סימון בלייזר סיב על פלסטיק ניילון (פוליאמיד)

סימון בלייזר סיב על פלסטיק ניילון (פוליאמיד)

הביקוש לסימון בלייזר בניגודיות גבוהה על מוצרי פלסטיק מניילון (פוליאמיד) גדל במהירות בשל מגוון היישומים התעשייתיים הרחב שלו. סימונים תפקודיים ודקורטיביים כוללים זיהוי אלפאנומרי, קודי ראייה מסוג Data Matrix/QR, תרשימים ומיקרו-מבנים.

פוליאמידים, כולל פוליפתלאמידים (PPA), הם בין הפולימרים המאתגרים ביותר לסימון בלייזר, בשל תכונות החומר המגוונות שלהם, תנאי היציקה ותצורות הלייזר. תוספים חכמים ללייזרים באינפרא-אדום קרוב פותרים בעיות ניגודיות בסימון ומגבירים את מהירות הסימון (זמן מחזור קצר יותר) מבלי לפגוע בתכונות החומר.

מאמר זה מספק הבנה של ניילונים, תוספים כימיים ולייזרי סיב להשגת סימון בלייזר בצבע ובניגודיות גבוהים ובפעולות חסכוניות.

עיקרי הדברים

• פוליאמידים, כולל PPA, הם בין הפולימרים הקשים ביותר לסימון, בשל התכונות המגוונות שלהם, תנאי היציקה ותצורות הלייזר.
• ניגודיות אינה רק שינוי צבע. גם עקיפת אור משתנה תורמת לה, לצד רזולוציית קו דק וחדות.
• צבע המצע הוא משתנה בפני עצמו, שכן פחמן שחור, TiO2 ומעכבי בעירה בולעים כולם אור לייזר באופן שונה.
• לייזרי סיב ממקדים לפחות מ-20 מיקרון, ומעניקים את צפיפות האנרגיה הגבוהה שסימון ניילון עדין דורש.
• MOPA בטווח 20 עד 50 ns הוא החלון היעיל להשגת צבע בניגודיות מעולה ברוב הפולימרים.

פרמטר בסיסי לתיאור איכות הסימון הוא ניגודיות הצבע בין המשטח המסומן למצע. ישנם שלושה מנגנוני פני שטח לשינוי צבע באמצעות לייזרי NIR, ובהם לייזרי סיב יטרביום, Vanadate (Nd:YVO4) ו-Nd:YAG: 1) סימון שחור באמצעות פיחמון, 2) סימון לבן באמצעות יצירת קצף ו-3) שינויי צבע בעקבות תגובות כימיות תרמיות שמעורר הלייזר בפולימרים צבועים¹. בין צבעי הניגודיות המבוקשים ביותר: לבן אטום על שחור, שחור עמוק על לבן ולבן אטום על כחול בינוני. שילובי צבעים אלה דורשים לרוב תוספים כימיים. תוספים משפרים את מידת ניגודיות הצבע (בליעת אור לייזר), וניתן להעצים אותה עוד באמצעות בחירת לייזר ופרמטרי סימון מיטביים.

שאלות נפוצות

מה מקשה על סימון ניילון בלייזר?

לפוליאמידים, כולל פוליפתלאמידים, תכונות חומר, תנאי יציקה ותצורות לייזר מגוונים, וכמו רוב הפולימרים הם אינם בולעים אור לייזר מטבעם, מה שמונע את שינוי הצבע היוצר את הסימון. תוספים המשפרים את תגובת הלייזר הם הפתרון לניגודיות, למהירות ולעמידות.

כיצד נמדדת איכות הסימון מעבר לניגודיות?

לפי נאמנות, כלומר רזולוציית קו דק וחדות. הניגודיות עצמה אינה מושגת תמיד רק בשינוי צבע, שכן עקיפת אור משתנה תורמת גם היא, ולכן יש להעריך את שני ההיבטים יחד.

האם צבע הניילון משפיע על הסימון?

כן. צבע המצע הוא גורם ממשי משום שלתרכובות כגון פחמן שחור, טיטניום דיאוקסיד ומעכבי בעירה יש מידות שונות של בליעת אור לייזר, מה ששונה את תגובת החומר.

מדוע לייזרי סיב יטרביום החליפו את YAG ביישום זה?

הם נכנסו לשוק הסימון התעשייתי בסביבות 2010 עם איכות קרן מעולה ובהירות גבוהה, וממקדים לכתם קטן מ-20 מיקרון לצפיפות אנרגיה גבוהה. הם גם רב-גוניים, חסכוניים, מוכנים לחיבור והפעלה מיידיים (plug-and-play) עם תחזוקה כמעט אפסית.

איזה טווח רוחב פולס עובד הכי טוב?

