표면 전처리와 맞춤형 잉크가 플라스틱 및 필름의 잉크젯 인쇄를 발전시킵니다

표면 전처리와 맞춤형 잉크가 플라스틱 및 필름의 잉크젯 인쇄를 발전시킵니다

플라스틱 레이저 마킹과 잉크젯 인쇄 같은 디지털 인쇄 기술은 패드 인쇄, 핫 스탬핑, 스크린 인쇄 등 기존 아날로그 방식에 비해 제조업체에 막대한 이점을 제공합니다. 디지털 인쇄는 완전한 제품 맞춤화, 고유 영숫자 부품 식별, 제품 보안, 일련번호 부여, 바코드/2D 코드, 로고, 그래픽 등을 가능하게 합니다. 이러한 기능은 오늘날의 디지털 상호작용 환경에서 필수적입니다. 부수적인 이점으로는 제조 공정의 마지막 단계에서 조립이 끝난 제품에 직접 인쇄할 수 있어 비용 절감과 재고 관리 개선 효과를 얻을 수 있다는 점이 있습니다. 이 글에서는 두 가지 디지털 인쇄/마킹 공정, 즉 풀 컬러 압전 방식 드롭 온 디맨드 잉크젯 인쇄와 빔 스티어링 방식 파이버 레이저 마킹을 살펴봅니다. 압전 방식 드롭 온 디맨드(DOD) 잉크젯과 파이버 레이저는 제품(및 대량) 맞춤화에 수많은 이점을 제공하는 최신 기술입니다.

압전 방식 DOD 잉크젯 인쇄와 빔 스티어링 방식 파이버 레이저 마킹은 모두 디지털 비접촉 공정입니다. 많은 제조업체는 다양한 폴리머 기재에서 요구되는 맞춤 인쇄를 충족하기 위해 두 기술을 모두 갖추는 것의 가치를 이미 인식하고 있습니다. 적용 요구 사항이 다양하기 때문에 어느 한 기술이 다른 기술보다 낫다거나 못하다고 정확하게 말할 수는 없습니다. 특정 용도에 어떤 공정(잉크젯 또는 레이저)이 적합한지는 간단해 보일 수 있습니다. 예를 들어 유리섬유가 충전된 흰색 나일론에 하나 이상의 (맞춤) 색상을 인쇄해야 한다면 잉크젯을 선택합니다. 반대로 흰색 나일론에 지워지지 않는 칠흑색 대비가 필요하다면 레이저 마킹을 선택합니다. 그러나 실제로는 특수 잉크와 전처리 없이는 잉크젯 잉크가 나일론(또는 대부분의 저표면에너지 폴리머)에 쉽게 접착되지 않습니다. 흰색 나일론(및 기타 많은 밝은 색상 폴리머)에서 검은색 대비를 얻으려면 레이저 강화 첨가제가 필요합니다.

견고한 마킹/인쇄 솔루션을 구현하려면 잉크/레이저 화학, 폴리머 표면 과학, 공정 설계 및 장비를 정밀하게 엔지니어링해야 합니다. 많은 기업이 "기성품" 범용 장비를 구매했다가 요구 성능을 얻지 못하는 경우가 흔합니다. 따라서 시스템 조달과 공정 최적화의 지침으로서 잉크젯 인쇄 및 레이저 마킹 기술의 "토털 솔루션" 관점이 매우 중요합니다.

핵심 요약

• 잉크젯과 레이저는 경쟁 관계가 아니라 상호 보완 관계입니다. 어느 한쪽이 무조건 우수한 것은 아니며, 적용 분야에 따라 선택이 달라집니다.
• 잉크 접착은 표면 에너지의 문제입니다. 기재의 표면 에너지를 잉크 표면 장력보다 약 10 dynes/cm 높게 맞추십시오.
• UV LED 경화가 수은 램프를 대체하고 있습니다. 즉각적인 켜짐/꺼짐, 20,000시간 이상의 수명, IR 발열 없음, 훨씬 적은 오존 발생이 장점입니다.
• 대부분의 폴리머는 자체적으로 근적외선 흡수 특성이 없으므로 레이저 마킹에는 첨가제가 필요합니다.
• 기성품 장비가 흔한 실패 원인입니다. 특히 잉크젯은 프린트헤드, 잉크, 경화, 전처리, 핸들링 전반에 걸친 통합이 필요합니다.

