סימון בלייזר על Nylon (פוליאמיד) עם לייזר סיבים

כיצד לסמן ולחרוט בלייזר פלסטיק Nylon (פוליאמיד) באמצעות לייזרי סיבים

תקציר

משתמשי לייזר סיבים מתקשים לסמן או לחרוט Nylon. המפתח להשגת ניגודיות סימון באיכות גבוהה הוא שילוב תוספים מגבירי לייזר בחומר ה-Nylon במהלך תהליך העיצוב בתבנית, בין אם באמצעות רכז צבע ובין אם באמצעות חומרים מעורבבים מראש. יתרונות הסימון בלייזר על Nylon חוללו שינוי בענפים רבים, ובהם ענף כלי הנשק, בכך שאפשרו זיהוי ייחודי של חלקים, קודי Data Matrix ו-QR והתאמה אישית.

עיקרי הדברים

• Nylon שאינו מותאם מניב סימון באיכות ירודה. פוליאמיד סופג מעט אנרגיה בתחום 1060–1070 nm, ולכן הניגודיות תלויה בתוספי לייזר.
• צמדי הניגודיות הטובים ביותר הם לבן אטום על שחור, שחור עמוק על לבן, ולבן אטום על כחול בינוני.
• לייזרי סיבים מבוססי איטרביום מסוג MOPA הם הכלי הנכון; רוחבי פולס נמוכים מכ-90 ns מתאימים לפלסטיק.
• ריכוז הטעינה נע בין 0.01% ל-3.0% במשקל, ופיזור אחיד לאורך כל החלק הוא שהופך את הניגודיות לברת-שחזור.
• Nylon ממולא בסיבי זכוכית קשה עוד יותר לסימון — פני שטח עתירי סיבים נסמנים בצורה ירודה, ולכן נדרשים פני שטח עתירי שרף.

לפלסטיק Nylon יש מגוון רחב של יישומים, ובהם כלי נשק, רכב, חשמל ואלקטרוניקה, תעשייה, מוצרי צריכה ונפט וגז. עם זאת, התכונות הפיזיקליות, הכימיות ותכונות פני השטח המשתנות של Nylon (פוליאמיד), ובייחוד של סוגי Nylon ממולאים בסיבי זכוכית, הופכות את הסימון והחריטה בלייזר לאתגר. צבעי הניגודיות הנפוצים ביותר הם לבן אטום על שחור, שחור עמוק על לבן ולבן אטום על כחול בינוני. כאשר תוספי לייזר משולבים עם הפיגמנטים והצבענים המתאימים, הם מניבים איכות סימון מעולה בעלות נמוכה. תוספי לייזר משמשים במגוון סוגי פלסטיק, ובהם ABS, אצטל, PET, PVC, פוליקרבונט, פוליפרופילן ופוליאתילן.

פוליאמידים מסוג Nylon

פוליאמידים, המוכרים גם בשם Nylon, הם משפחה בולטת של תרמופלסטיים המשמשים ביישומים בעלי ביצועים גבוהים. הם מורכבים מקשרי אמיד, ובפירוט –CO-NH–. Nylon מיוצר בתהליך של פוליקונדנסציה, שבו דיאמין מגיב עם חומצה דו-קרבוקסילית, או בפילמור פתיחת טבעת של לקטמים המכילים שישה, אחד עשר או שנים עשר אטומי פחמן. המונומרים של Nylon יכולים להיות אליפטיים, חצי-ארומטיים או ארומטיים (ארמידים), ומבנם נע בין אמורפי לחצי-גבישי, בדרגות גבישיות גבוהות או נמוכות יותר. שני הפוליאמידים העיקריים הם פולי(הקסמתילן אדיפאמיד) (Nylon 6,6) ופוליקפרולקטם (Nylon 6). בין הפוליאמידים האליפטיים נמנים Nylon 12, 69, 6-10, 6-12, 46 ו-1212. הפלסטיק ההנדסי מבוסס-הביו המוכר בשם Nylon 11 מופק ממקורות מתחדשים, ובפרט מצמח הקיק.

