ריתוך פלסטיק בלייזר וחיבור פולימרים

פתרונות מלאים לריתוך בלייזר ולחיבור פולימרים

ריתוך בלייזר לחיבור תרמופלסטים ניתן לביצוע בשתי שיטות חימום שונות: חימום פני השטח וחימום בהעברה דרך החומר. חימום בהעברה מכונה לעתים "Through Transmission Laser Welding" (TTLW) או "Through Transmission Infrared Welding" (TTIr). ריתוך בלייזר הוא אחד התהליכים הטובים ביותר להשגת ריתוכים אטומים הרמטית ואטומים לגז. חימום פני השטח מושג באמצעות הרחבת קרן הלייזר וחימום בו זמנית של פני השטח של שני החלקים בעזרת מראות. כמו כן ניתן להשתמש בקרן לייזר קווית או בנקודת לייזר עם מראה סורקת כדי לסרוק ולחמם במהירות את פני השטח של החלקים.

בחימום לייזר בהעברה דרך החומר, חלק אחד שקוף ללייזר ואילו בחלק השני משולב תוסף, כגון פחמן שחור (carbon black), הבולע את קרינת הלייזר וממיר אותה לחום. חומרים בעלי שיעורי בליעה גבוהים אידיאליים עבור החלק התחתון בריתוך לייזר בהעברה, מאחר שהם בולעים את מרבית האנרגיה בממשק הריתוך ויוצרים שכבת פני שטח דקה ומחוממת, אידיאלית לריתוך. חלק מסוגי הפלסטיק והסרטים השקופים אופטית ניתנים לריתוך באורכי גל ארוכים יותר, בטווח שבין 1500nm לכ-2000nm (2 מיקרון), המפיקים חימום נפחי.

מידע נוסף על בחירת פחמן שחור לריתוך בלייזר

בחירת פחמן שחור

לריתוך ולחיבור מוצלחים בלייזר בהעברה דרך החומר

ריתוך בלייזר משמש במגוון רחב של יישומים לחיבור תרמופלסטים, מכיוון שהוא שיטת חימום ללא מגע בעלת זמני מחזור קצרים ועלות נמוכה יותר. הן בחימום פני השטח והן בחימום בהעברה דרך החומר, פחמן שחור הוא חומר הצבע הנפוץ ביותר. נמצא כי סוגי פחמן שחור בעלי צבירת חלקיקים ופיזור נמוכים היו היעילים ביותר לחימום בלייזר.

ניסויים בסריקה בקרן לייזר קווית הראו כי הטיה קלה של ראש הלייזר עשויה להפיק חימום שונה בתנועה קדימה לעומת תנועה אחורה. בחיבור פולימרים שונים זה מזה נמצא כי מרקום פני השטח הגדיל את שטח מישק ההידבקות ואת מידת השילוב המכני, וכתוצאה מכך התקבלו חיבורים איכותיים יותר.

שירותי ריתוך פלסטיק בלייזר — פתרונות SABREEN

הידע המקצועי של SABREEN מבטיח מצוינות בריתוך פלסטיק בלייזר. למעלה מ-40 שנות ניסיון בתחומי תוספי לייזר, פולימרים וחומרי צבע, מקורות לייזר, תכנון מערכות, ייצור ושילוב, עמידה בדרישות רגולטוריות ותהליכי הזרקת פלסטיק.

