क्रांतिकारी एडिटिव्स से प्लास्टिक पर लेज़र मार्किंग बेहतर: उत्कृष्ट कंट्रास्ट, रेखा-किनारे का विवरण और गति

क्रांतिकारी एडिटिव्स से प्लास्टिक पर लेज़र मार्किंग बेहतर: उत्कृष्ट कंट्रास्ट, रेखा-किनारे का विवरण और गति

पॉलिमर में मिलाए गए लेज़र मार्किंग एडिटिव्स की नवीनतम पीढ़ी प्रौद्योगिकी में एक ठोस प्रगति है, जो सक्षम बनाने वाली और लागत बचाने वाली, दोनों साबित हुई है। प्रगतिशील मटेरियल साइंस फ़ॉर्मूलेशन उन प्लास्टिक पर उत्कृष्ट मार्किंग कंट्रास्ट, रेखा-किनारे का विवरण और गति प्राप्त करते हैं जिन पर लेज़र मार्किंग परंपरागत रूप से कठिन, बल्कि असंभव मानी जाती थी। किफ़ायती फाइबर, वैनाडेट और YAG लेज़र के लिए डिज़ाइन किए गए ये फ़ॉर्मूलेशन 1060-1070 nm निकट अवरक्त स्पेक्ट्रम में कार्य करते हैं। यह लेख “ऊष्मीय रासायनिक सतह कार्बनीकरण” के लिए डिज़ाइन किए गए गहरे रंग और हल्के रंग के लेज़र मार्किंग कंट्रास्ट अनुप्रयोगों की चर्चा करता है। यह सबसे आम पॉलिमरिक सतह अभिक्रिया है और “फ़ोमिंग” तथा “रंग” परिवर्तन प्रक्रियाओं से स्पष्ट रूप से भिन्न रासायनिक मार्ग है।

PVC, पॉलीकार्बोनेट और पॉलीओलेफ़िन सहित पारदर्शी और अर्ध-पारदर्शी पॉलिमर अब गैर-भारी-धातु, FDA-अनुमोदित एडिटिव्स से विशेष रूप से फ़ॉर्मूलेट किए जाते हैं। पॉलिमर की पारदर्शिता और स्पेक्ट्रल ट्रांसमिशन गुण अप्रभावित रहते हैं। इस उपलब्धि से एक्सट्रूडेड ट्यूब/पाइप उत्पादों पर “ऑन-द-फ़्लाई” और द्वितीयक संचालन में न्यूनतम सतह कार्बनीकरण अवशेष के साथ गहरा काला लेज़र मार्किंग कंट्रास्ट मिलता है। इन-लाइन स्याही-रहित लेज़र मार्किंग अब रोटरी ग्रैव्योर और पैड प्रिंटिंग की जगह ले रही है। (फ़ोटो A देखें।)

मुख्य बिंदु

• 1060–1070 nm निकट-अवरक्त बैंड के लिए डिज़ाइन किए गए, जो किफ़ायती फाइबर, वैनाडेट और YAG लेज़र को कवर करते हैं।
• ऊष्मीय रासायनिक सतह कार्बनीकरण सबसे आम पॉलिमरिक सतह अभिक्रिया है और इन फ़ॉर्मूलेशन का केंद्र है।
• कोई एकल एडिटिव मार्किंग की हर समस्या हल नहीं करता — रसायन और लेज़र सेटअप लक्षित कंट्रास्ट के अनुसार बदलते हैं।
• अंतिम पार्ट में भार के अनुसार लोडिंग 0.01% से 4.0% तक होती है, और रंग को पिगमेंट व डाई से समायोजित किया जाता है।
• अनुकूलित न की गई सामग्री की तुलना में 25% तक तेज़ मार्किंग, केवल 0.01% से 2.0% जैसी कम सांद्रता पर।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

अनुकूल रूप से फ़ॉर्मूलेट किए गए एडिटिव्स मार्किंग को कितना तेज़ कर सकते हैं?

स्वतंत्र अध्ययन सांख्यिकीय रूप से महत्वपूर्ण लाभ दिखाते हैं, जो अक्सर अनुकूलित न की गई सामग्री की तुलना में 25% या उससे तेज़ होते हैं और लगभग 0.01% से 2.0% की बहुत कम सांद्रता पर मिलते हैं। चूँकि मार्किंग का समय सीधे साइकिल-टाइम की लागत है, इसलिए यह एडिटिव की अतिरिक्त कीमत की शीघ्र भरपाई कर देता है।

निशान लगाने में कितना समय लगेगा, यह किससे तय होता है?

