Masterbatch do znakowania laserowego

Masterbatch i dodatki do znakowania laserowego

Zaawansowana chemia dodatków wzmacniających laser dla tworzyw sztucznych — inżynieryjne formulacje dające wyższy kontrast, szybsze znakowanie i zero wpływu na właściwości polimeru. Opracowane przez pierwotnego wynalazcę dodatków laserowych do tworzyw.

Dodatki do znakowania laserowego tworzyw

Formulacje kontrastu ciemnego i jasnego oraz kolory na zamówienie, opracowane dla każdego systemu polimerowego

Dodatki laserowe poprawiają stopień kontrastu znakowanej części, a kontrast można dalej wzmacniać, dostrajając parametry ustawień lasera. Polimery mają wrodzone cechy dawania „ciemnego" lub „jasnego" kontrastu znakowania. Niektóre związki barwiące z małą ilością dwutlenku tytanu (TiO2) i sadzy również absorbują światło lasera i niekiedy poprawiają kontrast. Każdy gatunek polimeru, nawet w tej samej rodzinie, może dawać inne wyniki. Formulacje dodatków nie mogą być toksyczne ani pogarszać wyglądu oraz właściwości fizycznych czy funkcjonalnych wyrobu.

W porównaniu z procesami druku farbami (tampodruk/sitodruk i druk atramentowy) dodatki laserowe przynoszą oszczędności i wykazują o 15 procent lub więcej szybsze znakowanie względem niezoptymalizowanych formulacji materiałowych. Dodatki laserowe dostarczane są w formie granulatu i proszku. Granulaty można mieszać bezpośrednio z żywicą polimerową, a proszki przetwarza się w masterbatch. Większość dodatków łatwo dysperguje w polimerach. Zależnie od dodatku i polimeru stężenie wagowe (w gotowej części) wynosi od 0,01 do 4,0 procent.

Grupa Sabreen jest pierwotnym twórcą dodatków laserowych do tworzyw. Z 12 patentami klientów i wyborem przez Departament Sprawiedliwości USA oraz General Dynamics na biegłego ds. laserów w zeznaniach patentowych, nasze zoptymalizowane laserowo mieszanki colormatch, koncentraty barwiące i kolory ciekłe dają gwarantowane wyniki na żywicach specyficznych dla klienta — bez wpływu na właściwości polimeru i z pełną zgodnością FDA, UL, NEMA i RoHS.

Nauka stojąca za masterbatchem do znakowania laserowego

Chemia materiałów, konfiguracja lasera i optymalizacja procesu

Osiągnięcie optymalnej jakości znakowania wymaga pełnego zrozumienia chemii dodatków, zachowania termicznego polimeru, długości fali lasera i zmiennych przetwórczych. Poznaj poszczególne tematy poniżej.

Wyspecjalizowana chemia dodatków

Wybór dodatku zależy od składu polimeru, koloru podłoża, pożądanego koloru kontrastu i wymagań certyfikacyjnych zastosowania końcowego. Niektóre dodatki zawierają mieszaniny tlenku cyny domieszkowanego antymonem i tritlenku antymonu, które mogą nadawać „szarawy" odcień naturalnej (niebarwionej) nieprzezroczystości podłoża. Inne mogą zawierać cząstki aluminium, mieszane tlenki metali i związki własnościowe.

Matryca barwiąca Sabreen łączy wyspecjalizowane dodatki laserowe, barwniki, pigmenty, barwniki rozpuszczalne i środki płynności — w tym selektywne sadze, TiO2 i środki przeciw zarysowaniom — przy niskim dozowaniu, dając wyższą jakość i szybkość.

• Formulacje kontrastu ciemnego i białego
• Kolory na zamówienie i dopasowanie Pantone
• Materiały prekompandowane, koncentraty barwiące, kolory ciekłe
• Żywice specyficzne dla klienta bez wpływu na właściwości polimeru
• Certyfikaty Yellow Card, FDA i MIL

Rozwój kontrastu i znakowanie w kolorach na zamówienie

Polimery znakowalne laserem absorbują światło lasera i zamieniają energię świetlną w cieplną. Dodatki laserowe bezpośrednio poprawiają kontrast, a ten można dalej wzmacniać parametrami ustawień lasera. Nawet w tej samej rodzinie polimerów każdy gatunek może dawać inne wyniki.

