Znakowanie laserowe nylonu laserem światłowodowym

Jak znakować laserowo i grawerować tworzywa nylonowe (poliamidowe) laserami światłowodowymi

Streszczenie

Użytkownicy laserów światłowodowych napotykają trudności przy znakowaniu i grawerowaniu nylonu. Warunkiem uzyskania wysokiej jakości kontrastu znakowania jest wprowadzenie dodatków wspomagających znakowanie laserowe do materiału nylonowego już na etapie formowania — niezależnie od tego, czy stosuje się koncentrat barwiący, czy materiały wstępnie kompoundowane. Korzyści ze znakowania laserowego nylonu zmieniły wiele branż, w tym produkcję broni strzeleckiej, umożliwiając unikalną identyfikację części, nanoszenie kodów Data Matrix i QR oraz personalizację.

Najważniejsze wnioski

• Niemodyfikowany nylon znakuje się słabo. Poliamid absorbuje niewiele energii w zakresie 1060–1070 nm, dlatego kontrast zależy od dodatków do znakowania laserowego.
• Najlepsze zestawienia kontrastowe to nieprzezroczysta biel na czerni, głęboka czerń na bieli oraz nieprzezroczysta biel na średnim błękicie.
• Właściwym narzędziem są iterbowe lasery światłowodowe MOPA; do tworzyw sztucznych odpowiednie są szerokości impulsu poniżej około 90 ns.
• Poziom dozowania mieści się w zakresie 0,01–3,0% masowo, a powtarzalność kontrastu zapewnia równomierne rozproszenie dodatku w całej objętości każdej części.
• Nylon wzmacniany włóknem szklanym jest jeszcze trudniejszy — powierzchnie bogate we włókno znakują się źle, dlatego niezbędne są powierzchnie bogate w żywicę.

Tworzywa nylonowe mają szerokie zastosowanie — m.in. w produkcji broni strzeleckiej, motoryzacji, elektrotechnice i elektronice, przemyśle, materiałach eksploatacyjnych oraz sektorze naftowo-gazowym. Zmienne właściwości fizyczne, chemiczne i powierzchniowe nylonu (poliamidu), zwłaszcza nylonów wzmacnianych włóknem szklanym, sprawiają jednak, że znakowanie laserowe i grawerowanie laserowe stanowią wyzwanie. Najpopularniejsze zestawienia kontrastowe to nieprzezroczysta biel na czerni, głęboka czerń na bieli oraz nieprzezroczysta biel na średnim błękicie. Dodatki do znakowania laserowego w połączeniu z odpowiednimi pigmentami i barwnikami zapewniają wysoką jakość znakowania przy niskim koszcie. Dodatki do znakowania laserowego stosuje się w wielu tworzywach sztucznych, m.in. w ABS, acetalu (POM), PET, PVC, poliwęglanie, polipropylenie i polietylenie.

Nylony (poliamidy)

Poliamidy, znane również jako nylon, stanowią ważną klasę tworzyw termoplastycznych stosowanych w zastosowaniach o wysokich wymaganiach eksploatacyjnych. Zawierają wiązania amidowe, a konkretnie –CO-NH–. Nylon otrzymuje się w procesie polikondensacji, w którym diamina reaguje z dikwasem, albo w wyniku polimeryzacji z otwarciem pierścienia laktamów zawierających sześć, jedenaście lub dwanaście atomów węgla. Monomery nylonu mogą być alifatyczne, półaromatyczne lub aromatyczne (aramidy), a ich struktura może być amorficzna lub półkrystaliczna, o większym lub mniejszym stopniu krystaliczności. Dwa główne poliamidy to poli(heksametylenoadypamid) (nylon 6,6) oraz polikaprolaktam (nylon 6). Do poliamidów alifatycznych należą nylony 12, 69, 6-10, 6-12, 46 i 1212. Biopochodne tworzywo konstrukcyjne znane jako nylon 11 pozyskuje się ze źródeł odnawialnych, konkretnie z rącznika pospolitego.