자주 묻는 질문

플라스틱 부품에는 잉크젯 인쇄와 레이저 마킹 중 어느 쪽을 선택해야 합니까?

하나 이상의 색상이 필요하면 잉크젯을, 지워지지 않는 고대비 단색 마킹이 필요하고 소모품을 쓰고 싶지 않다면 레이저를 선택하십시오. 다만 실제로는 결정이 그리 단순하지 않습니다. 잉크젯 잉크는 특수 잉크와 전처리 없이는 나일론 등 저표면에너지 폴리머에 접착되지 않으며, 레이저 마킹은 밝은 색상 폴리머에서 대비를 얻기 위해 강화 첨가제가 필요합니다.

UV 잉크젯 잉크가 플라스틱 부품에 접착되지 않는 이유는 무엇입니까?

표면 에너지 때문입니다. UV 잉크의 표면 장력은 약 25 dynes/cm로 낮은 반면, 대부분의 엔지니어링 플라스틱은 화학적으로 불활성이며 비다공성이고 표면 에너지가 낮습니다. 충분한 접착력을 얻으려면 일반적으로 기재의 표면 에너지가 잉크보다 약 10 dynes/cm 높아야 하며, 표면 전처리가 이 격차를 해소합니다.

수은 램프에 비해 UV LED 경화의 장점은 무엇입니까?

UV LED는 395 nm 부근을 중심으로 한 좁은 대역을 방출하므로 거의 모든 에너지가 광개시에 유효하게 쓰입니다. 즉시 켜고 끌 수 있고, 수명이 20,000시간 이상으로 UV 램프의 약 10배이며, 적외선을 방출하지 않아 열에 민감한 플라스틱에 적합하고, 오존 발생도 훨씬 적습니다.

그레이스케일 잉크젯이란 무엇이며 왜 중요합니까?

표준 잉크젯은 이진 방식으로, 각 픽셀에 액적이 분사되거나 분사되지 않습니다. 그레이스케일 프린트헤드는 여러 개의 작은 액적을 하나의 점으로 인쇄될 만큼 빠르게 분사하며, 고급 헤드는 8단계를 지원합니다. 그 결과 동일한 기본 헤드 해상도에서 체감 해상도가 눈에 띄게 높아집니다.

기성품 잉크젯 시스템이 플라스틱에서 자주 실패하는 이유는 무엇입니까?

모든 구성 요소를 공급하는 단일 제조업체가 없기 때문입니다. 작동하는 시스템은 프린트헤드, 구동 전자장치, 잉크, 부품 핸들링, 모션 제어, 경화 조사기, 파일 프로토콜 소프트웨어를 통합해야 합니다. 패드 인쇄나 스크린 인쇄와 달리 완비된 턴키 패키지가 없으므로 구성 요소 간 호환성을 직접 엔지니어링해야 합니다.

압전 방식 "드롭 온 디맨드" UV LED 잉크젯 기술

잉크젯은 디지털 파일에서 만들어진 규칙적인 x-y 픽셀 패턴에 따라 잉크 액적을 기재 쪽으로 분사하는 비접촉 방식의 컴퓨터-투-프린트 공정입니다. 주요 시스템 구성 요소는 프린트헤드 어셈블리, 프린트헤드 구동 전자 컨트롤러, UV 잉크, 경화 조사기, 모션 제어 부품 핸들링 장치로 이루어집니다.

