מדעי החומרים הבסיסיים לסימון בלייזר על פלסטיק

מדעי החומרים הבסיסיים לסימון בלייזר על פלסטיק

התקדמות בסימון בלייזר ישיר על פלסטיק מניבה איכות סימון, ניגודיות ומהירות חסרות תקדים. ביישום נכון, סימון בלייזר יכול להעניק יתרונות ייצור רבים ולהוסיף ערך למראה המוצר ולתפקודו. הדור החדש ביותר של מדעי חומרי הפלסטיק ומערכות ציוד הלייזר מזין ביקוש תעשייתי חזק לסימון קבוע בלייזר כחלופה להדפסה מסורתית בדיו. מאמר זה מציג מושגי יסוד ומידע בנוגע לתגובות הכימיות בין פולימרים, תוספי לייזר ואורכי גל ספציפיים של אור לייזר (הנפלט ממקורות לייזר שונים).

אנשי מקצוע מניחים לעיתים קרובות שתוספי לייזר לחומר נדרשים בכל יישומי סימון בלייזר על פלסטיק. עם זאת, בהתאם לסוג הפלסטיק המיועד לסימון ולדרישות השימוש הסופי שלו בנוגע לניגודיות ולפירוט בקווים דקים וחדים, לא תמיד יש צורך להשתמש בניסוחי חומר המותאמים ללייזר. במקום זאת, בחירה נכונה של אורך הגל וסוג הלייזר תשיג את מידת הסימון הנדרשת. התוצאות ייקבעו לפי גורמים כגון: א) דרגה ותכונות ספציפיות של השרף; ב) סוג הלייזר (אורך גל, מצב יציאה ואיכות קרן, תצורה אופטית, צפיפות הספק, הספק שיא/ממוצע, מהירות סימון); ג) רכיבי צבען ומילוי; ד) ברק ומרקם פני השטח; וה) תכולת חומר טחון חוזר (regrind). תרכובות צבען כגון TiO2 ופחמן שחור (Carbon Black) הן בעלות מידה מסוימת של תכונות בליעה באורכי גל מסוימים. גם גודל החלקיקים ועומק השחור (jetness) של תרכובות אלה הם גורמים. יתרה מזו, דרגות שרף ספציפיות, אפילו בתוך אותה משפחה גנרית, יכולות להניב תוצאות שונות מאוד, למשל בסטירניים.

מצד שני, יתרון שלעיתים מתעלמים ממנו בעת בחינת השילוב של תוספי לייזר הוא שניסוחי לייזר מיטביים יכולים לשפר את מהירות הסימון, ולא רק את הניגודיות והאיכות של הסימון הדקורטיבי או התפקודי. שימוש בתוספי לייזר מקצר כמעט תמיד את זמני מחזור הסימון ומאפשר שימוש בהספק לייזר נמוך יותר. גורמים אלה חוסכים בסופו של דבר כסף ומגדילים את תפוקת הייצור.

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 בשימוש עם תוספי לייזר, ואישורי רגולציה (GRAS, FDA מגע ישיר/עקיף עם מזון). פתרונות מדעי החומרים חייבים להיות חסכוניים, קלים לשימוש, וללא השפעות מזיקות על התכונות הפיזיקליות והכימיות של מוצרי הפולימר. לפיכך הכרחי לחלוטין שלכימאים ולמנסחים תהיה ידיעה רחבה במגוון רחב של טכנולוגיות לייזר, כדי להבטיח סימון עמיד במהירויות ייצור גבוהות.

מאמר זה מתמקד בלייזרים מסוג מוסטי קרן הפועלים בטווח של 1060 עד 1070 ננומטר. אלה כוללים לייזרי Nd:YAG (מנורת קשת וניזונים בדיודה), Vanadate ולייזרי סיב (Fiber). לייזרי "YAG" מסורתיים הם הפופולריים ביותר בענף סימון הלייזר, בזכות אורך גל הפליטה, ביצועי ההספק והרב-גוניות הרבה שלהם במהלך עשרות השנים האחרונות. לייזרי Vanadate ולייזרי סיב הם טכנולוגיות חדשות בהרבה, ולעיתים קרובות בחירתם מותאמת יותר ליישום מסוים. עם זאת, ביישומים המתאימים הם יכולים להעניק תוצאות מצוינות.

המנגנון הבסיסי של סימון בלייזר מוסט קרן, באורך גל של 1060 עד 1070 ננומטר, הוא הקרנת הפולימר במקור קרינה בעל אנרגיה גבוהה (הלייזר). האנרגיה הקורנת נבלעת מקומית בחומר ומומרת לאנרגיה תרמית. האנרגיה התרמית מעוררת בתורה תגובות בחומר. באזור אורכי גל זה של אינפרא-אדום קרוב אפשריים כמה סוגי תגובות, לפחות: 1) פיחום; 2) אבלציה; ו-3) שינוי כימי. בהתאם לתוצאות הניגודיות הרצויות בסימון, ניתן לבחור כימיה ופרמטרים של מערכת לייזר שונים בתכלית כדי להשיג את סוג התגובה המועדף. בניגוד לדעה הרווחת, אין תוסף לייזר יחיד הפותר את כל בעיות הסימון!

