תוספים מאושרי FDA מקדמים סימון בלייזר בקו הייצור על פלסטיק

תוספים מאושרי FDA מקדמים סימון בלייזר בקו הייצור על פלסטיק

מהירות גבוהה, ניגודיות מעולה וחיסכון בעלויות הם בין היתרונות המשמעותיים של שילוב תוספים חדשניים מאושרי FDA בפולימרים לסימון בלייזר. פריצות דרך בתוספים כימיים מפיקות ניגודיות בשחור עמוק ובצבע בהיר על מוצרים יצוקים ומשוחלים, הן "בתנועה" (on-the-fly) והן בפעולות משניות. סימון בלייזר ללא דיו בקו הייצור, המיועד ללייזרי סיב במחירים נגישים, מחליף כעת הדפסת גרווירה סיבובית והדפסת טמפו.

יישומי מוצרים: פולימרים צבעוניים רבים, שקופים, חצי שקופים ואטומים, ובהם ניילונים, PET, פוליקרבונטים, פולי-אולפינים, PVC, סטירניים ו-TPU/TPE (למוצרים לבישים), מנוסחים באופן ייחודי בעזרת תוספים ללא מתכות כבדות ומאושרי FDA/EFSA (הרשות האירופית לבטיחות מזון) להשגת איכות סימון בניגודיות גבוהה. בהירות הפולימר, ההעברה הספקטרלית והתכונות הפיזיקליות הבסיסיות שלו אינן נפגעות. סימון דיגיטלי בלייזר ללא מגע מחליף תוויות דבק יקרות ותהליכי הדפסה בדיו כימי. התוצאה היא יישום חסכוני, ידידותי לסביבה ובעל מראה אסתטי מעולה.

סימון בלייזר "בתנועה" (on-the-fly) מבוצע על מוצרים יצוקים ומשוחלים, כגון חוט/כבל, צינורות וצינורות קשיחים.

עיקרי הדברים

• שלוש תגובות פני שטח יוצרות את הסימון: פיחמון (פיחום), הקצפה ושינוי צבע של צבען.
• הטעינה נעה בין 0.01% ל-4.0% במשקל בחלק הסופי, ונבחרת לפי הפולימר, צבע המצע, הניגודיות המטרה ודרישות האישור.
• תוספים מהירים ב-15% ומעלה מניסוחים שאינם מותאמים, ומחליפים לחלוטין הדפסת גרווירה סיבובית והדפסת טמפו.
• בעיות פיזור, ולא שגיאות מינון, הן הסיבה הרגילה לתכולת תוסף נמוכה בחלקים מוגמרים. יש להגביר את הלחץ האחורי ואת מהירות הבורג.
• תנאים A-H של 21 CFR 178.3297 מכסים את אישור FDA למגע עם מזון. הסמכת ISO 10993 מרחיבה את התאימות הביולוגית למכשירים רפואיים.

מהירויות הסימון של פקקי יין סינתטיים מפולי-אולפין וקידום מכירות מתחת לסגרי משקאות ללא מרווח מסוגלות להגיע ל-2,000 יחידות בדקה לטקסט אלפאנומרי וגרפיקה. מהירות הסימון היא פונקציה של משתנים רבים, ובהם סוג הפולימר, צבע המצע, סוג תוסף הלייזר ורמת הטעינה, גודל הכבל (משקל), סוג הלייזר וההספק, התוכנה, מספר התווים האלפאנומריים, גובה הטקסט, אורך מחרוזת הטקסט, הרווח בין התווים, ברקוד/Data Matrix, לוגואים/גרפיקה, גופנים במשיכת קו אחת או true-type מלאים, כיוון המילוי וטקסט רציף או חוזר. שימוש בתוסף-צבען מנוסח כראוי יבטיח ש"צפיפות ההספק" על פני הסימון אינה הגורם המגביל. במקום זאת, הגלוונומטרים מוסטי הקרן יפעלו במהירות מרבית.

בשל המורכבות של הגורמים המשפיעים על יכולת הסימון בייצור "בתנועה", יש לבחון כל יישום במדויק. יש מעט כללים, אם בכלל, שאפשר להסיק מהם באקסטרפולציה. עם זאת, למטרות כלליות ניתן לשקול את דוגמת פולימר הניילון הבאה: לייזר סיב 50 וואט, עדשת שדה שטוח 254mm, 100 תווים אלפאנומריים בגובה 2mm, המהווים מחרוזת טקסט חוזרת באורך 14.68 אינץ' עם זמן סימון של 0.232 שניות. המהירות המחושבת היא כ-315 רגל לינארית בדקה.