• פורמולציות ותרכובות מותאמות אישית להתאמת צבע ללייזר, עמידה בדרישות רגולטוריות, דגימות אב טיפוס — מאסטרבאץ', חומרים מוכנים מראש (pre-color) ולמינטים ללייזר.
• אופטימיזציה של מקור הלייזר, תכונות מוליך הגל, האופטיקה והולכת הקרן, בהתאמה למטריצת הפולימר וחומר הצבע. אורך גל NIR של 1060-1080nm בסיב Ytterbium, Vanadate, ירוק 532nm בהכפלת תדר או UV 355nm.
• תכנון מערכות ציוד לייזר, שילוב מערכות מלא (turnkey) והדרכה, ראייה ממוחשבת, ממשק HMI מותאם אישית ותיעוד תהליכים.
• פתרון בעיות באתר הלקוח (בכל מקום בעולם), ניתוח תהליכי לייזר ואופטימיזציה של המערכת, עיצוב וקטורי מותאם אישית.
• הסמכת בטיחות לייזר, יישום מלא הכולל תכנון ומארז CDRH Class 1, קצין בטיחות לייזר (LSO) לביקורות פנימיות.
• הזרקת פלסטיק וניתוח אנליטי, ניתוח זרימה בתבנית, פיזור והתפלגות של תוספים וחומרי צבע.

פתרונות מלאים

מדע חומרים של פולימרים וחומרי צבע, הזרקה, טכנולוגיית לייזר, שילוב מערכות והדרכה. הפורמולציות הייחודיות מפותחות כך שיכסו קשת רחבה של טכנולוגיות לייזר. מגוון מקורות הלייזר שלנו מאפשר ללקוחותינו גם לסמן ולחרוט מתכות, כפי שנדרש לא אחת.

תוספי לייזר

תוספים פורצי דרך מפיקים ניגודיות בשחור עמוק, בגוונים בהירים ובצבעים מותאמים אישית. התוספים מעורבבים עם הפולימרים במהלך פעולות ההזרקה כמאסטרבאץ' תרכיז צבע או כחומרים מוכנים מראש. מינון נמוך אינו משפיע על תכונות הפולימר. קיימות גרסאות מאושרות FDA/EFSA.

טכנולוגיה פורצת דרך חדשה

תוסף חדש בפורמולציה אחת מפיק בו זמנית ניגודיות סימון בלייזר בשחור עמוק ובלבן אטום. טכנולוגיה אידיאלית להחלפת תוויות והדפסת דיו על בקבוקים מנופחים ועל מוצרים מוזרקים.

ידית פנים לרכב

תג חכם עטור פרסים לעובדים, RFID.

פתח תדלוק ללא מכסה לרכב

צנרת רפואית העומדת בדרישות FDA להליכים כירורגיים פולשניים. סימון בלייזר תוך כדי תנועה מחליף הדפסת דיו.

ניגודיות סימון בלייזר בשחור עמוק. התוסף החדש עומד בדרישות FDA. אינו מכיל את המתכת הכבדה תחמוצת בדיל-אנטימון או תלת-תחמוצת אנטימון. אידיאלי לבעלי חיים.

סימון בלייזר תוך כדי תנועה של פקקי משקאות ללא אטם. תוסף העומד בדרישות FDA. מהירות סימון של 2,000 פקקים לדקה. HDPE, PE, Polypropylene ועוד.

מזרקים רפואיים מפוליאולפין, תוסף לייזר מאושר FDA, מחליף הדפסת פד

סימון בלייזר יום/לילה, ציפויים על בסיס מים

תגובות פני השטח בסימון בלייזר

תוספי לייזר מיוחדים המשולבים בכרטיסי תמונה וזיהוי לאבטחת מוצרים

פריצת דרך בתוספי לייזר

המצאה של SABREEN

מונחון סימון בלייזר

"סימון בלייזר" על פלסטיק הוא תהליך דיגיטלי ללא מגע, שבו מוטבע מידע בלתי מחיק על פני מצע היעד תוך חדירה מינימלית לחומר. המידע מופיע בדרך כלל בצורת טקסט אלפאנומרי, סמלים, גרפיקה, לוגואים, סכמות, ברקודים, קודי ראייה ממוחשבת וכדומה. לייזרי סיב Ytterbium עם הטיית קרן (וקודמיהם, לייזרי Nd:YAG בשאיבת מנורת קשת ובשאיבת דיודות) הפועלים ב-1060-1080nm (אינפרא-אדום קרוב) בעלי תכונות מוליך גל אידיאליות המתאימות לאורך גל הפליטה ולביצועי ההספק שלהם (הספק שיא והספק ממוצע). אופטיקה נעה (flying optics) היא שיטה חלופית לסימון חלקים. גוונים נבחרים של חומרים פולימריים מסוימים ניתנים לסימון גם באורכי גל קצרים יותר, 532nm (בהכפלת תדר) ו-UV 355nm.

