טיפולים מקדימים בפני השטח ודיו מותאם מקדמים הדפסת הזרקת דיו על פלסטיק ועל יריעות

טיפולים מקדימים בפני השטח ודיו מותאם מקדמים הדפסת הזרקת דיו על פלסטיק ועל יריעות

טכנולוגיות הדפסה דיגיטליות, כגון הזרקת דיו ולייזר על פלסטיק, מעניקות ליצרנים יתרונות עצומים בהשוואה לשיטות אנלוגיות מסורתיות, למשל הדפסת טמפו, הטבעה בחום והדפסת משי. הדפסה דיגיטלית מאפשרת התאמה אישית מלאה של המוצר, זיהוי אלפאנומרי ייחודי של חלקים, אבטחת מוצרים, סידור סדרתי, ברקודים וקודים דו-ממדיים, לוגואים, גרפיקה ועוד. יכולות אלה חיוניות ליקום הדיגיטלי האינטראקטיבי של ימינו. יתרון נלווה הוא היכולת להדפיס על מוצרים מורכבים בסוף תהליכי הייצור, מה שמאפשר חיסכון בעלויות וניהול מלאי טוב יותר. מאמר זה בוחן שני סוגים של שיטות הדפסה וסימון דיגיטליות: הדפסת הזרקת דיו פיאזואלקטרית בצבע מלא בשיטת הזרקה לפי דרישה (drop-on-demand) וסימון בלייזר סיבי בסריקת קרן. הזרקת דיו פיאזואלקטרית לפי דרישה (DOD) ולייזר סיבי הן טכנולוגיות מודרניות המציעות יתרונות רבים להתאמה אישית של מוצרים (ושל ייצור המוני).

הדפסת הזרקת דיו פיאזואלקטרית DOD וסימון בלייזר סיבי בסריקת קרן הם שניהם תהליכים דיגיטליים ללא מגע. יצרנים רבים כבר מכירים בערך שבהצעת שתי הטכנולוגיות כדי לעמוד בדרישות הדפסה מותאמות על מצעים פולימריים מגוונים. אי אפשר לומר במדויק שאחת הטכנולוגיות טובה או גרועה מהשנייה, בשל השונות בדרישות היישום. ההחלטה איזה תהליך עדיף (הזרקת דיו או לייזר) ביישום נתון עשויה להיראות קלה. לדוגמה, אם נדרשים צבע אחד או יותר (מותאמים) להדפסה על ניילון לבן מחוזק בסיבי זכוכית, בוחרים בהזרקת דיו. ואם נדרשת ניגודיות שחורה עמוקה ובלתי מחיקה על ניילון לבן, בוחרים בסימון בלייזר. אולם במציאות, דיו להזרקה אינו נדבק בקלות לניילון (או לרוב הפולימרים בעלי אנרגיית פני שטח נמוכה) ללא דיו מיוחד וטיפול מקדים. כדי להשיג ניגודיות שחורה על ניילון לבן (ועל פולימרים בהירים רבים אחרים) נדרשים תוספים המשפרים את הקליטה של הלייזר.

פתרונות סימון והדפסה עמידים דורשים הנדסה מדויקת של כימיית הדיו והלייזר, מדע פני השטח של הפולימר, תכנון התהליך והציוד. לעיתים קרובות מדי חברות בוחרות לרכוש ציוד כללי "מדף" שאינו מספק את התוצאות הנדרשות. לכן חשיבותם של ההיבטים של "פתרון כולל" בטכנולוגיות הדפסת הזרקת דיו וסימון בלייזר, כמדריך לרכש מערכות ולאופטימיזציה של התהליך, הופכת לגבוהה מאוד.

