나일론 레이저 마킹: 파이버 레이저 첨가제와 설정

파이버 레이저로 나일론(폴리아미드) 플라스틱을 레이저 마킹 및 각인하는 방법

요약

파이버 레이저 사용자는 나일론을 마킹하거나 각인하는 데 어려움을 겪습니다. 고품질의 마킹 대비를 얻는 핵심은 컬러 콘센트레이트를 사용하든 사전 컴파운딩된 소재를 사용하든, 성형 공정 중에 레이저 강화 첨가제를 나일론 소재에 배합하는 것입니다. 나일론 레이저 마킹의 이점은 고유 부품 식별, 데이터 매트릭스 및 QR 코드, 맞춤화를 가능하게 하여 총기류를 비롯한 여러 산업을 변화시켰습니다.

핵심 요점

• 개질하지 않은 나일론은 마킹이 잘 되지 않습니다. 폴리아미드는 1060~1070 nm에서 에너지를 거의 흡수하지 않으므로 대비는 레이저 첨가제에 좌우됩니다.
• 가장 우수한 대비 조합은 검정 바탕의 불투명 흰색, 흰색 바탕의 진한 검정, 중간 청색 바탕의 불투명 흰색입니다.
• MOPA 이터븀 파이버 레이저가 적합한 장비이며, 약 90 ns 미만의 펄스 폭이 플라스틱에 적합합니다.
• 첨가제 투입량은 중량 기준 0.01~3.0%이며, 부품 전체에 균일하게 분산되어야 대비가 반복 재현됩니다.
• 유리섬유 강화 나일론은 더욱 까다롭습니다. 섬유가 많은 표면은 마킹이 잘 되지 않으므로 수지가 풍부한 표면이 필수적입니다.

나일론 플라스틱은 총기류, 자동차, 전기 및 전자, 산업용, 소비재, 석유 및 가스 등 폭넓은 분야에 사용됩니다. 그러나 나일론(폴리아미드), 특히 유리섬유 강화 나일론은 물리적·화학적 특성과 표면 특성이 다양하여 레이저 마킹 및 각인이 까다롭습니다. 가장 널리 쓰이는 대비 색상 조합은 검정 바탕의 불투명 흰색, 흰색 바탕의 진한 검정, 중간 청색 바탕의 불투명 흰색입니다. 레이저 첨가제를 적절한 안료 및 염료와 조합하면 낮은 비용으로 뛰어난 마킹 품질을 얻을 수 있습니다. 레이저 첨가제는 ABS, 아세탈(POM), PET, PVC, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등 다양한 플라스틱에 사용됩니다.

나일론 폴리아미드

나일론이라고도 불리는 폴리아미드는 고성능 용도에 사용되는 대표적인 열가소성 플라스틱 계열입니다. 폴리아미드는 아미드 결합, 구체적으로 –CO-NH– 결합으로 구성됩니다. 나일론은 디아민이 이염기산(다이애시드)과 반응하는 축중합 공정, 또는 탄소 원자 6개, 11개, 12개를 포함하는 락탐의 개환 중합을 통해 합성됩니다. 나일론 단량체는 지방족, 반방향족 또는 방향족(아라미드)일 수 있으며, 구조는 비정질에서 반결정질까지, 결정화도가 높거나 낮은 형태까지 다양합니다. 대표적인 두 가지 폴리아미드는 폴리(헥사메틸렌 아디파미드)(나일론 6,6)와 폴리카프로락탐(나일론 6)입니다. 지방족 폴리아미드에는 나일론 12, 69, 6-10, 6-12, 46, 1212 등이 있습니다. 바이오 기반 엔지니어링 플라스틱으로 알려진 나일론 11은 재생 가능한 자원, 구체적으로 피마자 식물에서 얻습니다.

레이저 마킹 표면 반응 메커니즘

레이저 마킹이 가능한 플라스틱은 1060nm~1070nm의 근적외선(NIR) 파장 영역에서 레이저 광을 흡수하여 이를 열에너지로 변환하는 능력을 특징으로 합니다. 일반적으로 사용되는 레이저는 이터븀 파이버(MOPA 및 고정 펄스), 바나데이트(Nd:YVO4), Nd:YAG의 세 가지입니다. 레이저 종류와 목표 마킹 대비에 따라 다양한 화학 조성을 사용하여 탄화(그을림), 화학적 변화에 의한 발포, 색상 변화와 같은 표면 반응을 일으킬 수 있습니다. 동일한 레이저로도 마킹 소프트웨어의 설정(출력, 펄스 반복률, 마킹 속도)을 조정하면 이러한 모든 표면 반응을 구현할 수 있습니다. 연속파(CW) CO₂ 레이저는 파장이 10.6 마이크론(원적외선 영역)입니다. CW CO₂ 레이저는 피크 출력이 낮아 플라스틱에 고대비 마킹을 구현할 수 없습니다.

레이저 첨가제

대부분의 폴리머는 이 파장(NIR)에서 흡수 특성이 제한적이어서 눈에 띄는 대비를 만들어내지 못하므로, 전문가들은 다양한 첨가제, 충전제, 안료, 염료를 사용하여 흡수를 높이고 높은 대비 품질을 구현합니다. 첨가제는 색상 대비(레이저 광 흡수)의 정도를 높이며, 최적의 레이저 선정과 마킹 파라미터를 통해 이를 더욱 향상시킬 수 있습니다. 흔히 알려진 것과 달리, 모든 경우에 통용되는 단일 첨가제는 존재하지 않습니다.