לייזרי סיב MOPA בפולס קצר משתנה בטווח 20 עד 50 ns יעילים במיוחד להשגת צבע בניגודיות מעולה ברוב הפולימרים, כולל ניילונים. לייזרי סיב בעלי מתג Q ב-100 עד 150 ns מוגבלים לקצב חזרה של כ-80 kHz.

מהו ניילון (פוליאמיד)?

פוליאמידים, או ניילון, הם משפחת התרמופלסטים ההנדסיים ובעלי הביצועים הגבוהים העיקרית, המכילה קשרי אמיד חוזרים, כלומר –CO-NH–. הם נוצרים בעיבוי יחידות זהות, וקופולימרים מיחידות שונות. ניילון מיוצר בפולי-עיבוי של דו-חומצה עם דו-אמין או בפילמור פתיחת טבעת של לקטמים בעלי שישה, 11 או 12 אטומי פחמן². מונומרים של ניילון יכולים להיות אליפטיים, חצי ארומטיים או ארומטיים (ארמידים), ומבנם יכול לנוע בין אמורפי לחצי גבישי, בדרגות שונות של גבישיות.

הפוליאמידים האליפטיים מיוצרים בקנה מידה גדול בהרבה מהפוליאמידים הארומטיים במלואם, והם אחת המשפחות החשובות ביותר של תרמופלסטים הנדסיים. ניגודיות הצבע בסימון בלייזר על ניילון עם 20% מילוי זכוכית ומרקם פני שטח מט: פוליאמידים אלה הם אמורפיים או גבישיים במידה מתונה בלבד כשהם מוזרקים, אך ניתן להגביר את מידת הגבישיות.

שני פוליאמידים חשובים הם פולי(הקסמתילן אדיפאמיד) (ניילון 6,6) ופולי-קפרולקטם (ניילון 6). פוליאמידים אליפטיים נוספים כוללים ניילון 12, 69, 6-10, 6-12, 46 ו-1212. ניילון 11 הוא פלסטיק הנדסי ביו-מבוסס הנגזר ממקורות מתחדשים (צמחי קיק).

פוליאמידים חצי ארומטיים וחצי גבישיים, הנוצרים בעיבוי של אמידים אליפטיים, כוללים PA 6T ו-PA 6I. פוליאמידים חצי ארומטיים הם לרוב חלופה חסכונית לארמידים הארומטיים במלואם, היקרים יותר. לפוליאמידים ארומטיים, המכונים ארמידים, חוזק גבוה יותר, עמידות טובה יותר בפני ממסים, להבה וחום ויציבות ממדית גדולה יותר מאשר לאמידים אליפטיים. אמיד ארומטי מוכר הוא Kevlar, פולי(p-פנילן טרפתלאמיד).

פוליאמידים, כולל פוליפתלאמידים (PPA), הם בין הפולימרים המאתגרים ביותר לסימון בלייזר, בשל תכונות החומר המגוונות שלהם, תנאי היציקה ותצורות הלייזר.

פוליפתלאמיד (PPA) הוא תת-קבוצה של שרפים סינתטיים תרמופלסטיים במשפחת הפוליאמידים (ניילון), המוגדרת כאשר 55% ויותר ממולות חלק חומצת הקרבוקסיל ביחידה החוזרת בשרשרת הפולימר מורכבים מהרכב זה. PPA הוא חצי ארומטי וחצי גבישי. ה-PPA ממלאים את פער הביצועים בין ניילונים אליפטיים, כגון PA6,6 ו-PA6, לבין הפוליארמידים היקרים בהרבה.

תוספים "חכמים"

פרמטר אחד לתיאור איכות הסימון הוא ניגודיות הצבע בין המשטח המסומן לרקע. הניגודיות אינה מושגת תמיד בשינוי הצבע עצמו, שכן ניתן להשיגה גם באמצעות עקיפת אור משתנה.

חשובה באותה מידה איכות הסימון ו/או נאמנותו, כלומר רזולוציית קו דק או חדות. פולימרים רבים, כולל ניילונים, אינם בולעים אור לייזר מטבעם, מה שמונע שינוי צבע. תוספים כימיים המשפרים את תגובת הלייזר משפרים משמעותית את ניגודיות הסימון, מהירותו ועמידותו (ראו תמונה 1). צבע המצע הוא גורם, שכן לתרכובות כגון פחמן שחור, TiO2 ומעכבי בעירה יש מידות שונות של בליעת אור לייזר.

תוספי לייזר מסופקים בצורת גרגירים (פלט) ואבקה. מוצרי גרגירים מעורבבים ישירות עם שרף הפולימר, ואילו צורות אבקה הופכות למאסטרבאץ'. רמת ריכוז הטעינה במשקל (בחלק הסופי) נעה בדרך כלל בין 0.01 ל-3.0%. פיזור והתפזרות הומוגניים של תוספי הלייזר בכל חלק הם קריטיים להשגת ניגודיות צבע מיטבית.

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 קיבלו אישור FDA למגע עם מזון ולשימוש באריזות מזון בתנאים A-H של 21 CFR 178.3297 – צבענים לפולימרים¹.

