סימון בלייזר של פולימרים מלאי זכוכית – חשיבות תהליכי ההזרקה

סימון בלייזר של פולימרים מלאי זכוכית – חשיבות תהליכי ההזרקה

לסימון בלייזר של פלסטיק יתרונות רבים במגוון רחב של יישומים תעשייתיים. סימונים דקורטיביים ותפקודיים שמייצר הלייזר, כגון זיהוי רכיבים, תרשימים, Data Matrix וברקוד, חייבים להיות קריאים לחלוטין. איכות הסימון תלויה בפולימר, בתוספים ובצבענים, בתהליכי הזרקה ובמקור הלייזר. בעיות במשטח הפולימר המעוצב המפריעות לקריאות עלולות לפגוע בבטיחות, בביצועים ובתפקוד של המוצר. דוגמה אחת היא סיבי זכוכית כתוסף. הוספת סיבי זכוכית עלולה לפגוע בתהליכי היציקה, ובכך להשפיע על איכות סימון הלייזר. כדי להשיג סימון איתן נדרשים משטחי חלק עשירים בשרף, ואילו משטחים עשירים בסיבי זכוכית ייתנו תוצאות נחותות.

עיקרי הדברים

• אחוז מילוי הזכוכית נע בדרך כלל בין 10% ל-60% ב-ABS, ניילון, אצטל, פוליקרבונט, LCP, PBT, PET, PPS, PEEK ו-PEI.
• סיבי זכוכית אינם בולעים היטב אינפרא-אדום קרוב, ולכן משטחים עשירים בזכוכית ניתנים לסימון גרוע מעצם הגדרתם.
• משטחים עשירים בשרף הם תנאי הכרחי, משום שאנרגיית הלייזר חייבת לפעול הדדית עם מטריצת הפולימר.
• הזחת זכוכית למשטח (glass emergence) מתבטאת בסימנים לבנים על המשטח לאחר עיבוי ויציקה.
• היציקה קובעת את יכולת הסימון, שכן הפגם נוצר לפני שלב הלייזר, ולכן יש לתקן אותו לפני שלב זה.

שאלות נפוצות

מהי הזחת זכוכית למשטח (glass emergence)?

פגם משטח חמור המשפיע על מוצרי הזרקה מלאי סיבי זכוכית, שבו עודף זכוכית נוצר על פני השטח בזמן מילוי ההתכה והיציקה. לאחר העיבוי והיציקה מופיעים על המשטח סימנים לבנים, והסיבים החשופים יוצרים משטח עשיר בסיבי זכוכית שסימונו גרוע.

מדוע משטחים עשירים בזכוכית ניתנים לסימון גרוע כל כך?

משום שסיבי זכוכית אינם בולעים היטב אור לייזר באינפרא-אדום קרוב. סימון מחייב שאנרגיית הלייזר תפעל הדדית עם מטריצת הפולימר, ולכן המשטחים חייבים להיות עשירים בשרף. הבעיה מחמירה ככל שתכולת הסיבים עולה.

אילו פולימרים מכילים בדרך כלל סיבי זכוכית?

ABS, ניילון, אצטל, פוליקרבונט, פולימר גבישי נוזלי, PBT, PET, PPS, PEEK ו-PEI. אחוזי המילוי משתנים, אך בדרך כלל הם נעים בין 10% ל-60%.

ממה עשויים סיבי זכוכית?

מסיליקה, אבן גיר וסודה אש. הסיליקה יוצרת את הזכוכית עצמה, ואילו סודה אש ואבן גיר מורידות את טמפרטורת ההתכה בייצור.

מהם מנגנוני המשטח היוצרים סימון?

שלושה: סימון שחור על ידי פחמון, סימון לבן על ידי יצירת קצף, ושינוי צבע באמצעות תגובות כימיות תרמיות המושרות בלייזר בפולימרים מפוגמנטים. המנגנון שיתרחש תלוי באנרגיה הנבלעת ובמסלול הפירוק התרמי הייחודי של החומר.

סיבי זכוכית

כאשר יש צורך לשפר פלסטיק סטנדרטי מבחינה מבנית, מוסיפים לו סיבי זכוכית. שיפור החוזק נובע מכך שהפולימר החלש יותר מעביר את מאמצי העומס אל סיבי החיזוק החזקים יותר. החומרים המשמשים לייצור סיבי זכוכית הם סיליקה, אבן גיר וסודה אש. הסיליקה היא החומר העיקרי היוצר את הזכוכית, ואילו סודה אש ואבן גיר משמשות להורדת טמפרטורת ההתכה.

סיבי זכוכית מוספים בדרך כלל ל-ABS, ניילון, אצטל, פוליקרבונט, פולימר גבישי נוזלי (LCP), PBT, PET, PPS, PEEK ו-PEI. אף שאחוזי המילוי משתנים, הם נעים בדרך כלל בין 10% ל-60%. קיימים שני סוגי חיזוק בזכוכית, סיבים קצרים וסיבים ארוכים, ולכל אחד יתרונות וחסרונות.

פגם משטח של הזחת זכוכית

"הזחת זכוכית" (glass emergence) היא פגם משטח חמור הפוגע בדרך כלל במוצרי הזרקה מלאי סיבי זכוכית. חשיפת סיבי הזכוכית יוצרת משטח עשיר בסיבי זכוכית. עודף זכוכית נוצר על פני השטח בזמן מילוי התכת הפלסטיק והיציקה. לאחר העיבוי והיציקה מופיעים על המשטח סימנים לבנים (ראו תמונה 1).