Korekty koloru wykonuje się pigmentami i barwnikami dla końcowego wyglądu colormatch. Przełomowa technologia laserów światłowodowych Sabreen daje bezprecedensowy kontrast i wierność, z jakością detalu linii powyżej 800+ dpi i 256 poziomami skali szarości.

• Pojedyncza formulacja dająca jednocześnie kontrast głębokiej czerni i kryjącej bieli na polimerach amorficznych (ABS, PC, PET, PETG i inne)
• Kolory Pantone na zamówienie i kontrast „ton w ton" na poliacetalu (POM) Hostaform®
• Opcje kontrastu: złote na czarnym, białe na czarnym i ciemne na białym
• Mikroznakowanie z wysokością tekstu ≤ 0,015 cala, czytelne pod powiększeniem
• Solidna czytelność kodów wizyjnych z ultradrobną jakością komórek

Stężenia dozowania i formy dostawy

Dodatki laserowe dostarczane są w formie granulatu i proszku. Granulaty można mieszać bezpośrednio z żywicą polimerową, a proszki przetwarza się najpierw w masterbatch. Większość dodatków łatwo dysperguje w polimerach.

Obie formy — granulat i proszek — można wmieszać w prekompandowany materiał barwny lub koncentrat. Zależnie od dodatku i polimeru stężenie wagowe w gotowej części wynosi od 0,01% do 4,0%.

Forma dostawy

Zastosowanie

Typowe dozowanie

Granulat

Bezpośrednie mieszanie z żywicą polimerową

Proszek

Najpierw przetwarzany w masterbatch

Kolor ciekły

Materiał prekompandowany lub koncentrat

Zmienne

Zoptymalizowane formulacje

Statystycznie szybsze przebiegi znakowania

Uzyskiwanie wyższych prędkości znakowania

Czas znakowania części zależy od podłoża polimerowego, liczby rysowanych linii wektorowych i szybkości, z jaką wiązka i głowica galwanometryczna kreślą wszystkie linie. Na czas znakowania wpływa też oprogramowanie i typ wypełnienia wektorowego — jednokierunkowy, dwukierunkowy lub serpentynowy.

Nowe niezależne badania pokazują, że statystycznie istotnie szybsze znakowanie osiąga się, wprowadzając formulacje dodatków laserowych przy bardzo niskich stężeniach, zwykle 0,01–2,0%.

Analiza termograwimetryczna (TGA) dwóch polietylenów wysokiej gęstości ilustruje tę zależność: oba polimery mają różne temperatury degradacji termicznej — procesu tworzącego oznaczenie laserowe. Polimer o wyższej temperaturze wymaga więcej energii lasera, niższych prędkości lub większej ilości dodatków absorbujących dla tego samego wyglądu oznaczenia. W bezpośrednim porównaniu HDPE B znakuje się łatwiej i szybciej niż HDPE A.

• Prędkości wyższe o 15%+ względem formulacji niezoptymalizowanych
• Wzrost produkcji o 25%+ na przełomowych systemach laserów światłowodowych
• Wytłaczanie przewodów i kabli powyżej 2000 stóp/min — limitem staje się głowica galvo, nie dodatek

Spektrum i długość fali znakowania laserowego

Polimery znakowalne laserem to te, które absorbują światło lasera i zamieniają energię świetlną w cieplną. Idealna długość fali dla wysokiego kontrastu i znakowania w kolorze to 1060–1070 nm w bliskiej podczerwieni.

Kompatybilne typy laserów to iterbowy światłowodowy, wanadanowy i Nd:YAG. Lasery CW CO2 o dłuższej fali dają bezbarwne grawerowanie z powodu niższej mocy szczytowej i dłuższej fali; zwykle nie stosuje się ich do kontrastowego znakowania tworzyw w kolorze.