המנגנון הבסיסי של סימון בלייזר עם הטיית קרן, באורך גל של 1060-1080nm, הוא הקרנת הפולימר במקור קרינה עתיר אנרגיה. אנרגיית הקרינה נבלעת מקומית בחומר ומומרת לאנרגיה תרמית. האנרגיה התרמית, בתורה, מחוללת תגובות במצע החומר. באזור אורכי הגל של IR קרוב אפשריים כמה סוגי תגובות, ובהם פיחום, אבלציה ושינוי כימי. בהתאם לתוצאות ניגודיות הסימון הרצויות, ניתן לבחור כימיות שונות מאוד ופרמטרים שונים של מערכת הלייזר כדי להשיג את סוג התגובה המועדף.

תגובת קרבוניזציה או פיחום מתרחשת כאשר האנרגיה הנבלעת מעלה את הטמפרטורה המקומית של החומר סביב אתר הבליעה לרמה גבוהה דיה כדי לגרום להתפרקות תרמית של הפולימר. בנוכחות חמצן הדבר גורם לשריפת הפולימר, אך בתוך גוף החלק אספקת החמצן המוגבלת גורמת לפיחום הפולימר ולהיווצרות סימון שחור. כהות הסימון תלויה באנרגיה הנבלעת וכן במסלול ההתפרקות התרמית של החומר.

דוגמה — כיסויי מקשים למקלדת מחשב מ-ABS

צריבה בלייזר של פלסטיק (המכונה גם "אבלציה") היא תהליך דיגיטלי ללא מגע שבו קרן לייזר מסירה חומר מפני המצע באמצעות אידוי או התכה, תוך חדירה מינימלית. עומק הצריבה בלייזר אינו עולה בדרך כלל על 0.001 אינץ'.

דוגמה — לחצני רכב יום/לילה

יישום תהליך היום/לילה נועד להסיר שכבות חומר כדי לחשוף שכבת צבע מסוימת. הדוגמה מציגה ציפוי בסיס לבן שמעליו ציפוי שחור בשכבה אחת או יותר. פולימר הבסיס הוא בדרך כלל Polycarbonate שקוף או ABS, שניהם פולימרים אמורפיים המעבירים תאורה אחורית ממקורות LED. סימונים עמוקים יותר לתוך המצע ייחשבו "חריטה" בחומר ולא צריבה של פני השטח בלבד.

לחצני רכב "יום/לילה" עם תאורה אחורית — צביעה ואבלציה בלייזר

חריטה בלייזר היא תהליך עמוק יותר מצריבה בלייזר ומסימון בלייזר. לייזרי CO2 בגל רציף (CW) הפועלים באורך גל של 10.6 מיקרומטר משמשים בדרך כלל לחריטה ישירה וחסרת צבע של פולימרים. יישום חריטה נוסף הוא חריטה רב-שכבתית של שכבות צבע נבחרות (צבע ליבה וצבע פני השטח), למשל תגי שם, תוויות ושילוט.

צפיפות ההספק היא פונקציה של גודל נקודת הלייזר הממוקדת (הספק לייזר ליחידת שטח, watts/cm2). זהו נתון שונה מהספק המוצא הגולמי של הלייזר. גודל נקודת הלייזר הממוקדת, עבור כל עדשה באורך מוקד נתון ואורך גל נתון, הוא פונקציה של התבדרות קרן הלייזר, הנשלטת על ידי תצורת הלייזר, גודל צמצם בחירת האופן והגדלת מרחיב הקרן (upcollimator).

