नायलॉन (पॉलीएमाइड) प्लास्टिक पर फाइबर लेज़र मार्किंग

नायलॉन (पॉलीएमाइड) प्लास्टिक पर फाइबर लेज़र मार्किंग

नायलॉन (पॉलीएमाइड) प्लास्टिक उत्पादों पर उच्च-कंट्रास्ट लेज़र मार्किंग की माँग उनके औद्योगिक अनुप्रयोगों की विस्तृत श्रृंखला के कारण तेज़ी से बढ़ रही है। कार्यात्मक और सजावटी मार्किंग में अल्फ़ान्यूमेरिक पहचान, डेटा मैट्रिक्स/QR विज़न कोड, आरेख और माइक्रो-संरचनाएँ शामिल हैं।

पॉलीफ़्थैलेमाइड (PPA) सहित पॉलीएमाइड, अपने विविध सामग्री गुणों, मोल्डिंग स्थितियों और लेज़र कॉन्फ़िगरेशन के कारण लेज़र मार्किंग के लिए सबसे चुनौतीपूर्ण पॉलिमर में से हैं। निकट-अवरक्त लेज़र के लिए स्मार्ट एडिटिव्स मार्किंग कंट्रास्ट की समस्याएँ हल करते हैं और सामग्री के गुणों को प्रभावित किए बिना मार्किंग की गति बढ़ाते हैं (साइकिल समय कम करते हैं)।

यह लेख उच्च-कंट्रास्ट रंग और किफ़ायती लेज़र मार्किंग संचालन प्राप्त करने के लिए नायलॉन, रासायनिक एडिटिव्स और फाइबर लेज़र की समझ प्रदान करता है।

मुख्य बिंदु

• PPA सहित पॉलीएमाइड, अपने विविध गुणों, मोल्डिंग स्थितियों और लेज़र कॉन्फ़िगरेशन के कारण मार्क करने के लिए सबसे कठिन पॉलिमर में से हैं।
• कंट्रास्ट केवल रंग परिवर्तन नहीं है — बारीक रेखा रेज़ोल्यूशन और तीक्ष्णता के साथ-साथ प्रकाश का परिवर्तनशील विवर्तन भी योगदान देता है।
• सब्सट्रेट का रंग अपने आप में एक चर है, क्योंकि कार्बन ब्लैक, TiO2 और फ़्लेम रिटार्डेंट सभी लेज़र प्रकाश को अलग-अलग ढंग से अवशोषित करते हैं।
• फाइबर लेज़र 20 माइक्रोन से कम पर फ़ोकस होते हैं, जिससे वह उच्च ऊर्जा घनत्व मिलता है जो नायलॉन पर बारीक मार्किंग के लिए आवश्यक है।
• 20–50 ns पर MOPA अधिकांश पॉलिमर पर उत्कृष्ट कंट्रास्ट रंग के लिए प्रभावी सीमा है।

मार्किंग की गुणवत्ता का वर्णन करने वाला एक बुनियादी पैरामीटर मार्क की गई सतह और सब्सट्रेट के बीच रंग कंट्रास्ट है। Ytterbium फाइबर, वैनाडेट (Nd:YVO4) और Nd:YAG सहित NIR लेज़र से रंग परिवर्तन की तीन सतह प्रक्रियाएँ हैं: 1) कार्बनीकरण द्वारा काली मार्किंग, 2) फ़ोम निर्माण द्वारा सफ़ेद मार्किंग और 3) रंगीन पॉलिमर की लेज़र-प्रेरित ऊष्मीय रासायनिक अभिक्रियाओं द्वारा रंग परिवर्तन¹। सबसे अधिक माँग वाले कंट्रास्ट रंगों में काले पर अपारदर्शी सफ़ेद, सफ़ेद पर गहरा काला और मध्यम नीले पर अपारदर्शी सफ़ेद शामिल हैं। इन रंग संयोजनों के लिए अक्सर रासायनिक एडिटिव्स की आवश्यकता होती है। एडिटिव्स रंग कंट्रास्ट (लेज़र प्रकाश के अवशोषण) की मात्रा बढ़ाते हैं, जिसे इष्टतम लेज़र चयन और मार्किंग पैरामीटर से और तीव्र किया जाता है।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

नायलॉन पर लेज़र मार्किंग कठिन क्यों होती है?