पॉलिमरिक सब्सट्रेट, खींची गई वेक्टर रेखाओं की संख्या, और बीम व गैल्वेनोमीटर स्कैन हेड उन रेखाओं को कितनी तेज़ी से खींचते हैं। लेज़र सॉफ़्टवेयर और वेक्टर फ़िल का प्रकार — यूनिडायरेक्शनल, बाइडायरेक्शनल या सर्पेंटाइन — भी मार्किंग समय को प्रभावित करते हैं।

एडिटिव मिलाने के बाद प्राकृतिक सब्सट्रेट कभी-कभी धूसर क्यों दिखता है?

कुछ एडिटिव्स में एंटीमनी-डोप्ड टिन ऑक्साइड और एंटीमनी ट्राइऑक्साइड के मिश्रण होते हैं, जो प्राकृतिक बिना रंग वाले सब्सट्रेट की अपारदर्शिता को धूसर आभा देते हैं। पिगमेंट और डाई से रंग समायोजन पार्ट को लक्षित कलर-मैच पर वापस ले आता है।

क्या एडिटिव्स पेलेट या पाउडर के रूप में उपलब्ध कराए जाते हैं?

दोनों रूप में। ग्रैन्यूल उत्पाद सीधे पॉलिमर रेज़िन के साथ मिल जाते हैं, जबकि पाउडर रूप को मास्टरबैच में बदला जाता है। दोनों को पूर्व-कंपाउंड की गई सामग्री या कलर कंसंट्रेट के रूप में उपलब्ध कराया जा सकता है।

लेज़र मार्किंग फ़ॉर्मूलेशन के लिए वास्तव में किस विशेषज्ञता की आवश्यकता होती है?

पॉलिमर और प्रत्येक परिवार के भीतर गुण-ग्रेड का ज्ञान, साथ ही घुलनशीलता, कण आकार, सीमा सांद्रता, कलर-मैच के संदर्भ में कलरेंट, पिगमेंट और डाई का ज्ञान, तथा GRAS और FDA प्रत्यक्ष व अप्रत्यक्ष खाद्य संपर्क सहित नियामक प्रमाणन की जानकारी।

पॉलिमरिक लेज़र मार्किंग अभिक्रिया की प्रक्रिया

जिन पॉलिमर को लेज़र से मार्क किया जा सकता है, वे वही हैं जो लेज़र प्रकाश को अवशोषित करके उसे प्रकाश ऊर्जा से ऊष्मीय ऊर्जा में बदल देते हैं। चूँकि अधिकांश पॉलिमर में 1060-1070nm पर अवशोषण गुण नहीं होते, इसलिए विशेषज्ञ स्थानीय रंग परिवर्तन के लिए लेज़र ऊर्जा का अवशोषण बढ़ाने वाले एडिटिव्स, फ़िलर, पिगमेंट और डाई का उपयोग करते हैं। उच्च कंट्रास्ट और रंगीन लेज़र मार्किंग पाने की मटेरियल साइंस रसायन विद्या कला भी है और विज्ञान भी। आम धारणा के विपरीत, ऐसा कोई एकल लेज़र एडिटिव नहीं है जो मार्किंग की सभी समस्याएँ हल कर दे। वांछित मार्किंग कंट्रास्ट और कार्यक्षमता के अनुसार बहुत भिन्न फ़ॉर्मूलेशन रसायन और लेज़र ऑप्टिक्स/सेटअप पैरामीटर उपयोग किए जाते हैं।

सबसे आम सतह अभिक्रिया प्रक्रिया ऊष्मीय रासायनिक “कार्बनीकरण” या “चारिंग” कहलाती है (फ़ोटो B देखें), जिसमें सब्सट्रेट में अवशोषित ऊर्जा अवशोषण स्थल के आसपास की सामग्री का स्थानीय तापमान इतना बढ़ा देती है कि पॉलिमर का ऊष्मीय क्षरण हो जाता है। जहाँ ऑक्सीजन की उपस्थिति में इससे पॉलिमर जल सकता है, वहीं सब्सट्रेट के भीतरी भाग में ऑक्सीजन की सीमित आपूर्ति के कारण पॉलिमर चार होकर काला या गहरा मार्किंग कंट्रास्ट बनाता है। निशान का गहरापन या हल्कापन अवशोषित ऊर्जा तथा सामग्री के अपने विशिष्ट ऊष्मीय क्षरण पथ पर निर्भर करता है।