일부 첨가제에는 안티몬 도핑 산화주석과 삼산화안티몬 혼합물이 포함되어 있어, 착색하지 않은 천연 상태 기재의 불투명도가 '회색빛'으로 보일 수 있습니다. 다른 첨가제에는 알루미늄 입자, 혼합 금속 산화물 또는 독자 개발 화합물이 포함될 수 있습니다. 원하는 색상 정합(컬러 매치) 외관을 얻기 위해 안료와 염료로 색상을 조정합니다. 특정 첨가제는 21 CFR 178.3297 폴리머용 착색제(Colorants for Polymers)의 조건 A~H에 따라 식품 접촉 및 식품 포장 용도로 FDA 승인을 받았습니다.

레이저 첨가제 화합물은 펠릿 그래뉼과 분말 형태로 공급됩니다. 그래뉼 제품은 폴리머 수지와 직접 혼합하며, 분말 형태는 마스터배치로 가공합니다. 최종 부품 내 중량 기준 투입 농도는 일반적으로 0.01~3.0% 범위입니다. 최상의 색상 대비를 얻으려면 레이저 첨가제가 각 부품 전체에 균일하게 분포·분산되어야 합니다.

파이버 레이저

나노초 이터븀 파이버 레이저(MOPA 및 고정 펄스)는 우수한 빔 품질(M2)과 높은 휘도(radiance) 덕분에 플라스틱 마킹, 각인, 에칭에 이상적입니다. 20 마이크론 미만의 작은 스폿 크기로 집속할 수 있어 높은 에너지 밀도를 얻습니다. MOPA(Master Oscillator Power Amplifier) 레이저의 중요한 장점 하나는 펄스 폭을 미세 조정할 수 있다는 점입니다. 일반적으로 90나노초 미만의 낮은 펄스 폭이 플라스틱 소재 마킹에 이상적입니다.

레이저 조사강도(W/cm2)와 플루언스(J/cm2)는 플라스틱 마킹에서 중요한 파라미터입니다. 강도는 펄스 주파수, 레이저 출력, 초점 스폿 크기, 펄스 폭의 영향을 받습니다. 플루언스는 빔 강도, 스캔 속도, 펄스 중첩률, 초점 빔 직경의 영향을 받습니다. 펄스 반복률과 피크 출력 밀도는 마크를 형성하고 최적의 대비와 속도를 얻는 데 결정적인 파라미터입니다. 낮은 주파수에서 높은 피크 출력은 표면 온도를 빠르게 상승시켜 재료를 기화시키면서 기재로 전달되는 열은 최소화합니다. 펄스 반복률이 높아지면 피크 출력이 낮아져 기화는 거의 일어나지 않고 열 전도는 더 많아집니다. 출력과 펄스 반복률의 산술 곡선은 서로 반비례 관계입니다.

자주 묻는 질문

파이버 레이저로 나일론이 선명하게 마킹되지 않는 이유는 무엇입니까?

폴리아미드는 이터븀 파이버 레이저가 작동하는 근적외선 대역에서 흡수율이 낮아 대부분의 에너지가 마크를 형성하는 열반응으로 변환되지 않습니다. 해결책은 레이저 출력을 높이는 것이 아니라 소재에 컴파운딩한 레이저 강화 첨가제입니다.

나일론 레이저 마킹에는 어떤 첨가제를 사용합니까?

안티몬 도핑 산화주석과 삼산화안티몬 혼합물이 일반적이지만, 착색하지 않은 기재를 회색빛으로 보이게 할 수 있습니다. 알루미늄 입자, 혼합 금속 산화물 또는 독자 개발 화합물을 사용하는 경우도 있으며, 최종 색상 정합을 맞추기 위해 안료와 염료를 함께 첨가합니다.

레이저 마킹한 나일론을 식품 접촉 부품에 사용할 수 있습니까?

적절한 첨가제를 사용하면 가능합니다. 특정 첨가제는 21 CFR 178.3297 폴리머용 착색제(Colorants for Polymers)의 조건 A~H에 따라 식품 접촉 및 식품 포장 용도로 FDA 승인을 받았습니다. 해당 승인이 사용하시는 등급과 투입량까지 포함하는지 확인하십시오.

나일론에는 어떤 펄스 폭을 사용해야 합니까?

짧은 펄스를 사용하십시오. MOPA 레이저에서는 대략 90나노초 미만의 펄스 폭이 플라스틱에 적합하며, 높은 피크 출력으로 표면 온도를 빠르게 올리면서 기재로 전달되는 열은 최소화합니다.

유리섬유 강화 나일론이 무충전 나일론보다 마킹하기 어려운 이유는 무엇입니까?

유리섬유는 근적외선을 흡수하지 않고 빔을 산란시키므로, 섬유가 많은 표면은 마킹이 약하고 불균일합니다. 수지가 풍부한 표면이 형성되도록 성형 조건을 조정해야 합니다. 유리섬유 표면 부상과 레이저 마킹에 관한 내용을 참조하십시오.

Scott R. Sabreen은 The Sabreen Group, Inc.의 창립자 겸 사장입니다. 이 회사는 표면 전처리, 접착·장식 및 마감, 레이저 마킹, 제품 보안 등 플라스틱 2차 가공 제조 공정을 전문으로 하는 엔지니어링 기업입니다. 그는 30년 이상 신기술을 개발하고 제조 문제를 해결해 왔습니다. 문의는 972.820.6777 또는 www.sabreen.com, www.adhesionbonding.com을 통해 가능합니다.

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