기본 구성 요소는 프린트헤드입니다(그림 2). 프린트헤드에는 잉크 공급부와 다수의 소용량 잉크 챔버가 있으며, 챔버마다 액적이 분사되는 원형 노즐이 있습니다. 노즐은 이동 방향과 직교하는 방향으로 일렬로 배열됩니다. 헤드 하나에 노즐 열이 1~5줄 있을 수 있으며, 각 열은 128, 256, 512 또는 768개의 노즐로 구성됩니다. 색상마다 별도의 잉크 공급부와 프린트헤드가 있습니다. 상정하는 프린터에서는 프린트헤드가 앞뒤로(x 방향) 스캔하고, 매 패스마다 대상물이 한 단계씩(y 방향) 이동합니다. 이동 단계와 노즐 간격은 서로 맞추어져 있습니다(그림 1). 분사 빈도를 높이고 이동 단계를 줄이면 실질적인 픽셀 간격을 노즐 간격보다 훨씬 촘촘하게 만들 수 있습니다. 예를 들어 300 dpi 헤드는 300×300, 300×600 등으로 인쇄할 수 있으며 최대 2400×2400 dpi까지 가능합니다. 일반 인쇄는 이진 방식으로, 각 위치에 액적이 있거나 없습니다. 고급 기술은 그레이스케일을 제공하며, 이는 각 점의 잉크 부피를 의도적으로 조절할 수 있음을 의미합니다.

압전 방식 DOD 프린트헤드 설계

압전 방식 드롭 온 디맨드 잉크젯에서는 압전 세라믹 소재가 변형되면서 압력 챔버 내 잉크 부피가 변하고, 이로 인해 노즐 쪽으로 전파되는 압력파가 생성됩니다. 이 음향 압력파가 작은 노즐에서의 점성 압력 손실과 잉크 메니스커스의 표면 장력을 이겨내면 노즐에서 잉크 액적이 형성되기 시작합니다. 액적이 형성되면 이를 기록 매체 쪽으로 분사할 수 있을 만큼 압력이 충분해야 합니다(그림 2). 점도가 10~20 mPa-s이면 유체가 빠르게 이동합니다. 일반적으로 압전 구동체의 변형은 서브마이크론 수준입니다. 액적 형성에 필요한 충분한 잉크 변위량을 얻기 위해 압전 구동체의 물리적 크기는 잉크 오리피스보다 훨씬 큰 경우가 많습니다. 기재의 각 픽셀은 잉크로 덮이거나 덮이지 않는 이진 선택입니다. 그레이스케일 잉크젯은 프린트헤드가 여러 개의 작은 액적을 하나의 점으로 인쇄될 만큼 매우 빠르게 분사할 수 있다는 점이 다릅니다. 고급 프린트헤드는 액적 0~7개의 8단계를 지원합니다. 그 결과 이진 방식과 동일한 기본 해상도에서 체감 해상도가 크게 높아집니다.

UV 경화형 잉크

자외선(UV) 경화형 잉크와 코팅은 경화 후 강인하고 내구성이 뛰어나기 때문에 산업용 및 옥외 용도에 선호됩니다. 색 재현 범위가 넓고 미세한 해상도로 뛰어난 인쇄 품질을 제공합니다. UV 경화형 배합에는 광개시제, 모노머, 올리고머, 착색제, 첨가제가 포함됩니다. 모노머와 올리고머가 배합의 약 85%, 착색제가 약 10%, 광개시제가 약 5%, 계면활성제와 안정제가 1~2%를 차지합니다.

UV에 노출되면 광개시제 결합이 끊어지면서 두 개의 자유 라디칼이 생성됩니다. 이 라디칼이 모노머와 올리고머 사이에서 연쇄 반응을 일으켜 수지가 광범위하게, 그러나 완전하지는 않게 가교(경화)됩니다. 이 반응은 발열 반응이며 UV 광원도 열을 방출합니다. 온도 상승은 접착과 경화도 모두에 도움이 되며, 경화된 유체의 내마모성, 내마찰성, 내스크래치성에 기여합니다1. UV 경화 잉크 배합의 과제는 매우 낮은 점도 요건을 충족하면서도 유용한 폴리머를 형성하는 것입니다. 다만 잉크, 프린트헤드, 잉크 공급 시스템을 약 50ºC로 가열하면 압전 프린트헤드에 적합한 점도를 얻을 수 있으나, 상온 시스템보다 비용이 크게 늘어납니다.