נקודות עיקריות

• הזרקת דיו ולייזר משלימים זה את זה ואינם מתחרים. אף אחד מהם אינו עדיף באופן כללי; היישום הוא שקובע.
• הידבקות הדיו היא בעיה של אנרגיית פני שטח. יש לשאוף לאנרגיית פני שטח של המצע הגבוהה בכ-10 dyne/cm ממתח הפנים של הדיו.
• ריפוי UV LED החליף את מנורות הכספית — הדלקה וכיבוי מיידיים, אורך חיים של מעל 20,000 שעות, ללא חימום IR וכמות אוזון קטנה בהרבה.
• סימון בלייזר מחייב תוספים, משום שלרוב הפולימרים אין קליטה עצמית באינפרא-אדום קרוב.
• ציוד "מדף" הוא נקודת הכשל הנפוצה. בהזרקת דיו בפרט נדרשת אינטגרציה בין ראש ההדפסה, הדיו, הריפוי, הטיפול המקדים וטיפול בחלקים.

שאלות נפוצות

האם לבחור בהדפסת הזרקת דיו או בסימון בלייזר לחלקי פלסטיק?

הזרקת דיו כשנדרשים צבע אחד או יותר; לייזר כשנדרשים סימנים חד-גוניים בניגודיות גבוהה ובלתי מחיקים וללא חומרים מתכלים. בפועל ההחלטה כמעט אף פעם אינה פשוטה כל כך — דיו להזרקה אינו נדבק לניילון ולפולימרים אחרים בעלי אנרגיית פני שטח נמוכה ללא דיו מיוחד וטיפול מקדים, וסימון בלייזר דורש תוספים משפרים כדי להשיג ניגודיות על פולימרים בהירים.

מדוע דיו UV להזרקה אינו נדבק לחלקי הפלסטיק שלי?

בגלל אנרגיית פני שטח. לדיו UV יש מתח פנים נמוך, בסביבות 25 dyne/cm, ורוב פלסטיקי ההנדסה אינרטיים כימית, לא נקבוביים ובעלי אנרגיה נמוכה. הידבקות מקובלת דורשת בדרך כלל שהמצע יהיה גבוה בכ-10 dyne/cm מהדיו. טיפול מקדים בפני השטח סוגר את הפער הזה.

מהם היתרונות של ריפוי UV LED על פני מנורות כספית?

UV LED פולט תחום צר שמרכזו בסביבות 395 nm, ולכן כמעט כל האנרגיה שימושית לצורך יזום פוטוכימי. הוא נדלק ונכבה מיידית, מחזיק מעל 20,000 שעות — בערך פי עשרה ממנורת UV — אינו פולט אינפרא-אדום, מה שמתאים לפלסטיק רגיש לחום, ומייצר הרבה פחות אוזון.

מהי הזרקת דיו בגווני אפור ומדוע היא חשובה?

הזרקת דיו רגילה היא בינארית: כל פיקסל מקבל טיפה או אינו מקבל. ראשי הדפסה בגווני אפור פולטים כמה טיפות קטנות במהירות מספקת כדי שיודפסו כנקודה אחת, וראשים מתקדמים מציעים שמונה רמות. התוצאה היא רזולוציה נראית גבוהה יותר באופן ניכר מאותה רזולוציה מקורית של הראש.

מדוע מערכות הזרקת דיו "מדף" נכשלות לעיתים קרובות על פלסטיק?

כי אף יצרן בודד אינו מספק את כל הרכיבים. מערכת פועלת משלבת ראש הדפסה, אלקטרוניקת הנעה, דיו, טיפול בחלקים, בקרת תנועה, מקרין ריפוי ותוכנת פרוטוקול קבצים. בניגוד להדפסת טמפו או משי, אין חבילה מלאה "מפתח בידיים", ולכן יש להנדס את התאימות בין הרכיבים.

טכנולוגיית הזרקת דיו UV LED פיאזואלקטרית "לפי דרישה" (Drop-On-Demand)

הזרקת דיו היא תהליך ללא מגע, ממחשב להדפסה, שבו טיפות דיו מוטלות לעבר מצע בתבנית פיקסלים סדירה בצירי x-y הנגזרת מקובץ דיגיטלי. הרכיבים העיקריים במערכת הם מכלול ראש הדפסה, בקרי אלקטרוניקה להנעת ראש ההדפסה, דיו UV, מקרין ריפוי וטיפול בחלקים בבקרת תנועה.

