“स्मार्ट एडिटिव्स” से प्लास्टिक पर लेज़र मार्किंग बेहतर

“स्मार्ट एडिटिव्स” से प्लास्टिक पर लेज़र मार्किंग बेहतर

बेहतर कंट्रास्ट, रेखा-किनारे का विवरण और गति

पॉलिमर में मिलाए गए लेज़र मार्किंग “स्मार्ट एडिटिव्स” की नवीनतम पीढ़ी प्रौद्योगिकी में एक लंबी छलाँग है, जो सक्षम बनाने वाली भी है और लागत बचाने वाली भी। ये उन्नत मटेरियल साइंस फ़ॉर्मूलेशन उन प्लास्टिक पर अभूतपूर्व मार्किंग कंट्रास्ट, रेखा-किनारे का विवरण और गति प्राप्त करते हैं जिन पर लेज़र मार्किंग परंपरागत रूप से कठिन, बल्कि असंभव मानी जाती थी। ऊष्मीय रासायनिक सतह अभिक्रियाओं के लिए डिज़ाइन किए गए ये फ़ॉर्मूलेशन 1060 से 1070 nm तरंगदैर्घ्य (निकट अवरक्त स्पेक्ट्रम) पर कार्य करने वाले फाइबर, YAG और वैनाडेट लेज़र के लिए आदर्श हैं।

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 से 1070 nm 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, लेज़र प्रकार (फाइबर, YAG, वैनाडेट) और लेज़र ऑप्टिक्स/सेटअप पैरामीटर उपयोग किए जाते हैं।

चित्र 1 में पॉलीएथिलीन (बाएँ) पर “गहरा मार्किंग कंट्रास्ट”, नायलॉन (मध्य) पर “सफ़ेद मार्किंग कंट्रास्ट”, और ABS (दाएँ) पर कस्टम रंग पीला-सुनहरा दिखाया गया है। यह तीन अनूठी सतह अभिक्रिया प्रक्रियाओं को भी दर्शाता है। पहली, चारिंग प्रक्रिया तब होती है जब 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 अवशोषित ऊर्जा तथा सामग्री के अपने विशिष्ट ऊष्मीय क्षरण पथ पर निर्भर करता है। रेज़िन कलरेंट मैट्रिक्स में मिलाए जाने पर, गहरा मार्किंग कंट्रास्ट देने वाले एडिटिव्स में अक्सर एंटीमनी-डोप्ड टिन ऑक्साइड, एंटीमनी ट्राइऑक्साइड या एल्युमिनियम कणों के मिश्रण होते हैं। सभी पॉलिमर में आसानी से फैल जाते हैं। भार के अनुसार सामान्य लोडिंग सांद्रता 0.01% से 3.0% होती है। कई अंतिम फ़ॉर्मूलेशन को 21 CFR 178.3297 (पॉलिमर के लिए कलरेंट) की शर्तों A-H के अंतर्गत उपयोग के लिए FDA अनुमोदन प्राप्त है।

दूसरी सतह अभिक्रिया रासायनिक परिवर्तन है, जो ऐसे एडिटिव्स के उपयोग से होता है जो क्षरण के दौरान भाप छोड़ते हैं और जिससे पॉलिमर में फ़ोमिंग होती है। फ़ोमिंग प्रक्रिया के दौरान लेज़र ऊर्जा को फ़ोमिंग एजेंट के निकट स्थित एडिटिव अवशोषित करता है। अवशोषक की ऊष्मा से फ़ोमिंग एजेंट का क्षरण होता है और भाप निकलती है। फ़ोमिंग एजेंट के उदाहरण एल्युमिनियम हाइड्रॉक्साइड या विभिन्न कार्बोनेट हैं। चारिंग रोकने के लिए इस प्रक्रिया में पॉलिमर का क्षरण फ़ोमिंग एडिटिव की तुलना में अधिक तापमान पर होना आवश्यक है। लेज़र के संचालन पैरामीटर पर सख़्त नियंत्रण से गहरे सब्सट्रेट पर उच्च गुणवत्ता वाले और टिकाऊ हल्के निशान बनाए जा सकते हैं। लेज़र का खराब नियंत्रण भंगुर या कम कंट्रास्ट वाला निशान पैदा कर सकता है, जो आसानी से खरोंचा जा सकता है (खराब टिकाऊपन)।