Typ lasera

Długość fali

Efekt na tworzywach

światłowodowy iterbowy

1060–1070 nm (NIR)

Idealny: wysoki kontrast, znakowanie w kolorze

Wanadanowy (Nd:YVO4)

~1064 nm

Idealny: wysoki kontrast, drobne detale

Nd:YAG

Kompatybilny

UV (355 nm)

Ultrafiolet

Umiarkowany kontrast, droższy

Zieleń (532 nm)

Światło widzialne

CW CO2

~10 600 nm

Tylko bezbarwne grawerowanie

Lasery światłowodowe iterbowe — wydajność ciała stałego

Lasery iterbowe pracujące przy 1060–1070 nm z energią około 1 mJ są idealne do znakowania tworzyw z dodatkami. Dostępne w konfiguracjach MOPA (impuls zmienny) i Q-switch (impuls stały), lasery światłowodowe dają jakość wiązki i niezawodność, jakich wymaga produkcja wysokoseryjna.

• Znakomita jakość wiązki M² < 1,2, wysoka jasność
• Regulowana szerokość impulsu do 2 ns (MOPA)
• Szybka repetycja impulsów do 100 kHz dla większej prędkości
• Brak materiałów eksploatacyjnych, niemal zerowa konserwacja
• Niski koszt eksploatacji — około 250 USD rocznie, tylko energia elektryczna
• Najprzystępniejszy całkowity koszt posiadania w znakowaniu przemysłowym

Wynalazek Sabreen „Method and System for Fiber Laser Marking" (zgłoszenie patentowe WO2010011227 A1, złożone 25 lipca 2008, wynalazca Scott R. Sabreen) uzyskał aprobatę Celanese (Ticona). Na płytkach testowych z poliacetalu Hostaform® w kolorze naturalnym i białym, z dobranymi dodatkami laserowymi, Celanese ustaliła, że technologia Sabreen daje wyższej jakości oznaczenia „czarne na naturalnym" i „czarne na białym" niż standardowe techniki Nd:YAG — z wyższym kontrastem, ciemniejszymi znakami i ostrzejszymi detalami.

Wielkość plamki i jakość wiązki

Wielkość plamki światła laserowego jest krytyczna dla znakowania tworzyw. Można ją kontrolować różnymi światłowodami dostawczymi, soczewkami ogniskującymi, zmianą odległości między układem podania wiązki a podłożem oraz dłuższymi lub krótszymi falami. Wielomodowy profil wiązki daje większą plamkę, a jednomodowy — mniejsze plamki, 100 mikronów i mniej.

Optyka podania wiązki, zwłaszcza soczewka F-theta, wpływa zarówno na pole znakowania, jak i na koncentrację energii lasera na powierzchni. Soczewki F-theta o dłuższych ogniskowych dają szersze pole znakowania i mniej kroków pozycjonowania, ale większe plamki obniżające gęstość mocy.

Ogniskowa soczewki

Pole znakowania

Gęstość mocy

Najlepsze do

163 mm

kwadrat ~5 cali

Wysoka

Szczegółowe znaki, drobny tekst, głębokie grawerowanie mniejszych części

254 mm

kwadrat ~8 cali

Obniżona

Większe części — tabliczki znamionowe, duże numery seryjne

Irradiancja i fluencja lasera

Irradiancja (gęstość mocy) to moc lasera na jednostkę powierzchni, mierzona w W/cm². Jest to intensywność wiązki jako funkcja wielkości zogniskowanej plamki. Większa plamka oznacza niższą gęstość energii. Wysoka irradiancja może prowadzić do szybkiego nagrzania i odparowania materiału, a niska może nie dać widocznego znaku. Zbyt wysoka irradiancja może uszkodzić materiał.

Fluencja (gęstość energii) to miara energii lasera na jednostkę powierzchni, zwykle w J/cm². Fluencja określa ilość energii przekazanej powierzchni materiału. Musi być na poziomie właściwym dla danego materiału — niektóre materiały wymagają wyższej fluencji, by pochłonąć dość energii dla widocznego znaku, inne niższej, by uniknąć uszkodzeń. Wyższa fluencja daje na ogół głębsze znaki.