הרכיב הבסיסי הוא ראש ההדפסה (איור 2). בו מאגר דיו ומספר רב של תאי דיו קטנים בעלי דיזות עגולות שמהן נפלטות הטיפות. הדיזות מסודרות בקו ניצב לכיוון התנועה. כל ראש יכול להכיל שורה אחת עד חמש שורות של דיזות, וכל שורה כוללת 128, 256, 512 או 768 דיזות. לכל צבע יש מאגר דיו וראש (או ראשי) הדפסה משלו. במדפסת המתוכננת ראשי ההדפסה סורקים הלוך ושוב (בכיוון x) והפריטים מתקדמים (בכיוון y) בכל מעבר. גודל הצעד והמרווח בין הדיזות מותאמים זה לזה (איור 1). ככל שהירי תדיר יותר והצעדים קטנים יותר, מרווחי הפיקסלים המקבילים יכולים להיות קרובים בהרבה למרווח הדיזות. לדוגמה, ראש של 300 dpi יכול להדפיס ב-300×300, 300×600 וכן הלאה עד 2400×2400 נקודות לאינץ'. הדפסה רגילה היא בינארית – בכל מיקום יש טיפה או אין טיפה. טכנולוגיה מתקדמת מציעה גווני אפור, כלומר ניתן לשנות במכוון את נפח הדיו של כל נקודה.

תכנון ראש הדפסה פיאזואלקטרי DOD

בהזרקת דיו פיאזואלקטרית לפי דרישה, עיוות של החומר הפיאזוקרמי גורם לשינוי בנפח הדיו בתא הלחץ וליצירת גל לחץ המתקדם לעבר הדיזה. גל לחץ אקוסטי זה מתגבר על אובדן הלחץ הצמיגי בדיזה קטנה ועל כוח מתח הפנים של מניסקוס הדיו, כך שטיפת דיו יכולה להתחיל להיווצר בדיזה. כשהטיפה נוצרת, הלחץ חייב להספיק כדי לדחוף אותה לעבר מצע ההקלטה (איור 2). צמיגות בין 10 ל-20 mPa-s מבטיחה שהנוזל נע במהירות. בדרך כלל העיוות של מפעיל פיאזואלקטרי הוא בסדר גודל תת-מיקרוני. כדי להשיג תזוזת נפח דיו גדולה מספיק ליצירת טיפה, הגודל הפיזי של המפעיל הפיאזואלקטרי גדול לרוב בהרבה מפתח הדיו. כל פיקסל על המצע מכוסה בדיו או אינו מכוסה – בחירה בינארית. הזרקת דיו בגווני אפור שונה בכך שראש ההדפסה יכול לפלוט כמה טיפות קטנות במהירות רבה ביותר – מהר מספיק כדי שיודפסו כנקודה אחת. לראשים מתקדמים שמונה רמות – מאפס עד שבע טיפות. התוצאה היא רזולוציה נראית גבוהה משמעותית באותה רזולוציה מקורית כמו בהדפסה בינארית.

דיו הניתן לריפוי ב-UV

דיו וציפויים הניתנים לריפוי בקרינה אולטרה-סגולה (UV) מועדפים ביישומים תעשייתיים וחיצוניים משום שלאחר הריפוי הם קשיחים ועמידים. יש להם טווח צבעים מלא, ובשילוב רזולוציה עדינה הם מספקים איכות הדפסה יוצאת דופן. תכשירי UV כוללים פוטו-יוזמים, מונומרים, אוליגומרים, חומרי צבע ותוספים. המונומרים והאוליגומרים מהווים כ-85 אחוזים מהתכשיר, חומרי הצבע עשויים להגיע ל-10 אחוזים, הפוטו-יוזמים כחמישה אחוזים, וחומרים פעילי שטח ומייצבים אחוז עד שניים.