קצב חזרת הפולסים (באמצעות Q-switch אקוסטו-אופטי) וצפיפות הספק השיא הם פרמטרים קריטיים ליצירת הסימון ולהשגת הניגודיות והמהירות האופטימליות. הספק שיא גבוה בתדר נמוך מעלה במהירות את טמפרטורת פני השטח, מאדה את החומר תוך הולכת חום מינימלית אל תוך המצע. ככל שקצב חזרת הפולסים עולה, הספק שיא נמוך יותר מפיק אידוי מינימלי אך יוצר יותר חום. מהירות הקרן (מהירות תנועת קרן הלייזר על פני שטח העבודה) היא אף היא גורם קריטי.

תוספי לייזר משפרים את מידת הניגודיות, וניתן להעצים אותה עוד באמצעות שינוי פרמטרי ההגדרה של הלייזר. לפולימרים תכונות מובנות המפיקות ניגודיות סימון "כהה" או "בהירה". תרכובות צבע מסוימות המכילות כמויות נמוכות של דו-תחמוצת טיטניום (TiO2) ופחמן שחור עשויות אף הן לבלוע אור לייזר ולשפר במקרים מסוימים את ניגודיות הסימון. כל דרגת פולימר, גם בתוך אותה משפחה פולימרית, עשויה להניב תוצאות שונות. פורמולציות התוספים אינן יכולות להיות רעילות או לפגוע במראה המוצר ובתכונותיו הפיזיקליות או התפקודיות.

בהשוואה לתהליכי הדפסת דיו (הדפסת פד ומשי והזרקת דיו), תוספי הלייזר חוסכים בעלויות ומדגימים מהירויות סימון גבוהות ב-15 אחוזים (או יותר) לעומת פורמולציות חומר שאינן מותאמות. תוספי לייזר מסופקים בצורת גרנולות ובצורת אבקה. מוצרי גרנולה ניתנים לערבוב ישיר עם שרף הפולימר, ואילו צורות האבקה מומרות למאסטרבאץ'. מרביתם מתפזרים בקלות רבה בפולימרים. בהתאם לתוסף ולפולימר, רמת ריכוז ההטענה לפי משקל (בחלק הסופי) נעה בין 0.01 אחוז ל-4.0 אחוזים.

הן צורת הגרנולה והן צורת האבקה ניתנות לערבוב לתוך חומר צבע מוכן מראש או לתוך תרכיז צבע. בחירת התוסף שיש לשלב תלויה בהרכב הפולימר, בצבע המצע, בצבע ניגודיות הסימון הרצוי ובדרישות ההסמכה לשימוש הסופי. תוספים מסוימים מכילים תערובות של תחמוצת בדיל מסופחת אנטימון ותלת-תחמוצת אנטימון, העשויות להקנות גוון "אפרפר" לאטימות המצע הטבעי (הבלתי צבוע). תוספים אחרים עשויים להכיל חלקיקי אלומיניום, תחמוצות מתכת מעורבות ותרכובות קנייניות. התאמות הצבע מבוצעות באמצעות פיגמנטים וצבענים כדי להשיג את מראה התאמת הצבע הסופי.

כפי שהם מסופקים מסחרית, תוספים מסוימים (המשמשים גם לריתוך בלייזר) קיבלו אישור FDA למגע עם מזון ולשימוש באריזות מזון בתנאים A-H של 21 CFR 178.3297 Colorant for Polymers. באיחוד האירופי קיימות הצהרות תאימות דומות. תנאי ההסמכה ספציפיים לסוג הפולימר, לסף רמת ההטענה ולמגע ישיר או עקיף. הסמכה נוספת של תוספים מאושרי FDA המעורבבים לתוך "חלק סופי" יכולה להשיג תאימות ביולוגית של מכשירים רפואיים (ראו התקן הבינלאומי ISO-10993).

