“תוספי לייזר” דו-תכליתיים מאפשרים סימון וריתוך של פולימרים

"תוספי לייזר" דו-תכליתיים מאפשרים סימון וריתוך של פולימרים

תוספי לייזר דו-תכליתיים המעורבבים בפולימרים בשלב העיבוד הראשוני מאפשרים סימון וריתוך בהעברה של פולימרים שקופים ואטומים. תוספים כימיים חדשניים, ובהם כאלה העומדים בדרישות FDA ובדרישות רפואיות, משיגים תפרי ריתוך אטומים הרמטית בעלי חוזק גבוה וניגודיות סימון אטומה ובלתי ניתנת למחיקה. תהליכי סימון בלייזר וריתוך בלייזר הם ללא מגע, קלים לבקרה וידידותיים לסביבה. סימון וריתוך של פולימרים, המיועדים ללייזרים וציוד במחיר סביר ובמהירות גבוהה, עומדים באתגרים של יישומים מורכבים כיום.

נקודות עיקריות

• תרכובת אחת, שני תהליכים. תוספים דו-תכליתיים תומכים בסימון וריתוך בהעברה באותו חומר.
• ריתוך TTLW מתבצע בשלושה שלבים (חימום, איחוי וריתוך) עם זמני ריתוך אופייניים של שנייה עד שמונה שניות.
• לשני החלקים נדרשות תכונות אופטיות הפוכות: החלק העליון חייב להעביר את אורך הגל, והתחתון חייב לבלוע אותו בשכבה דקה.
• בליעה בטווח הבינוני היא המקרה הגרוע ביותר: היא מחממת את כל העובי והופכת את החלק למועמד גרוע לכל אחד מצדי התפר.
• ריתוך בלייזר מספק אטימה הרמטית ללא פלאש, ללא חלקיקים, עם אזור מושפע חום מזערי וללא פגיעה במשטח החלק.

שאלות נפוצות

מה משמעות "העברה" בריתוך בלייזר?

הלייזר עובר דרך החלק העליון השקוף ללייזר ונבלע על פני השטח של החלק התחתון הבולע לייזר. החלקים מורכבים מראש ומהודקים כך שמשטחי החיבור נמצאים במגע הדוק, והריתוך נוצר במשטח מגע זה.

מהם שלבי ריתוך בלייזר בהעברה?

שלושה. בשלב החימום הלייזר מחמם את הפולימר הבולע במשטח המגע, והוא מתרחב ומעלה את לחץ הריתוך. בשלב האיחוי התרחבות נוספת מגבירה את הלחץ ומתרחש ריתוך קטן. בשלב הריתוך קורס חומר מותך בכמות מספקת ליצירת ריתוך אמיתי, בדרך כלל בסדר גודל של 0.13 מ"מ.

האם אפשר לרתך בלייזר חומרים מחוזקים בזכוכית?

רותכו חומרים מלאים עד 50% זכוכית, אך לא לאטימה הרמטית. חומרי מילוי, תוספים ופיגמנטים משנים כולם את תגובת הפולימר לקרן הלייזר, ולכן התאמת החומר רגישה יותר בריתוך בלייזר מאשר בכל תהליך חיבור אחר.

מדוע לבחור בריתוך בלייזר ולא בריתוך אולטרסוני או בריתוך בלוח חם?

הוא ללא מגע, עם הידוק קל תחת לוח זכוכית חלק, כך שדבר אינו פוגע בחלק ולא מועברים רעידות. הריתוך נמצא מתחת לפני השטח וכמעט בלתי נראה, האזור המושפע חום קטן מאוד ולכן רכיבים עדינים שהוצבו מראש שורדים, אין פלאש לגזום, ואפשר להשיג אטימה הרמטית אטומת גז.

האם אפשר לרתך בלייזר סוגי פלסטיק שונים זה לזה?

כן, בתנאי שהם עומדים בקריטריונים האופטיים והתרמיים הנדרשים. כל פולימר מעביר את שלושת אורכי הגל העיקריים של הריתוך באופן שונה, ולכן יש להעריך את שני החומרים יחד ולא כל אחד לחוד.