잉크와 플라스틱 기재의 호환성

모든 잉크 인쇄 공정에서는 적절한 표면 젖음을 얻기 위해 액상 잉크의 화학 조성(UV, 고형분, 열 등)이 플라스틱 기재와 호환되어야 합니다. UV 잉크는 패드 인쇄나 스크린 인쇄 잉크보다 표면 장력이 낮습니다(약 25 dynes/cm). 잉크와 기재의 호환성에 영향을 미치는 주요 요인은 많은 플라스틱이 화학적으로 불활성이고 비다공성이며 표면 에너지가 낮다는 점입니다. 오늘날의 고성능 엔지니어링 수지에 대한 표면 전처리는 대부분의 잉크 접착 문제를 해결합니다. 일반적으로 기재의 표면 에너지(dynes/cm로 측정)가 액체의 표면 장력보다 약 10 dynes/cm 클 때 허용 가능한 잉크 접착이 이루어집니다. 이 경우 액체가 표면에 "젖어 퍼지거나" 접착된다고 말합니다.

표면 에너지의 척도인 표면 장력은 (분자 간 힘에 의해) 모든 액체가 표면을 수축시켜 담긴 부피를 표면적이 최소가 되는 형태로 만들려는 성질입니다. 따라서 액체의 표면 장력에 비해 고체 기재의 표면 에너지가 높을수록 젖음성이 좋아지고 접촉각은 작아집니다. (표면 전처리에 관한 자세한 내용은 Plastics Decorating 2018년 4/5월호 44~51쪽의 "Plasma Surface Pretreatment of Polymers for Improved Adhesion"을 참조하십시오.)

표면 전처리는 폴리머 소재의 표면 에너지를 높이고 젖음 및 접착 특성을 개선하기 위해 사용됩니다. 업계에서는 저압 저온 가스 플라즈마(마이크로파/RF), 전기 방전(코로나 방전), 화염 플라즈마, 저온 무전압 대기압 플라즈마 등 다양한 기상 표면 산화 전처리 공정이 사용됩니다. 각 방법은 용도에 따라 적합성이 다르며 고유한 장점과 잠재적 한계가 있습니다. 이 공정들은 모두 자유 전자, 양이온 및 기타 화학종으로 이루어진 매우 반응성이 높은 기체인 "가스 플라즈마"를 생성하는 것이 특징입니다. 물리학적으로 이러한 플라즈마가 생성되는 메커니즘은 서로 다르지만 표면 젖음성에 미치는 효과는 비슷합니다. 경우에 따라 가스 플라즈마 공정 대신 화학 프라이머를 사용할 수도 있습니다.

UV LED 경화

최근까지 모든 경화는 수은 방전 램프로 시작되었습니다. 수은은 방출 스펙트럼이 매우 넓어 UV보다 열로 방출되는 에너지가 더 많습니다. 낮은 효율이 한 가지 단점이며, 다른 하나는 잉크와 기재가 가열되어 매우 많은 용도에서 UV 경화를 사용할 수 없다는 점입니다. (수은 램프는 건강에 위험한 수준의 오존도 발생시켜 문제를 더욱 복잡하게 만듭니다.) 이제 UV LED 램프(그림 3)가 수은 램프를 대체하고 있습니다. UV LED 경화는 좁은 대역의 UV를 방출하는 발광 다이오드를 사용하여 일반적으로 400nm를 중심으로 UV 에너지의 피크를 제공하므로 대부분의 에너지가 광개시에 유용합니다. 일부는 가시광선이지만 적외선(IR)은 거의 없습니다.

또 다른 장점은 거의 즉시 켜고 끌 수 있다는 점으로, 수은 램프가 완전 출력에 도달할 때까지 발생하는 것과 같은 대기 시간과 에너지 및 재료 낭비를 줄여 줍니다. UV LED 경화는 기존의 수은(Hg) 증기 램프에 비해 다른 장점도 있습니다. 소형 반도체 소자는 20,000시간 이상의 작동 수명을 갖도록 설계되어 UV 램프보다 약 10배 깁니다. 출력은 장시간 매우 일정하게 유지됩니다. UV LED는 IR 없이 순수한 UV만 방출하므로 열에 민감한 플라스틱 기재에도 공정 적합성이 좋습니다. 매우 짧은 파장의 빛이 없어 오존도 훨씬 적게 발생합니다.

