Przełomowe dodatki poprawiają znakowanie laserowe tworzyw sztucznych: lepszy kontrast, szczegółowość krawędzi linii i szybkość

Przełomowe dodatki poprawiają znakowanie laserowe tworzyw sztucznych: lepszy kontrast, szczegółowość krawędzi linii i szybkość

Najnowsza generacja dodatków do znakowania laserowego wprowadzanych do polimerów to istotny postęp technologiczny, który okazał się zarówno przełomowy, jak i oszczędny. Nowoczesne receptury materiałowe zapewniają lepszy kontrast znakowania, szczegółowość krawędzi linii i szybkość na tworzywach sztucznych, które tradycyjnie były trudne, a nawet niemożliwe do znakowania laserowego. Receptury te, przeznaczone do przystępnych cenowo laserów światłowodowych, wanadanowych i YAG, działają w zakresie bliskiej podczerwieni 1060–1070 nm. Artykuł omawia zastosowania kontrastu ciemnego i jasnego, oparte na „termochemicznej karbonizacji powierzchni”. Jest to najczęstsza reakcja powierzchniowa polimerów i ścieżka chemiczna wyraźnie różna od mechanizmów „spieniania” i zmiany „koloru”.

Przezroczyste i półprzezroczyste polimery, w tym PVC, poliwęglan i poliolefiny, są obecnie unikalnie formułowane z użyciem dodatków bez metali ciężkich, zatwierdzonych przez FDA. Przejrzystość polimeru i jego właściwości transmisji widmowej pozostają niezmienione. To przełomowe rozwiązanie zapewnia głęboko czarny kontrast znakowania laserowego z minimalną ilością pozostałości po karbonizacji powierzchni na wytłaczanych rurach i wężach „w locie” oraz w operacjach wtórnych. Bezatramentowe znakowanie laserowe w linii zastępuje obecnie druk rotograwiurowy i tampodruk. (Zob. zdjęcie A.)

Najważniejsze wnioski

• Zaprojektowane dla pasma bliskiej podczerwieni 1060–1070 nm, obejmującego przystępne cenowo lasery światłowodowe, wanadanowe i YAG.
• Termochemiczna karbonizacja powierzchni jest najczęstszą reakcją powierzchniową polimerów i głównym przedmiotem tych receptur.
• Żaden pojedynczy dodatek nie rozwiązuje wszystkich problemów ze znakowaniem — chemia i ustawienia lasera zależą od docelowego kontrastu.
• Dozowanie mieści się w zakresie od 0,01% do 4,0% wagowo w gotowym wyrobie, a kolor koryguje się pigmentami i barwnikami rozpuszczalnymi.
• Do 25% szybsze znakowanie w porównaniu z materiałami niezoptymalizowanymi, przy stężeniach już od 0,01% do 2,0%.

Najczęściej zadawane pytania

O ile szybsze może być znakowanie dzięki optymalnie sformułowanym dodatkom?

Niezależne badania wykazują statystycznie istotne przyrosty, często o 25% lub większe w porównaniu z materiałem niezoptymalizowanym, uzyskiwane przy bardzo niskich stężeniach rzędu 0,01% do 2,0%. Ponieważ czas znakowania bezpośrednio wpływa na koszt cyklu, szybko rekompensuje to dodatkowy koszt dodatku.

Od czego zależy czas nanoszenia znaku?

Od podłoża polimerowego, liczby rysowanych linii wektorowych oraz od tego, jak szybko wiązka i głowica skanująca z galwanometrami rysują te linie. Na czas znakowania wpływają też oprogramowanie lasera i typ wypełnienia wektorowego: jednokierunkowe, dwukierunkowe lub meandrowe.

Dlaczego naturalne podłoże po dodaniu dodatku bywa szare?

Niektóre dodatki zawierają mieszaniny tlenku cyny domieszkowanego antymonem i trójtlenku antymonu, które nadają szarawy odcień nieprzezroczystości naturalnego, niebarwionego podłoża. Korekty koloru za pomocą pigmentów i barwników rozpuszczalnych przywracają wyrobowi docelowy kolor.

Czy dodatki dostarcza się w postaci granulatu czy proszku?