पॉलीफ़्थैलामाइड सहित पॉलीएमाइड के सामग्री गुण, मोल्डिंग स्थितियाँ और लेज़र कॉन्फ़िगरेशन विविध होते हैं, और अधिकांश पॉलिमर की तरह वे स्वाभाविक रूप से लेज़र प्रकाश को अवशोषित नहीं करते — जिससे वह रंग परिवर्तन नहीं हो पाता जो निशान बनाता है। कंट्रास्ट, गति और टिकाऊपन की समस्या लेज़र-वर्धक एडिटिव्स ही हल करते हैं।

कंट्रास्ट के अलावा मार्किंग की गुणवत्ता कैसे आँकी जाती है?

यथार्थता से — बारीक रेखा रेज़ोल्यूशन और तीक्ष्णता। कंट्रास्ट हमेशा केवल रंग परिवर्तन से नहीं मिलता, क्योंकि प्रकाश का परिवर्तनशील विवर्तन भी योगदान देता है, इसलिए दोनों पहलुओं का साथ-साथ आकलन करना चाहिए।

क्या नायलॉन का रंग मार्किंग को प्रभावित करता है?

हाँ। सब्सट्रेट का रंग एक वास्तविक कारक है, क्योंकि कार्बन ब्लैक, टाइटेनियम डाइऑक्साइड और फ़्लेम रिटार्डेंट जैसे यौगिकों में लेज़र प्रकाश अवशोषण की मात्रा अलग-अलग होती है, जिससे सामग्री की प्रतिक्रिया बदल जाती है।

इस कार्य के लिए ytterbium फाइबर लेज़र ने YAG की जगह क्यों ली?

वे लगभग 2010 में औद्योगिक मार्किंग बाज़ार में आए, जो उत्कृष्ट बीम गुणवत्ता और उच्च ब्राइटनेस देते हैं और उच्च ऊर्जा घनत्व के लिए 20 माइक्रोन से कम के स्पॉट पर फ़ोकस होते हैं। वे बहुमुखी, किफ़ायती और लगभग शून्य रखरखाव के साथ प्रभावी रूप से प्लग-एंड-प्ले भी हैं।

कौन-सी पल्स चौड़ाई सीमा सबसे अच्छी काम करती है?

20 से 50 ns सीमा के परिवर्तनीय लघु-पल्स MOPA फाइबर लेज़र नायलॉन सहित अधिकांश पॉलिमर पर उत्कृष्ट कंट्रास्ट रंग प्राप्त करने में असाधारण रूप से प्रभावी हैं। 100 से 150 ns वाले Q-स्विच्ड फाइबर लेज़र लगभग 80 kHz रिपीटिशन रेट तक सीमित रहते हैं।

नायलॉन (पॉलीएमाइड) क्या है?

पॉलीएमाइड, या नायलॉन, इंजीनियरिंग और उच्च-प्रदर्शन थर्मोप्लास्टिक का प्रमुख वर्ग है जिसमें दोहराए जाने वाले एमाइड बंधन, यानी –CO-NH–, होते हैं। ये समान इकाइयों के संघनन से बनते हैं, और भिन्न इकाइयों के लिए कोपॉलिमर। नायलॉन डाइएसिड और डाइएमीन के पॉलीकंडेंसेशन से, या छह, 11 अथवा 12 कार्बन परमाणुओं वाले लैक्टम के रिंग-ओपनिंग पॉलीमराइज़ेशन से बनता है²। नायलॉन मोनोमर ऐलिफ़ैटिक, सेमी-एरोमैटिक या एरोमैटिक (एरामिड) हो सकते हैं और उनकी संरचना अनाकार, अर्ध-क्रिस्टलीय, तथा कम या अधिक क्रिस्टलीयता वाली हो सकती है।