שאלות נפוצות

אילו פולימרים ניתן לסמן בעזרת תוספי לייזר מאושרי FDA?

פולימרים צבעוניים שקופים, חצי שקופים ואטומים, ובהם ניילונים, PET, פוליקרבונטים, פולי-אולפינים, PVC, סטירניים ו-TPU/TPE למוצרים לבישים. בהירות הפולימר, ההעברה הספקטרלית והתכונות הפיזיקליות הבסיסיות שלו אינן נפגעות.

החלקים המוגמרים שלי מכילים פחות תוסף מהכמות המחושבת. מדוע?

כמעט תמיד בגלל פיזור לא אחיד בשחול או ביציקה, ולא בגלל שגיאת מינון. הגברת הלחץ האחורי ומהירות סיבוב הבורג פותרת את רוב המקרים. חומר מתורכב מראש עדיף על תרכיז צבע לצורך אחידות, ויש להימנע לחלוטין מערבוב ידני.

מהם שלושת מנגנוני התגובה בסימון בלייזר?

פיחמון או פיחום, שבו האנרגיה הנבלעת מפרקת תרמית את הפולימר ויוצרת סימונים כהים. הקצפה, שבה תוסף משחרר קיטור בעת הפירוק כדי ליצור סימונים בהירים ועמידים על מצעים כהים. ושינוי צבע, שבו אנרגיית הלייזר מפרקת צבען אחד בתערובת, למשל בהסרת פחמן שחור כך שנשאר צבען אנאורגני יציב.

עד כמה מהיר יכול לרוץ סימון בקו הייצור בפועל?

מהירויות הסימון של פקקי יין סינתטיים מפולי-אולפין וקידום מכירות מתחת לסגרי משקאות ללא מרווח מגיעות ל-2,000 יחידות בדקה. דוגמת ניילון מחושבת, לייזר סיב 50 W, עדשת שדה שטוח 254 mm, 100 תווים בגובה 2 mm, מחרוזת חוזרת של 14.68 אינץ', זמן סימון 0.232 שניות, מתורגמת לכ-315 רגל לינארית בדקה.

מדוע סימונים בהירים מוקצפים נשרטים לעיתים?

בקרת לייזר לקויה. מנגנון ההקצפה דורש בקרה הדוקה על הפרמטרים כדי שהפולימר יתפרק בטמפרטורה גבוהה מזו של תוסף ההקצפה. בלעדיה הסימון פריך או בניגודיות נמוכה ובעל עמידות ירודה.

מנגנוני תגובה של סימון בלייזר בפולימרים

ההתקדמות שהושגה בניסוח תוספי לייזר לשימוש עם לייזרים באינפרא-אדום קרוב (אורך גל 1060-1080nm) היא התאמתם ללייזרי סיב יטרביום, Vanadate ולייזרי Nd:YAG שקדמו להם. לרוב הפולימרים אין תכונות בליעה באינפרא-אדום קרוב ללא תוספים כימיים. פולימרים שניתן לסמן בלייזר הם אלה הבולעים אור לייזר וממירים אותו מאנרגיית אור לאנרגיה תרמית. מומחים משתמשים בתוספים, חומרי מילוי, פיגמנטים וצבעים כדי לשפר את בליעת אנרגיית הלייזר לשינויי צבע מקומיים. משתמשים בכימיות ניסוח שונות בתכלית ובאופטיקה/פרמטרי הגדרה שונים של הלייזר, בהתאם לניגודיות הסימון ולפונקציונליות הרצויות.

מנגנון תגובת פני השטח הנפוץ ביותר מכונה "פיחמון" או "פיחום" כימי תרמי, שבו האנרגיה הנבלעת במצע מעלה את הטמפרטורה המקומית של החומר סביב אתר הבליעה לרמה גבוהה דיה לגרום לפירוק תרמי של הפולימר. מידת הכהות או הבהירות של הסימון תלויה באנרגיה הנבלעת, וכן במסלול הפירוק התרמי הייחודי של החומר. באמצעות ייעול הגדרת הלייזר יישארו שאריות פחמון מינימליות על פני השטח.