W obu. Produkty granulowane miesza się bezpośrednio z żywicą polimerową, a proszki przetwarza się na masterbatch. Każdą z form można dostarczać jako materiał prekompaundowany lub koncentrat barwnika.

Jakiej wiedzy faktycznie wymaga receptura do znakowania laserowego?

Znajomości polimerów i gatunków właściwościowych w obrębie każdej rodziny, a także barwników, pigmentów i barwników rozpuszczalnych w zakresie rozpuszczalności, wielkości cząstek, progowych limitów stężenia, dopasowania koloru oraz certyfikatów regulacyjnych, w tym GRAS i FDA (kontakt bezpośredni i pośredni z żywnością).

Mechanizm reakcji polimeru podczas znakowania laserowego

Polimery, które można znakować laserem, to te, które pochłaniają światło lasera i zamieniają energię świetlną na cieplną. Ponieważ większość polimerów nie wykazuje właściwości absorpcyjnych przy 1060–1070 nm, specjaliści stosują dodatki, wypełniacze, pigmenty i barwniki rozpuszczalne, które zwiększają absorpcję energii lasera dla lokalnych zmian koloru. Chemia materiałowa umożliwiająca uzyskanie wysokiego kontrastu i kolorowego znakowania laserowego to zarazem sztuka i nauka. Wbrew powszechnemu przekonaniu nie istnieje jeden dodatek laserowy rozwiązujący wszystkie problemy ze znakowaniem. Stosuje się bardzo różne chemie receptur oraz optykę i parametry ustawień lasera, w zależności od oczekiwanego kontrastu znaku i funkcjonalności.

Najczęstszy mechanizm reakcji powierzchniowej nazywa się termochemiczną „karbonizacją” lub „zwęgleniem” (zob. zdjęcie B), w którym energia pochłonięta w podłożu podnosi temperaturę materiału wokół miejsca absorpcji na tyle, że powoduje degradację termiczną polimeru. Choć w obecności tlenu może to prowadzić do spalenia polimeru, ograniczony dopływ tlenu we wnętrzu podłoża powoduje zwęglenie polimeru i powstanie czarnego lub ciemnego kontrastu znaku. Ciemność lub jasność znaku zależy od pochłoniętej energii oraz od charakterystycznej dla materiału ścieżki degradacji termicznej.

Dodatki laserowe poprawiają stopień kontrastu, który można dodatkowo wzmocnić, zmieniając parametry ustawień lasera. Polimery mają naturalną skłonność do uzyskiwania kontrastu znaku „ciemnego” lub „jasnego”. (Zob. zdjęcie B.) Każdy gatunek barwnika polimeru, nawet w obrębie tej samej rodziny polimerowej, może dawać inne wyniki. Związki barwiące zawierające niewielkie ilości TiO2, sadzy i mieszanych tlenków metali również pochłaniają światło lasera i w niektórych przypadkach poprawiają kontrast znakowania.

Przetwórstwo pierwotne, dodatki laserowe i dopasowanie koloru

Dostępne komercyjnie dodatki laserowe dostarcza się w postaci granulatu i proszku. Produkty granulowane można mieszać bezpośrednio z żywicą polimerową, natomiast proszki przetwarza się na masterbatch.

Niektóre z tych dodatków zawierają mieszaniny tlenku cyny domieszkowanego antymonem i (lub) trójtlenku antymonu, które nadają „szarawy” odcień nieprzezroczystości naturalnego (niebarwionego) podłoża. Korekty koloru przeprowadza się za pomocą pigmentów i barwników rozpuszczalnych, aby uzyskać końcowe dopasowanie koloru. W zależności od konkretnego dodatku i polimeru stężenie wagowe (w gotowym wyrobie) może mieścić się w zakresie od 0,01 do 4,0 procent. Zarówno granulat, jak i proszek można dostarczać jako prekompaundowany materiał barwiony lub koncentrat barwnika.

