유리섬유 강화 폴리머의 레이저 마킹: 사출 성형 공정의 중요성

유리섬유 강화 폴리머의 레이저 마킹: 사출 성형 공정의 중요성

플라스틱 레이저 마킹은 폭넓은 산업 분야에서 수많은 이점을 제공합니다. 레이저로 만든 장식용 및 기능성 마킹은 부품 식별, 회로도, 데이터 매트릭스, 바코드처럼 완전히 판독 가능해야 합니다. 마킹 품질은 폴리머, 첨가제와 착색제, 사출 성형 공정, 레이저 소스에 따라 달라집니다. 판독을 방해하는 성형 폴리머 표면의 문제는 제품의 안전성, 성능, 기능에 영향을 줄 수 있습니다. 첨가된 유리섬유가 한 예입니다. 유리섬유를 첨가하면 성형 공정에 악영향을 줄 수 있고, 이는 다시 레이저 마킹 품질에 영향을 줍니다. 견고한 마킹을 얻으려면 부품 표면이 수지가 풍부해야 합니다. 유리섬유가 많은 표면에서는 마킹 결과가 떨어집니다.

핵심 요약

• 유리섬유 함량은 ABS, 나일론, 아세탈, 폴리카보네이트, LCP, PBT, PET, PPS, PEEK, PEI 전반에서 통상 10~60%입니다.
• 유리섬유는 근적외선 흡수체로 적합하지 않으므로, 유리섬유가 많은 표면은 원리상 마킹이 잘 되지 않습니다.
• 레이저 에너지가 폴리머 매트릭스와 상호작용해야 하므로, 수지가 풍부한 표면이 필수 조건입니다.
• 유리 돌출(glass emergence)은 응축 및 성형 후 표면에 흰 자국으로 나타납니다.
• 마킹 가능 여부는 성형이 좌우합니다. 결함은 레이저 이전 공정에서 발생하므로 그 단계에서 해결해야 합니다.

자주 묻는 질문

유리 돌출이란 무엇입니까?

유리섬유가 충전된 사출 성형품에 영향을 주는 심각한 표면 결함으로, 용융 수지 충전 및 성형 중 과잉 유리가 표면에 형성되는 현상입니다. 응축 및 성형 후 표면에 흰 자국이 나타나며, 노출된 섬유가 유리섬유 풍부 표면을 만들어 마킹이 불량해집니다.

유리섬유가 많은 표면은 왜 마킹이 잘 되지 않습니까?

유리섬유는 근적외선 레이저 광을 잘 흡수하지 못하기 때문입니다. 마킹을 하려면 레이저 에너지가 폴리머 매트릭스와 상호작용해야 하므로 표면에 수지가 풍부해야 합니다. 섬유 함량이 높아질수록 문제는 더 심해집니다.

어떤 폴리머에 유리섬유가 흔히 포함됩니까?

ABS, 나일론, 아세탈, 폴리카보네이트, 액정 폴리머, PBT, PET, PPS, PEEK, PEI입니다. 충전율은 다양하지만 통상 10~60% 범위입니다.

유리섬유는 실제로 무엇으로 만들어집니까?

실리카, 석회석, 소다회입니다. 실리카가 유리 자체를 이루고, 소다회와 석회석은 제조 시 용융 온도를 낮추는 역할을 합니다.

마킹을 만드는 표면 메커니즘에는 어떤 것이 있습니까?

세 가지입니다. 탄화에 의한 흑색 마킹, 발포 생성에 의한 백색 마킹, 그리고 착색 폴리머에서 레이저에 의한 열화학 반응으로 일어나는 색상 변화입니다. 어떤 것이 일어나는지는 흡수된 에너지와 소재 고유의 열분해 경로에 따라 달라집니다.

유리섬유

표준 플라스틱의 구조적 성능을 높여야 할 때 유리섬유를 첨가합니다. 강도가 향상되는 것은 상대적으로 약한 폴리머가 하중 응력을 더 강한 보강 섬유로 전달하기 때문입니다. 유리섬유를 만드는 원료는 실리카, 석회석, 소다회입니다. 실리카는 유리를 형성하는 주원료이며, 소다회와 석회석은 용융 온도를 낮추는 데 사용됩니다.

유리섬유는 ABS, 나일론, 아세탈, 폴리카보네이트, 액정 폴리머(LCP), PBT, PET, PPS, PEEK, PEI에 흔히 첨가됩니다. 충전율은 다양하지만 통상 10~60% 범위입니다. 유리 보강재에는 단섬유와 장섬유의 두 종류가 있으며, 각각 장단점이 있습니다.

유리 돌출 표면 결함

“유리 돌출(glass emergence)”은 유리섬유 충전 사출 성형품에 흔히 발생하는 심각한 표면 결함입니다. 유리섬유가 노출되어 표면이 유리섬유가 풍부한 상태가 됩니다. 플라스틱 용융물의 충전 및 성형 중에 과잉 유리가 표면에 형성됩니다. 응축 및 성형 후 표면에 흰 자국이 나타납니다(사진 1 참조).