ऐलिफ़ैटिक पॉलीएमाइड का उत्पादन पूर्णतः एरोमैटिक पॉलीएमाइड की तुलना में कहीं अधिक पैमाने पर होता है और वे इंजीनियरिंग थर्मोप्लास्टिक के सबसे महत्वपूर्ण वर्गों में से एक हैं। 20% ग्लास-फ़िल, मैट सतह बनावट पर नायलॉन लेज़र मार्किंग कंट्रास्ट रंग: इंजेक्शन मोल्डिंग करने पर ये अनाकार या केवल मध्यम रूप से क्रिस्टलीय होते हैं, लेकिन क्रिस्टलीयता की मात्रा बढ़ाई जा सकती है।

दो महत्वपूर्ण पॉलीएमाइड पॉली(हेक्सामेथिलीन एडिपामाइड) (नायलॉन 6,6) और पॉलीकैप्रोलैक्टम (नायलॉन 6) हैं। अन्य ऐलिफ़ैटिक पॉलीएमाइड में नायलॉन 12, 69, 6-10, 6-12, 46 और 1212 शामिल हैं। नायलॉन 11 एक जैव-आधारित इंजीनियरिंग प्लास्टिक है जो नवीकरणीय संसाधनों (अरंडी के पौधों) से प्राप्त होता है।

ऐलिफ़ैटिक एमाइड के संघनन से बने सेमी-एरोमैटिक, अर्ध-क्रिस्टलीय पॉलीएमाइड में PA 6T और PA 6I शामिल हैं। सेमी-एरोमैटिक पॉलीएमाइड अक्सर अधिक महँगे पूर्णतः एरोमैटिक एरामिड का किफ़ायती विकल्प होते हैं। एरोमैटिक पॉलीएमाइड, जिन्हें एरामिड कहा जाता है, में ऐलिफ़ैटिक एमाइड की तुलना में अधिक मज़बूती, सॉल्वेंट-, फ़्लेम- और ऊष्मा-प्रतिरोध बेहतर और आयामी स्थिरता अधिक होती है। एक सामान्यतः पहचाना जाने वाला एरोमैटिक एमाइड Kevlar, पॉली(p-फेनिलीन टेरेफ़्थैलामाइड) है।

पॉलीफ़्थैलेमाइड (PPA) सहित पॉलीएमाइड, अपने विविध सामग्री गुणों, मोल्डिंग स्थितियों और लेज़र कॉन्फ़िगरेशन के कारण लेज़र मार्किंग के लिए सबसे चुनौतीपूर्ण पॉलिमर में से हैं।

पॉलीफ़्थैलामाइड (PPA) पॉलीएमाइड (नायलॉन) परिवार की थर्मोप्लास्टिक सिंथेटिक रेज़िन का एक उपसमूह है, जिसे तब परिभाषित किया जाता है जब पॉलिमर श्रृंखला की दोहराई जाने वाली इकाई के कार्बोक्सिलिक अम्ल भाग के 55% या अधिक मोल से बना हो। PPA सेमी-एरोमैटिक, अर्ध-क्रिस्टलीय होता है। PPA, PA6,6 और PA6 जैसे ऐलिफ़ैटिक नायलॉन और कहीं अधिक महँगे पॉलीएरामिड के बीच के प्रदर्शन अंतर को भरता है।

“स्मार्ट” एडिटिव्स

मार्किंग की गुणवत्ता का वर्णन करने वाला एक पैरामीटर मार्क की गई सतह और पृष्ठभूमि के बीच रंग कंट्रास्ट है। कंट्रास्ट हमेशा केवल रंग परिवर्तन से नहीं मिलता, क्योंकि यह प्रकाश के परिवर्तनशील विवर्तन से भी प्राप्त हो सकता है।