משטחי חלקים מעוצבים חייבים להיות "עשירים בשרף" כדי להפיק סימון איכותי, כך שאנרגיית הלייזר פועלת הדדית עם מטריצת הפולימר. לעומת זאת, משטחים עשירים בסיבי זכוכית ניתנים לסימון גרוע, והבעיה מחמירה עם עליית תכולת הסיבים. סיבי הזכוכית עצמם אינם בולעים היטב אור לייזר באינפרא-אדום קרוב (NIR).

אי אפשר להפריז בחשיבות תהליכי הזרקה תקינים. טבלה 1 מפרטת פגמי משטח שעלולים לפגוע באיכות סימוני הלייזר, בנוסף להזחת זכוכית.

מנגנוני סימון בלייזר של פולימרים

בלייזרים מסוג NIR עם סריקת קרן, באורך גל של 1060-1070 ננומטר, מנגנון סימון הלייזר כולל הקרנת הפולימר במקור קרינה מקומי בעל אנרגיה גבוהה (לייזר). מקורות הלייזר כוללים סיבי Ytterbium, Vanadate ו-YAG. האנרגיה הקורנת נבלעת בחומר ומומרת לאנרגיה תרמית, הגורמת לתגובות בחומר. מנגנוני המשטח לשינוי צבע כוללים: 1) סימון שחור על ידי פחמון, 2) סימון לבן על ידי יצירת קצף, ו-3) שינויי צבע באמצעות תגובות כימיות תרמיות המושרות בלייזר בפולימרים מפוגמנטים. איכות הסימון תלויה באנרגיה הנבלעת ובמסלול הפירוק התרמי הייחודי של החומר. כל דרגת פולימר, גם בתוך אותה משפחה, עשויה לתת תוצאות שונות.

לסימון איכותי, פיזור אחיד של צבענים ותוספים חשוב לא פחות ממשטחים עשירים בשרף. כדי לבדוק אם קיימות בעיות פיזור, מומלץ להגדיר את הלייזר כך שיסמן/יסרוק ברציפות על פני כל משטח החלק. ראו תמונה 2.

התוצאה מציגה (משמאל לימין) עט יצוק עם סימון מצוין של זהב על שחור (משמאל), שתי תמונות באמצע המראות פיזור גרוע של הגוון, ותמונה מימין המראה פיזור אחיד מצוין.

מכיוון שלרוב הפולימרים אין תכונות בליעה ב-NIR ללא תוספים כימיים, מומחים משתמשים בתוספים, מילויים, פיגמנטים וצבענים כדי לשפר את בליעת אנרגיית הלייזר. נעשה שימוש בכימיות ניסוח שונות מאוד ובפרמטרים שונים של אופטיקה והגדרות לייזר, בהתאם לניגודיות הסימון ולתפקודיות הרצויות. תוספי לייזר מייעלים את מידת הניגודיות ומגבירים משמעותית את מהירות הסימון. אפשר לערבב אותם, בצורת גרנולט או אבקה, בחומר צבע מוכן מראש (precompounded) או במרוכז צבע (color concentrate). חומרים שצבעם מוכן מראש מפיקים סימון עקבי יותר בהשוואה למרוכז צבע. הבחירה בתוסף לשילוב תלויה בהרכב הפולימר, בצבע המצע, בצבע הניגודיות הרצוי לסימון ובדרישות ההסמכה לשימוש הסופי.

מערכות סימון בלייזר מדויקות וחוזרות מאוד. לאחר שהתהליך מוגדר, הלייזר מפעיל בדיוק ובחזרתיות את אותה אנרגיית פלט. לכן כל פגם במשטח יגרום לחוסר עקביות בסימון.

יישום מאתגר הוא השגת ניגודיות לבנה איתנה על פוליאמיד (ניילון) כחול ושחור מלא זכוכית בשיעור 30%. ראו תמונה 3.

קצב חזרת הפולסים וצפיפות ההספק בשיא הם פרמטרים קריטיים ביצירת הסימון ובהשגת הניגודיות והמהירות האופטימליות. העקומות האריתמטיות של הספק כנגד קצב חזרת הפולסים הן ביחס הפוך.

הספק שיא גבוה בתדר נמוך מעלה במהירות את טמפרטורת המשטח ומאדה את החומר, תוך הולכת חום מינימלית אל המצע. ככל שקצב חזרת הפולסים עולה, הספק שיא נמוך יותר מפיק אידוי מינימלי אך מוליך יותר חום. גורמים נוספים המשפיעים על ניגודיות הסימון ואיכותו הם רוחב הפולס, מרחק המוקד, מהירות הקרן ומרחק ההפרדה בין קווי הווקטור.

סיכום

לסיכום, סימון בלייזר של פלסטיק הוא תהליך מצוין. איכות הסימון תלויה במטריצת הפולימר, בתוספים ובצבענים, בתהליך ההזרקה ובמקור הלייזר. בעיות משטח בפולימר המעוצב המפריעות לקריאות עלולות לפגוע בבטיחות, בביצועים ובתפקוד של המוצר. הזחת זכוכית היא סוג אחד של פגמי משטח ביציקה הפוגעים באיכות הסימון. משטחי חלק עשירים בשרף ופיזור/חלוקה אחידים הם קריטיים להשגת סימון בלייזר איתן.

Scott R. Sabreen הוא מייסד ונשיא The Sabreen Group, Inc., חברת ייעוץ הנדסי המתמחה בתהליכי ייצור משניים של פלסטיק: טיפולים מקדימים בפני השטח, הידבקות והדבקה, הדפסת הזרקת דיו, סימון בלייזר, ציפויים תעשייתיים, עיטור וגימור, ואבטחת מוצרים. הוא מפתח טכנולוגיות חלוציות ופותר בעיות ייצור למעלה מ-30 שנה. אפשר ליצור איתו קשר בטלפון 972.820.6777 או דרך האתר www.sabreen.com.

---