Znakowanie laserowe PPS laserami światłowodowymi

Znakowanie laserowe PPS (polisiarczku fenylenu) laserami światłowodowymi

Streszczenie

Znakowanie i grawerowanie PPS (polisiarczku fenylenu) jest bardzo trudne, ponieważ materiał ten wytrzymuje wysokie temperatury podczas nagrzewania wiązką lasera. Najnowsze postępy w technologii barwników, w czerniach węglowych dedykowanych do znakowania laserowego oraz w laserach światłowodowych umożliwiają uzyskanie na czarnym PPS wzmacnianym włóknem szklanym znaków o wysokim kontraście, w jasnym kolorze i odpornych na zarysowania, posiadających certyfikat Yellow Card. Ten istotny postęp umożliwia znakowanie i mikroznakowanie kodów Data Matrix, kodów kreskowych, kodów QR oraz unikalną identyfikację części w wielu sektorach, w tym w motoryzacji, lotnictwie i elektronice wojskowej (NASA MIL), pompach i zaworach, sprzęcie AGD i innych. Konfiguracja i optyka laserów światłowodowych z domieszką iterbu wymagają precyzji, aby uzyskać trwałe znaki odporne na zarysowania.

Najważniejsze wnioski

• PPS trudno znakować, ponieważ jest odporny na ciepło. Stabilność w wysokich temperaturach powoduje, że reakcje powierzchniowe tworzące kontrast są trudne do wywołania.
• Właściwym wyborem są lasery światłowodowe MOPA z domieszką iterbu, o czasie trwania impulsu 20–40 ns i częstotliwości impulsów powyżej 100 kHz.
• O odporności na zarysowania decyduje kontrola temperatury powierzchni. Błędnie dobrane czasy narastania i opadania powodują ścieranie się znaku.
• Powierzchnie bogate w żywicę są warunkiem koniecznym. Wypływanie włókna szklanego na powierzchnię PPS z 30–40% zawartością włókna szklanego daje znaki o niższej jakości.
• Wtrysk należy prowadzić w temperaturze formy 275–300°F lub wyższej, aby uzyskać pełną krystaliczność — w przeciwnym razie część zmienia wymiary podczas eksploatacji.

Optymalne znakowanie laserowe. Aby uzyskać na czarnym PPS wzmacnianym włóknem szklanym odporne na zarysowania znaki o wysokim kontraście i jasnym kolorze, najlepszym wyborem są lasery światłowodowe MOPA z domieszką iterbu, ponieważ pozwalają precyzyjnie kontrolować szerokość impulsu i gęstość mocy w ognisku. Ta precyzja umożliwia lepszą kontrolę procesu chemicznego spieniania powierzchni przy długości fali z zakresu bliskiej podczerwieni 1060–1070 nm. Optymalny czas trwania impulsu wynosi od 20 do 40 nanosekund, przy częstotliwości impulsów powyżej 100 kiloherców. Precyzyjna konfiguracja lasera jest niezbędna do kontroli temperatury powierzchni (czasów narastania i opadania); w przeciwnym razie znak można łatwo zdrapać.

Uzyskanie wysokiej jakości znakowania laserowego na polimerach wzmacnianych włóknem szklanym, w tym na PPS, wymaga stabilnego procesu wtrysku oraz prawidłowej dyspersji i rozprowadzenia barwników zoptymalizowanych pod kątem lasera i materiałów wstępnie kompoundowanych. Dodatek włókien szklanych może niekorzystnie wpływać na procesy formowania, co z kolei przekłada się na jakość znakowania laserowego. Do uzyskania trwałego znaku niezbędne są powierzchnie części bogate w żywicę. Powierzchnie bogate we włókno szklane dają znaki o niższej jakości.

Polisiarczek fenylenu (PPS)

Polisiarczek fenylenu (PPS) to wysokotemperaturowe, częściowo krystaliczne tworzywo termoplastyczne klasy inżynieryjnej. W branży PPS jest znany jako TO tworzywo, które zachowuje się jak metal. Właściwości PPS, podobnie jak innych wysokotemperaturowych tworzyw konstrukcyjnych, w tym PEEK i LCP, zależą od jego zachowania podczas krystalizacji. Sprzedawane są dwie odrębne odmiany PPS: o strukturze molekularnej „rozgałęzionej” i „liniowej”. Do najbardziej rozpoznawalnych marek należą Celanese Fortron®, Solvay Ryton®, SABIC Supec, Toray Torelina i DIC PPS. Odmiana rozgałęziona jest zwykle bardziej sztywna. Odmiana liniowa zazwyczaj oferuje lepszą wytrzymałość mechaniczną i na zginanie, a także wyższą stabilność stopu. Liniowy PPS zawiera również mniej zanieczyszczeń jonowych. Wzmocnienie włóknem szklanym (30 i 40 procent) oraz mieszanki włókna szklanego z wypełniaczami mineralnymi dodawane do standardowego PPS umożliwiają realizację specjalistycznych i wymagających zastosowań. Producenci elektroniki powszechnie wybierają PPS z 40-procentową zawartością włókna szklanego do elementów izolacyjnych i złączy.

Uzyskanie w pełni krystalicznego stanu wymaga temperatury formy co najmniej 275 do 300 stopni Fahrenheita. Gdy PPS jest formowany poniżej 275 stopni Fahrenheita, wypraski są amorficzne lub częściowo krystaliczne i pozostają w tym stanie do momentu narażenia na wyższe temperatury eksploatacyjne. Jeżeli temperatura eksploatacji przekroczy temperaturę formowania, części staną się bardziej krystaliczne, co spowoduje zmiany wymiarów i właściwości.