Częstotliwość repetycji impulsów i gęstość mocy szczytowej to krytyczne parametry formowania oznaczenia oraz optymalnego kontrastu i szybkości. Wysoka moc szczytowa przy niskiej częstotliwości gwałtownie podnosi temperaturę powierzchni, odparowując materiał przy minimalnym przewodzeniu ciepła w podłoże. Ze wzrostem repetycji niższa moc szczytowa daje minimalne odparowanie, ale więcej ciepła. Krzywe mocy względem częstotliwości repetycji są odwrotnie proporcjonalne.

Na irradiancję wpływają: częstotliwość impulsów (Hz, kHz), moc lasera (waty), wielkość plamki ogniskowej i szerokość impulsu (ns).

Na fluencję wpływają: intensywność wiązki, prędkość skanera, nakładanie impulsów i średnica wiązki w ognisku.

Szerokość impulsu — MOPA a Q-switch

Szerokość impulsu to czas między początkiem a końcem impulsu, mierzony w nanosekundach. To krytyczny czynnik kontroli gęstości energii i optymalizacji procesu. Regulacja czasu trwania impulsu w laserach MOPA jest znacznie elastyczniejsza niż w laserach Q-switch (impuls stały).

Zakres szerokości impulsu

Charakterystyka

Q-switch (impuls stały)

120 ns – 250 ns

Stały impuls, prostsze sterowanie, niższy koszt

MOPA (impuls zmienny)

2 ns – 250 ns

Regulacja w szerokim zakresie, precyzyjniejsza kontrola procesu, idealny do znakowania w kolorze i podłoży wrażliwych na ciepło

Zalety krótkiego impulsu: szybsze nagrzewanie powierzchni, mniejsze przewodzenie ciepła w podłoże, czystsze krawędzie znaku, mniejsze uszkodzenia termiczne wrażliwych polimerów oraz lepsze znakowanie w kolorze na metalach i pigmentowanych tworzywach.

Uniepalniacze i klasy palności

Uniepalniacze wpływają na związki barwiące tworzyw. Dzielą się na dwie kategorie: związki halogenowane (zawierające fluor, chlor, brom lub jod) i niehalogenowane. Określone halogenowane uniepalniacze w połączeniu z tritlenkiem antymonu (Sb2O3) mogą poprawiać absorpcję światła o fali 1060–1070 nm na jasnych podłożach.

Lasery iterbowe z łatwością znakują mieszanki zawierające uniepalniacze. Wielu dostawców urządzeń laserowych osiąga jedynie umiarkowany kontrast, używając znacznie droższych laserów UV 355 nm i zielonych 532 nm.

Kluczowe pytania na etapie formulacji:

• Jaki typ uniepalniacza jest dozwolony — halogenowany czy niehalogenowany?
• Jakie normy trzeba spełnić: UL 94, E 84, MVSS, ASTM, VW-1?
• Jeśli UL-94, to V-2, V-1 czy V-0?
• Czy właściwości mechaniczne (wytrzymałość na rozciąganie, wydłużenie) są krytyczne dla wyrobu?
• Czy wykwit (blooming) jest problemem dla procesów po przetwórstwie, jak druk lub zgrzewanie?
• Czy stabilność UV ma znaczenie (czy wyrób będzie wystawiony na słońce)?

FDA i zgodność regulacyjna

W postaci dostarczanej komercyjnie określone dodatki (stosowane też w spawaniu laserowym) uzyskały aprobatę FDA do kontaktu z żywnością i opakowań spożywczych w warunkach A–H normy 21 CFR 178.3297 „Barwniki do polimerów". W Unii Europejskiej obowiązują analogiczne deklaracje zgodności.

Warunki certyfikacji są specyficzne dla typu polimeru, progu dozowania oraz kontaktu bezpośredniego lub pośredniego. Dalsza kwalifikacja dodatków z aprobatą FDA wmieszanych w „gotową część" może zapewnić biokompatybilność wyrobów medycznych według normy międzynarodowej ISO-10993.