השגת מהירויות סימון גבוהות יותר

הזמן הנדרש לסימון חלק הוא פונקציה של המצע הפולימרי, מספר קווי הווקטור המשורטטים ומהירות שרטוטם של כל הקווים על ידי קרן הלייזר וראש הסריקה הגלוונומטרי. גם תוכנת הלייזר וסוג מילוי הווקטור — חד-כיווני, דו-כיווני או נחשי — משפיעים על זמן הסימון.

מחקרים עצמאיים חדשים מראים כי ניתן להשיג מהירויות סימון גבוהות יותר במידה מובהקת סטטיסטית באמצעות שילוב פורמולציות של תוספי לייזר בריכוזים נמוכים מאוד, בדרך כלל 0.01% עד 2.0%.

האיור המצורף מציג גרף אנליזה תרמוגרווימטרית (TGA) עבור שני סוגי פוליאתילן בצפיפות גבוהה. שני הפולימרים מציגים טמפרטורות שונות של התפרקות תרמית — התהליך היוצר את סימון הלייזר. הפולימר בעל טמפרטורת ההתפרקות הגבוהה יותר ידרוש יותר אנרגיית לייזר, מהירויות סימון נמוכות יותר או תוספים בולעניים יותר כדי להשיג מראה סימון זהה.

אנליזה תרמוגרווימטרית (TGA) מטמפרטורת הסביבה ועד 1000°C של שתי דגימות HDPE, המציגה הבדלים בטמפרטורות ההתפרקות התרמית. HDPE B ייסמן בקלות ובמהירות רבה יותר מאשר HDPE A.

פעולות ההזרקה הראשוניות

לאחר השלמת שלב מדע החומרים "המותאם ללייזר" (הכולל קביעת הניגודיות האופטימלית, גוון הכרומה ופרמטרי ההגדרה של הלייזר), השלב הבא הוא ביצוע ניסוי הזרקה בתבנית הייצור עצמה וביחס דילול נכון. שלב זה קריטי להבטחת פיזור והתפלגות אחידים של מטריצת הצבע המותאמת ללייזר. לאחר ההזרקה, חלקי המוצר עצמם מסומנים בלייזר כדי לאמת את התוצאות המקוריות.

טכניקה אחת היא לתכנת את הלייזר עם הטיית הקרן כך שיסמן (יסרוק) ברציפות את כל פני המוצר. האיור המצורף (משמאל לימין) מציג עט כתיבה מיוצר בהזרקה: סימון בלייזר בכרומה זהב על שחור (משמאל), שתי התמונות האמצעיות מציגות התפלגות כרומה ירודה, והתמונה הימנית ביותר מציגה התפלגות אחידה ומצוינת.

שיקולי עיבוד

בשלב הטענת תוסף הלייזר וכימיית התאמת הצבע, לא נדיר שמוצר מוגמר יכיל פחות תוסף לייזר מהכמות המחושבת. בעיה זו קשורה כמעט תמיד להתפלגות לא אחידה במהלך האקסטרוזיה או ההזרקה. התאמות פשוטות במכונת ההזרקה, כגון הגדלת לחץ הנגד ומהירות סיבוב הבורג, יפתרו את מרבית הבעיות. התפלגות ופיזור הומוגניים של תוספי הלייזר בכל חלק וחלק הם קריטיים להשגת ביצועי סימון אופטימליים. בתהליכי אקסטרוזיה, הזרקה ותרמופורמינג, חומרים מוכנים מראש בצבע (precolor) מניבים אחידות טובה יותר מתרכיז צבע. יש להימנע מערבוב ידני. זרימת החומר בתבנית וסוג השער ומיקומו הם גורמים חשובים.

לא כל הלייזרים נולדו שווים! רכיבי החומרה והתוכנה שיצרן הלייזר משלב במערכותיו יוצרים הבדלים משמעותיים באיכות הסימון, במהירות ובגמישות. ברכישת מערכות לייזר חשוב לזכור שאין פתרון אוניברסלי אחד. כל יישום ייחודי ביחס להרכב מצע הפלסטיק וצבעו, לאיכות הסימון, למהירות, לנצילות הלייזר, לניגודיות (כהה על בהיר, בהיר על כהה או צבעונית) ולעלות המערכת הכוללת.

