לייזרי סיב: בחירה ותוספים

לייזרי סיב: בחירה ותוספים

הערת העורך: בכתבה טכנולוגית זו עוסק Scott Sabreen בשני נושאים הקשורים ללייזרי סיב: בחירת סוג לייזר הסיב בעת סימון פלסטיק ושיפור ניגודיות הסימון באמצעות תוספים.

עיקרי הדברים

• לייזרי סיב שונים באופן מהותי מלייזרי DPSS אחרים, משום שהמדיום הפעיל פזור בתוך כבל הסיב האופטי עצמו.
• מבנה הסיב המלא מסביר את האמינות והעמידות שלהם, ומכאן את הצמיחה המהירה שלהם.
• לייזרים בעלי מתג Q מוגבלים לכ-80 kHz, מגבלה מובנית של הטכנולוגיה, ברוחב פולס של 100 עד 120 ns.
• DM-MOPA מגיע ל-500 kHz ברוחבי פולס של ננו-שניות, מה שמתורגם בדרך כלל לסימון מהיר יותר.
• אין פתרון לייזר אוניברסלי. פיתוח היישום ספציפי מאוד לחומר.

שאלות נפוצות

מה מבדיל לייזר סיב מלייזרי מצב מוצק אחרים?

המדיום הפעיל היוצר את הקרן פזור בתוך כבל סיב אופטי ייעודי, ובניגוד ללייזרים המוזנים בסיב, כל נתיב הקרן נשאר בתוך הכבל עד לאופטיקת ההעברה. מבנה הסיב המלא הזה אחראי במידה רבה לאמינות ולעמידות שלהם.

פולס קבוע או MOPA, במה לבחור?

זה תלוי בחומר. לייזרי פולס קבוע בעלי מתג Q, ב-100 עד 120 ns, משמשים בחלק מיישומי הסימון אך מוגבלים לקצב חזרה של כ-80 kHz בשל הטכנולוגיה עצמה. לייזרי MOPA בווסות ישיר מגיעים עד 500 kHz ברוחבי פולס של ננו-שניות, מה שמשמעו בדרך כלל סימון מהיר יותר.

האם קצב חזרה גבוה יותר תמיד משמעו סימון מהיר יותר?

בדרך כלל כן, אך רק בשילוב עם שאר פרמטרי הלייזר ומוליך הגל. קצב חזרה לבדו אינו קובע את התפוקה. גם אנרגיית הפולס, הספק השיא, מהירות הקרן ותגובת החומר משפיעים.

האם יש לייזר יחיד שהוא הטוב ביותר לפלסטיק?

לא. פיתוח היישום ספציפי מאוד, וסוג הלייזר שישולב נקבע לפי האופן שבו מאפייני היציאה של הלייזר מקיימים אינטראקציה עם חומר הפולימר המותאם. יש לבחור את החומר ואת הלייזר יחד.

כיצד תוספים משנים את מה שלייזר סיב יכול לסמן?

הם משפרים את מידת הניגודיות, שאפשר להגביר עוד באמצעות פרמטרי הגדרת הלייזר. לפולימרים יש נטייה מובנית לניגודיות כהה או בהירה, ואפילו דרגות בתוך אותה משפחה מניבות תוצאות שונות, ולכן התוסף מותאם לדרגה הספציפית.

בחירת לייזר סיב לסימון פלסטיק – איזה לייזר הוא הטוב ביותר?

לייזרי סיב מסוג יטרביום בננו-שניות הם מההתקדמויות המשמעותיות ביותר בסימון, בריתוך ובחיתוך. באופן מהותי, לייזרי סיב שונים מלייזרי סימון אחרים מסוג DPSS (מצב מוצק בשאיבת דיודה). 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. מבנה הסיב המלא הזה אחראי במידה רבה לאמינות ולעמידות של לייזרים אלה, שהן הסיבה לצמיחתם המהירה.

איזה סוג לייזר סיב – פולס קבוע או MOPA – הוא הטוב ביותר לסימון פלסטיק?

IPG Photonics, מפתחת ויצרנית מובילה של לייזרי סיב בעלי ביצועים גבוהים, מציעה הן לייזרים בפולס קבוע מסדרת YLP (המכונים לעיתים "Q-switch") והן לייזרים בפולס קצר משתנה YLPN (MOPA). לייזרי סיב בעלי מתג Q, בדרך כלל ברוחב פולס של 100 עד 120ns, משמשים בחלק מיישומי הסימון, אך קצב החזרה שלהם מוגבל לכ-80kHz בשל המגבלה המובנית של טכנולוגיית מתג Q. לייזרי סיב MOPA בווסות ישיר (DM-MOPA) יכולים לפעול בקצבי חזרה של עד 500kHz ברוחבי פולס של ננו-שניות. קצבי חזרה גבוהים מתורגמים בדרך כלל למהירות סימון גבוהה יותר (בשילוב עם פרמטרים אחרים של הלייזר/מוליך הגל).

פיתוח היישום ספציפי מאוד, ואין פתרון לייזר אוניברסלי. לייזרי MOPA בעלי משך פולס קצר מסוגלים לנצל במלואם את הביצועים של תוספים כימיים רגישים המשולבים בפולימרים. בקרה מרחבית וזמנית מקומית על הזנת החום מהלייזר ועל קצב הזנת החום מאפשרת ביצועים מרביים.

בחירת סוג הלייזר לשילוב נקבעת לפי מאפייני היציאה של הלייזר באינטראקציה עם חומר הפולימר המותאם. איור 2 מציג צורות פולס בזמן של לייזרי סיב יטרביום בעלי אורך פולס קבוע ומשתנה (MOPA).

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

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

• קצב חזרת פולסים (המכונה לעיתים תדר פולסים), ו
• 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) ו
• הספק שאיבה באחוזים, כמוסבר לעיל.

תוספי לייזר לסימון פלסטיק באמצעות לייזרי סיב

תוספי לייזר לאינפרא-אדום קרוב 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 או בתכונותיהם הפיזיקליות או התפקודיות.

בהשוואה לתהליכי הדפסה בדיו (הדפסת טמפו/רשת והזרקת דיו), תוספי לייזר חוסכים בעלויות ויכולים להציג מהירות סימון גבוהה ב-20 אחוז ויותר לעומת חומרים 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 הריכוז במשקל (בחלק הסופי) נעה בין 0.01 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. 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. פיזור והתפזרות הומוגניים של תוספי הלייזר בכל חלק הם קריטיים להשגת ביצועי סימון מיטביים.

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 – צבענים 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.

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.

---