Barwniki laserowe jako całość są zgodne z FDA, UL, NEMA i RoHS. Recertyfikacja nie jest potrzebna dzięki chemiom zatwierdzonym w branży. To czyni znakowanie laserowe bezpośrednim zamiennikiem druku farbami w branżach silnie regulowanych.

• 21 CFR 178.3297 Barwniki do polimerów (warunki A–H)
• Biokompatybilność ISO-10993 dla wyrobów medycznych
• Klasy palności UL 94
• Deklaracje zgodności UE dla kontaktu z żywnością
• MIL-DTL-55302 (złącza i komponenty elektroniczne)
• Certyfikaty RoHS, NEMA, Yellow Card

Pierwotne operacje formowania

Po zakończeniu prac nad „zoptymalizowanym laserowo" materiałem — w tym ustaleniu optymalnego kontrastu, koloru chroma i parametrów lasera — następnym krokiem jest próba formowania na rzeczywistym narzędziu produkcyjnym przy właściwym współczynniku rozcieńczenia.

Ten etap jest krytyczny dla jednorodnej dyspersji i dystrybucji zoptymalizowanej matrycy barwnej. Po formowaniu rzeczywiste części produktu znakuje się laserowo, by potwierdzić pierwotne wyniki.

Sprawdzoną techniką jest zaprogramowanie lasera na ciągłe znakowanie (skanowanie) całej powierzchni wyrobu. Na przykład wtryskiwany długopis ze złotym znakowaniem chroma na czerni można ocenić na całej części: zła dystrybucja chroma objawia się wizualną niespójnością, a doskonała, jednolita dystrybucja daje spójny znak od końca do końca.

Próba formowania weryfikuje, że dodatek laserowy jest jednorodnie rozproszony w części produkcyjnej, a jakość znaku, kontrast i kolor odpowiadają wynikom laboratoryjnym.

Uwagi procesowe

Podczas rozwoju chemii dozowania dodatku i colormatch nierzadko gotowy wyrób zawiera mniej dodatku laserowego niż wyliczono. Problem ten prawie zawsze wiąże się z niejednorodną dystrybucją podczas wytłaczania lub formowania.

Proste korekty wtryskarki — jak zwiększenie ciśnienia zwrotnego i prędkości obrotów ślimaka — rozwiązują większość problemów. Homogeniczna dystrybucja i dyspersja dodatków w każdej części jest krytyczna dla optymalnego znakowania.

Przy wytłaczaniu, wtrysku i termoformowaniu materiały prekolorowane dają lepszą jednorodność niż koncentraty. Należy unikać mieszania ręcznego. Mold flow oraz typ i położenie przewężki to ważne czynniki, które warto przeanalizować wcześnie w procesie projektowania.

• Zweryfikuj jednorodną dystrybucję dodatku przed zatwierdzeniem próby
• Zwiększ ciśnienie zwrotne i obroty ślimaka, by skorygować problemy dyspersji
• Preferuj materiał prekolorowany zamiast koncentratu, gdy to możliwe
• Bezwzględnie unikaj mieszania ręcznego
• Przeanalizuj mold flow oraz typ/położenie przewężki dla powierzchni znakowanych
• Przeprowadź próbę na rzeczywistym narzędziu produkcyjnym, nie tylko na płytkach laboratoryjnych

Przełomowe zastosowania znakowania laserowego

Sprawdzone w praktyce na rynkach medycznym, motoryzacyjnym, lotniczym i konsumenckim

Zoptymalizowane laserowo technologie masterbatchu i dodatków Sabreen zastąpiły druk farbami, etykiety samoprzylepne i tampodruk w jednych z najbardziej wymagających zastosowań produkcyjnych na świecie.

Bezuszczelkowe zamknięcia napojów

Promocyjne gry pod nakrętką na zamknięciach poliolefinowych — zgodność FDA dla kontaktu z żywnością przy 2000 zakrętek/min.