אופן איכות הקרן במוצא מתייחס להתפלגות האנרגיה בתוך קרן הלייזר והוא קריטי לביצועי הסימון. יצרנים מספקים לייזרים כרב-אופניים (MM), כ-TEM00 (Transverse Electromagnetic Mode) או בכל מצב שביניהם, ובכלל זה אופן סדר נמוך (LOM). אופני מוצא אלה קשורים לגורמים ובהם התבדרות הקרן והתפלגות ההספק לרוחב קוטר קרן הלייזר. קרן לייזר מסוג TEM00 ניתנת למיקוד לנקודה הקטנה ביותר שהאופטיקה הממקדת מאפשרת, והתפלגות האנרגיה בקרן TEM00 עזה ביותר במרכזה ודועכת באופן אחיד מהמרכז אל הקצוות. מוצא לייזר TEM00 מספק את איכות הקרן הגבוהה ביותר. מוצא לייזר רב-אופני (MM) מספק את איכות הקרן הנמוכה ביותר.

ראו את האיור שלהלן. לייזרים באופן סדר נמוך ובאופן TEM00 מתאימים במיוחד לסימון וקטורי מהיר של תווים אלפאנומריים בקו יחיד, גופני true-type מלאים וגרפיקה מורכבת, בזכות יכולתם להשיג נקודת מיקוד קטנה בצפיפויות הספק גבוהות מאוד, המניבה קו צר מאוד בעל קצוות מוגדרים היטב שניתן לשרטט במהירות. מרבית יישומי הפלסטיק מגיעים לביצועים אופטימליים עם קרני לייזר TEM00 או קרובות ל-TEM00.

צפיפות ההספק היא פונקציה של גודל נקודת הלייזר הממוקדת (הספק לייזר ליחידת שטח, watts/cm2). זהו נתון שונה מהספק המוצא הגולמי של הלייזר. גודל נקודת הלייזר הממוקדת, עבור כל עדשה באורך מוקד נתון ואורך גל נתון, הוא פונקציה של התבדרות קרן הלייזר, הנשלטת על ידי תצורת הלייזר, גודל צמצם בחירת האופן והגדלת מרחיב הקרן (upcollimator). קצב חזרת הפולסים (באמצעות Q-switch אקוסטו-אופטי) וצפיפות הספק השיא הם פרמטרים קריטיים ליצירת הסימון ולהשגת הניגודיות והמהירות האופטימליות.

הספק שיא גבוה בתדר נמוך מעלה במהירות את טמפרטורת פני השטח, מאדה את החומר תוך הולכת חום מינימלית אל תוך המצע. ככל שקצב חזרת הפולסים עולה, הספק שיא נמוך יותר מפיק אידוי מינימלי אך יוצר יותר חום. מהירות הקרן (מהירות תנועת קרן הלייזר על פני שטח העבודה) היא אף היא גורם קריטי.

תוכנת הבקרה של הלייזר חשובה לא פחות מכל רכיב חומרה במערכת הסימון. אלגוריתמי תוכנה מתקדמים מאפשרים מהירות חסרת תקדים. לעתים נתפסים סמני לייזר עם הטיית קרן בטעות כמדפסות שולחניות. למעשה, מדובר בשרטטים. במקום למקם פיקסלים בודדים ליצירת אותיות אלפאנומריות או גרפיקה, הלייזר משרטט קווים, בדומה לכתיבה בעיפרון על נייר. ללא תלות בפורמט קובץ הקלט המקורי ששימש ליצירת אובייקטי הסימון בלייזר, כל סימון מצטמצם בסופו של דבר לצורתו הפשוטה ביותר: רשימת קווי וקטור שראש הסריקה משרטט והלייזר מסמן. פורמטי קלט מורכבים, שמהנדסי תכן נוהגים להשתמש בהם, אינם מניבים בהכרח את הסימון הווקטורי הטוב או המהיר ביותר. מערכות ציוד לסימון בלייזר חייבות להיות בטיחותיות ולעמוד בתקני ANSI Z136.

