파이버 레이저 선택과 첨가제

파이버 레이저 선택과 첨가제

편집자 주: 이 기술 특집에서 Scott Sabreen은 파이버 레이저와 관련된 두 가지 주제, 즉 플라스틱 마킹 시 파이버 레이저 종류의 선택과 첨가제를 통한 마킹 대비 개선을 다룹니다.

핵심 요약

• 파이버 레이저는 다른 DPSS 레이저와 근본적으로 다릅니다. 활성 매질이 광섬유 케이블 자체 안에 분산되어 있습니다.
• 전 광섬유 구조 덕분에 신뢰성과 내구성이 높으며, 이것이 빠른 성장의 이유입니다.
• Q-스위치 레이저는 100~120ns 펄스 폭에서 약 80kHz가 한계이며, 이는 기술 자체의 고유한 제약입니다.
• DM-MOPA는 나노초 펄스 폭에서 500kHz에 도달하며, 이는 일반적으로 더 빠른 마킹으로 이어집니다.
• 모든 경우에 통하는 레이저 솔루션은 없습니다. 응용 개발은 소재에 따라 매우 개별적입니다.

자주 묻는 질문

파이버 레이저는 다른 고체 레이저와 무엇이 다릅니까?

빔을 생성하는 활성 매질이 특수 광섬유 케이블 안에 분산되어 있으며, 광섬유 전송 레이저와 달리 빔 경로 전체가 전달 광학계에 이르기까지 케이블 안에 유지됩니다. 이 전 광섬유 구조가 신뢰성과 내구성의 주된 이유입니다.

고정 펄스와 MOPA 중 어느 쪽을 선택해야 합니까?

소재에 따라 다릅니다. 100~120ns의 Q-스위치 고정 펄스 레이저는 일부 마킹 용도에 사용되지만 기술 자체의 한계로 반복률이 약 80kHz로 제한됩니다. 직접 변조 MOPA 레이저는 나노초 펄스 폭에서 최대 500kHz에 도달하며, 이는 일반적으로 더 빠른 마킹을 의미합니다.

반복률이 높으면 항상 마킹이 더 빠릅니까?

일반적으로는 그렇지만, 다른 레이저 및 도파로 파라미터와 함께 고려할 때에 한합니다. 반복률만으로 처리량이 결정되지는 않으며, 펄스 에너지, 피크 출력, 빔 속도, 소재 반응이 모두 영향을 줍니다.

플라스틱에 가장 좋은 단일 레이저가 있습니까?

아니요. 응용 개발은 매우 개별적이며, 어떤 레이저를 적용할지는 레이저의 출력 특성이 최적화된 폴리머 소재와 어떻게 상호작용하는지에 따라 결정됩니다. 소재와 레이저는 함께 선택해야 합니다.

첨가제는 파이버 레이저가 마킹할 수 있는 대상을 어떻게 바꿉니까?

첨가제는 대비 정도를 높이며, 이는 레이저 설정 파라미터를 통해 더욱 강화할 수 있습니다. 폴리머는 어두운 대비 또는 밝은 대비로 나타나는 고유한 경향이 있고 같은 계열 안의 등급도 결과가 다르므로, 첨가제는 특정 등급에 맞게 선정합니다.

플라스틱 마킹용 파이버 레이저 선택 – 어떤 레이저가 가장 좋습니까?

나노초 이터븀 파이버 레이저는 마킹, 용접, 절단 분야에서 가장 중요한 발전 중 하나입니다. 근본적으로 파이버 레이저는 다른 다이오드 펌핑 고체(DPSS) 마킹 레이저와 다릅니다. 파이버 레이저에서는 레이저 빔을 생성하는 활성 매질이 특수 광섬유 케이블 안에 분산되어 있습니다. 광섬유 전송 레이저와 달리 빔의 전체 경로가 빔 전달 광학계에 이르기까지 광섬유 케이블 안에 있습니다. 이러한 전 광섬유 구조가 이 레이저의 신뢰성과 내구성의 주된 이유이며, 이것이 빠른 성장의 배경입니다.

플라스틱 마킹에는 어떤 파이버 레이저가 가장 좋습니까? 고정 펄스와 MOPA 비교

고성능 파이버 레이저의 선도적 개발 및 제조업체인 IPG Photonics는 고정 펄스 YLP 시리즈(“Q-스위치”라고도 함)와 가변 단펄스 YLPN(MOPA) 레이저를 모두 제공합니다. 일반적으로 100~120ns 펄스 폭을 갖는 Q-스위치 파이버 레이저는 일부 마킹 용도에 사용되지만, Q-스위치 기술의 고유한 제약으로 반복률이 약 80kHz로 제한됩니다. 직접 변조 MOPA(DM-MOPA) 파이버 레이저는 나노초 펄스 폭에서 최대 500kHz의 반복률로 작동할 수 있습니다. 높은 반복률은 (다른 레이저/도파로 파라미터와 함께) 일반적으로 더 빠른 마킹 속도로 이어집니다.

응용 개발은 매우 개별적이며 모든 경우에 통하는 레이저 솔루션은 없습니다. 단펄스 MOPA 레이저는 폴리머에 첨가된 민감한 화학 첨가제의 성능을 최대한 활용할 수 있습니다. 레이저 열 입력과 열 입력 속도에 대한 국부적인 공간 및 시간 제어가 최대 성능을 가능하게 합니다.

