איך מסמנים פלסטיק בלייזר? סימון בלייזר של פלסטיק באמצעות תוספי לייזר

איך מסמנים פלסטיק בלייזר? סימון בלייזר של פלסטיק באמצעות תוספי לייזר

עיקרי הדברים

• פוליאמידים הם מהפולימרים הקשים ביותר לסימון, בשל מגוון תכונות החומר, תנאי היציקה והגדרות הלייזר.
• שלושה מנגנוני משטח יוצרים ניגודיות: שחור על ידי פחמון, לבן על ידי יצירת קצף, ושינוי צבע בפולימרים מפוגמנטים.
• הניגודיות המבוקשות ביותר הן לבן אטום על שחור, שחור עמוק על לבן ולבן אטום על כחול בינוני.
• 20 עד 50 ננו-שניות הם הטווח האופטימלי לרוחב פולס MOPA בפולימרים רבים, ובהם ניילונים.
• אימות בדרגה A נדרש לעיתים קרובות במוצרים צבאיים, תעופתיים, לרכב ותרופתיים.

SABREEN מציעה את פתרונות סימון הלייזר הבאים לפלסטיק:

• ניסוחי התאמת צבע מותאמים ללייזר, עמידה בדרישות רגולציה, דגימות אב-טיפוס
• אופטימיזציה של תהליך ההזרקה, פיזור/חלוקה, בדיקות אנליטיות
• תכנון ושילוב של מערכות ציוד לייזר, ראייה ממוחשבת
• פתרון בעיות באתר, אופטימיזציה של תהליך הלייזר, אמנות/גרפיקה וקטורית
• הסמכת בטיחות לייזר, ממונה בטיחות לייזר (LSO)

תנו לצוות המומחים שלנו לטפל בצורכי סימון הלייזר לפלסטיק בפרויקט הבא שלכם. אנו זוכים לאמונם ולסמכותם של כל לקוח, בכל נסיבות. התרבות שלנו ממוקדת בהשגת פתרונות ייצור מעולים ובקידום הטכנולוגיה מתוך מחויבות איתנה למצוינות. כל מומחה ב-SABREEN Group הוא בעל שם בתחומו. כשלון אינו אופציה!

שאלות נפוצות

איך מסמנים פלסטיק בלייזר?

לייזר אינפרא-אדום קרוב (NIR), מסוג סיבי Ytterbium, Vanadate או Nd:YAG, מספק אנרגיה שהפולימר בולע וממיר לחום, וכך נוצר אחד משלושה שינויי משטח: סימון שחור על ידי פחמון, סימון לבן על ידי יצירת קצף, או שינוי צבע באמצעות תגובה כימית תרמית של פולימרים מפוגמנטים. רוב הפולימרים זקוקים לתוסף משפר לייזר כדי לבלוע אנרגיה כלל.

מדוע קשה כל כך לסמן ניילון בלייזר?

לפוליאמידים, ובהם פוליפתלמידים, יש מגוון תכונות חומר, תנאי יציקה והגדרות לייזר, וכמו רוב הפולימרים הם אינם בולעים אור לייזר מטבעם, מה שמונע שינוי צבע. תוספים כימיים משפרי לייזר משפרים משמעותית את הניגודיות, המהירות והעמידות.

איזה רוחב פולס מתאים ביותר לניילון?

לייזרי MOPA מפיקים רוחבי פולס מ-1 ננו-שנייה עד 250 ננו-שניות ומעלה. The Sabreen Group מצאה כי 20 עד 50 ננו-שניות הם הטווח האידיאלי לניגודיות צבע אופטימלית בפולימרים רבים, ובהם ניילונים. לייזרי MOPA עם פולס קצר משתנה יעילים במיוחד בפולימרים רגישים לטמפרטורה, שבהם יש להימנע מפחמון יתר.

מהי כמות התוסף האופיינית?