तीसरी, लेज़र ऊर्जा का उपयोग कलरेंट मिश्रण में से किसी एक कलरेंट को गर्म/क्षरित करने के लिए किया जाता है, जिससे रंग बदल जाता है। इसका एक उदाहरण कार्बन ब्लैक और एक स्थिर अकार्बनिक कलरेंट का मिश्रण है। गर्म करने पर कार्बन ब्लैक हट जाता है और अकार्बनिक कलरेंट रह जाता है। ये मिश्रित कलरेंट प्रणालियाँ विशिष्ट कलरेंट स्थिरताओं पर निर्भर करती हैं, और सभी रंग-परिवर्तन संभव नहीं होते।

लेज़र फ़ॉर्मूलेशन विषैले नहीं होने चाहिए और उत्पादों के स्वरूप, भौतिक या कार्यात्मक गुणों पर प्रतिकूल प्रभाव नहीं डालने चाहिए। उन्हें पर्याप्त लेज़र ऊर्जा अवशोषित करनी चाहिए ताकि पॉलिमर का स्थानीय तापमान इतने ऊँचे स्तर तक बढ़े कि पॉलिमर में चारिंग या फ़ोमिंग हो और इस प्रकार निशान बने। यह तापमान अलग-अलग पॉलिमर के लिए, एक ही पॉलिमर परिवार के भीतर भी, भिन्न होगा।

मुख्य बिंदु

• कोई सार्वभौमिक एडिटिव नहीं है। आम धारणा के विपरीत, रसायन को पॉलिमर, रंग और लेज़र के अनुरूप चुनना होगा।
• तीन प्रक्रियाएँ — चारिंग, फ़ोमिंग और कलरेंट का रंग परिवर्तन — गहरे, सफ़ेद और कस्टम-रंग के निशान को कवर करती हैं।
• लोडिंग कम होती है, सामान्यतः भार के अनुसार 0.01% से 3.0%, और कई फ़ॉर्मूलेशन 21 CFR 178.3297 के अंतर्गत FDA-अनुमोदित हैं।
• 15% या उससे अधिक की गति वृद्धि केवल 0.01% से 2.0% जैसी कम सांद्रता वाले एडिटिव्स से मिलती है।
• ऊष्मीय क्षरण तापमान मार्किंग-क्षमता का पूर्वानुमान देता है। इसी कारण दो HDPE ग्रेड बहुत भिन्न ढंग से मार्क हो सकते हैं।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

क्या कोई एकल लेज़र एडिटिव है जो मार्किंग की सभी समस्याएँ हल कर दे?

नहीं। आम धारणा के विपरीत, कोई सार्वभौमिक एडिटिव नहीं है। वांछित कंट्रास्ट और कार्यक्षमता के अनुसार बहुत भिन्न फ़ॉर्मूलेशन रसायन, लेज़र प्रकार — फाइबर, YAG या वैनाडेट — तथा ऑप्टिक्स और सेटअप पैरामीटर आवश्यक होते हैं।

एडिटिव्स गहरे प्लास्टिक पर सफ़ेद निशान कैसे बनाते हैं?

फ़ोमिंग के माध्यम से। क्षरण के दौरान एडिटिव भाप छोड़ता है, और लेज़र ऊर्जा को फ़ोमिंग एजेंट के निकट स्थित अवशोषक सोखता है। एल्युमिनियम हाइड्रॉक्साइड और विभिन्न कार्बोनेट सामान्य फ़ोमिंग एजेंट हैं। पॉलिमर का क्षरण फ़ोमिंग एडिटिव से अधिक तापमान पर होना चाहिए, अन्यथा उसकी जगह चारिंग होती है।

एक ही पॉलिमर के दो ग्रेड अलग-अलग ढंग से क्यों मार्क होते हैं?

ऊष्मीय क्षरण तापमान अलग होने के कारण। दो HDPE नमूनों का थर्मल ग्रैविमेट्रिक विश्लेषण क्षरण के आरंभ में मापने योग्य अंतर दिखाता है, और अधिक तापमान वाले पॉलिमर को वही निशान पाने के लिए अधिक लेज़र ऊर्जा, धीमी मार्किंग या अधिक अवशोषक एडिटिव की आवश्यकता होती है।

अनुकूलित एडिटिव्स के साथ मार्किंग कितनी तेज़ होती है?