고품질 마킹을 얻으려면 성형 부품 표면이 “수지가 풍부”해야 하며, 그래야 레이저 에너지가 폴리머 매트릭스와 상호작용합니다. 반대로 유리섬유가 풍부한 표면은 마킹이 불량하며, 섬유 함량이 높을수록 문제는 더 심해집니다. 유리섬유 자체는 근적외선(NIR) 레이저 광을 잘 흡수하지 못합니다.

올바른 사출 성형 공정의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 표 1은 유리 돌출 외에 레이저 마킹 품질에 악영향을 줄 수 있는 표면 결함을 정리한 것입니다.

폴리머 레이저 마킹 메커니즘

파장 1060~1070 nm의 NIR 빔 스티어링 레이저에서 레이저 마킹 메커니즘은 폴리머에 국소적인 고에너지 방사원(레이저)을 조사하는 것입니다. 레이저 소스로는 이터븀 파이버, 바나데이트, YAG 등이 있습니다. 복사 에너지는 소재에 흡수되어 열에너지로 변환되고, 이로 인해 소재 내에서 반응이 일어납니다. 색상 변화를 일으키는 표면 메커니즘은 1) 탄화에 의한 흑색 마킹, 2) 발포 생성에 의한 백색 마킹, 3) 착색 폴리머의 레이저 유도 열화학 반응에 의한 색상 변화입니다. 마킹 품질은 흡수된 에너지와 소재 고유의 열분해 경로에 따라 달라집니다. 같은 폴리머 계열이라도 등급마다 결과가 다를 수 있습니다.

고품질 마킹을 위해서는 수지가 풍부한 표면만큼이나 착색제와 첨가제의 균질한 분포와 분산이 중요합니다. 분포와 분산 문제가 있는지 확인하려면 레이저가 부품 표면 전체를 연속으로 마킹하거나 스캔하도록 설정하는 것이 좋습니다. 사진 2를 참조하십시오.

결과는 왼쪽부터 순서대로, 검은 바탕에 금색 채도가 우수하게 마킹된 성형 펜(왼쪽), 채도 분포가 불량한 가운데 두 개, 균일한 분포가 우수한 맨 오른쪽 제품을 보여 줍니다.

대부분의 폴리머는 화학 첨가제 없이는 NIR 흡수 특성이 없으므로, 전문가들은 첨가제, 충전제, 안료, 염료를 활용해 레이저 에너지 흡수를 높입니다. 원하는 마킹 대비와 기능에 따라 배합 화학과 레이저 광학 및 설정 파라미터가 크게 달라집니다. 레이저 첨가제는 대비 정도를 최적화하고 마킹 속도를 크게 높입니다. 과립형과 분말형 모두 사전 컴파운딩 컬러 소재나 컬러 컨센트레이트에 블렌딩할 수 있습니다. 사전 컬러 컴파운딩 소재는 컬러 컨센트레이트보다 일관된 마킹 결과를 냅니다. 어떤 첨가제를 적용할지는 폴리머 조성, 기재 색상, 원하는 마킹 대비 색상, 최종 용도 인증 요건에 따라 정해집니다.

레이저 마킹 시스템은 정확도와 반복성이 매우 높습니다. 공정이 설정되면 레이저는 동일한 출력 에너지를 정밀하게 가하고 반복합니다. 따라서 표면 결함이 있으면 마킹 불균일이 발생합니다.

까다로운 적용 사례는 파란색 및 검은색 30% 유리섬유 충전 폴리아미드(나일론)에서 견고한 백색 대비를 구현하는 것입니다. 사진 3을 참조하십시오.

레이저 펄스 반복률과 피크 파워 밀도는 마크를 형성하고 최적의 대비와 속도를 얻는 데 핵심적인 파라미터입니다. 출력 대 펄스 반복률의 산술 곡선은 서로 반비례 관계입니다.

저주파수에서 높은 피크 파워는 표면 온도를 급격히 높여 소재를 기화시키며 기재로 전달되는 열은 최소화합니다. 펄스 반복률이 높아지면 더 낮은 피크 파워로 기화는 최소화되지만 더 많은 열이 전도됩니다. 마킹 대비와 품질에 영향을 주는 그 밖의 요인으로는 펄스 폭, 초점 거리, 빔 속도, 벡터 라인 간격이 있습니다.

결론

결론적으로 플라스틱 레이저 마킹은 우수한 공정입니다. 마킹 품질은 폴리머 매트릭스, 첨가제와 착색제, 사출 성형 공정, 레이저 소스에 따라 달라집니다. 판독을 방해하는 성형 폴리머 표면 문제는 제품의 안전성, 성능, 기능에 영향을 줄 수 있습니다. 유리 돌출은 마킹 품질에 악영향을 주는 성형 표면 결함의 한 유형입니다. 수지가 풍부한 부품 표면과 균일한 분산 및 분포는 견고한 레이저 마킹을 구현하는 데 필수적입니다.

Scott R. Sabreen은 표면 전처리, 접착 결합, 잉크젯 인쇄, 레이저 마킹, 산업용 코팅, 장식 및 마감, 제품 보안 등 플라스틱 2차 가공 제조 공정을 전문으로 하는 엔지니어링 컨설팅 기업 The Sabreen Group, Inc.의 설립자이자 사장입니다. 30년 넘게 선구적인 기술을 개발하고 제조 문제를 해결해 왔습니다. 972.820.6777로 연락하시거나 www.sabreen.com을 방문하시면 됩니다.

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