בין 0.01% ל-3.0% במשקל בחלק הסופי. גרנולט מעורבב ישירות עם השרף, ואבקה מומרת למאסטרבאץ'. פיזור וחלוקה אחידים בכל חלק הם שקובעים אם הניגודיות עקבית.

מדוע איכות הסימון חשובה בקודי Data Matrix?

משום שככל שמחרוזת הנתונים ארוכה יותר, תאי הנתונים צפופים יותר. איכות קצה קו ברזולוציה גבוהה היא שמאפשרת לקרוא תאים קטנים בסימון ישיר על החלק. אימות בדרגה A נדרש לעיתים קרובות ביישומים צבאיים, תעופתיים, לרכב ותרופתיים, וקודים בעלי ניגודיות גבוהה גם מסומנים מהר יותר וניתנים לקריאה במכשירי קריאה ידניים זולים.

סימון בלייזר של פלסטיק – פתרונות כוללים לסימון בלייזר בניגודיות גבוהה על פלסטיק

הביקוש לסימון בלייזר בניגודיות גבוהה על מוצרי פלסטיק מניילון (פוליאמיד) גדל במהירות בשל מגוון היישומים התעשייתיים שלו. הסימונים התפקודיים והדקורטיביים כוללים זיהוי אלפאנומרי, קודי ראייה מסוג Data Matrix/QR, תרשימים ומיקרו-מבנים.

פוליאמידים, ובהם פוליפתלמידים (PPA), הם מהפולימרים המאתגרים ביותר לסימון בלייזר, בשל מגוון תכונות החומר, תנאי היציקה והגדרות הלייזר. תוספים חכמים ללייזרי אינפרא-אדום קרוב פותרים בעיות ניגודיות בסימון ומגבירים את מהירות הסימון (זמן מחזור קצר יותר) מבלי לפגוע בתכונות החומר.

מאמר זה מספק הבנה של ניילונים, תוספים כימיים ולייזרי סיב, לצורך השגת צבע בניגודיות גבוהה ותהליכי סימון בלייזר חסכוניים.

פרמטר בסיסי לתיאור איכות הסימון הוא ניגודיות הצבע בין המשטח המסומן למצע. ישנם שלושה מנגנוני משטח לשינוי צבע באמצעות לייזרי NIR, ובהם לייזר סיבי Ytterbium, Vanadate (Nd:YVO4) ו-Nd:YAG: 1) סימון שחור על ידי פחמון, 2) סימון לבן על ידי יצירת קצף ו-3) שינויי צבע באמצעות תגובות כימיות תרמיות המושרות בלייזר בפולימרים מפוגמנטים1. בין צבעי הניגודיות המבוקשים ביותר: לבן אטום על שחור, שחור עמוק על לבן ולבן אטום על כחול בינוני. שילובי צבעים אלה דורשים לרוב תוספים כימיים. התוספים משפרים את מידת ניגודיות הצבע (בליעת אור לייזר), ואפשר להעצים אותה עוד באמצעות בחירת לייזר אופטימלית ופרמטרי סימון מתאימים.

מהו ניילון (פוליאמיד)?

פוליאמידים, או ניילון, הם משפחה מרכזית של תרמופלסטים הנדסיים ובעלי ביצועים גבוהים, המכילה קשרי אמיד חוזרים, כלומר –CO-NH–. הם נוצרים על ידי עיבוי של יחידות זהות, וקופולימרים של יחידות שונות.

ניילון מיוצר בפולי-עיבוי של דו-חומצה עם דו-אמין או בפילמור פתיחת טבעת של לקטמים בעלי שישה, 11 או 12 אטומי פחמן2. מונומרים של ניילון יכולים להיות אליפטיים, למחצה ארומטיים או ארומטיים (אראמידים), ומבנם יכול לנוע מאמורפי ועד חצי גבישי, בדרגות גבישיות גבוהות או נמוכות יותר.