उतनी ही महत्वपूर्ण मार्किंग की गुणवत्ता और/या यथार्थता है, यानी बारीक रेखा रेज़ोल्यूशन या तीक्ष्णता। नायलॉन सहित कई पॉलिमर स्वाभाविक रूप से लेज़र प्रकाश को अवशोषित नहीं करते, जिससे रंग परिवर्तन नहीं हो पाता। लेज़र-वर्धक रासायनिक एडिटिव्स मार्किंग कंट्रास्ट, गति और टिकाऊपन को उल्लेखनीय रूप से बेहतर बनाते हैं (चित्र 1 देखें)। सब्सट्रेट का रंग एक कारक है, क्योंकि कार्बन ब्लैक, TiO2 और फ़्लेम रिटार्डेंट जैसे यौगिकों में लेज़र प्रकाश अवशोषण की मात्रा अलग-अलग होती है।

लेज़र एडिटिव्स पेलेट ग्रैन्यूल और पाउडर रूप में उपलब्ध कराए जाते हैं। ग्रैन्यूल उत्पादों को सीधे पॉलिमर रेज़िन के साथ मिलाया जाता है, जबकि पाउडर रूप को मास्टरबैच में बदला जाता है। (अंतिम पार्ट में) भार के अनुसार लोडिंग सांद्रता सामान्यतः 0.01 से 3.0% के बीच होती है। इष्टतम रंग कंट्रास्ट पाने के लिए प्रत्येक पार्ट में लेज़र एडिटिव्स का समांगी वितरण/परिक्षेपण महत्वपूर्ण 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 दे सकते हैं। अन्य एडिटिव्स में एल्युमिनियम कण, मिश्रित धातु ऑक्साइड और स्वामित्व वाले यौगिक हो सकते हैं।

अंतिम कलर-मैच स्वरूप पाने के लिए पिगमेंट और डाई से रंग समायोजन किया जाता है। विशिष्ट एडिटिव्स को 21 CFR 178.3297 पॉलिमर के लिए कलरेंट की शर्तों A-H के अंतर्गत खाद्य संपर्क और खाद्य पैकेजिंग उपयोग के लिए FDA अनुमोदन प्राप्त है¹।

Ytterbium फाइबर लेज़र

NIR Ytterbium फाइबर लेज़र लगभग 2010 में पारंपरिक YAG लेज़र की जगह लेते हुए औद्योगिक मार्किंग बाज़ार में आए। फाइबर लेज़र में उत्कृष्ट बीम गुणवत्ता (M2) और उच्च ब्राइटनेस होती है और वे छोटे स्पॉट आकार (20 माइक्रोन से कम) पर फ़ोकस हो सकते हैं, जिससे ऊर्जा घनत्व अधिक होता है। फाइबर लेज़र अत्यंत बहुमुखी, किफ़ायती और लगभग शून्य रखरखाव के साथ प्लग-एंड-प्ले होते हैं।

फ़िक्स्ड-पल्स (Q-स्विच्ड) और परिवर्तनीय पल्स (MOPA) नैनोसेकंड फाइबर लेज़र IPG Photonics और SPI Lasers सहित कई लेज़र कंपनियाँ बेचती हैं। सामान्यतः 100 से 150 ns पल्स चौड़ाई वाले Q-स्विच्ड फाइबर लेज़र कुछ पॉलिमर मार्किंग अनुप्रयोगों में उपयोग होते हैं, लेकिन Q-स्विचिंग प्रौद्योगिकी की अंतर्निहित बाध्यता के कारण उनकी रिपीटिशन रेट लगभग 80 kHz तक सीमित रहती है।

डायरेक्टली मॉड्यूलेटेड MOPA (DM-MOPA) फाइबर लेज़र नैनोसेकंड पल्स चौड़ाई पर 500 kHz तक की रिपीटिशन रेट पर कार्य करते हैं। पल्स चौड़ाई [ns] पल्स के आरंभ और अंत के बीच के समय का माप है, जो सामान्यतः पल्स आकार की फ़ुल विड्थ हाफ़ मैक्सिमम (FWHM) पर आधारित होता है।