יישומי מוצרים

פולימרים צבעוניים שקופים, חצי שקופים ואטומים, ובהם ניילונים, פוליאתילן טרפתלט (PET), פוליקרבונטים, פוליאולפינים, פוליוינילכלוריד (PVC), סטירניקים ואלסטומרים תרמופלסטיים (TPU) ופוליאורתנים תרמופלסטיים (TPE), מנוסחים באופן ייחודי באמצעות תוספים נטולי מתכות כבדות ומאושרי FDA והרשות האירופית לבטיחות המזון (EFSA), כדי להשיג איכות סימון בניגודיות גבוהה, כולל מוצרים מרותכים בלייזר (איור 1). שקיפות הפולימר, ההעברה הספקטרלית ותכונותיו הפיזיקליות הבסיסיות אינן נפגעות. סימון לייזר דיגיטלי ללא מגע מחליף תוויות דבק יקרות ותהליכי הדפסה בדיו וכימיקלים. התוצאה היא פתרון חסכוני, ידידותי לסביבה ובעל מראה אסתטי מעולה.

מנגנוני תגובה על פני השטח בסימון בלייזר

ההתקדמות שהושגה בניסוח תוספים כימיים ללייזר לשימוש עם לייזרים באינפרא-אדום קרוב (NIR) (אורך גל 1,060-1,080nm) כוללת תאימות ללייזרי סיבים מסוג איטרביום, וונדאט ו-Nd:YAG. לרוב הפולימרים אין תכונות בליעה ב-NIR ללא תוספים כימיים. פולימרים שאפשר לסמן בלייזר הם אלה הבולעים אור לייזר וממירים אותו מאנרגיית אור לאנרגיה תרמית. תוספים, חומרי מילוי, פיגמנטים וצבענים משמשים לשיפור בליעת אנרגיית הלייזר לשינויי צבע מקומיים. כימיות ניסוח שונות מאוד ופרמטרים שונים של אופטיקת לייזר והגדרות מותאמים בהתאם לניגודיות הסימון ולפונקציונליות הרצויות.

באיור 1 מוצגים שני מנגנוני תגובה נפוצים על פני השטח. הראשון הוא "פחמון" או "חירוך" תרמי-כימי, שבו האנרגיה הנבלעת במצע מעלה את הטמפרטורה המקומית של החומר סביב אתר הבליעה עד לרמה הגורמת לפירוק תרמי של הפולימר. כהות הסימון או בהירותו תלויות באנרגיה הנבלעת, וכן במסלול הפירוק התרמי הייחודי של החומר. באמצעות אופטימיזציה של הגדרות הלייזר, שאריות הפחמון על פני השטח מזעריות.

תגובה שנייה על פני השטח, "הקצפה", היא שינוי כימי המתבצע באמצעות תוספים המשחררים קיטור בעת הפירוק, וכך הפולימר מקציף. בתהליך ההקצפה אנרגיית הלייזר נבלעת בתוסף הנמצא בקרבת חומר ההקצפה. החום מהבולע גורם לפירוק חומר ההקצפה ולשחרור קיטור. בבקרה הדוקה של פרמטרי ההפעלה של הלייזר אפשר ליצור סימנים "לבנים" בהירים, איכותיים ועמידים על מצעים כהים.

תגובה שלישית (לא מוצגת) משתמשת באנרגיית הלייזר לחימום או פירוק של צבען אחד בתערובת צבענים, וכך מתקבל שינוי צבע. דוגמה לכך היא תערובת של פחם שחור (carbon black) וצבען אנאורגני יציב. כשהתערובת מחוממת, הפחם השחור מוסר ונשאר הצבען האנאורגני. מערכות צבענים מעורבים אלה תלויות ביציבות צבענים ספציפית, ולא כל שינויי הצבע אפשריים. ניסוחי פחם שחור הם חלק בלתי נפרד מריתוך בלייזר.