הפוליאמידים האליפטיים מיוצרים בקנה מידה גדול בהרבה מהפוליאמידים הארומטיים לחלוטין, והם אחת המחלקות החשובות ביותר של תרמופלסטים הנדסיים.

שני פוליאמידים חשובים הם פולי(הקסמתילן אדיפאמיד) (ניילון 6,6) ופולי-קפרולקטם (ניילון 6). פוליאמידים אליפטיים נוספים כוללים את ניילון 12, 69, 6-10, 6-12, 46 ו-1212. ניילון 11 הוא פלסטיק הנדסי ביו-בסיסי הנגזר ממקורות מתחדשים (צמחי קיקיון).

פוליאמידים חצי ארומטיים וחצי גבישיים שנוצרים מעיבוי של אמידים אליפטיים כוללים את PA 6T ו-PA 6I. פוליאמידים חצי ארומטיים הם לעיתים קרובות חלופה חסכונית לאראמידים הארומטיים לחלוטין, היקרים יותר. לפוליאמידים ארומטיים, המכונים אראמידים, חוזק גבוה יותר, עמידות טובה יותר בפני ממסים, להבה וחום, ויציבות ממדית גבוהה יותר מאשר לאמידים אליפטיים. אמיד ארומטי מוכר הוא Kevlar, פולי(p-פנילן טרפתלאמיד).

פוליאמידים, ובהם פוליפתלמידים (PPA), הם מהפולימרים המאתגרים ביותר לסימון בלייזר, בשל מגוון תכונות החומר, תנאי היציקה והגדרות הלייזר.

פוליפתלמיד (PPA) הוא תת-קבוצה של שרפים סינתטיים תרמופלסטיים ממשפחת הפוליאמידים (ניילון), המוגדרת כאשר 55% או יותר מהמולים של חלק החומצה הקרבוקסילית ביחידה החוזרת בשרשרת הפולימר מורכבים כך. ה-PPA הוא חצי ארומטי וחצי גבישי. PPA ממלא את הפער בביצועים שבין ניילונים אליפטיים, כגון PA6,6 ו-PA6, לבין הפוליאראמידים היקרים בהרבה.

תוספים "חכמים"

פרמטר אחד לתיאור איכות הסימון הוא ניגודיות הצבע בין המשטח המסומן לרקע. הניגודיות אינה מושגת תמיד משינוי הצבע עצמו, שכן אפשר להשיגה גם באמצעות עקיפת אור משתנה.

חשובות לא פחות איכות הסימון ו/או נאמנותו, כלומר רזולוציית קווים דקים או חדות. פולימרים רבים, ובהם ניילונים, אינם בולעים אור לייזר מטבעם, מה שמונע שינוי צבע. תוספים כימיים משפרי לייזר משפרים משמעותית את ניגודיות הסימון, המהירות והעמידות (ראו תמונה 1). צבע המצע הוא גורם, שכן לחומרים כמו פחמן שחור, TiO2 ומעכבי בעירה יש דרגות שונות של בליעת אור לייזר.

תוספי לייזר מסופקים בצורת גרנולט (גרגירים) ואבקה. מוצרי גרנולט מעורבבים ישירות עם שרף הפולימר, ואילו אבקות מומרות למאסטרבאץ'. ריכוז הטעינה במשקל (בחלק הסופי) נע בדרך כלל בין 0.01% ל-3.0%. פיזור/חלוקה אחידים של תוספי הלייזר בכל חלק הם קריטיים להשגת ניגודיות צבע אופטימלית.

התאמות צבע מבוצעות באמצעות פיגמנטים וצבענים כדי להשיג את מראה התאמת הצבע הסופי. תוספים מסוימים קיבלו אישור FDA לשימוש במגע עם מזון ובאריזות מזון בתנאים A-H של 21 CFR 178.3297 Colorants for Polymers 1.