Urządzenia wprowadzania danych

101 klawiszy znakowanych w 12 sekund, w miejsce wieloetapowego druku farbami i klisz. Stosowane przez Microsoft, Foxconn, ALPS, Keytronics, Dell i HP.

Kolczyki identyfikacyjne zwierząt i bydła

Kody wizyjne Data Matrix na kolczykach identyfikacyjnych. Oryginalna technologia objęta patentem US WO98/25211 z 1996 r.

Elektronika wojskowa

Inteligentne pociski i bomby (MIL-DTL-55302) użyte w programie NASA Challenger i amerykańskiej operacji Pustynna Burza 1991, w miejsce analogowego druku farbami.

Pojemniki PET/PETG

Zastępowanie etykiet na PET/PETG do kontaktu z żywnością wg FDA. Kontrast głębokiej czerni i kryjącej bieli jednocześnie z jednej formulacji.

Podświetlane przyciski samochodowe

Przyciski i wyświetlacze dzień/noc przez lakier i ablację laserową. Stosowane przez GM, Forda i Chryslera od 1985 r.

Podmaskowe komponenty paliwowe

Kody wizyjne 2D Data Matrix do identyfikacji i identyfikowalności produktów w wymagających środowiskach motoryzacyjnych.

Nylon i nylon z włóknem szklanym

Białe znakowanie laserowe elektroniki nylonowej w miejsce druku farbami. W tym motoryzacyjne nylonowe bezkorkowe komponenty tankowania.

Dreny i wyroby medyczne

Kryjąca biel na czarnych kablach HDPE i drenach medycznych — zgodność FDA. Plus medyczne tłoczki poliolefinowe zastępujące tampodruk.

Wytłaczanie „w locie"

Ciągłe znakowanie laserowe wytłaczanych opakowań i medycznych przewodów elastycznych — zastępuje rotacyjny druk farbami przy w pełni zgodnych z FDA dodatkach.

Inteligentne identyfikatory / karty pracownicze

Wielowarstwowy poliwęglan konstrukcyjny z RFID i ukrytymi zabezpieczeniami. Mikroznakowanie w obszarach twarzy dla dodatkowej ochrony przed fałszerstwem.

Znakowanie podpowierzchniowe

Kamery podwodne i komponenty wymagające trwałego znakowania pod powierzchnią podłoża dla wytrzymałości w trudnych warunkach.

Dlaczego Sabreen do masterbatchu laserowego?

Pierwotny wynalazca — wyniki gwarantowane

Grupa Sabreen jest pierwotnym twórcą dodatków laserowych do tworzyw. Wybrana przez Departament Sprawiedliwości USA i General Dynamics na biegłego ds. laserów w zeznaniach patentowych, nasz zespół wnosi głęboką wiedzę z zakresu nauki o polimerach, chemii dodatków i integracji systemów.

Od indywidualnych mieszanek colormatch po projektowanie systemów pod klucz, integrację, szkolenia i certyfikację bezpieczeństwa laserowego — dostarczamy kompletne rozwiązania znakowania laserowego, poparte 12 patentami klientów i dekadami sprawdzonych zastosowań.

• Rozwiązywanie problemów na miejscu i optymalizacja systemów
• Dodatki wzmacniające laser ze zgodnością FDA
• Indywidualne mieszanki colormatch i rozwój kolorów Pantone
• Projektowanie systemów pod klucz, integracja i szkolenie operatorów
• Certyfikacja bezpieczeństwa laserowego i usługi inspektora bezpieczeństwa laserowego (LSO)
• Analizy materiałowe, certyfikacja bioryzyka, eksperckie zeznania dla klientów

Znajdź właściwy masterbatch laserowy dla swojej aplikacji

Przynieś nam swoje najtrudniejsze wyzwania znakowania. Od medycyny i kontaktu z żywnością po motoryzację i lotnictwo — projektujemy zoptymalizowane laserowo rozwiązania masterbatchu i dodatków, dające wyższy kontrast, większe prędkości i pełną zgodność regulacyjną — z gwarancją wyników.

Skontaktuj się z naszymi inżynierami laserowymi

---