잉크젯 장비 시스템

잉크젯 인쇄 공정은 턴키 시스템 통합을 위해 여러 분야의 엔지니어링이 필요하다는 점에서 기존 잉크 인쇄 기술과 다릅니다. 반면 패드 및 스크린 인쇄 장비 제조업체는 거의 항상 잉크, 인쇄 소모품, 경화 장비, 자동화, 화학 세척 장비를 포함한 턴키 시스템을 제공할 수 있습니다. 잉크젯 시스템 구성 요소는 프린트헤드, 구동 전자장치, 잉크, 부품 핸들링 및 모션 제어 하드웨어, 경화 조사기로 이루어집니다. 또한 메인 컨트롤러 구동 소프트웨어를 포함한 하드웨어/소프트웨어 파일 프로토콜을 통해 디지털 정보를 프린트헤드로 전달해야 합니다. 모든 맞춤 용도에 위의 구성 요소를 전부 공급하는 단일 제조업체는 없습니다. 견고한 제조 운영을 달성하려면 모든 잉크젯 구성 요소와 개별 부품 간 호환성에 대한 높은 수준의 엔지니어링 지식이 필수적입니다.

이터븀 파이버 레이저 마킹 기술

빔 스티어링 방식 레이저 마커는 고속 컴퓨터 제어 갈바노미터에 장착된 미러를 사용하여 마킹할 표면 위로 레이저 빔을 이동시키며, 마치 종이에 연필로 글씨를 쓰는 것과 비슷합니다. Y축과 X축 갈바노미터가 각각 하나씩 마킹 영역 내의 빔 이동을 담당합니다. 플랫 필드 렌즈 어셈블리는 레이저 빛을 집속하여 기재 표면에 높은 전력 밀도를 만들어 냅니다. 그림 4는 컴퓨터 제어 갈바노미터를 사용한 광학 빔 전달 시스템을 보여줍니다.

폴리머 레이저 마킹 반응 메커니즘

대부분의 폴리머는 화학 첨가제 없이는 NIR 흡수 특성을 갖지 않아 레이저 마킹이 어렵거나 불가능합니다. 새로운 화학 첨가제는 온더플라이 방식과 2차 공정 모두에서 칠흑색, 밝은 색상 및 맞춤 색상 대비를 구현할 수 있습니다. 폴리머의 투명도, 분광 투과율 및 기본 물성에는 영향이 없습니다.

레이저로 마킹할 수 있는 폴리머는 레이저 빛을 흡수하여 광에너지를 열에너지로 변환하는 폴리머입니다. 전문가들은 첨가제, 충전재, 안료, 염료를 활용해 레이저 에너지 흡수를 높여 국부적인 색상 변화를 만들어 냅니다. 널리 알려진 것과 달리 모든 마킹 문제를 해결하는 단일 레이저 첨가제는 존재하지 않습니다. 원하는 마킹 대비와 기능에 따라 배합 화학, 레이저 종류(파이버, YAG, 바나데이트), 레이저 광학/셋업 파라미터가 크게 달라집니다.

근적외선 레이저 첨가제는 대비도를 높이며, 레이저 셋업 파라미터를 변경하면 대비를 더욱 강화할 수 있습니다. 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.

폴리머는 고유한 특성에 따라 어두운 색 또는 밝은 색 마킹 대비를 나타냅니다. 이산화티타늄(TiO2)과 카본 블랙을 소량 함유한 일부 착색제 화합물도 레이저 빛을 흡수하며, 경우에 따라 마킹 대비를 개선할 수 있습니다. 같은 폴리머 계열 안에서도 각 폴리머 등급마다 결과가 다를 수 있습니다. 첨가제 배합은 독성이 없어야 하며 제품의 외관이나 물리적 또는 기능적 특성에 악영향을 주어서는 안 됩니다.

가장 일반적인 표면 반응 메커니즘은 열화학적 탄화, 즉 "차링"이라고 하며, 기재에 흡수된 에너지가 흡수 부위 주변 소재의 국부 온도를 폴리머의 열분해를 일으킬 만큼 높이는 방식입니다(그림 5 [b]). 마킹의 진하기나 밝기는 흡수된 에너지와 소재 고유의 열분해 경로에 따라 달라집니다. 레이저 셋업을 최적화하면 표면 탄화 잔류물을 최소화할 수 있습니다.

