“תוספים חכמים” משפרים סימון בלייזר על פלסטיק

"תוספים חכמים" משפרים סימון בלייזר על פלסטיק

ניגודיות משופרת, פירוט קצוות קו ומהירות

הדור החדש ביותר של "תוספים חכמים" לסימון בלייזר המשולבים בפולימרים הוא קפיצת מדרגה טכנולוגית, המאפשרת וחוסכת בעלויות כאחד. ניסוחים מתקדמים אלה של מדעי החומרים משיגים ניגודיות סימון, פירוט קצוות קו ומהירות חסרי תקדים על פלסטיק שסימונו בלייזר היה קשה באופן מסורתי, אם לא בלתי אפשרי. הניסוחים מיועדים לתגובות פני שטח כימיות תרמיות, והם אידיאליים ללייזרי סיב, YAG ו-Vanadate הפועלים באורך גל של 1060 עד 1070 ננומטר (טווח אינפרא-אדום קרוב).

פולימרים שניתן לסמן בלייזר הם אלה הבולעים אור לייזר וממירים אותו מאנרגיית אור לאנרגיה תרמית. מכיוון שלרוב הפולימרים אין תכונות בליעה ב-1060 עד 1070 ננומטר, 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, בסוג לייזר שונה (סיב, YAG, Vanadate) ובאופטיקה/פרמטרי הגדרה שונים של הלייזר, בהתאם לניגודיות הסימון ולפונקציונליות הרצויות.

איור 1 מציג "ניגודיות סימון כהה" על פוליאתילן (משמאל), "ניגודיות סימון לבנה" על ניילון (במרכז) וצבע מותאם זהוב-צהוב על ABS (מימין). הוא מדגים גם שלושה מנגנוני תגובה ייחודיים של פני השטח. ראשית, תהליך הפיחום מתרחש כאשר האנרגיה הנבלעת 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 של הסימון תלויה באנרגיה הנבלעת, וכן במסלול הפירוק התרמי הייחודי של החומר. כשמשלבים אותם במטריצת הצבען של השרף, תוספים המניבים ניגודיות סימון כהה מכילים לרוב תערובות של תחמוצת בדיל מסוממת באנטימון, אנטימון טריאוקסיד או חלקיקי אלומיניום. כולם מתפזרים בקלות בפולימרים. רמות ריכוז טעינה אופייניות במשקל הן 0.01% עד 3.0%. רבים מהניסוחים הסופיים קיבלו אישור FDA לשימוש בתנאים A-H של 21 CFR 178.3297 – צבען לפולימרים.

תגובת פני שטח שנייה היא שינוי כימי, באמצעות תוספים המשחררים קיטור בעת הפירוק, וגורמים לקצף בפולימר. במהלך תהליך ההקצפה אנרגיית הלייזר נבלעת בתוסף הנמצא בקרבת חומר ההקצפה. החום מהחומר הבולע גורם לחומר ההקצפה להתפרק ולשחרר קיטור. דוגמאות לחומרי הקצפה הן אלומיניום הידרוקסיד או קרבונטים שונים. כדי למנוע פיחום, המנגנון מחייב שהפולימר יתפרק בטמפרטורה גבוהה מזו של תוסף ההקצפה. באמצעות בקרה הדוקה על פרמטרי הפעולה של הלייזר ניתן ליצור סימונים בהירים איכותיים ועמידים על מצעים כהים. בקרת לייזר לקויה עלולה ליצור סימון פריך או בניגודיות נמוכה, שקל לשרוט אותו (עמידות ירודה).

שלישית, אנרגיית הלייזר משמשת לחימום/פירוק של צבען אחד בתערובת צבענים, ובכך לגרום לשינוי צבע. דוגמה לכך היא תערובת של פחמן שחור וצבען אנאורגני יציב. בעת החימום הפחמן השחור מוסר והצבען האנאורגני נשאר. מערכות צבענים מעורבים אלה תלויות ביציבות הספציפית של הצבענים, ולא כל שינויי הצבע אפשריים.

ניסוחי לייזר אינם יכולים להיות רעילים או לפגוע במראה המוצרים, בתכונותיהם הפיזיקליות או בתכונותיהם התפקודיות. עליהם לבלוע די אנרגיית לייזר כדי להעלות את הטמפרטורה המקומית של הפולימר לרמה גבוהה דיה להשגת פיחום או הקצפה של הפולימר, וכך ליצור את הסימון. טמפרטורה זו משתנה בין פולימרים שונים, אפילו בתוך אותה משפחת פולימרים.