תגובת פיחום מתרחשת כאשר האנרגיה הנבלעת מעלה את הטמפרטורה המקומית של החומר סביב אתר הבליעה לרמה גבוהה דיה כדי לגרום לפירוק תרמי של הפולימר. בנוכחות חמצן הדבר מביא לשריפת הפולימר, אך בתוך פנים החלק אספקת חמצן מוגבלת גורמת לפיחום הפולימר וליצירת סימון שחור. עומק השחור של הסימון תלוי באנרגיה הנבלעת, וכן במסלול הפירוק התרמי של החומר.

אבלציה מתרחשת כאשר הפולימר מתחמם דיו כדי לגרום לפירוק ולאידוי של תוצרי הלוואי של הפירוק, ותוצאתה אזור חרוט. סוג סימון זה מניב בדרך כלל סימונים בניגודיות נמוכה. לשם השוואה, לייזרי CO₂ בגל רציף (CW) פועלים באורך גל של 10.6 µm (אינפרא-אדום רחוק). לייזרי CO₂ מסוג CW מפיקים הספק שיא נמוך בהרבה יחסית ובדרך כלל אינם יכולים ליצור סימונים בניגודיות גבוהה על רוב סוגי הפלסטיק.

שינוי כימי, באמצעות תוספים המשחררים קיטור בעת הפירוק, גורם לקצף בפולימר. במהלך תהליך הקצפה אנרגיית הלייזר נבלעת בתוסף הנמצא בקרבת חומר הקצפה. 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 על מצעים כהים. בקרת לייזר לקויה עלולה להביא ליצירת סימון פריך או בניגודיות נמוכה.

שיטה נוספת לסימון בלייזר היא שימוש באנרגיית לייזר באינפרא-אדום קרוב לחימום/פירוק של צבען אחד בתערובת צבענים, וכך 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.

לסיכום, חשוב להכיר בכך שלא כל הלייזרים מוסטי הקרן שווים. כימיית מדעי החומרים לבדה אינה יכולה לפתור את כל בעיות איכות הסימון. לרכיבי החומרה והתוכנה שיצרן לייזרים משלב בציוד שלו יש השפעה משמעותית על איכות הסימון, המהירות והרב-גוניות. בעת רכישת ציוד לייזר חשוב לשים לב שאין פתרון אוניברסלי יחיד. כל יישום ייחודי ביחס להרכב ולצבע שרף הפלסטיק שבמצע, ולניגודיות הסימון הרצויה ("כהה על בהיר", "בהיר על כהה" או "צבע מותאם"). ההתקדמות המודרנית של ימינו במדעי חומרי הפולימרים ובמוליכי גל של לייזרים היא קפיצת מדרגה לעומת מה שלא נחשב אפשרי רק לפני שנים ספורות.

עיקרי הדברים

• סימון הוא תגובה כימית בין הפולימר, כל תוסף לייזר ואורך הגל הספציפי של מקור הלייזר.
• תוספים אינם נדרשים תמיד. זו הנחה נפוצה שכדאי לבדוק לכל חומר ולא לקבל כמובן מאליו.
• סימון בלייזר הוא חלופה להדפסה מסורתית בדיו, ומדעי החומרים הם שהופכים אותו לישים.
• יש להתאים את אורך הגל לחומר, ולא לבחור אותו לפי זמינות הציוד.
• כשמיושם נכון, הסימון מוסיף ערך למראה ולתפקוד, ולא רק לזיהוי.

שאלות נפוצות

האם כל סוגי הפלסטיק זקוקים לתוסף לייזר כדי להיות מסומנים?

לא, וזו הנחה נפוצה שכדאי לבדוק. אנשי מקצוע מניחים לעיתים קרובות שתוספים נדרשים תמיד, אך הצורך בתוסף תלוי בפולימר, בצבענים ובחומרי המילוי שבו, ובאורך הגל של מקור הלייזר שבו משתמשים.

מה יוצר בפועל את הסימון?

תגובה כימית בין הפולימר, תוספי הלייזר הנוכחיים והאורך הגל הספציפי של אור הלייזר הנפלט מהמקור. הבנת האינטראקציה הזו מאפשרת לחזות אם שילוב נתון של חומר ולייזר יניב סימון שמיש.

מדוע סימון בלייזר מחליף הדפסה מסורתית בדיו?

משום שהדור החדש ביותר של מדעי חומרי הפלסטיק וציוד הלייזר מניב איכות סימון, ניגודיות ומהירות חסרות תקדים, ללא דיו וממסים מתכלים. ביישום נכון הוא מעניק יתרונות ייצור ומוסיף ערך למראה המוצר ולתפקודו.

האם סוג מקור הלייזר משנה את התוצאה?

כן. מקורות לייזר שונים פולטים אורכי גל שונים, והתגובות הכימיות בין פולימרים, תוספים ואור לייזר תלויות באורך הגל. לכן בחירת המקור היא החלטה של מדעי החומרים, ולא רק של ציוד.

מאיפה כדאי להתחיל פרויקט סימון בלייזר?

מהחומר. בירור האופן שבו דרגת הפולימר הספציפית, הצבענים והתוספים שבו מגיבים לאורכי הגל המועמדים קובע את כל השאר: אם נדרשים תוספים, איזו ניגודיות ניתן להשיג ואיזו מהירות ריאלית.

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.

---