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. 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.

תוספי לייזר

תוספי לייזר משפרים את מידת הניגודיות, שאפשר להגביר עוד באמצעות שינוי פרמטרי הגדרת הלייזר. לפולימרים יש מאפיינים מובנים המניבים ניגודיות סימון "כהה" או "בהירה". גם תרכובות צבען מסוימות המכילות כמויות קטנות של טיטניום דיאוקסיד (TiO2) ופחמן שחור עשויות לבלוע אור לייזר ובמקרים מסוימים לשפר את ניגודיות הסימון. כל דרגת פולימר, אפילו בתוך אותה משפחת פולימרים, יכולה להניב תוצאות שונות. ניסוחי תוספים אינם יכולים להיות רעילים או לפגוע במראה המוצרים, בתכונותיהם הפיזיקליות או בתכונותיהם התפקודיות.

בהשוואה לתהליכי הדפסה בדיו (הדפסת טמפו/רשת והזרקת דיו), תוספי לייזר חוסכים בעלויות ומציגים מהירות סימון גבוהה ב-15 אחוז (או יותר) לעומת ניסוחי חומר שאינם מותאמים. תוספי לייזר מסופקים בצורת גרגירים (פלט) ואבקה. מוצרי גרגירים ניתנים לערבוב ישיר עם שרף הפולימר, ואילו צורות אבקה הופכות למאסטרבאץ'. רובם מתפזרים בקלות בפולימרים. בהתאם לתוסף ולפולימר, רמת ריכוז הטעינה במשקל (בחלק הסופי) נעה בין 0.01 אחוז ל-4.0 אחוזים.

ניתן לערבב הן גרגירים והן אבקה בחומר צבע מתורכב מראש או בתרכיז צבע. בחירת התוסף לשילוב תלויה בהרכב הפולימר, בצבע המצע, בצבע ניגודיות הסימון הרצוי ובדרישות האישור לשימוש הסופי. חלק מהתוספים מכילים תערובות של תחמוצת בדיל מסוממת באנטימון ואנטימון טריאוקסיד, העלולות להעניק גוון "אפרפר" לאטימות הטבעית (הלא צבועה) של המצע. תוספים אחרים יכולים להכיל חלקיקי אלומיניום, תחמוצות מתכת מעורבות ותרכובות קנייניות. התאמות צבע נעשות באמצעות פיגמנטים וצבעים כדי להשיג את מראה התאמת הצבע הסופי. תוספים ספציפיים המסופקים מסחרית (המשמשים גם לריתוך בלייזר) קיבלו אישור FDA למגע עם מזון ולשימוש באריזות מזון בתנאים A-H של 21 CFR 178.3297 – צבען לפולימרים. באיחוד האירופי קיימות הצהרות ציות דומות. תנאי האישור 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 (ראו התקן הבינלאומי ISO-10993).

שיקולי עיבוד

במהלך כימיית טעינת תוסף הלייזר והתאמת הצבע, לא נדיר שמוצר מוגמר מכיל פחות תוסף לייזר מהכמות המחושבת. בעיה זו קשורה כמעט תמיד לפיזור לא אחיד בשחול או ביציקה. התאמות פשוטות במכונת היציקה, כגון הגברת הלחץ האחורי ומהירות סיבוב הבורג, פותרות את רוב הבעיות. פיזור והתפזרות הומוגניים של תוספי הלייזר בכל חלק הם קריטיים להשגת ביצועי סימון מיטביים. בפעולות שחול, הזרקה וצורות תרמיות, חומרים מתורכבים בצבע מראש מניבים אחידות טובה יותר מתרכיז צבע. יש להימנע מערבוב ידני. זרימת התבנית וסוג ומיקום השער הם גורמים חשובים.

טכנולוגיית לייזר

ההתקדמות בטכנולוגיית הלייזר הייתה מכרעת לפיתוח המהיר של הדור החדש ביותר של תוספי לייזר מאושרי FDA. הופעתם של לייזרי סיב יטרביום בננו-שניות היא אחת מההתקדמויות המשמעותיות ביותר בסימון, בריתוך ובחיתוך. באופן מהותי, לייזרי סיב שונים 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 סיב אופטי עד לאופטיקת העברת הקרן.