מנגנוני פני השטח בסימון בלייזר

פלסטיק הניתן לסימון בלייזר מאופיין ביכולתו לספוג אור לייזר ולהמיר אותו לאנרגיה תרמית בתחום האינפרה-אדום הקרוב (NIR), באורכי גל שבין 1060nm ל-1070nm. שלושה סוגי לייזר נפוצים הם לייזר סיבים מבוסס איטרביום (MOPA ופולס קבוע), ונדאט (Nd:YVO4) ו-Nd:YAG. בהתאם לסוג הלייזר ולניגודיות הסימון הרצויה, ניתן להשתמש במגוון כימיות כדי לחולל תגובות פני שטח כגון פיחום וחריכה, הקצפה בעקבות שינוי כימי ושינוי צבע. אותו לייזר עצמו יכול לבצע את כל תגובות פני השטח באמצעות שינוי ההגדרות בתוכנת הסימון (הספק, קצב חזרת הפולסים ומהירות הסימון). ללייזרי CO2 בגל רציף (CW) יש אורך גל של 10.6 מיקרון (תחום האינפרה-אדום הרחוק). ללייזרי CO2 בגל רציף הספק שיא נמוך יותר, והם אינם מסוגלים להפיק סימונים בניגודיות גבוהה על פלסטיק.

תוספי לייזר

מאחר שלרוב הפולימרים תכונות ספיגה מוגבלות באורך גל זה (NIR) והם אינם מסוגלים להפיק ניגודיות ניכרת, מומחים משתמשים במגוון תוספים, חומרי מילוי, פיגמנטים וצבענים כדי להגביר את הספיגה ולהשיג ניגודיות באיכות גבוהה. התוספים מגדילים את מידת ניגודיות הצבע (ספיגת אור הלייזר), והדבר מתחזק עוד יותר באמצעות בחירת לייזר ופרמטרי סימון אופטימליים. בניגוד לדעה הרווחת, אין תוסף אוניברסלי אחד.

חלק מהתוספים מכילים תערובות של תחמוצת בדיל מסוממת באנטימון ותלת-תחמוצת אנטימון, שעלולות לגרום לאטימות המצע הטבעי (הלא-צבוע) להיראות "אפרפרה". תוספים אחרים עשויים להכיל חלקיקי אלומיניום, תחמוצות מתכת מעורבות או תרכובות קנייניות. התאמות הצבע נעשות באמצעות פיגמנטים וצבענים כדי להשיג את מראה התאמת הצבע הרצוי. תוספים מסוימים אושרו על ידי ה-FDA לשימוש במגע עם מזון ובאריזות מזון בתנאים A-H של 21 CFR 178.3297, Colorants for Polymers.

תרכובות של תוספי לייזר זמינות בצורת גרגירים (גרנולט) ובצורת אבקה. מוצרי הגרנולט מעורבבים ישירות עם שרף הפולימר, ואילו צורות האבקה מומרות למאסטרבאץ'. רמת ריכוז הטעינה במשקל (בחלק הסופי) נעה בדרך כלל בין 0.01% ל-3.0%. כדי להשיג את ניגודיות הצבע הטובה ביותר, תוספי הלייזר חייבים להיות מפוזרים באופן אחיד בכל חלק וחלק.

לייזרי סיבים

לייזרי סיבים מבוססי איטרביום בתחום הננו-שנייה (MOPA ופולס קבוע) הם אידיאליים לסימון, לחריטה ולצריבה של פלסטיק, הודות לאיכות האלומה המעולה שלהם (M2) ולבהירות ("עוצמת קרינה") הגבוהה. הם מסוגלים להתמקד לגודל נקודה קטן (פחות מ-20 מיקרון), ומכאן צפיפות אנרגיה גבוהה. יתרון משמעותי אחד בשימוש בלייזרי MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) הוא היכולת לכוונן במדויק את רוחב הפולס. רוחב פולס נמוך, בדרך כלל פחות מ-90 ננו-שניות, אידיאלי לסימון חומרי פלסטיק.