כימיות של תוספי לייזר לסימון ולריתוך

תוספי לייזר לאינפרא-אדום קרוב משפרים את מידת הניגודיות, ואפשר להעצים אותה עוד על ידי שינוי פרמטרי ההגדרה של הלייזר. לפולימרים יש מאפיינים טבועים המניבים ניגודיות סימון "כהה" או "בהירה". גם חלק מתרכובות הצבענים המכילות כמויות נמוכות של טיטניום דיאוקסיד (TiO2) ופחם שחור בולעות אור לייזר ויכולות לשפר את ניגודיות הסימון. כל דרגת פולימר, אפילו בתוך אותה משפחה פולימרית, יכולה להניב תוצאות שונות. ניסוחי תוספים אינם יכולים להיות רעילים או לפגוע במראה המוצרים, בתכונותיהם הפיזיקליות או בתפקודיהם.

בהשוואה לתהליכי הדפסה בדיו (הדפסת טמפו/משי והדפסת הזרקת דיו), תוספי לייזר חוסכים בעלויות ויכולים להציג מהירויות סימון גבוהות ב-20 אחוז ויותר לעומת חומרים שאינם מותאמים. תוספי לייזר מסופקים בצורת גרגירים (פלטים) ואבקה. אפשר לערבב מוצרי גרגירים ישירות עם שרף הפולימר, ואילו אבקות מומרות למאסטרבאץ'. רובם מתפזרים בקלות בפולימרים. בהתאם לתוסף ולפולימר, ריכוז הטעינה במשקל (בחלק הסופי) נע בין 0.01 ל-4.0 אחוזים.

אפשר לערבב את צורת הגרגירים ואת צורת האבקה בחומר צבע מורכב מראש או בתרכיז צבע. הבחירה באיזה תוסף לשלב תלויה בהרכב הפולימר, בצבע המצע, בצבע ניגודיות הסימון הרצוי ובדרישות ההסמכה לשימוש הסופי. בפעולות שחול, הזרקה ותרמופורמינג, חומרים מורכבים מראש בצבע מניבים אחידות טובה יותר מתרכיז צבע. יש להימנע מערבוב ידני. זרימת התבנית וסוג המזרק ומיקומו הם גורמים חשובים. פיזור והתפלגות הומוגניים של תוספי הלייזר בכל חלק חיוניים להשגת ביצועי סימון מיטביים.

חלק מהתוספים מכילים תערובות של תחמוצת בדיל מסוממת באנטימון ואנטימון טריאוקסיד, העלולות להקנות גוון "אפרפר" לאטימות הטבעית (הלא צבועה) של המצע. תוספים אחרים יכולים להכיל חלקיקי אלומיניום, תחמוצות מתכת מעורבות ותרכובות קנייניות. התאמות צבע נעשות באמצעות פיגמנטים וצבענים להשגת ההתאמה הסופית של מראה הצבע. כפי שהם מסופקים מסחרית, תוספים מסוימים (המשמשים גם לריתוך בלייזר) קיבלו אישור FDA לשימוש במגע עם מזון ובאריזות מזון בתנאים A-H של 21 CFR 178.3297 – צבענים לפולימרים. באיחוד האירופי קיימות הצהרות תאימות דומות. תנאי ההסמכה ספציפיים לסוג הפולימר, לסף רמת הטעינה ולמגע ישיר או עקיף. הסמכה נוספת של תוספים מאושרי FDA המעורבבים ב"חלק סופי" יכולה להשיג תאימות ביולוגית של מכשירים רפואיים.

במהלך כימיית טעינת תוסף הלייזר והתאמת הצבע, לא נדיר שמוצר מוגמר מכיל פחות תוסף לייזר מהכמות המחושבת. בעיה זו קשורה כמעט תמיד להתפלגות לא אחידה בעת השחול או ההזרקה. התאמות פשוטות במכונת ההזרקה, כגון הגדלת הלחץ האחורי ומהירות סיבוב הבורג, פותרות את רוב הבעיות. פיזור והתפלגות הומוגניים של תוספי הלייזר בכל חלק חיוניים להשגת ביצועי סימון מיטביים. בפעולות שחול, הזרקה ותרמופורמינג, חומרים מורכבים מראש בצבע מניבים אחידות טובה יותר מתרכיז צבע. יש להימנע מערבוב ידני. זרימת התבנית וסוג המזרק ומיקומו הם גורמים חשובים.