수지 착색제 매트릭스에 블렌딩했을 때 어두운 마킹 대비를 만들어 내는 첨가제에는 안티몬 도핑 산화주석, 삼산화안티몬, 알루미늄 입자 중 하나 이상이 혼합된 경우가 많습니다. 모두 폴리머에 쉽게 분산됩니다. 일반적인 중량 기준 첨가 농도는 0.01~3.0%입니다. 최종 배합 중 다수는 21 CFR 178.3297 Colorant for Polymers의 A-H 조건에 따른 사용에 대해 FDA 승인을 받았습니다.

두 번째 표면 반응은 분해 시 수증기를 방출하는 첨가제를 사용한 화학적 변화로, 폴리머가 발포됩니다(그림 5(c)). 발포 과정에서 레이저 에너지는 발포제 가까이에 있는 첨가제에 흡수됩니다. 흡수제의 열이 발포제를 분해하여 수증기를 방출합니다. 발포제의 예로는 수산화알루미늄이나 각종 탄산염이 있습니다. 차링을 방지하려면 폴리머가 발포 첨가제보다 높은 온도에서 분해되어야 합니다. 레이저 작동 파라미터를 엄격하게 제어하면 어두운 기재 위에 고품질의 내구성 있는 밝은 마킹을 만들 수 있습니다. 레이저 제어가 미흡하면 쉽게 긁히는(내구성이 낮은) 부서지기 쉬운 마킹이나 저대비 마킹이 생길 수 있습니다. 최근 개발된 그림 5(e)는 하나의 배합(FDA 승인)에서 칠흑색과 불투명 흰색 대비를 모두 구현한 사례입니다. 이 혁신은 투명(비정질) 폴리머에 이상적입니다.

세 번째로, 레이저 에너지를 사용해 혼합 착색제 중 한 가지 착색제를 가열/분해하여 색상을 변화시킵니다(그림 5 [d]). 카본 블랙과 안정한 무기 착색제의 혼합물이 그 예입니다. 가열하면 카본 블랙이 제거되고 무기 착색제만 남습니다. 이러한 혼합 착색제 시스템은 각 착색제의 특정 안정성에 좌우되므로 모든 색상 변화가 가능한 것은 아닙니다.

그림 5 (a)에 나타낸 또 다른 특수 표면 반응은 사진 신분증 배지용 다층 라미네이트 구조에 레이저 첨가제를 적용하는 것입니다. 노출형 및 은닉형의 고유한 고해상도 마킹 특징과 RFID가 강력한 위조 방지 보안을 제공합니다.

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

나노초 이터븀 파이버 레이저 기술

레이저 기술의 발전은 FDA 승인을 받은 최신 세대 레이저 첨가제의 급속한 개발에 결정적인 역할을 했습니다. 나노초 이터븀 파이버 레이저의 등장은 마킹, 용접, 절단 분야에서 가장 중요한 진전 중 하나입니다. 근본적으로 파이버 레이저는 다른 다이오드 펌핑 고체(DPSS) 마킹 레이저와 다릅니다. 파이버 레이저는 레이저 빔을 생성하는 활성 매질이 특수 광섬유 케이블 안에 분산되어 있습니다. 파이버 전송 레이저와 달리 빔 경로 전체가 빔 전달 광학계에 이르기까지 광섬유 케이블 안에 있습니다. 이러한 올 파이버 구조가 이 레이저의 신뢰성과 견고성을 대부분 좌우하며, 이것이 빠른 보급의 배경입니다.

파이버 레이저는 Nd:YAG 레이저에 비해 우수한 빔 품질(M2)과 휘도를 제공합니다. 빔 품질이 우수한 레이저는 작은 스폿 크기로 집속할 수 있어 높은 에너지 밀도를 얻습니다. 펄스 에너지가 최대 1mJ이고 전력 밀도가 높은 고정 및 가변 펄스 MOPA(마스터 오실레이터 파워 앰프) 파이버 레이저는 기존에 마킹이 어려웠던 많은 폴리머를 마킹할 수 있습니다. 바나데이트 레이저도 M2 값이 작고 고정 파이버 및 YAG 레이저보다 펄스 폭이 짧습니다. 펄스 지속 시간은 소재 내부로 전달되는 열과 탄화 정도에 영향을 줍니다. 일반적으로 40ns 미만의 짧은 펄스는 민감한 폴리머 소재를 가공할 때 더 정밀하게 제어된 에너지를 투입할 수 있습니다. 이러한 펄스는 소재의 임계값을 넘는 피크 전력은 유지하면서도 펄스 에너지는 낮아 국부적인 열 손상을 줄여 줍니다.