עוצמת הקרינה של הלייזר (W/cm2) והפלואנס (J/cm2) הם פרמטרים חשובים בסימון פלסטיק. העוצמה מושפעת מתדירות הפולסים, מהספק הלייזר, מגודל נקודת המיקוד ומרוחב הפולס. הפלואנס מושפע מעוצמת האלומה, ממהירות הסריקה, מחפיפת הפולסים ומקוטר אלומת המיקוד. קצב חזרת הפולסים וצפיפות הספק השיא הם פרמטרים קריטיים ביצירת הסימון ובהשגת הניגודיות והמהירות האופטימליות. הספק שיא גבוה בתדר נמוך מעלה במהירות את טמפרטורת פני השטח ומאדה את החומר, תוך הולכת חום מזערית אל תוך המצע. ככל שקצב חזרת הפולסים עולה, הספק שיא נמוך יותר מייצר אידוי מזערי אך מוליך יותר חום. העקומות האריתמטיות של ההספק אל מול קצב חזרת הפולסים הן ביחס הפוך.

שאלות נפוצות

מדוע לייזר הסיבים שלי אינו מסמן Nylon בבירור?

לפוליאמיד יש ספיגה מוגבלת בפס האינפרה-אדום הקרוב שבו פועלים לייזרי סיבים מבוססי איטרביום, ולכן רוב האנרגיה אינה מומרת לתגובה התרמית שיוצרת את הסימון. הפתרון הוא תוסף מגביר לייזר המעורבב אל תוך החומר, ולא הגדלת הספק הלייזר.

אילו תוספים משמשים לסימון בלייזר על Nylon?

תערובות של תחמוצת בדיל מסוממת באנטימון ותלת-תחמוצת אנטימון הן נפוצות, אף שהן עלולות להקנות למצעים לא-צבועים גוון אפרפר. אחרים משתמשים בחלקיקי אלומיניום, בתחמוצות מתכת מעורבות או בתרכובות קנייניות, בתוספת פיגמנטים וצבענים להשגת התאמת הצבע הסופית.

האם ניתן להשתמש ב-Nylon מסומן בלייזר בחלקים הבאים במגע עם מזון?

כן, בתנאי שנעשה שימוש בתוסף המתאים. תוספים מסוימים מאושרים על ידי ה-FDA למגע עם מזון ולאריזות מזון בתנאים A–H של 21 CFR 178.3297, Colorants for Polymers. ודאו שהאישור חל על הדרגה ועל רמת הטעינה שבהן אתם משתמשים.

באיזה רוחב פולס יש להשתמש על Nylon?

פולסים קצרים. בלייזר MOPA, רוחבים של פחות מכ-90 ננו-שניות מתאימים לפלסטיק ומספקים הספק שיא גבוה, שמעלה במהירות את טמפרטורת פני השטח תוך הולכת חום מזערית אל תוך המצע.

מדוע Nylon ממולא בסיבי זכוכית קשה יותר לסימון מאשר Nylon ללא מילוי?

סיבי זכוכית אינם סופגים אינפרה-אדום קרוב והם מפזרים את האלומה, ולכן פני שטח עתירי סיבים נסמנים בצורה חלשה ולא עקבית. יש לכוונן את תהליך העיצוב בתבנית כך שייווצרו פני שטח עתירי שרף. ראו הופעת סיבי זכוכית וסימון בלייזר.

Scott R. Sabreen הוא מייסד ונשיא The Sabreen Group, Inc., חברת הנדסה המתמחה בתהליכי עיבוד משני של פלסטיק — טיפולים מקדימים בפני השטח, הדבקה, עיטור וגימור, סימון בלייזר ואבטחת מוצר. הוא מפתח טכנולוגיות חדשות ופותר בעיות ייצור למעלה מ-30 שנה. ניתן ליצור קשר עם Sabreen בטלפון 972.820.6777 או באמצעות האתרים www.sabreen.com ו-www.adhesionbonding.com.

---