סמני לייזר Nd:YAG עם הטיית קרן (מקורות אור של מנורת קשת ושל דיודות) משתמשים במראות המותקנות על גלוונומטרים מהירים בשליטת מחשב כדי להוליך את קרן הלייזר על פני השטח המיועד לסימון, בדומה לכתיבה בעיפרון על נייר.

כל גלוונומטר — אחד בציר Y ואחד בציר X — מספק את תנועת הקרן בתוך שדה הסימון. מכלול עדשות שדה שטוח ממקד את אור הלייזר להשגת צפיפות הספק גבוהה על פני המצע. האיור המצורף מציג מערכת אופטית להולכת קרן באמצעות גלוונומטרים בשליטת מחשב.

מהותית, לייזרי סיב שונים מלייזרי סימון אחרים במצב מוצק. בלייזרי סיב, המדיום הפעיל המייצר את קרן הלייזר מפוזר בתוך כבל סיב אופטי ייעודי. בשונה מלייזרים המועברים בסיב, כל מסלול הקרן נמצא בתוך כבל הסיב האופטי עד לאופטיקת הולכת הקרן.

ההתקדמות בטכנולוגיית הלייזר הייתה מכרעת לפיתוח המהיר של הדור החדש ביותר של תוספי לייזר מאושרי FDA. הופעתם של לייזרי סיב Ytterbium ברמת הננו-שנייה היא אחת ההתקדמויות המשמעותיות ביותר לסימון, לריתוך ולחיתוך. מהותית, לייזרי סיב שונים מלייזרי סימון אחרים במצב מוצק. בלייזרי סיב, המדיום הפעיל המייצר את קרן הלייזר מפוזר בתוך כבל סיב אופטי ייעודי. בשונה מלייזרים המועברים בסיב, כל מסלול הקרן נמצא בתוך כבל הסיב האופטי עד לאופטיקת הולכת הקרן.

לייזרי סיב מניבים איכות קרן ובהירות עדיפות בהשוואה ללייזרי Nd:YAG. מדד אחד לאיכות הקרן הוא M2. ככל שערך M2 קטן יותר, כך איכות הקרן טובה יותר, כאשר M2 = 1 מייצג את קרן הלייזר הגאוסית האידיאלית. לייזר בעל איכות קרן עדיפה ניתן למיקוד לנקודה קטנה, המובילה לצפיפות אנרגיה גבוהה. לייזרי סיב בפולס קבוע ובפולס משתנה (MOPA), בעלי אנרגיית פולס של עד 1 mJ וצפיפות הספק גבוהה, מסוגלים לסמן פולימרים רבים שנחשבו בעבר קשים לסימון. גם ללייזרי Vanadate ערך M2 קטן, עם רוחב פולס קצר יותר מזה של לייזרי סיב בפולס קבוע ולייזרי YAG. משך הפולס משפיע על מידת החום והקרבוניזציה בחומר. רוחב פולס קצר יותר עשוי להוות יתרון ביישומים פולימריים רגישים.

חברת IPG Photonics, מפתחת ויצרנית מובילה של לייזרי סיב בעלי ביצועים גבוהים, מציעה הן לייזרים בפולס קבוע (המכונים לעתים "Q-switch") והן לייזרים בפולס קצר משתנה (MOPA). פיתוח היישום הוא ספציפי מאוד. בחירת סוג הלייזר לשילוב נקבעת לפי מאפייני המוצא של הלייזר בתגובתו עם חומר הפולימר המותאם. ראו את הגרפים שלהלן, המייצגים צורות פולס בזמן של לייזרי סיב Ytterbium באורך פולס קבוע ומשתנה (MOPA) — IPG Photonics.