עקרונות ריתוך בלייזר בהעברה

המונח "העברה" נובע מכך שהלייזר עובר דרך החלק העליון השקוף ללייזר אל פני השטח של החלק התחתון הבולע לייזר, כפי שמתואר באיור 2. בריתוך פלסטיק בלייזר בהעברה (TTLW) מעורבים שלושה שלבים. ב-TTLW החלקים מורכבים מראש ומהודקים יחד כדי ליצור מגע הדוק בין משטחי החיבור שלהם. במאמר זה נעשה שימוש בלייזרי דיודה בהספק גבוה (λ = 800-1,000nm) ובלייזרים במצב מוצק (לייזר סיבים מסוג איטרביום ולייזר Nd:YAG, λ = 1,060-1,080nm).

בשלב החימום אנרגיית הלייזר מחממת את הפולימר הבולע לייזר במשטח המגע וגורמת לחלק להתרחב, מה שמעלה את לחץ הריתוך. בנקודת המוקד של הקרן הספק הלייזר מרבי, והחלק מתחיל להימס בנקודה זו וליצור אזור התכה. זו תחילת השלב השני, שלב האיחוי. מתרחשת התרחבות נוספת של החלקים, עם עלייה מקבילה בלחץ. בשלב זה התרחש ריתוך קטן.

שלב הריתוך הוא השלב האחרון. נוצרת כמות מספקת של חומר מותך כדי ליצור ריתוך אמיתי. החומר המותך קורס, בדומה לריתוך בלוח חם או בהיתוך. ברוב היישומים מדובר בסדר גודל של 0.13mm (0.005"). זמני ריתוך אופייניים הם בסדר גודל של שנייה עד שמונה שניות ברוב היישומים, אם כי חלקים גדולים יותר יכולים לארוך זמן רב יותר. ארבעה תהליכי ריתוך בלייזר עיקריים ב-TTLW: ריתוך קווי מתאר, ריתוך במסכה, ריתוך בו-זמני וריתוך כמעט בו-זמני.

לשני החלקים המיועדים לריתוך חייבות להיות תכונות בליעה אופטיות שונות באורך גל ריתוך נתון. החלק העליון, השקוף ללייזר, חייב להעביר כמה שיותר מאורך הגל, ואילו החלק התחתון, הבולע לייזר, חייב לבלוע כמה שיותר בשכבה דקה. התוצאה היא השילוב היעיל ביותר באנרגיה, מפני שכמות גבוהה של אנרגיה נבלעת במשטח המגע, והיא עלולה לפרק את החלק העליון לפני שהחלק התחתון רך מספיק לריתוך. החזרה יתרה גורמת גם היא לעלייה בכמות האנרגיה הנדרשת לריתוך.

התאמת החומר רגישה יותר בריתוך בלייזר מאשר בכל תהליך חיבור אחר. מבחינה תיאורטית אפשר לרתך בלייזר את כל התרמופלסטים השקופים לקרן הלייזר. עם זאת, יכולתו של כל פולימר להעביר אור מלייזרים בשלושת אורכי הגל העיקריים המשמשים לריתוך בלייזר שונה. יתרה מכך, תגובת פולימר נתון לקרני לייזר משתנה בנוכחות חומרי מילוי, תוספים ופיגמנטים.

חומרים בעלי שיעורי בליעה גבוהים אידיאליים לחלק התחתון בריתוך TTLW, מפני שהם בולעים את רוב האנרגיה במשטח הריתוך ויוצרים שכבת פני שטח דקה ומחוממת, אידיאלית לריתוך בלייזר. חומרים בעלי שיעורי בליעה בטווח הבינוני עלולים להוות בעיה, מפני שהם בולעים את אנרגיית הלייזר לאורך עובי החומר, וכתוצאה מכך כל עובי החומר מתחמם. חומרים אלה מעבירים מעט מאוד אנרגיה, ולכן הם מועמדים גרועים לחומר העליון בריתוך בלייזר TTLW. יתרה מכך, הם אינם בולעים אנרגיה רבה בקצהם העליון ולכן הם בחירה גרועה גם לחומר התחתון. רותכו חומרים מלאים עד 50 אחוז זכוכית, אך לא לאטימה הרמטית.