어떤 레이저 종류를 적용할지는 레이저의 출력 특성이 최적화된 폴리머 소재와 어떻게 상호작용하는지에 따라 결정됩니다. 그림 2는 펄스 길이가 고정된 이터븀 파이버 레이저와 가변(MOPA) 이터븀 파이버 레이저의 시간에 따른 펄스 형상을 나타냅니다.

두 그래프 모두에서 입력 파라미터의 특정 조합이 레이저 빔의 출력 특성, 즉 펄스 에너지, 피크 출력(펄스 에너지의 순간 최고값, 줄/펄스 지속 시간), 평균 출력(평균 출력(W) = 펄스 에너지(J) × 펄스 반복률(Hz))을 좌우합니다.

마킹용 고정 펄스 길이 파이버 레이저를 설정할 때는 두 가지 입력값을 설정해야 합니다.

• 펄스 반복률(흔히 펄스 주파수라고 함)
• 펌프 출력 비율(100%는 펌프 다이오드에 대한 최대 가능 전기 입력을 의미)

마킹용 가변 단펄스 MOPA 파이버 레이저를 설정할 때는 세 가지 입력값을 설정합니다.

• 펄스 지속 시간(흔히 펄스 길이라고 함)
• 펄스 반복률(펄스 주파수)
• 위에서 설명한 펌프 출력 비율

파이버 레이저를 이용한 플라스틱 마킹용 레이저 첨가제

근적외선 레이저 첨가제는 대비 정도를 높이며, 레이저 설정 파라미터를 바꾸면 더욱 강화할 수 있습니다. 폴리머는 “어두운 색” 또는 “밝은 색” 마킹 대비를 내는 고유한 특성을 지닙니다. 소량의 이산화티타늄(TiO2)과 카본 블랙을 함유한 일부 착색제 화합물도 레이저 빛을 흡수하여 경우에 따라 마킹 대비를 개선할 수 있습니다.

같은 폴리머 계열 안에서도 폴리머 등급마다 결과가 다를 수 있습니다. 첨가제 배합은 독성이 없어야 하며 제품의 외관이나 물리적, 기능적 특성에 악영향을 주어서는 안 됩니다.

잉크 인쇄 공정(패드/스크린 인쇄 및 잉크젯)과 비교하면 레이저 첨가제는 비용을 절감하며, 최적화되지 않은 소재 대비 20% 이상 빠른 마킹 속도를 보일 수 있습니다. 레이저 첨가제는 펠릿 과립과 분말 형태로 공급됩니다. 과립 제품은 폴리머 수지와 직접 블렌딩할 수 있고, 분말 형태는 마스터배치로 전환합니다. 대부분 폴리머에 쉽게 분산됩니다. 첨가제와 폴리머에 따라 (최종 부품 기준) 중량 배합 농도는 0.01~4.0%입니다.

과립과 분말 형태 모두 사전 컴파운딩된 컬러 소재나 컬러 컨센트레이트에 블렌딩할 수 있습니다. 어떤 첨가제를 적용할지는 폴리머 조성, 기재 색상, 원하는 마킹 대비 색상, 최종 용도 인증 요건에 따라 결정됩니다. 압출, 사출 성형, 열성형 공정에서는 컬러 컨센트레이트보다 사전 컬러 컴파운딩 소재가 더 나은 균일성을 제공합니다.

수작업 혼합은 피해야 합니다. 금형 유동과 게이트 유형/위치도 중요한 요소입니다. 각 부품 전체에 레이저 첨가제가 균질하게 분포/분산되어야 최적의 마킹 성능을 얻을 수 있습니다.

일부 첨가제는 안티몬 도핑 산화주석과 삼산화안티몬의 혼합물을 함유하여 천연(무착색) 기재의 불투명도에 “회색빛” 색조를 줄 수 있습니다. 다른 첨가제에는 알루미늄 입자, 혼합 금속 산화물, 독자 배합 화합물이 들어 있을 수 있습니다. 안료와 염료로 색상을 조정하여 최종 색상 매칭 외관을 구현합니다.

시판되는 특정 첨가제(레이저 용접에도 사용됨)는 21 CFR 178.3297(폴리머용 착색제)의 A-H 조건에 따라 식품 접촉 및 식품 포장 용도로 FDA 승인을 받았습니다. 유럽연합에도 유사한 적합성 선언이 있습니다. 인증 조건은 폴리머 종류, 배합량 임계값, 직접 또는 간접 접촉 여부에 따라 다릅니다. “최종 부품”에 블렌딩된 FDA 승인 첨가제를 추가로 검증하면 의료기기의 생체적합성을 확보할 수 있습니다.

Scott R. Sabreen은 플라스틱 2차 가공 제조 공정(레이저 마킹, 표면 전처리, 접착 결합, 장식 및 마감, 제품 보안)을 전문으로 하는 엔지니어링 기업 The Sabreen Group, Inc.의 창립자이자 사장입니다. Sabreen은 30년 넘게 선구적인 기술을 개발하고 제조상의 문제를 해결해 왔습니다. 972.820.6777로 연락하시거나 www.sabreen.com 또는 www.plasticslasermarking.com을 방문하시면 됩니다.

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