लेज़र एडिटिव्स कंट्रास्ट की मात्रा बढ़ाते हैं, जिसे लेज़र सेट-अप पैरामीटर बदलकर और तीव्र किया जा सकता है। पॉलिमर में “गहरे रंग” या “हल्के रंग” का मार्किंग कंट्रास्ट देने की अंतर्निहित विशेषताएँ होती हैं। (फ़ोटो B देखें।) प्रत्येक पॉलिमर कलरेंट ग्रेड, एक ही पॉलिमर परिवार के भीतर भी, अलग परिणाम दे सकता है। TiO2, कार्बन ब्लैक और मिश्रित धातु ऑक्साइड की कम मात्रा वाले कलरेंट यौगिक भी लेज़र प्रकाश को अवशोषित करते हैं और कुछ मामलों में मार्किंग कंट्रास्ट बेहतर करते हैं।

प्राथमिक प्रसंस्करण, लेज़र एडिटिव्स और कलर-मैच

व्यावसायिक रूप से उपलब्ध लेज़र एडिटिव्स ग्रैन्यूल और पाउडर रूप में आपूर्ति किए जाते हैं। ग्रैन्यूल उत्पादों को सीधे पॉलिमर रेज़िन के साथ मिलाया जा सकता है, जबकि पाउडर रूप को मास्टरबैच में बदला जाता है।

इनमें से कुछ एडिटिव्स में एंटीमनी-डोप्ड टिन ऑक्साइड और/या एंटीमनी ट्राइऑक्साइड के मिश्रण होते हैं, जो प्राकृतिक (बिना रंग वाले) सब्सट्रेट की अपारदर्शिता को “धूसर” आभा देते हैं। अंतिम कलर-मैच स्वरूप पाने के लिए पिगमेंट और डाई से रंग समायोजन किया जाता है। विशिष्ट एडिटिव और पॉलिमर के आधार पर (अंतिम पार्ट में) भार के अनुसार लोडिंग सांद्रता 0.01 प्रतिशत से 4.0 प्रतिशत तक हो सकती है। ग्रैन्यूल और पाउडर, दोनों रूप पूर्व-कंपाउंड किए गए कलर मटेरियल या कलर कंसंट्रेट के रूप में उपलब्ध कराए जा सकते हैं।

लेज़र एडिटिव लोडिंग/कलर-मैच रसायन के दौरान यह असामान्य नहीं है कि तैयार उत्पाद में गणना की गई मात्रा से कम लेज़र एडिटिव हो। यह समस्या लगभग हमेशा एक्सट्रूज़न या मोल्डिंग के दौरान असमान वितरण से जुड़ी होती है। मोल्डिंग मशीन में सरल समायोजन, जैसे बैक प्रेशर और स्क्रू घूर्णन गति बढ़ाना, अधिकांश समस्याओं का समाधान कर देते हैं। इष्टतम मार्किंग प्रदर्शन पाने के लिए प्रत्येक पार्ट में लेज़र एडिटिव्स का समांगी वितरण/परिक्षेपण महत्वपूर्ण है। एक्सट्रूज़न, इंजेक्शन मोल्डिंग और थर्मोफ़ॉर्मिंग संचालन में, कलर कंसंट्रेट की तुलना में पूर्व-कलर-कंपाउंडेड सामग्री बेहतर एकरूपता देती है। हाथ से मिलाने से बचना चाहिए। मोल्ड फ़्लो और गेट का प्रकार/स्थान महत्वपूर्ण कारक हैं।

तेज़ मार्किंग गति = लागत में बचत

किसी पार्ट को मार्क करने में लगने वाला समय पॉलिमरिक सब्सट्रेट, खींची गई वेक्टर रेखाओं की संख्या और लेज़र बीम/गैल्वेनोमीटर स्कैन हेड द्वारा सभी रेखाएँ खींचने की गति का फ़ंक्शन है। लेज़र सॉफ़्टवेयर और वेक्टर फ़िल का प्रकार – यूनिडायरेक्शनल, बाइडायरेक्शनल या सर्पेंटाइन – भी मार्किंग समय को प्रभावित करता है।

नए स्वतंत्र अध्ययन दर्शाते हैं कि बहुत कम सांद्रता स्तर, सामान्यतः 0.01 प्रतिशत से 2.0 प्रतिशत, पर लेज़र एडिटिव फ़ॉर्मूलेशन मिलाने से सांख्यिकीय रूप से महत्वपूर्ण तेज़ मार्किंग गति प्राप्त की जा सकती है। अनुकूल रूप से फ़ॉर्मूलेट किए गए लेज़र एडिटिव्स लागत बचाते हैं और अनुकूलित न की गई सामग्री फ़ॉर्मूलेशन की तुलना में अक्सर 25 प्रतिशत या उससे तेज़ मार्किंग गति देते हैं। गति और गुणवत्ता में यह वृद्धि एडिटिव सामग्री की अतिरिक्त लागत की भरपाई से कहीं अधिक करती है।