모든 빔 스티어링 파이버 레이저가 동일한 것은 아닙니다. 레이저 제조업체가 시스템에 적용하는 하드웨어와 소프트웨어 구성 요소에 따라 마킹 대비, 품질, 속도에 상당한 차이가 납니다. 핵심 특성은 마킹 표면에서의 전력 밀도(watts/cm)이며, 이는 레이저의 원시 출력 전력과는 다릅니다. 레이저 빔의 출력 모드는 마킹 성능에 매우 중요합니다. 이러한 출력 모드는 빔 발산과 레이저 빔 직경에 걸친 전력 분포 등의 요소와 관련이 있습니다.

전력 밀도는 집속된 레이저 스폿 크기의 함수입니다. 특정 초점 거리 렌즈와 레이저 파장에서 집속된 레이저 스폿 크기는 레이저 빔 발산의 함수이며, 빔 발산은 레이저 구성, 모드 선택 조리개 크기, 업콜리메이터(빔 익스팬더) 배율에 의해 제어됩니다. 펄스 반복률과 피크 전력 밀도는 마킹을 형성하고 최적의 대비와 속도를 얻는 데 중요한 파라미터입니다. 낮은 주파수에서 높은 피크 전력은 표면 온도를 급속히 높여 기재로 전달되는 열은 최소화하면서 소재를 기화시킵니다. 펄스 반복률이 높아지면 피크 전력이 낮아져 기화는 최소화되지만 더 많은 열이 전달됩니다.

결론

디지털 압전 방식 DOD 잉크젯과 파이버 레이저 기술은 제품 맞춤화에 수많은 이점을 제공합니다. 견고한 마킹/인쇄 솔루션을 구현하려면 잉크/레이저 화학, 폴리머 표면 과학, 공정 설계 및 장비를 정밀하게 엔지니어링해야 합니다. 저가의 기성품 장비를 구매하는 기업은 공정에 대한 이해 부족으로 견고한 시스템을 통합하지 못하는 경우가 많습니다. 각 공정에는 장점과 잠재적 한계가 있습니다. 많은 제조업체는 두 기술을 모두 갖추는 것의 가치를 이미 인식하고 있습니다. 부수적인 이점으로는 제조 공정의 마지막 단계에서 완전히 조립된 제품에 직접 인쇄할 수 있어 비용 절감과 재고 관리 개선 효과를 얻을 수 있다는 점이 있습니다.

The Sabreen Group은 접착 결합 공정, 플라즈마 전처리 및 첨단 제조 기술에 관한 포괄적인 현장 교육과 훈련을 제공합니다. 전처리 장비 시연은 실제 생산 부품을 사용하여 실시간 테스트로 사내에서 진행됩니다. 결과를 보장합니다.

Scott R. Sabreen은 플라스틱 2차 가공 제조 공정, 즉 레이저 마킹, 잉크젯 인쇄, 표면 전처리, 접착 결합, 장식 및 마감, 제품 보안을 전문으로 하는 엔지니어링 회사 The Sabreen Group, Inc.의 설립자 겸 사장입니다. Sabreen은 30년 넘게 선구적인 기술을 개발하고 제조 문제를 해결해 왔습니다. 972.820.6777로 연락하시거나 www.sabreen.com 또는 www.plasticslasermarking.com을 방문하시면 됩니다.

참고 문헌

• S. Sabreen, “Innovating inkjet technologies for plastics products,” Plastics Decorating magazine (Aug. 2013).
• M. Gailey, “Plastics additives allow inkless marking,” Photonics Spectra (Sept. 2013).
• S. Sabreen, “Fiber laser enables marking of advanced plastics,” Industrial Laser Solutions (Feb. 2013).

---