איור 1. צורת פולס בזמן של לייזר IPG באורך פולס קבוע, באורך פולס של 100 ns

בהגדרת לייזר סיב באורך פולס קבוע לצורך סימון, יש לקבוע שני נתוני קלט.

1) קצב חזרת הפולסים (המכונה לעתים קרובות תדר הפולסים)

2) הספק השאיבה באחוזים (100 אחוז מציין את הקלט החשמלי המרבי האפשרי לדיודות השאיבה)

איור 2. צורת פולס בזמן של לייזר IPG MOPA באורך פולס של 4 ns

בהגדרת לייזר סיב MOPA בפולס קצר משתנה לצורך סימון, נקבעים שלושה נתוני קלט.

1) משך הפולס (המכונה לעתים קרובות אורך הפולס)

2) קצב חזרת הפולסים (תדר הפולסים)

3) הספק השאיבה באחוזים (100 אחוז מציין את הקלט החשמלי המרבי האפשרי לדיודות השאיבה)

בשני הגרפים שבעמוד הקודם, השילוב המסוים של נתוני הקלט קובע את תכונות המוצא של קרן הלייזר: אנרגיית הפולס, הספק השיא (השיא הרגעי הגבוה ביותר של אנרגיית הפולס, ג'אול חלקי משך הפולס) וההספק הממוצע (הספק ממוצע בוואט = אנרגיית הפולס בג'אול כפול קצב חזרת הפולסים ב-Hz).

קצב חזרת הפולסים וצפיפות הספק השיא הם פרמטרים קריטיים ליצירת הסימון ולהשגת הניגודיות והמהירות האופטימליות. עקומות ההספק מול קצב חזרת הפולסים הן ביחס הפוך. הספק שיא גבוה בתדר נמוך מעלה במהירות את טמפרטורת פני השטח, מאדה את החומר תוך הולכת חום מינימלית אל תוך 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, כמובן, מהירות הקרן ומרחק ההפרדה בין קווי הווקטור.

סימון בלייזר "תוך כדי תנועה" מבוצע על מוצרים מוזרקים ומוצרי אקסטרוזיה, כגון חוטים וכבלים, שפופרות וצינורות. מהירויות הסימון של פקקי יין סינתטיים מפוליאולפין ושל מבצעים מתחת למכסה על פקקי משקאות ללא אטם מגיעות ל-2,000 פריטים לדקה עבור טקסט אלפאנומרי וגרפיקה. מהירות הסימון היא פונקציה של משתנים רבים, ובהם סוג הפולימר, צבע המצע, סוג תוסף הלייזר ורמת ההטענה, גודל הכבל (משקל), סוג הלייזר וההספק, התוכנה, מספר התווים האלפאנומריים, גובה הטקסט, אורך מחרוזת הטקסט, הרווח בין התווים, ברקוד או data matrix, לוגואים וגרפיקה, גופנים בקו יחיד או גופני true-type מלאים, כיוון המילוי וטקסט רציף או חוזר. שימוש בתוסף וחומר צבע בפורמולציה נכונה יבטיח כי "צפיפות ההספק" בפני הסימון לא תהיה הגורם המגביל, אלא שהגלוונומטרים עם הטיית הקרן יפעלו במהירות מרבית.

בשל מורכבות הגורמים המשפיעים על יכולת הסימון בייצור תוך כדי תנועה, יש לבחון כל יישום בדייקנות. מעטים הכללים, אם בכלל, שניתן להסיק מהם הכללה. עם זאת, לצורך התרשמות כללית, ראו את הדוגמה הבאה עבור פולימר Nylon: לייזר סיב בהספק 50 ואט, עדשת שדה שטוח 254mm, 100 תווים אלפאנומריים בגובה 2mm, המרכיבים מחרוזת טקסט חוזרת באורך 14.68 אינץ' בזמן סימון של 0.232 שניות. המהירות המחושבת היא כ-315 רגל אורך לדקה.

---