חשיפה ל-UV גורמת לקשרי הפוטו-יוזם להישבר ויוצרת שתי ישויות של רדיקלים חופשיים. אלה מתחילים תגובת שרשרת דרך המונומרים והאוליגומרים, שתוצאתה קישור צולב נרחב אך לא מלא (ריפוי) של השרפים. התגובה אקסותרמית, ומקורות UV פולטים גם חום. עליית הטמפרטורה יכולה לסייע גם להידבקות וגם למידת הריפוי, המשפיעה על עמידות הנוזלים המרופאים בשחיקה, בסימני שפשוף ובשריטות1. אתגר בגיבוש דיו לריפוי UV הוא עמידה בדרישה לצמיגות נמוכה מאוד תוך יצירת פולימרים שימושיים. עם זאת, בחימום הדיו, ראשי ההדפסה ומערכת אספקת הדיו לכ-50ºC מתקבלות צמיגויות מתאימות לראשי הדפסה פיאזואלקטריים, אם כי בעלות גבוהה משמעותית מזו של מערכות בטמפרטורת החדר.

תאימות בין דיו למצע פלסטיק

כל תהליכי ההדפסה בדיו דורשים שכימיית הדיו הנוזלי (UV, מוצקים, תרמי וכו') תהיה תואמת למצע הפלסטיק כדי להשיג הרטבה נאותה של פני השטח. דיו UV הוא בדרך כלל בעל מתח פנים נמוך יותר (כ-25 dyne/cm) מדיו להדפסת טמפו או משי. גורם עיקרי לתאימות בין דיו למצע הוא שפלסטיקים רבים הם משטחים אינרטיים כימית, לא נקבוביים ובעלי אנרגיית פני שטח נמוכה. טיפולים מקדימים בפני השטח של שרפי הנדסה עתירי ביצועים כיום פותרים את רוב בעיות הידבקות הדיו. ככלל, הידבקות דיו מקובלת מושגת כשאנרגיית פני השטח של המצע (הנמדדת ב-dyne/cm) גבוהה בכ-10 dyne/cm ממתח הפנים של הנוזל. במצב זה אומרים שהנוזל "מרטיב" את פני השטח או נדבק אליהם.

מתח פנים, המהווה מדד לאנרגיית פני שטח, הוא התכונה (הנובעת מכוחות מולקולריים) שבה כל הנוזלים, באמצעות התכווצות פני השטח, נוטים להביא את הנפח שהם מכילים לצורה בעלת שטח הפנים הקטן ביותר. לכן ככל שאנרגיית פני השטח של המצע המוצק גבוהה יותר ביחס למתח הפנים של נוזל, כך ה"הרטבות" שלו טובה יותר וזווית המגע קטנה יותר. (למידע מפורט על טיפולים מקדימים בפני השטח, ראו "Plasma Surface Pretreatment of Polymers for Improved Adhesion" בעמודים 44-51 בגיליון אפריל/מאי 2018 של Plastics Decorating.)

טיפולים מקדימים בפני השטח משמשים להגדלת אנרגיית פני השטח ולשיפור תכונות ההרטבה וההידבקות של חומרים פולימריים. בתעשייה נעשה שימוש במגוון תהליכי טיפול מקדים של חימצון פני השטח בפאזה גזית, ובהם פלזמת גז קר בלחץ נמוך (מיקרוגל/RF), חשמלי (פריקת קורונה), פלזמת להבה ופלזמה אטמוספרית בטמפרטורה נמוכה וללא מתח. כל שיטה ייחודית ליישום מסוים ולה יתרונות ומגבלות אפשריות משלה. כל אחד מהתהליכים הללו מאופיין ביכולתו ליצור "פלזמת גז" – גז תגובתי ביותר המורכב מאלקטרונים חופשיים, יונים חיוביים וגורמים כימיים נוספים. במדעי הפיזיקה המנגנונים שבהם נוצרות הפלזמות שונים, אך השפעתם על הרטיבות של פני השטח דומה. לעיתים ניתן להשתמש בפריימרים כימיים במקום בתהליכי פלזמת גז.