अनुकूलित न किए गए फ़ॉर्मूलेशन की तुलना में 15% या उससे अधिक का सांख्यिकीय रूप से महत्वपूर्ण लाभ, जो लगभग 0.01% से 2.0% की कम सांद्रता पर मिलता है। लाइनरलेस बेवरेज क्लोज़र पर ऑन-द-फ़्लाई अंडरकैप प्रचार मार्किंग प्रति मिनट 1,500 क्लोज़र तक की गति से चलती है।

हल्का निशान आसानी से क्यों खरोंचा जा सकता है?

फ़ोमिंग के दौरान लेज़र का खराब नियंत्रण। सख़्त पैरामीटर नियंत्रण के बिना परिणाम भंगुर या कम कंट्रास्ट वाला निशान होता है जिसका टिकाऊपन कम होता है, जबकि यह प्रक्रिया उच्च गुणवत्ता वाला टिकाऊ हल्का निशान बना सकती है।

तेज़ मार्किंग गति प्राप्त करना

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 कर सकते हैं। नए स्वतंत्र अध्ययन दिखा रहे हैं कि बहुत कम सांद्रता स्तर, सामान्यतः 0.01% से 2.0%, पर लेज़र एडिटिव फ़ॉर्मूलेशन मिलाने से सांख्यिकीय रूप से महत्वपूर्ण तेज़ मार्किंग गति प्राप्त की जा सकती है।

चित्र 2 में दो हाई-डेंसिटी पॉलीएथिलीन का थर्मल ग्रैविमेट्रिक विश्लेषण (TGA) प्लॉट दिखाया गया 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। स्मार्ट एडिटिव्स लागत बचाते हैं और अनुकूलित न की गई सामग्री फ़ॉर्मूलेशन की तुलना में 15% और उससे तेज़ मार्किंग गति दिखाते हैं। एक रोचक अनुप्रयोग लाइनरलेस बेवरेज क्लोज़र में अंडरकैप प्रचार के लिए “ऑन-द-फ़्लाई” लेज़र मार्किंग है। टर्नकी सिस्टम प्रति मिनट 1,500 क्लोज़र तक की गति से विशिष्ट ग्राफ़िक्स और अल्फ़ान्यूमेरिक टेक्स्ट मार्क करने में सक्षम हैं। उदाहरण चित्र 3 में दिखाए गए हैं।

लेज़र प्रौद्योगिकी

लेज़र प्रौद्योगिकी में हुई प्रगति स्मार्ट लेज़र एडिटिव्स के तेज़ विकास में सहायक रही है। नैनोसेकंड फाइबर लेज़र प्रौद्योगिकी एक उभरता हुआ क्षेत्र है और मार्किंग, वेल्डिंग तथा कटिंग के लिए लेज़र में सबसे महत्वपूर्ण प्रगतियों में से एक है। फाइबर लेज़र अन्य सॉलिड-स्टेट मार्किंग लेज़र से मूलतः 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 MOPA फाइबर लेज़र नायलॉन, यूरेथेन और एसीटल सहित ऐसे कई पॉलिमर को मार्क कर सकते हैं जिन्हें ऐतिहासिक रूप से कठिन माना जाता था।

सभी बीम-स्टीयर्ड फाइबर, YAG और वैनाडेट 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 (W/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 लेज़र 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। 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।

निष्कर्ष

पॉलिमर में मिलाए गए लेज़र मार्किंग “स्मार्ट एडिटिव्स” की नवीनतम पीढ़ी अभूतपूर्व मार्किंग कंट्रास्ट, रेखा-किनारे का विवरण और गति देती 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 और उपयोग में आसान होने चाहिए, और पॉलिमर के भौतिक व रासायनिक गुणों पर उनका कोई हानिकारक प्रभाव नहीं पड़ना चाहिए।

संदर्भ

• Engelhard Corporation Mark-it™ Laser Marking Pigment Technical Bulletin 2002, with technical content contributions from The Sabreen Group Inc.
• 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, & Carl Baasel Lasertechnik GmbH, “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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