Mechanizmy powierzchniowe znakowania laserowego

Tworzywa sztuczne nadające się do znakowania laserowego charakteryzują się zdolnością do absorpcji światła lasera i przekształcania go w energię cieplną w zakresie bliskiej podczerwieni (NIR), przy długościach fali 1060 nm–1070 nm. Trzy powszechnie stosowane typy laserów to iterbowe lasery światłowodowe (MOPA i o stałej szerokości impulsu), lasery wanadanowe (Nd:YVO4) oraz Nd:YAG. W zależności od typu lasera i oczekiwanego kontrastu znakowania stosuje się różne rozwiązania chemiczne, wywołujące reakcje powierzchniowe takie jak karbonizacja (zwęglanie), zmiana chemiczna ze spienianiem oraz zmiana barwy. Ten sam laser może realizować wszystkie reakcje powierzchniowe po zmianie nastaw w oprogramowaniu znakującym (mocy, częstotliwości powtarzania impulsów i prędkości znakowania). Lasery CO₂ pracy ciągłej (CW) mają długość fali 10,6 mikrometra (daleka podczerwień). Lasery CO₂ CW mają niższą moc szczytową i nie pozwalają uzyskać wysokokontrastowych oznaczeń na tworzywach sztucznych.

Dodatki do znakowania laserowego

Ponieważ większość polimerów wykazuje ograniczoną absorpcję przy tej długości fali (NIR) i nie pozwala uzyskać wyraźnego kontrastu, specjaliści stosują różne dodatki, wypełniacze, pigmenty i barwniki, aby zwiększyć absorpcję i osiągnąć wysoką jakość kontrastu. Dodatki podnoszą stopień kontrastu barwnego (absorpcję światła lasera), co dodatkowo wzmacnia właściwy dobór lasera oraz parametrów znakowania. Wbrew powszechnemu przekonaniu nie istnieje jeden uniwersalny dodatek.

Część dodatków zawiera mieszaniny tlenku cyny domieszkowanego antymonem oraz tritlenku antymonu, które mogą sprawiać, że naturalne (niebarwione) podłoże wygląda „szarawo”. Inne dodatki mogą zawierać cząstki aluminium, mieszane tlenki metali lub związki zastrzeżone. Korektę barwy przeprowadza się za pomocą pigmentów i barwników, aby uzyskać oczekiwaną zgodność koloru. Wybrane dodatki zostały dopuszczone przez FDA do kontaktu z żywnością i do opakowań spożywczych w warunkach A-H według 21 CFR 178.3297 Colorants for Polymers.

Kompozycje dodatków do znakowania laserowego są dostępne w postaci granulatu i proszku. Produkty granulowane miesza się bezpośrednio z żywicą polimerową, natomiast formy proszkowe przetwarza się w masterbatch. Stężenie dozowania w przeliczeniu na masę (w gotowej części) wynosi zwykle od 0,01 do 3,0%. Aby uzyskać najlepszy kontrast barwny, dodatki do znakowania laserowego muszą być równomiernie rozprowadzone i rozproszone w całej objętości każdej części.

Lasery światłowodowe

Nanosekundowe iterbowe lasery światłowodowe (MOPA i o stałej szerokości impulsu) doskonale nadają się do znakowania laserowego, grawerowania laserowego i trawienia laserowego tworzyw sztucznych ze względu na wysoką jakość wiązki (M2) oraz dużą jasność („radiancję”). Pozwalają zogniskować wiązkę do małej średnicy plamki (poniżej 20 mikrometrów), co daje wysoką gęstość energii. Istotną zaletą laserów MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) jest możliwość precyzyjnej regulacji szerokości impulsu. Mała szerokość impulsu, zwykle poniżej 90 nanosekund, jest optymalna do znakowania materiałów z tworzyw sztucznych.