Podczas dozowania dodatku laserowego i dopasowywania koloru nierzadko zdarza się, że gotowy wyrób zawiera mniej dodatku laserowego niż wynika z obliczeń. Problem ten prawie zawsze wiąże się z nierównomiernym rozmieszczeniem podczas wytłaczania lub formowania. Większość problemów rozwiązują proste regulacje maszyny formującej, takie jak zwiększenie przeciwciśnienia i prędkości obrotowej ślimaka. Jednorodne rozmieszczenie i dyspersja dodatków laserowych w całym wyrobie mają decydujące znaczenie dla optymalnej jakości znakowania. W procesach wytłaczania, wtrysku i termoformowania materiały prekompaundowane w kolorze zapewniają lepszą jednorodność niż koncentrat barwnika. Należy unikać ręcznego mieszania. Ważnymi czynnikami są przepływ tworzywa w formie oraz rodzaj i położenie wlewu.

Szybsze znakowanie = oszczędność kosztów

Czas potrzebny na oznakowanie części zależy od podłoża polimerowego, liczby rysowanych linii wektorowych oraz od tego, jak szybko wiązka lasera i głowica skanująca z galwanometrami rysują wszystkie linie. Na czas znakowania wpływają też oprogramowanie lasera i typ wypełnienia wektorowego: jednokierunkowe, dwukierunkowe lub meandrowe.

Nowe niezależne badania wykazują, że statystycznie istotnie szybsze znakowanie można uzyskać, wprowadzając receptury dodatków laserowych przy bardzo niskich stężeniach, zwykle od 0,01 do 2,0 procent. Optymalnie sformułowane dodatki laserowe obniżają koszty i często zapewniają o 25 procent większą prędkość znakowania w porównaniu z niezoptymalizowanymi recepturami materiałów. Ten wzrost szybkości i jakości z nadwyżką rekompensuje dodatkowy koszt dodatku.

Wykres „Nauka o dodatkach laserowych” (rysunek 1 na stronie 34) przedstawia analizę termograwimetryczną (TGA) dwóch polietylenów o dużej gęstości stosowanych w zamknięciach do napojów o średnicy 28 mm bez uszczelki. Oba polimery wykazują różne temperatury degradacji termicznej — procesu, który tworzy znak laserowy. Polimer o wyższej temperaturze będzie wymagał więcej energii lasera, mniejszych prędkości znakowania lub bardziej absorbującego dodatku, aby uzyskać taki sam wygląd znaku.

Bez dodatków laserowych niektórych znanych wyrobów przemysłowych nie dałoby się wytwarzać w sposób opłacalny. Interesującym zastosowaniem jest znakowanie laserowe „w locie” dla promocji pod zamknięciem w zamknięciach do napojów bez uszczelki. Systemy pod klucz potrafią znakować unikalną grafikę i tekst alfanumeryczny z prędkością do 1500–2000 zamknięć na minutę. (Zob. zdjęcie B.)

Technologia laserowa

Postępy w technologii laserowej miały kluczowe znaczenie dla szybkiego rozwoju najnowszej generacji dodatków laserowych. Pojawienie się nanosekundowych laserów światłowodowych to jedno z najważniejszych osiągnięć w dziedzinie znakowania, spawania i cięcia. Lasery światłowodowe zasadniczo różnią się od innych laserów znakujących na ciele stałym. W laserach światłowodowych ośrodek czynny generujący wiązkę jest rozproszony w specjalnym kablu światłowodowym. W przeciwieństwie do laserów z dostarczaniem wiązki światłowodem cała droga wiązki biegnie wewnątrz kabla światłowodowego aż do optyki wyjściowej.

Lasery światłowodowe zapewniają doskonałą jakość i jasność wiązki. Miarą jakości wiązki jest M2. Im mniejsza wartość M2, tym lepsza jakość wiązki, przy czym M2 = 1 oznacza idealną wiązkę gaussowską. Laser o doskonałej jakości wiązki można skupić w małą plamkę, co prowadzi do dużej gęstości energii. Lasery światłowodowe o stałym i zmiennym impulsie, z energią impulsu do 1 mJ i wysoką gęstością mocy, mogą znakować wiele polimerów historycznie trudnych, w tym nylony, uretany i acetale. Lasery wanadanowe również cechują się małą wartością M2 i krótszym impulsem niż lasery światłowodowe o stałym impulsie i lasery YAG. Czas trwania impulsu wpływa na stopień nagrzania i karbonizacji w głąb materiału. Krótki impuls może być korzystny w zastosowaniach z wrażliwymi polimerami.