לייזרי סיב Ytterbium

לייזרי סיב NIR מסוג Ytterbium נכנסו לשוק הסימון התעשייתי בסביבות שנת 2010 והחליפו את לייזרי ה-YAG המסורתיים. ללייזרי סיב איכות קרן מעולה (M2) ובהירות גבוהה, והם יכולים להתמקד בנקודה קטנה (פחות מ-20 מיקרון), מה שמוביל לצפיפות אנרגיה גבוהה. לייזרי סיב הם רב-גוניים במיוחד, חסכוניים, מוכנים לחיבור והפעלה (plug-and-play) וכמעט ללא תחזוקה.

לייזרי סיב ננו-שנייה עם פולס קבוע (Q-switched) ועם פולס משתנה (MOPA) נמכרים על ידי כמה חברות לייזר, ובהן IPG Photonics ו-SPI Lasers. לייזרי סיב Q-switched, בדרך כלל ברוחב פולס של 100 עד 150 ננו-שניות, משמשים בכמה יישומי סימון פולימרים, אך קצב חזרת הפולסים שלהם מוגבל לכ-80 קילוהרץ בשל המגבלה הטבועה בטכנולוגיית ה-Q-switching.

לייזרי סיב MOPA בהפעלה ישירה (DM-MOPA) פועלים בקצבי חזרה של עד 500 קילוהרץ ברוחבי פולס של ננו-שניות. רוחב פולס [ננו-שניות] הוא מדד לזמן שבין תחילת הפולס לסופו, המבוסס בדרך כלל על הרוחב במחצית המקסימום (FWHM) של צורת הפולס.

קצבי חזרה גבוהים מתורגמים בדרך כלל למהירות סימון גבוהה יותר (בשילוב עם פרמטרי לייזר/צורת גל אחרים). ישנם הבדלים משמעותיים בצורות הגל ובמידת הפחמון של המשטח3 (ראו תמונה 1).

שליטה מרחבית וזמנית מקומית בקלט החום של הלייזר ובקצב קלט החום מאפשרת ביצועים מרביים. בפולימרים רגישים לטמפרטורה, לייזרי סיב עם פולס קצר משתנה (MOPA) יעילים במיוחד בהשגת ניגודיות גבוהה ללא פחמון יתר.

אפשר להשיג סימון תת-משטחי על פלסטיק שקוף ליישומים רפואיים. באופן כללי, לייזרי MOPA מפיקים רוחבי פולס (משך פולס) מ-1 ננו-שנייה עד 250 ננו-שניות (ויותר). The Sabreen Group מצאה כי 20 עד 50 ננו-שניות הם טווח אידיאלי לניגודיות צבע אופטימלית בפולימרים רבים, ובהם ניילונים.

בניגודיות סימון קוסמטית ותפקודית, תוספי לייזר משנים באופן קריטי את התוצאה כאשר נדרשים רזולוציה גבוהה, איכות קצה קו ותאי נתונים קטנים בסימון ישיר על החלק (DPM) של Data Matrix וברקוד. ככל שמחרוזת הנתונים ארוכה יותר, תאי הנתונים צפופים יותר.

אימות בדרגה "A" נדרש לעיתים קרובות במוצרים צבאיים, תעופתיים, לרכב ותרופתיים. לקריאות של קודים בניגודיות גבוהה יתרונות נוספים: מהירויות סימון גבוהות יותר, ואפשר להשתמש בקוראים ידניים זולים בכל רחבי המפעל.

סיכום

מקורות

• 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 הנדסה המתמחה בתהליכי ייצור משניים של פלסטיק: סימון בלייזר, טיפולים מקדימים בפני השטח, הדבקה, עיטור וגימור ואבטחת מוצרים. Sabreen מפתח טכנולוגיות חלוציות ופותר בעיות ייצור למעלה מ-30 שנה. אפשר ליצור איתו קשר בטלפון 972.820.6777 או דרך האתרים www.sabreen.com ו-www.plasticslasermarking.com.

---