उच्च रिपीटिशन रेट का आमतौर पर अर्थ तेज़ मार्किंग गति होता है (अन्य लेज़र/वेव फ़ॉर्म पैरामीटर के साथ मिलकर)। वेव फ़ॉर्म और सतह कार्बनीकरण की मात्रा में महत्वपूर्ण अंतर होते हैं³ (चित्र 1 देखें)।

लेज़र ऊष्मा इनपुट और ऊष्मा इनपुट की दर पर स्थानिक व कालिक स्तर का स्थानीय नियंत्रण अधिकतम प्रदर्शन संभव बनाता है। तापमान-संवेदनशील पॉलिमर के लिए, परिवर्तनीय लघु-पल्स (MOPA) फाइबर लेज़र अत्यधिक कार्बनीकरण के बिना उच्च कंट्रास्ट प्राप्त करने में विशेष रूप से प्रभावी हैं।

मेडिकल अनुप्रयोगों के लिए पारदर्शी प्लास्टिक पर सबसर्फ़ेस मार्किंग संभव है। सामान्यतः MOPA लेज़र 1 ns से 250 ns (और अधिक) तक की पल्स चौड़ाई (पल्स अवधि) उत्पन्न करते हैं। The Sabreen Group ने पाया है कि नायलॉन सहित कई पॉलिमर अनुप्रयोगों में इष्टतम रंग कंट्रास्ट के लिए 20 ns से 50 ns आदर्श सीमा है।

सौंदर्यपरक और कार्यात्मक मार्किंग कंट्रास्ट में, जब डायरेक्ट पार्ट मार्किंग (DPM) डेटा मैट्रिक्स और बार कोड के लिए उच्च रेज़ोल्यूशन, रेखा-किनारे की गुणवत्ता और छोटे डेटा सेल आवश्यक हों, तब लेज़र एडिटिव्स निर्णायक अंतर पैदा करते हैं। डेटा स्ट्रिंग जितनी लंबी होगी, डेटा सेल उतने ही सघन होते जाएँगे।

सैन्य, एयरोस्पेस, ऑटोमोटिव और फार्मास्युटिकल उत्पादों के लिए अक्सर ग्रेड “A” सत्यापन आवश्यक होता है। उच्च-कंट्रास्ट कोड की पठनीयता के अतिरिक्त लाभ हैं – तेज़ मार्किंग गति, और पूरे कारखाने में कम लागत वाले हैंड-हेल्ड रीडर का उपयोग किया जा सकता है।

निष्कर्ष

पॉलीएमाइड लेज़र मार्किंग के लिए सबसे चुनौतीपूर्ण पॉलिमर में से हैं। स्मार्ट लेज़र एडिटिव्स कंट्रास्ट की समस्याएँ हल करते हैं, मार्किंग की गति बढ़ाते हैं और लागत में बचत लाते हैं। डायरेक्ट पार्ट मार्किंग (DPM) डेटा मैट्रिक्स और बार कोड के लिए लेज़र एडिटिव्स निर्णायक सुधार प्रदान करते हैं। 20 ns से 50 ns सीमा के परिवर्तनीय लघु-पल्स (MOPA) फाइबर लेज़र अधिकांश पॉलिमर पर उत्कृष्ट कंट्रास्ट रंग प्राप्त करने में असाधारण रूप से प्रभावी हैं।

संदर्भ

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, The Sabreen Group, Inc. के संस्थापक और अध्यक्ष हैं, जो प्लास्टिक द्वितीयक प्रसंस्करण — सतह पूर्व-उपचार, आसंजन बंधन, इंकजेट प्रिंटिंग, लेज़र मार्किंग, डेकोरेटिंग व फिनिशिंग और उत्पाद सुरक्षा — में विशेषज्ञता रखने वाली इंजीनियरिंग कंसल्टिंग 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 पर संपर्क किया जा सकता है।

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