלייזר, כלומר אנרגיית הפולס, הספק השיא (השיא הרגעי הגבוה ביותר של אנרגיית הפולס, ג'אול/משך הפולס) וההספק הממוצע (הספק ממוצע בוואט = אנרגיית פולס בג'אול × קצב חזרת פולסים בהרץ).

סימון בלייזר 'On-The-Fly'

סימון בלייזר "on-the-fly" הוא אחד היישומים המיוחדים ביותר המבוצעים על מוצרים יצוקים ומשוחלים כגון חוטים/כבלים, צינורות וצנרת. מהירויות הסימון של פקקי יין סינתטיים מפוליאולפין ושל קידומי מכירות מתחת למכסה על סגרי משקאות ללא בטנה מגיעות ל-2000 יחידות/דקה עבור טקסט אלפאנומרי וגרפיקה (ראו איור 4). מהירויות סימון ליניאריות של טקסט וקודי ראייה ממוחשבת יכולות להגיע ל-500 רגל לדקה ומהר יותר, כאשר סימון בלייזר ללא דיו מחליף כיום הדפסת גרביר סיבובית והדפסת טמפו.

מהירות הסימון היא פונקציה של משתנים רבים, לרבות סוג הפולימר, צבע המצע, סוג תוסף הלייזר ורמת ההעמסה, גודל הכבל (משקל), סוג הלייזר וההספק, התוכנה, מספר התווים האלפאנומריים, גובה הטקסט, אורך מחרוזת הטקסט, הרווח בין התווים, ברקוד/data matrix, לוגואים/גרפיקה, גופנים בשבץ יחיד או גופני true-type ממולאים, כיוון המילוי, וטקסט רציף או חוזר. שימוש בחומר צבע מתווסף שנוסח כראוי יבטיח ש"צפיפות ההספק" על פני הסימון אינה הגורם המגביל. במקום זאת, הגלוונומטרים המכוונים את הקרן יפעלו במהירות המרבית.

בשל המורכבות של הגורמים המשפיעים על יכולת הסימון בייצור on-the-fly, יש לבחון במדויק כל יישום. יש מעט כללים, אם בכלל, שניתן להסיק מהם באופן כללי. עם זאת, לצורך כללי, שקלו את הדוגמה הבאה של פולימר ניילון הכוללת לייזר סיבי 50W, עדשת שדה שטוח 254mm, 100 תווים אלפאנומריים, גובה 2mm, אורך מחרוזת טקסט חוזרת של 14.68 אינץ' וזמן סימון של 0.232s. המהירות המחושבת היא כ-315 רגל ליניארית לדקה.

מערכות ציוד לייזר

רכיבי החומרה והתוכנה ששולב יצרן לייזר במערכותיו יוצרים הבדל משמעותי בניגודיות הסימון, באיכותו ובמהירותו. מאפיין עיקרי הוא צפיפות ההספק (W/cm2) על פני הסימון (השונה מהספק הפלט הגולמי של הלייזר). מצב הפלט של קרן הלייזר קריטי לביצועי הסימון. מצבי פלט אלה קשורים לגורמים לרבות סטיית הקרן והתפלגות ההספק לרוחב קוטר קרן הלייזר.

צפיפות ההספק היא פונקציה של גודל נקודת הלייזר הממוקדת. גודל נקודת הלייזר הממוקדת לכל עדשה באורך מוקד נתון ולכל אורך גל לייזר הוא פונקציה של סטיית קרן הלייזר, הנשלטת על ידי תצורת הלייזר, גודל פתח בחירת המצבים והגדלת ה-upcollimator (מרחיב קרן). קצב חזרת הפולסים וצפיפות הספק השיא הם פרמטרים קריטיים ביצירת הסימון ובהשגת ניגודיות ומהירות אופטימליות. עקומות ההספק לעומת קצב חזרת הפולסים הן ביחס הפוך. הספק שיא גבוה בתדר נמוך מעלה את טמפרטורת פני השטח במהירות ומאדה את החומר תוך העברת חום מינימלית אל המצע. ככל שקצב החזרה עולה, הספק שיא נמוך יותר מייצר אידוי מזערי אך מעביר יותר חום. גורמים נוספים המשפיעים על ניגודיות הסימון ואיכותו הם, כמובן, מהירות הקרן ומרחק ההפרדה בין קווי הווקטור.

סיכום

תוספי לייזר פורצי דרך בעלי אישור FDA, המשולבים בפולימרים, מניבים ניגודיות סימון, פירוט קצוות קו ומהירות מעולים. מוצרים הכוללים תוספים המשפרים את הסימון בלייזר מניבים מהירויות סימון גבוהות ב-20% ויותר. היתרונות מקזזים במהירות את העלות המצטברת של התוסף. ההתקדמות בטכנולוגיית לייזרי סיבי איטרביום בננו-שניות במחיר משתלם הייתה מכרעת. סימון בלייזר on-the-fly בקו הייצור מחליף כיום הדפסת גרביר סיבובית והדפסת טמפו. כימיה מיטבית של מדע החומרים לסימון פלסטיק בלייזר דורשת מומחיות בפולימרים, חומרי צבע, פיגמנטים וצבענים בנוגע לסיסות, גודל חלקיקים, מגבלות ריכוז סף, התאמת צבע והסמכות רגולטוריות (GRAS, מגע ישיר/עקיף עם מזון לפי FDA). לא כל לייזרי הסיבים שווים.

תודות ומקורות

המחבר מודה ל-BASF Corporation על הדוח הטכני Mark-it Laser Marking Pigment Technical Bulletin 2002, עם תרומות תוכן טכניות מ-The Sabreen Group; ל-Bruce Mulholland מ-Hoechst Technical Polymers ול-The Sabreen Group על "Enlightened laser marking", Lasers & Optronics (Jul. 1997); ול-Daniel S. Burgess מ-Baasel Lasertechnik GmbH ול-The Sabreen Group על "Laser marking: A clean economical packaging solution", Photonics Spectra (Nov. 2001).

• Sabreen, S. Fiber Lasers: Selection and Additives, Plastics Decorating, November 2017.
• Polyamide (PA) Nylon Complete Guide, SpecialChem 2019.
• Brodsky, M. Wave Forms: A New Laser Tool, Optics & Photonics, March 2012.

Scott R. Sabreen הוא מייסד ונשיא The Sabreen Group, Inc., חברת ייעוץ הנדסי המתמחה בתהליכי ייצור משניים של פלסטיק – טיפולים מקדימים בפני השטח, הדבקה, הדפסת הזרקת דיו, סימון בלייזר, עיטור וגימור ואבטחת מוצרים. Sabreen מפתח טכנולוגיות חלוציות ופותר בעיות ייצור מעל 30 שנה. ניתן ליצור קשר בטלפון 972.820.6777 או בכתובת www.sabreen.com.

---