לייזרי סיב מניבים איכות קרן ובהירות מעולות בהשוואה ללייזרי Nd:YAG. אחד המדדים לאיכות 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 בפולס קבוע ומשתנה (MOPA) עם אנרגיית פולס של עד 1 mJ וצפיפות הספק גבוהה יכולים לסמן פולימרים רבים שהיו קשים לסימון בעבר. גם ללייזרי Vanadate ערך M2 קטן, עם רוחב פולס קצר יותר מלייזרי סיב קבועים ולייזרי YAG. משך הפולס משפיע על מידת החום והפיחום בחומר. רוחב פולס קצר (יותר) יכול להיות יתרון ביישומי פולימרים רגישים.

IPG Photonics, מפתחת ויצרנית מובילה של לייזרי סיב בעלי ביצועים גבוהים, מציעה הן לייזרים בפולס קבוע (המכונים לעיתים "Q-switch") והן לייזרים בפולס קצר משתנה (MOPA). פיתוח היישום ספציפי מאוד. בחירת סוג הלייזר לשילוב נקבעת לפי מאפייני היציאה של הלייזר באינטראקציה עם חומר הפולימר המותאם. ראו את הגרפים שלהלן, המייצגים צורות פולס בזמן של לייזרי סיב יטרביום בעלי אורך פולס קבוע ומשתנה (MOPA) – IPG Photonics.

בעת הגדרת לייזר סיב בעל אורך פולס קבוע לסימון יש להגדיר שני קלטים.

• קצב חזרת פולסים (המכונה לעיתים תדר פולסים)
• הספק שאיבה באחוזים (100 אחוז מתייחס להזנה החשמלית המרבית האפשרית לדיודות השאיבה)

בעת הגדרת לייזר סיב MOPA בפולס קצר משתנה לסימון מגדירים שלושה קלטים.

• משך פולס (המכונה לעיתים אורך פולס)
• קצב חזרת פולסים (תדר פולסים)
• הספק שאיבה באחוזים (100 אחוז מתייחס להזנה החשמלית המרבית האפשרית לדיודות השאיבה)

בשני הגרפים בעמוד הקודם, השילוב הספציפי של פרמטרי הקלט שולט בתכונות היציאה של קרן הלייזר, דהיינו אנרגיית הפולס, הספק השיא (השיא המיידי הגבוה ביותר של אנרגיית הפולס, J/משך פולס) וההספק הממוצע (הספק ממוצע בוואט = אנרגיית פולס בג'ול × קצב חזרת פולסים בהרץ).

לא כל לייזרי Fiber, Vanadate ו-YAG מוסטי הקרן שווים. לרכיבי החומרה והתוכנה המשולבים במערכות של יצרן הלייזר יש השפעה משמעותית על ניגודיות הסימון, איכותו ומהירותו. מאפיין עיקרי הוא צפיפות ההספק (וואט/סמ"ר) 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, upcollimator).

קצב חזרת הפולסים וצפיפות הספק השיא הם פרמטרים קריטיים ביצירת הסימון ובהשגת ניגודיות ומהירות אופטימליות. העקומות האריתמטיות של הספק לעומת קצב חזרת פולסים הן ביחס הפוך. 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. גורמים נוספים המשפיעים על ניגודיות הסימון ואיכותו הם כמובן מהירות הקרן ומרחק ההפרדה בין קווי הווקטור.

סיכום

הדור החדש ביותר של תוספי לייזר מאושרי FDA המשולבים בפולימרים מניב ניגודיות סימון, פירוט קצוות קו ומהירות מעולים. סימון בלייזר "בתנועה" בקו הייצור מחליף כעת הדפסת גרווירה סיבובית והדפסת טמפו. ההתקדמות בטכנולוגיית לייזרי סיב במחירים נגישים הייתה מכרעת. יתרונות אלה מקזזים במהירות את עלות תוסף החומר הנוספת. כימיית מדעי החומרים המיטבית לסימון בלייזר על פלסטיק דורשת מומחיות בפולימרים, בצבענים, פיגמנטים וצבעים מבחינת מסיסות, גודל חלקיקים, מגבלות ריכוז סף, התאמת צבע ואישורי רגולציה (GRAS, FDA מגע ישיר/עקיף עם מזון). לא כל הלייזרים שווים.

הכרת תודה

• Dr. Tony Hoult, IPG Photonics, "Laser Marking with Fiber Lasers," Industrial Laser Solutions, September 2012.
• BASF 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, Feature Article, "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.

---