לייזרי סיב יטרביום

לייזרי סיב יטרביום NIR נכנסו לשוק הסימון התעשייתי בסביבות 2010 והחליפו את לייזרי ה-YAG המסורתיים. ללייזרי סיב איכות קרן (M2) מעולה ובהירות גבוהה, והם יכולים למקד לגודל כתם קטן (פחות מ-20 מיקרון), מה שמוביל לצפיפות אנרגיה גבוהה. לייזרי סיב הם רב-גוניים במיוחד, חסכוניים, מוכנים לחיבור והפעלה מיידיים (plug-and-play) עם תחזוקה כמעט אפסית.

לייזרי סיב בננו-שניות בפולס קבוע (בעלי מתג Q) ובפולס משתנה (MOPA) נמכרים בידי כמה חברות לייזר, ובהן IPG Photonics ו-SPI Lasers. לייזרי סיב בעלי מתג Q, בדרך כלל ברוחב פולס של 100 עד 150 ns, משמשים בחלק מיישומי סימון הפולימרים, אך קצב החזרה שלהם מוגבל לכ-80 kHz בשל המגבלה המובנית של טכנולוגיית מתג Q.

לייזרי סיב MOPA בווסות ישיר (DM-MOPA) פועלים בקצבי חזרה של עד 500 kHz ברוחבי פולס של ננו-שניות. רוחב הפולס [ns] הוא מדד לזמן שבין תחילת הפולס לסופו, המבוסס בדרך כלל על רוחב מלא בחצי הגובה (FWHM) של צורת הפולס.

קצבי חזרה גבוהים מתורגמים בדרך כלל למהירות סימון גבוהה יותר (בשילוב עם פרמטרים אחרים של הלייזר/צורת הגל). קיימים הבדלים משמעותיים בצורות הגל ובמידת הפיחמון של פני השטח³ (ראו תמונה 1).

בקרה מרחבית וזמנית מקומית על הזנת החום מהלייזר ועל קצב הזנת החום מאפשרת ביצועים מרביים. בפולימרים רגישי טמפרטורה, לייזרי סיב MOPA בפולס קצר משתנה יעילים במיוחד להשגת ניגודיות גבוהה ללא פיחמון מופרז.

ניתן להשיג סימון תת-משטחי על פלסטיק שקוף ליישומים רפואיים. בדרך כלל לייזרי MOPA מפיקים רוחבי פולס (משך פולס) מ-1 ns עד 250 ns (ומעלה). The Sabreen Group מצאה ש-20 ns עד 50 ns הוא טווח אידיאלי להשגת ניגודיות צבע מיטבית ביישומי פולימרים רבים, כולל ניילונים.

בניגודיות סימון קוסמטית ותפקודית, לתוספי לייזר יש השפעה קריטית כשנדרשים רזולוציה גבוהה, איכות קצה קו ותאי נתונים קטנים לסימון ישיר על החלק (DPM) של Data Matrix וברקוד. ככל שמחרוזת הנתונים ארוכה יותר, תאי הנתונים דחוסים יותר.

אימות בדרגה "A" נדרש לרוב במוצרים צבאיים, תעופתיים, לרכב ותרופתיים. לקריאות קוד בניגודיות גבוהה יתרונות נוספים: מהירויות סימון גבוהות יותר, ואפשר להשתמש בקוראים ידניים זולים בכל רחבי המפעל.

סיכום

פוליאמידים הם בין הפולימרים המאתגרים ביותר לסימון בלייזר. תוספי לייזר חכמים פותרים בעיות ניגודיות, מגבירים את מהירויות הסימון וחוסכים בעלויות. עבור סימון ישיר על החלק (DPM) של Data Matrix וברקוד, תוספי לייזר מספקים שיפורים קריטיים. לייזרי סיב MOPA בפולס קצר משתנה, בטווח 20 ns עד 50 ns, יעילים במיוחד להשגת צבע בניגודיות מעולה ברוב הפולימרים.

מקורות

1. Sabreen, S. Fiber Lasers: Selection and Additives, Plastics Decorating, November 2017. 2. Polyamide (PA) Nylon Complete Guide, SpecialChem 2019. 3. Brodsky, M. Wave Forms: A New Laser Tool, Optics & Photonics, March 2012.

Scott R. Sabreen הוא מייסד ונשיא The Sabreen Group, Inc., חברת ייעוץ הנדסי המתמחה בתהליכי ייצור משניים של פלסטיק, כגון טיפולים מקדימים בפני השטח, הידבקות והדבקה, הדפסת הזרקת דיו, סימון בלייזר, עיטור וגימור ואבטחת מוצרים. Sabreen מפתח טכנולוגיות חלוציות ופותר בעיות ייצור למעלה מ-30 שנה. ניתן ליצור עמו קשר בטלפון 972.820.6777 או באתר www.sabreen.com.

---