ריפוי UV LED

עד לאחרונה כל הריפוי יוזם באמצעות מנורות פריקה של כספית. לכספית ספקטרום פליטה רחב מאוד, כשיותר אנרגיה נפלטת כחום מאשר כ-UV. יעילות נמוכה היא חיסרון אחד. חיסרון אחר הוא חימום הדיו והמצע, המונע שימוש בריפוי UV במספר רב של יישומים. (מנורות כספית מייצרות אוזון ברמות מסוכנות לבריאות, סיבוך נוסף.) מנורות UV LED (איור 3) מחליפות כיום את נורות הכספית. ריפוי UV LED משתמש בדיודות פולטות אור הפולטות תחום צר של UV ומספקות שיא של אנרגיית UV – בדרך כלל ממורכז ב-400nm – ולכן רוב האנרגיה שימושית ליזום פוטוכימי. כמות מתונה נראית לעין, אך מעט מאוד היא אינפרא-אדום (IR).

יתרון נוסף הוא שהן כמעט נדלקות ונכבות מיידית, מה שמקצר זמני השבתה ומפחית בזבוז אנרגיה וחומרים, כמו בעת הגעת מנורות כספית להספק מלא. לריפוי UV LED יתרונות נוספים על פני מנורות אדי כספית (Hg) מסורתיות. התקני מוליכים למחצה קטנים מתוכננים לפעול מעל 20,000 שעות, פי 10 בערך ממנורות UV. הפלט עקבי ביותר לאורך זמן רב. UV LED פולט UV טהור ללא IR, ולכן הוא ידידותי לתהליך על מצעי פלסטיק רגישים לחום. ללא האור באורכי הגל הקצרים מאוד, נוצר הרבה פחות אוזון.

מערכות ציוד להזרקת דיו

תהליך הדפסת הזרקת דיו שונה משיטות הדפסה מסורתיות בדיו בכך שנדרשת הנדסה במגוון תחומים נפרדים לאינטגרציה של מערכות "מפתח בידיים". לעומת זאת, יצרני ציוד להדפסת טמפו ומשי כמעט תמיד יכולים לספק מערכות מלאות הכוללות דיו, חומרים מתכלים להדפסה, ציוד ריפוי, אוטומציה וציוד ניקוי כימי. רכיבי מערכת הזרקת דיו כוללים את ראש ההדפסה, אלקטרוניקת ההנעה, הדיו, חומרה לטיפול בחלקים ולבקרת תנועה, ומקרין הריפוי. בנוסף, יש להעביר מידע דיגיטלי לראש ההדפסה באמצעות פרוטוקול קבצים בחומרה ובתוכנה, כולל תוכנת ההנעה של הבקר הראשי. אף יצרן בודד אינו מספק את כל הרכיבים האמורים לכל יישום מותאם. ידע הנדסי רחב בכל רכיבי הזרקת הדיו ובתאימות בין חלקי המערכת הוא קריטי להשגת פעילות ייצור יציבה.

טכנולוגיית סימון בלייזר סיבי איטרביום

מסמנים בלייזר בסריקת קרן משתמשים במראות המורכבות על גלוונומטרים מהירים בשליטת מחשב כדי לכוון את קרן הלייזר על פני השטח המיועד לסימון, בדומה לכתיבה בעיפרון על נייר. כל גלוונומטר, אחד בציר Y ואחד בציר X, מספק את תנועת הקרן בשדה הסימון. מכלול עדשת שדה שטוח ממקד את אור הלייזר כדי להשיג צפיפות הספק גבוהה על פני המצע. איור 4 מציג מערכת אספקת קרן אופטית המשתמשת בגלוונומטרים בשליטת מחשב.