Natężenie promieniowania lasera (W/cm2) oraz fluencja (J/cm2) to istotne parametry znakowania tworzyw sztucznych. Na natężenie wpływają częstotliwość impulsów, moc lasera, średnica plamki ogniskowej i szerokość impulsu. Na fluencję wpływają natężenie wiązki, prędkość skanowania, nakładanie się impulsów oraz średnica zogniskowanej wiązki. Częstotliwość powtarzania impulsów i szczytowa gęstość mocy mają decydujące znaczenie dla ukształtowania znaku oraz uzyskania optymalnego kontrastu i szybkości. Wysoka moc szczytowa przy niskiej częstotliwości szybko podnosi temperaturę powierzchni, odparowując materiał i przekazując minimalną ilość ciepła do podłoża. Wraz ze wzrostem częstotliwości powtarzania impulsów niższa moc szczytowa powoduje minimalne odparowanie, ale przekazuje więcej ciepła. Krzywe zależności mocy od częstotliwości powtarzania impulsów są odwrotnie proporcjonalne.

Najczęściej zadawane pytania

Dlaczego laser światłowodowy nie znakuje nylonu wyraźnie?

Poliamid wykazuje ograniczoną absorpcję w zakresie bliskiej podczerwieni, w którym pracują iterbowe lasery światłowodowe, dlatego większość energii nie przekształca się w reakcję termiczną tworzącą znak. Rozwiązaniem jest dodatek wspomagający znakowanie laserowe, wprowadzony do materiału na etapie kompoundowania, a nie zwiększanie mocy lasera.

Jakie dodatki stosuje się do znakowania laserowego nylonu?

Powszechnie stosuje się mieszaniny tlenku cyny domieszkowanego antymonem i tritlenku antymonu, choć mogą one nadawać niebarwionym podłożom szarawy odcień. Inne rozwiązania wykorzystują cząstki aluminium, mieszane tlenki metali lub związki zastrzeżone, a pigmenty i barwniki dodaje się w celu uzyskania docelowej zgodności barwy.

Czy nylon znakowany laserowo można stosować w częściach kontaktujących się z żywnością?

Tak, pod warunkiem zastosowania odpowiedniego dodatku. Wybrane dodatki są dopuszczone przez FDA do kontaktu z żywnością i do opakowań spożywczych w warunkach A–H według 21 CFR 178.3297, Colorants for Polymers. Należy potwierdzić, że dopuszczenie obejmuje daną klasę materiału i poziom dozowania.

Jaką szerokość impulsu stosować przy nylonie?

Krótkie impulsy. W laserze MOPA do tworzyw sztucznych odpowiednie są szerokości poniżej około 90 nanosekund, które zapewniają wysoką moc szczytową, szybko podnoszącą temperaturę powierzchni przy minimalnym przewodzeniu ciepła do podłoża.

Dlaczego nylon wzmacniany włóknem szklanym jest trudniejszy w znakowaniu niż niewzmacniany?

Włókna szklane nie absorbują bliskiej podczerwieni i rozpraszają wiązkę, dlatego powierzchnie bogate we włókno znakują się słabo i niejednorodnie. Proces formowania należy dobrać tak, aby uzyskać powierzchnie bogate w żywicę. Zobacz materiał o wychodzeniu włókna szklanego na powierzchnię i znakowaniu laserowym.

Scott R. Sabreen jest założycielem i prezesem The Sabreen Group, Inc. — firmy inżynieryjnej specjalizującej się we wtórnym przetwórstwie tworzyw sztucznych: obróbce wstępnej powierzchni, klejeniu, zdobieniu i wykańczaniu, znakowaniu laserowym oraz bezpieczeństwie produktu. Od ponad 30 lat opracowuje nowe technologie i rozwiązuje problemy produkcyjne. Kontakt ze Scottem Sabreenem: 972.820.6777, www.sabreen.com lub www.adhesionbonding.com.

---