Materiałami stosowanymi do wytwarzania włókna szklanego są krzemionka, wapień i soda kalcynowana. Krzemionka jest głównym surowcem tworzącym szkło, natomiast soda kalcynowana i wapień obniżają temperaturę topnienia. „Wypływanie włókna szklanego” (glass emergence) to poważna wada powierzchni, która często dotyczy wyprasek wtryskowych wzmacnianych włóknem szklanym. Odsłonięcie włókien szklanych powoduje powstanie powierzchni bogatej we włókno szklane. Nadmiar szkła gromadzi się na powierzchni podczas wypełniania formy stopionym tworzywem i formowania. Po zakrzepnięciu i uformowaniu na powierzchni pojawiają się białe smugi. Powierzchnie wyprasek muszą być „bogate w żywicę”, aby uzyskać wysoką jakość znakowania, w której energia lasera oddziałuje z matrycą polimerową. Odwrotnie — powierzchnie bogate we włókno szklane znakują się słabo, a problem narasta wraz ze wzrostem zawartości włókna. Samo włókno szklane nie jest dobrym absorberem światła laserowego z zakresu bliskiej podczerwieni (NIR).

Przemysłowe lasery światłowodowe

Nanosekundowe lasery światłowodowe z domieszką iterbu (MOPA oraz o stałym impulsie) doskonale nadają się do znakowania, grawerowania i trawienia laserowego tworzyw sztucznych dzięki doskonałej jakości wiązki (M2) i wysokiej jasności („radiancji”). Umożliwiają skupienie wiązki do niewielkiej średnicy plamki (poniżej 20 mikronów), co daje wysoką gęstość energii. Istotną zaletą laserów MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) jest możliwość precyzyjnego dostrajania szerokości impulsu. Natężenie promieniowania lasera (W/cm2) oraz fluencja (J/cm2) są ważnymi parametrami znakowania tworzyw sztucznych. Natężenie promieniowania to w istocie intensywność wiązki laserowej, która jest funkcją średnicy plamki w ognisku. Fluencja określa ilość energii przekazywanej powierzchni materiału. Jeżeli fluencja jest zbyt niska, materiał może w ogóle nie zostać zmieniony. Jeżeli jest zbyt wysoka, materiał może zostać nadmiernie uszkodzony, wykraczając poza zamierzony efekt znakowania.

Częstotliwość powtarzania impulsów lasera i szczytowa gęstość mocy mają decydujące znaczenie dla powstawania znaku oraz uzyskania optymalnego kontrastu i prędkości. Krzywe zależności mocy od częstotliwości powtarzania impulsów są odwrotnie proporcjonalne. Wysoka moc szczytowa przy niskiej częstotliwości gwałtownie podnosi temperaturę powierzchni, odparowując materiał i przewodząc minimalną ilość ciepła do podłoża. Wraz ze wzrostem częstotliwości powtarzania impulsów niższa moc szczytowa powoduje minimalne odparowanie, ale przewodzi więcej ciepła.

Prosimy o kontakt z The SABREEN Group, aby dowiedzieć się więcej — zapraszamy z najtrudniejszymi wyzwaniami w zakresie znakowania laserowego!

Często zadawane pytania

Dlaczego PPS jest tak trudny do znakowania laserowego?

PPS to wysokotemperaturowe, częściowo krystaliczne tworzywo termoplastyczne, które wytrzymuje ciepło dostarczane przez laser, dlatego reakcje karbonizacji i spieniania tworzące kontrast w zwykłych tworzywach sztucznych są znacznie trudniejsze do wywołania. Problem pogłębia wzmocnienie włóknem szklanym, powszechne w częściach z PPS.

Jakie parametry lasera pozwalają uzyskać znaki odporne na zarysowania na czarnym PPS wzmacnianym włóknem szklanym?

Laser światłowodowy MOPA z domieszką iterbu, o czasie trwania impulsu od 20 do 40 nanosekund i częstotliwości impulsów powyżej 100 kHz. Precyzyjna konfiguracja decyduje o kontroli czasów narastania i opadania temperatury powierzchni; bez tej kontroli znak łatwo się zdziera.

Czy zawartość włókna szklanego wpływa na jakość znakowania PPS?

Znacząco. Włókno szklane nie absorbuje bliskiej podczerwieni, dlatego powierzchnie bogate w szkło znakują się słabo, a problem narasta wraz ze wzrostem zawartości włókna. W złączach elektronicznych powszechnie stosuje się PPS z 40% zawartością włókna szklanego, co czyni uzyskanie powierzchni bogatej w żywicę priorytetem procesu wtrysku.

Jakiej temperatury formy wymaga PPS?

Co najmniej 275 do 300°F, aby osiągnąć w pełni krystaliczny stan. Części formowane poniżej tej temperatury pozostają amorficzne lub częściowo krystaliczne i skrystalizują później, jeżeli temperatura eksploatacji przekroczy temperaturę formowania, co powoduje zmiany wymiarów i właściwości.

Czym różni się liniowy PPS od rozgałęzionego?

Rozgałęziony PPS jest zwykle bardziej sztywny. Liniowy PPS zazwyczaj oferuje lepszą wytrzymałość mechaniczną i na zginanie, wyższą stabilność stopu oraz mniejszą zawartość zanieczyszczeń jonowych.

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 z firmą Sabreen: 972.820.6777, www.sabreen.com lub https://sabreen.com/solutions/plastics-laser-marking/

---