היתרונות העיקריים של TTLW כוללים:

• ריתוך ללא מגע. ריתוך בלייזר משתמש בלוח זכוכית חלק כדי להחזיק את החלקים המיועדים לריתוך בכוח הידוק קל של 100 ליברות או פחות, ואין מגע עם כלי הריתוך. לכן אין דבר שיפגע במשטח החלקים המרותכים, ואין צורך בלחץ ריתוך שעלול לפגוע בחלקים עדינים.
• ריתוך מתחת לפני השטח. הריתוך מתרחש במשטח המגע בין שני החלקים. הריתוך כמעט בלתי נראה בחלקים שקופים ובלתי נראה לחלוטין בחלקים אטומים. הריתוך יכול להיות ממש מתחת לפני השטח או עמוק בתוך החלקים.
• ריתוך מדויק. גודל הריתוך בלייזר ומיקומו יכולים להיות מדויקים מאוד, ולא מועברות רעידות לחלק המרותך. בגרסאות התהליך הדורשות תנועה יחסית בין הלייזר לחלקים המרותכים, הלייזר הוא שנע. לכן ריתוך בלייזר הוא המדויק ביותר בתהליכי הריתוך.
• אזור מושפע חום מזערי. נקודת הריתוך קטנה מאוד והאזור המושפע חום מוגבל למדי. כתוצאה מכך אפשר לרתך קרוב מאוד לרכיבים אחרים בלי לפגוע בהם, מה שמאפשר ריתוך של תת-מכלולים עם חלקים רגישים ועדינים שהוצבו מראש. יתרה מכך, עיוות ופגיעה עקב חום מוגבלים ביותר, והמאמץ השיורי מופחת.
• יכולת לרתך סוגי פלסטיק שונים. אפשר לרתך זה לזה סוגי פלסטיק שונים העומדים בקריטריונים הנדרשים.
• ללא פלאש. בריתוך בלייזר הריתוך סגור לחלוטין ולא נוצר פלאש שיש לגזום. אין חלקיקים חופשיים.
• אטימה הרמטית. ריתוך בלייזר מסוגל ליצור ריתוך אטום הרמטית ואטום לגז.
• יעילות אנרגטית. ביחס לתהליכי ריתוך אחרים, ריתוך בלייזר יעיל מאוד מבחינה אנרגטית. משמעות הדבר גם שלא נוצר חום עודף שיש להוציאו ממקום העבודה.

סיכום

תוספי לייזר דו-תכליתיים המשולבים בפולימרים מניבים ניגודיות סימון, פירוט קצוות קווים ומהירות מעולים. תוספים אלה ממטבים את ריתוך הלייזר של תרמופלסטים דומים ושונים. ההתקדמות בטכנולוגיית לייזרי הסיבים במחיר סביר היתה מכרעת. יתרונות אלה מקזזים במהירות את עלות התוסף החומרית המצטברת. כימיה ממוטבת של מדע החומרים לסימון וריתוך בלייזר דורשת מומחיות בפולימרים, בצבענים, בפיגמנטים ובצבעים בכל הנוגע לממסיות, גודל חלקיקים, מגבלות ריכוז סף, התאמת צבע והסמכות רגולטוריות (GRAS, מגע ישיר/עקיף עם מזון לפי FDA). סימון בלייזר ו-TTLW של פולימרים עומדים באתגרי היישומים של ימינו.

מקורות

• Scott R. Sabreen, "FDA-Approved Additives Boost Inline Laser Marking," Plastics Decorating Magazine, April/May 2015
• Jordan Rotheiser, יועץ מומחה של The Sabreen Group Inc. קטעי ריתוך מתוך Joining of Plastics, Handbook for Designers and Engineers, Third Edition, Jordan Rotheiser, Carl Hanser Verlag, Munich, 2009

Scott R. Sabreen הוא מייסד ונשיא The Sabreen Group, Inc., חברת הנדסה המתמחה בתהליכי ייצור משני של פלסטיק: סימון בלייזר, טיפולים מקדימים בפני השטח, הדבקה, עיטור וגימור ואבטחת מוצרים. Sabreen מפתח טכנולוגיות חלוציות ופותר בעיות ייצור למעלה מ-30 שנים. ניתן ליצור עמו קשר בטלפון 972.820.6777 או באתרים www.sabreen.com ו-www.plasticslasermarking.com.

---