लेज़र एडिटिव्स का विज्ञान (पृष्ठ 34 पर चित्र 1) 28mm लाइनरलेस बेवरेज क्लोज़र में उपयोग होने वाले दो हाई-डेंसिटी पॉलीएथिलीन का थर्मल ग्रैविमेट्रिक विश्लेषण (TGA) प्लॉट दिखाता है। दोनों पॉलिमर ऊष्मीय क्षरण के अलग-अलग तापमान प्रदर्शित करते हैं – यही वह प्रक्रिया है जो लेज़र निशान बनाती है। अधिक तापमान वाले पॉलिमर को वही निशान पाने के लिए अधिक लेज़र ऊर्जा, कम मार्किंग गति या अधिक अवशोषक एडिटिव की आवश्यकता होगी।

लेज़र एडिटिव्स के बिना, कुछ प्रसिद्ध औद्योगिक उत्पाद लागत-प्रभावी ढंग से नहीं बनाए जा सकते थे। एक रोचक अनुप्रयोग लाइनरलेस बेवरेज क्लोज़र में अंडरकैप प्रचार के लिए “ऑन-द-फ़्लाई” लेज़र मार्किंग है। टर्नकी सिस्टम प्रति मिनट 1,500 – 2,000 क्लोज़र तक की गति से विशिष्ट ग्राफ़िक्स और अल्फ़ान्यूमेरिक टेक्स्ट मार्क करने में सक्षम हैं। (फ़ोटो B देखें।)

लेज़र प्रौद्योगिकी

लेज़र प्रौद्योगिकी में हुई प्रगति लेज़र एडिटिव्स की नवीनतम पीढ़ी के तेज़ विकास में सहायक रही है। नैनोसेकंड फाइबर लेज़र का उदय मार्किंग, वेल्डिंग और कटिंग की सबसे महत्वपूर्ण प्रगतियों में से एक है। मूल रूप से, फाइबर लेज़र अन्य सॉलिड-स्टेट मार्किंग लेज़र से भिन्न होते हैं। फाइबर लेज़र में लेज़र बीम उत्पन्न करने वाला सक्रिय माध्यम एक विशेष फाइबर ऑप्टिक केबल के भीतर फैला होता है। फाइबर-डिलीवर्ड लेज़र के विपरीत, बीम का पूरा पथ बीम डिलीवरी ऑप्टिक्स तक फाइबर ऑप्टिक केबल के भीतर ही होता है।

फाइबर लेज़र उत्कृष्ट बीम गुणवत्ता और ब्राइटनेस देते हैं। बीम गुणवत्ता का मापदंड M2 है। M2 मान जितना छोटा होगा, बीम गुणवत्ता उतनी बेहतर होगी, और M2 = 1 आदर्श गॉसियन लेज़र बीम है। उत्कृष्ट बीम गुणवत्ता वाले लेज़र को छोटे स्पॉट आकार पर फ़ोकस किया जा सकता है, जिससे ऊर्जा घनत्व अधिक होता है। 1 mJ तक पल्स ऊर्जा और उच्च पावर डेंसिटी वाले फ़िक्स्ड और परिवर्तनीय पल्स फाइबर लेज़र नायलॉन, यूरेथेन और एसीटल सहित ऐसे कई पॉलिमर को मार्क कर सकते हैं जिन्हें ऐतिहासिक रूप से कठिन माना जाता था। वैनाडेट लेज़र में भी छोटा M2 मान होता है, और उनकी पल्स चौड़ाई फ़िक्स्ड फाइबर और YAG लेज़र से कम होती है। पल्स अवधि सामग्री में ऊष्मा और कार्बनीकरण की मात्रा को प्रभावित करती है। संवेदनशील पॉलिमरिक अनुप्रयोगों के लिए छोटी पल्स चौड़ाई लाभदायक हो सकती है।