עיקרי הדברים

• אין תוסף אוניברסלי. בניגוד לדעה הרווחת, יש להתאים את הכימיה לפולימר, לצבע וללייזר.
• שלושה מנגנונים, פיחום, הקצפה ושינוי צבע של צבען, מכסים סימונים כהים, לבנים ובצבע מותאם.
• הטעינה נמוכה, בדרך כלל 0.01% עד 3.0% במשקל, כשרבים מהניסוחים מאושרי FDA לפי 21 CFR 178.3297.
• שיפורי מהירות של 15% ומעלה מושגים בתוספים בריכוזים נמוכים של 0.01% עד 2.0%.
• טמפרטורת הפירוק התרמי מנבאת את יכולת הסימון. שתי דרגות HDPE יכולות להיסמן באופן שונה מאוד בשל סיבה זו בלבד.

שאלות נפוצות

האם יש תוסף לייזר יחיד הפותר את כל בעיות הסימון?

לא. בניגוד לדעה הרווחת, אין תוסף אוניברסלי. נדרשות כימיות ניסוח שונות בתכלית, סוגי לייזר שונים, סיב, YAG או Vanadate, ואופטיקה ופרמטרי הגדרה שונים, בהתאם לניגודיות ולפונקציונליות הרצויות.

כיצד תוספים מפיקים סימונים לבנים על פלסטיק כהה?

באמצעות הקצפה. תוסף משחרר קיטור בעת הפירוק, ואנרגיית הלייזר נבלעת בחומר בולע הסמוך לחומר ההקצפה. אלומיניום הידרוקסיד וקרבונטים שונים הם חומרי הקצפה אופייניים. הפולימר חייב להתפרק בטמפרטורה גבוהה מזו של תוסף ההקצפה, אחרת יתרחש פיחום במקום זאת.

מדוע שתי דרגות של אותו פולימר מסומנות באופן שונה?

טמפרטורות פירוק תרמי שונות. ניתוח תרמוגרבימטרי של שתי דגימות HDPE מראה תחילת פירוק שונה באופן מדיד, והפולימר בעל הטמפרטורה הגבוהה יותר דורש יותר אנרגיית לייזר, סימון איטי יותר או יותר תוסף בולע כדי להגיע לאותו מראה סימון.

עד כמה סימון מהיר יותר עם תוספים מותאמים?

שיפורים מובהקים סטטיסטית של 15% ומעלה לעומת ניסוחים שאינם מותאמים, המושגים בריכוזים נמוכים של כ-0.01% עד 2.0%. סימון "בתנועה" (on-the-fly) לקידום מכירות מתחת לסגר על סגרי משקאות ללא מרווח פועל במהירויות של עד 1,500 סגרים בדקה.

מה גורם לסימון בהיר להישרט בקלות?

בקרת לייזר לקויה במהלך ההקצפה. ללא בקרה הדוקה על הפרמטרים התוצאה היא סימון פריך או בניגודיות נמוכה בעל עמידות ירודה, ולא הסימון הבהיר האיכותי והעמיד שהמנגנון יכול להפיק.

השגת מהירויות סימון גבוהות יותר

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, יכולים להשפיע 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% עד 2.0%.

איור 2 מציג גרף ניתוח תרמוגרבימטרי (TGA) של שני פוליאתילנים בצפיפות גבוהה. 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. תוספים חכמים חוסכים בעלויות ומציגים מהירויות סימון גבוהות ב-15% ויותר לעומת ניסוחי חומר שאינם מותאמים. 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 סגרים בדקה. דוגמאות מוצגות באיור 3.

טכנולוגיית לייזר

ההתקדמות בטכנולוגיית הלייזר הייתה מכרעת לפיתוח המהיר של תוספי לייזר חכמים. טכנולוגיית לייזרי סיב בננו-שניות היא תחום מתפתח ואחת ההתקדמויות המשמעותיות ביותר בלייזרים לסימון, ריתוך וחיתוך. לייזרי סיב שונים באופן מהותי 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 הסיב האופטי 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 MOPA עם אנרגיית פולס של עד 1 mJ וצפיפות הספק גבוהה יכולים לסמן פולימרים רבים שהיו קשים לסימון בעבר, כולל ניילונים, אורתנים ואצטלים.

לא כל לייזרי הסיב, YAG ו-Vanadate מוסטי הקרן שווים. לרכיבי החומרה והתוכנה שיצרן לייזרים משלב במערכותיו יש השפעה משמעותית על ניגודיות הסימון, איכותו ומהירותו. מאפיין עיקרי הוא צפיפות ההספק (W/cm2) 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, up collimator). קצב חזרת הפולסים וצפיפות הספק השיא הם פרמטרים קריטיים ביצירת הסימון ובהשגת ניגודיות ומהירות אופטימליות. 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.

סיכום

הדור החדש ביותר של "תוספים חכמים" לסימון בלייזר המשולבים בפולימרים מניב ניגודיות סימון, פירוט קצוות קו ומהירות חסרי תקדים. 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 וקלים לשימוש, וללא השפעות מזיקות על התכונות הפיזיקליות והכימיות של הפולימר.

מקורות

• Engelhard Corporation Mark-it™ Laser Marking Pigment Technical Bulletin 2002, with technical content contributions from The Sabreen Group Inc.
• 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, & Carl Baasel Lasertechnik GmbH, "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.

---