מנגנוני תגובה בסימון בלייזר של פולימרים

רוב הפולימרים אינם בעלי תכונות קליטת NIR ללא תוספים כימיים, ולכן סימונם בלייזר קשה או בלתי אפשרי. תוספים כימיים חדשניים יכולים ליצור ניגודיות שחורה עמוקה, בהירה או בצבע מותאם, הן בסימון תוך כדי תנועה והן בתהליכי עיבוד משני. שקיפות הפולימר, ההעברה הספקטרלית והתכונות הפיזיקליות הבסיסיות אינן נפגעות.

פולימרים שניתן לסמן בלייזר הם אלה הקולטים אור לייזר וממירים אותו מאנרגיית אור לאנרגיה תרמית. מומחים משתמשים בתוספים, חומרי מילוי, פיגמנטים וצבענים כדי לשפר את קליטת אנרגיית הלייזר לשינויי צבע מקומיים. בניגוד לדעה הרווחת, אין תוסף לייזר יחיד שפותר את כל בעיות הסימון. נעשה שימוש בכימיות גיבוש שונות מאוד, בסוג לייזר (סיבי, YAG, ונדאט) ובפרמטרי אופטיקה והגדרות לייזר, בהתאם לניגודיות הסימון ולפונקציונליות הרצויות.

תוספי לייזר לאינפרא-אדום קרוב משפרים את מידת הניגודיות, ואותה ניתן להעצים עוד על ידי שינוי פרמטרי ההגדרה של הלייזר. ניתן לערבב אותם, בצורת גרנולט או אבקה, בחומר צבע מורכב מראש או בקונצנטרט צבע. הבחירה איזה תוסף לשלב תלויה בהרכב הפולימר, בצבע המצע, בצבע ניגודיות הסימון הרצוי ובדרישות ההסמכה לשימוש הסופי.

לפולימרים יש מאפיינים מובנים המניבים ניגודיות סימון כהה או בהירה. גם תרכובות צבע מסוימות המכילות כמויות נמוכות של טיטניום דיאוקסיד (TiO2) ופחמן שחור עשויות לקלוט אור לייזר, ובמקרים מסוימים לשפר את ניגודיות הסימון. כל דרגת פולימר, גם בתוך אותה משפחה פולימרית, יכולה להניב תוצאות שונות. תכשירי תוספים אינם יכולים להיות רעילים או לפגוע במראה המוצרים או בתכונותיהם הפיזיקליות או התפקודיות.

מנגנון התגובה הנפוץ ביותר בפני השטח נקרא פיחמון תרמו-כימי, או "חרירה", שבו האנרגיה הנקלטת במצע מעלה את הטמפרטורה המקומית של החומר סביב אתר הקליטה במידה מספקת כדי לגרום לפירוק תרמי של הפולימר (איור 5 [b]). מידת הכהות או הבהירות של הסימון תלויה באנרגיה הנקלטת ובנתיב הפירוק התרמי הייחודי של החומר. באמצעות אופטימיזציה של הגדרות הלייזר, שאריות הפיחמון על פני השטח מזעריות.

תוספים שכאשר הם מעורבבים במטריצת חומר הצבע של השרף מניבים ניגודיות סימון כהה מכילים לרוב תערובות של תחמוצת בדיל מסוממת באנטימון, אנטימון טריאוקסיד או חלקיקי אלומיניום. כולם מתפזרים בקלות בפולימרים. ריכוזי העמסה אופייניים לפי משקל הם 0.01 עד 3.0 אחוזים. רבים מהתכשירים הסופיים קיבלו אישור FDA לשימוש בתנאים A-H של 21 CFR 178.3297 (חומרי צבע לפולימרים).