सभी बीम-स्टीयर्ड फाइबर, वैनाडेट और YAG लेज़र एक समान नहीं होते। लेज़र निर्माता अपने सिस्टम में जो हार्डवेयर और सॉफ़्टवेयर घटक लगाता है, वे मार्किंग कंट्रास्ट, गुणवत्ता और गति में उल्लेखनीय अंतर पैदा करते हैं। एक प्रमुख विशेषता मार्क की सतह पर पावर डेंसिटी (वाट/cm²) है (जो लेज़र की कच्ची आउटपुट पावर से भिन्न है)। लेज़र बीम का आउटपुट मोड मार्किंग प्रदर्शन के लिए निर्णायक है। ये आउटपुट मोड बीम डायवर्जेंस और लेज़र बीम के व्यास में पावर वितरण जैसे कारकों से संबंधित हैं।

पावर डेंसिटी फ़ोकस्ड लेज़र स्पॉट के आकार का फ़ंक्शन है। किसी भी दी गई फ़ोकल लंबाई के लेंस और लेज़र तरंगदैर्घ्य के लिए फ़ोकस्ड स्पॉट का आकार लेज़र बीम डायवर्जेंस का फ़ंक्शन है, जिसे लेज़र कॉन्फ़िगरेशन, मोड-सिलेक्टिंग अपर्चर आकार और अपकॉलिमेटर (बीम एक्सपैंडर) मैग्निफ़िकेशन नियंत्रित करते हैं।

पल्स रिपीटिशन रेट और पीक पावर डेंसिटी मार्क बनाने तथा इष्टतम कंट्रास्ट और गति प्राप्त करने के महत्वपूर्ण पैरामीटर हैं। पावर बनाम पल्स रिपीटिशन रेट के अंकगणितीय वक्र व्युत्क्रमानुपाती होते हैं। कम आवृत्ति पर उच्च पीक पावर सतह का तापमान तेज़ी से बढ़ाती है और सब्सट्रेट में न्यूनतम ऊष्मा पहुँचाते हुए सामग्री को वाष्पित कर देती है। जैसे-जैसे पल्स रिपीटिशन बढ़ता है, कम पीक पावर से वाष्पीकरण न्यूनतम होता है, लेकिन ऊष्मा अधिक चालित होती है। मार्किंग कंट्रास्ट और गुणवत्ता को प्रभावित करने वाले अन्य योगदान देने वाले कारक, बेशक, बीम वेलोसिटी और वेक्टर रेखाओं के बीच की दूरी हैं।

निष्कर्ष

पॉलिमर में मिलाए गए लेज़र मार्किंग एडिटिव्स की नवीनतम पीढ़ी उत्कृष्ट मार्किंग कंट्रास्ट, रेखा-किनारे का विवरण और गति देती है। इन-लाइन स्याही-रहित लेज़र मार्किंग अब रोटरी ग्रैव्योर और पैड प्रिंटिंग की जगह ले रही है। ये लाभ एडिटिव सामग्री की अतिरिक्त लागत की शीघ्र भरपाई कर देते हैं। प्लास्टिक पर लेज़र मार्किंग के लिए इष्टतम मटेरियल-साइंस रसायन फ़ॉर्मूलेशन तैयार करने के लिए पॉलिमर, पॉलिमर परिवारों के भीतर गुण-ग्रेड, कलरेंट, पिगमेंट और डाई (घुलनशीलता, कण आकार, सीमा सांद्रता, कलर-मैच) तथा नियामक प्रमाणन (GRAS, FDA प्रत्यक्ष/अप्रत्यक्ष खाद्य संपर्क) में विशेषज्ञता आवश्यक है। मटेरियल-साइंस समाधान लागत-प्रभावी, उपयोग में आसान होने चाहिए और पॉलिमर के भौतिक व रासायनिक गुणों पर उनका कोई हानिकारक प्रभाव नहीं पड़ना चाहिए।

आभार

• 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. Lasers&Optronics, July 1997.
• 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 and Carl Baasel Lasertechnik GmbH, Feature Article, “Laser Marking: A Clean Economical Packaging Solution”, Photonics Spectra, November 2001.

Scott R. Sabreen, The Sabreen Group, Inc. के संस्थापक और अध्यक्ष हैं, जो प्लास्टिक द्वितीयक प्रसंस्करण — लेज़र मार्किंग, सतह पूर्व-उपचार, बंधन, डेकोरेटिंग व फिनिशिंग और उत्पाद सुरक्षा — में विशेषज्ञता रखने वाली इंजीनियरिंग कंपनी है। Sabreen 30 से अधिक वर्षों से अग्रणी तकनीकों का विकास और विनिर्माण समस्याओं का समाधान कर रहे हैं। उनसे 972.820.6777 पर या www.sabreen.com अथवा www.plasticslasermarking.com पर संपर्क किया जा सकता है।

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