Nie wszystkie lasery światłowodowe, wanadanowe i YAG z wychylaną wiązką są sobie równe. Komponenty sprzętowe i programowe stosowane przez producenta lasera w jego systemach mają istotny wpływ na kontrast, jakość i szybkość znakowania. Podstawowym parametrem jest gęstość mocy (W/cm²) na powierzchni znakowania, która różni się od surowej mocy wyjściowej lasera. Tryb wyjściowy wiązki lasera ma decydujące znaczenie dla jakości znakowania. Tryby te wpływają m.in. na rozbieżność wiązki i rozkład mocy w jej przekroju.

Gęstość mocy zależy od wielkości ogniskowanej plamki lasera. Wielkość ogniskowanej plamki dla danej ogniskowej soczewki i długości fali lasera zależy od rozbieżności wiązki, którą kontrolują konfiguracja lasera, rozmiar przysłony wybierającej tryb oraz powiększenie kolimatora (poszerzacza wiązki).

Częstotliwość powtarzania impulsów i szczytowa gęstość mocy to parametry krytyczne dla utworzenia znaku i uzyskania optymalnego kontrastu i szybkości. Arytmetyczne krzywe mocy w funkcji częstotliwości powtarzania impulsów są odwrotnie proporcjonalne. Wysoka moc szczytowa przy niskiej częstotliwości szybko podnosi temperaturę powierzchni, odparowując materiał przy minimalnym przewodzeniu ciepła w głąb podłoża. Wraz ze wzrostem częstotliwości impulsów niższa moc szczytowa powoduje minimalne odparowanie, ale przewodzi więcej ciepła. Dodatkowymi czynnikami wpływającymi na kontrast i jakość znaku są oczywiście prędkość wiązki oraz odległość między liniami wektorowymi.

Podsumowanie

Najnowsza generacja dodatków do znakowania laserowego wprowadzanych do polimerów zapewnia lepszy kontrast znakowania, szczegółowość krawędzi linii i szybkość. Bezatramentowe znakowanie laserowe w linii zastępuje obecnie druk rotograwiurowy i tampodruk. Korzyści te szybko rekompensują dodatkowy koszt dodatku. Opracowanie optymalnej receptury materiałowej do znakowania laserowego tworzyw sztucznych wymaga wiedzy z zakresu polimerów, gatunków właściwościowych w obrębie rodzin polimerowych, barwników, pigmentów i barwników rozpuszczalnych w odniesieniu do rozpuszczalności, wielkości cząstek, progowych limitów stężenia, dopasowania koloru oraz certyfikatów regulacyjnych (GRAS, FDA – kontakt bezpośredni i pośredni z żywnością). Rozwiązania materiałowe muszą być opłacalne, łatwe w użyciu i nie mogą negatywnie wpływać na właściwości fizyczne i chemiczne polimeru.

Podziękowania

• Dr Tony Hoult, IPG Photonics, „Laser Marking with Fiber Lasers”, Industrial Laser Solutions, wrzesień 2012.
• BASF Corporation, Mark-it™ Laser Marking Pigment Technical Bulletin 2002, z wkładem merytorycznym The Sabreen Group, Inc. Lasers&Optronics, lipiec 1997.
• Bruce Mulholland (Hoechst Technical Polymers) i Scott Sabreen (The Sabreen Group, Inc.), „Enlightened Laser Marking”, Lasers&Optronics, lipiec 1997.
• Daniel S. Burgess, Scott R. Sabreen i Carl Baasel Lasertechnik GmbH, artykuł specjalny „Laser Marking: A Clean Economical Packaging Solution”, Photonics Spectra, listopad 2001.

Scott R. Sabreen jest założycielem i prezesem The Sabreen Group, Inc., firmy inżynieryjnej specjalizującej się we wtórnych procesach przetwórstwa tworzyw sztucznych: znakowaniu laserowym, obróbce wstępnej powierzchni, łączeniu, zdobieniu i wykańczaniu oraz bezpieczeństwie produktu. Sabreen opracowuje pionierskie technologie i rozwiązuje problemy produkcyjne od ponad 30 lat. Można się z nim skontaktować pod numerem 972.820.6777 lub odwiedzając stronę www.sabreen.com albo www.plasticslasermarking.com.

---