תגובת פני שטח שנייה היא שינוי כימי, באמצעות תוספים המשחררים קיטור במהלך הפירוק, וכתוצאה מכך הפולימר מתקצף (איור 5(c)). במהלך תהליך ההקצפה אנרגיית הלייזר נקלטת בתוסף הנמצא בסמיכות לחומר ההקצפה. החום מהקולט גורם לחומר ההקצפה להתפרק ולשחרר קיטור. דוגמאות לחומרי הקצפה הם אלומיניום הידרוקסיד או קרבונטים שונים. כדי למנוע חרירה, המנגנון דורש שהפולימר יתפרק בטמפרטורה גבוהה מזו של תוסף ההקצפה. באמצעות בקרה הדוקה של פרמטרי הפעלת הלייזר ניתן ליצור סימנים בהירים איכותיים ועמידים על מצעים כהים. בקרת לייזר לקויה עלולה ליצור סימן פריך או בעל ניגודיות נמוכה, שניתן לשרוט בקלות (עמידות ירודה). איור 5(e), שפותח לאחרונה, מדגים ניגודיות שחורה עמוקה ולבן אטום באותו תכשיר (באישור FDA). פריצת דרך זו אידיאלית לפולימרים שקופים (אמורפיים).

שלישית, אנרגיית הלייזר משמשת לחימום או לפירוק של חומר צבע אחד בתערובת חומרי צבע, וכתוצאה מכך חל שינוי צבע (איור 5 [d]). דוגמה לכך היא תערובת של פחמן שחור וחומר צבע אנאורגני יציב. בחימום הפחמן השחור מוסר ונשאר חומר הצבע האנאורגני. מערכות חומרי צבע מעורבים אלה תלויות ביציבות הספציפית של חומרי הצבע, ולא כל שינויי הצבע אפשריים.

תגובת פני שטח מיוחדת נוספת, המוצגת באיור 5 (a), משלבת תוספי לייזר במבנה רב-שכבתי של תג זיהוי עם תמונה. מאפייני סימון ייחודיים ברזולוציה גבוהה, גלויים וסמויים, ו-RFID מספקים אבטחה חזקה נגד זיוף.

בהשוואה לתהליכי הדפסה בדיו (הדפסת טמפו/משי והזרקת דיו), תוספי לייזר חוסכים בעלויות ויכולים להציג מהירויות סימון גבוהות ב-20 אחוזים ויותר בהשוואה לחומרים שלא עברו אופטימיזציה. תוספי לייזר מסופקים בצורת גרנולט (כדורים) ואבקה. מוצרי גרנולט ניתנים לערבוב ישיר עם שרף הפולימר, ואילו צורות אבקה הופכות למאסטרבאץ'. רובם מתפזרים בקלות בפולימרים. בהתאם לתוסף ולפולימר, ריכוז ההעמסה לפי משקל (בחלק הסופי) נע בין 0.01 ל-4.0 אחוזים.

טכנולוגיית לייזר סיבי איטרביום בננו-שניות

שיפורים בטכנולוגיית הלייזר היו מכריעים בפיתוח המהיר של הדור החדש ביותר של תוספי לייזר בעלי אישור FDA. הופעתם של לייזרי סיבי איטרביום בננו-שניות היא אחת ההתקדמויות המשמעותיות ביותר בתחומי הסימון, הריתוך והחיתוך. באופן יסודי, לייזרי סיבים שונים מלייזרי סימון אחרים מבוססי מצב מוצק בשאיבת דיודות (DPSS). בלייזרי סיבים, המדיום הפעיל היוצר את קרן הלייזר מפוזר בתוך כבל סיב אופטי מיוחד. בניגוד ללייזרים המוליכים קרן בסיב, כל מסלול הקרן נמצא בתוך הכבל האופטי עד לאופטיקת אספקת הקרן. מבנה סיבי מלא זה אחראי במידה רבה לאמינות ולחוסן של לייזרים אלה, וזה מסביר את הצמיחה המהירה שלהם.

לייזרי סיבים מספקים איכות קרן (M2) ובהירות עדיפות בהשוואה ללייזרי Nd:YAG. לייזר בעל איכות קרן עדיפה ניתן למקד לגודל נקודה קטן, מה שמוביל לצפיפות אנרגיה גבוהה. לייזרי סיבים מסוג מתנד ראשי ומגבר הספק (MOPA) בפולס קבוע וזמן פולס משתנה, עם אנרגיית פולס של עד 1mJ וצפיפות הספק גבוהה, יכולים לסמן פולימרים רבים שהיה קשה לסמנם עד כה. גם ללייזרי ונדאט ערך M2 קטן, עם רוחב פולס קצר יותר מלייזרי סיבים קבועים ומלייזרי YAG. משך הפולס משפיע על מידת החום והפיחמון בחומר. פולסים קצרים, בדרך כלל ‹40ns, מאפשרים הזנת אנרגיה מבוקרת יותר בעיבוד חומרים פולימריים רגישים. לפולסים אלה עדיין יש הספק שיא להתגבר על ספי החומר, אך אנרגיית הפולס נמוכה יותר ומפחיתה נזק תרמי מקומי.

לא כל לייזרי הסיבים בסריקת קרן שווים. לרכיבי החומרה והתוכנה שיצרן הלייזר משלב במערכותיו יש השפעה משמעותית על ניגודיות הסימון, איכותו ומהירותו. מאפיין עיקרי הוא צפיפות ההספק (וואט/cm) על פני הסימון – שהיא שונה מהספק הפלט הגולמי של הלייזר. מצב הפלט של קרן הלייזר קריטי לביצועי הסימון. מצבי פלט אלה קשורים לגורמים הכוללים את התבדרות הקרן ואת פיזור ההספק לאורך קוטר קרן הלייזר.

צפיפות ההספק היא פונקציה של גודל נקודת הלייזר הממוקדת. גודל נקודת הלייזר הממוקדת, לכל אורך מוקד של עדשה ואורך גל של לייזר, הוא פונקציה של התבדרות קרן הלייזר, הנשלטת על ידי תצורת הלייזר, גודל הפתח הבוחר מצב והגדלת המקולימטור (מרחיב קרן). קצב חזרת פולסים וצפיפות הספק שיא הם פרמטרים קריטיים ביצירת הסימון ובהשגת הניגודיות והמהירות האופטימליות. הספק שיא גבוה בתדר נמוך מעלה במהירות את טמפרטורת פני השטח, מאדה את החומר ומוליך חום מזערי אל המצע. ככל שקצב חזרת הפולסים עולה, הספק שיא נמוך יותר מייצר אידוי מזערי אך מוליך יותר חום.

סיכום

טכנולוגיות הזרקת דיו דיגיטלית פיאזואלקטרית DOD ולייזר סיבי מציעות יתרונות רבים להתאמה אישית של מוצרים. פתרונות סימון והדפסה עמידים דורשים הנדסה מדויקת של כימיית הדיו והלייזר, מדע פני השטח של הפולימר, תכנון התהליך והציוד. לעיתים קרובות חברות שבוחרות לרכוש ציוד זול "מדף" אינן מצליחות לשלב מערכות עמידות בשל חוסר הבנה של התהליך. לכל תהליך יתרונות ומגבלות אפשריות. יצרנים רבים כבר מכירים בערך שבהצעת שתי הטכנולוגיות. יתרון נלווה הוא היכולת להדפיס על מוצרים מורכבים לחלוטין בסוף תהליכי הייצור, מה שמאפשר חיסכון בעלויות וניהול מלאי טוב יותר.

The Sabreen Group מציעה הדרכה והכשרה מקיפות באתר הלקוח בנושאי תהליכי הדבקה, טיפול מקדים בפלזמה וטכניקות ייצור מתקדמות. הדגמת ציוד לטיפול מקדים מתבצעת במתקנינו, באמצעות חלקי ייצור אמיתיים ובדיקות בזמן אמת. תוצאות מובטחות.

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

מקורות

• S. Sabreen, “Innovating inkjet technologies for plastics products,” Plastics Decorating magazine (Aug. 2013).
• M. Gailey, “Plastics additives allow inkless marking,” Photonics Spectra (Sept. 2013).
• S. Sabreen, “Fiber laser enables marking of advanced plastics,” Industrial Laser Solutions (Feb. 2013).

---