Dodatki zatwierdzone przez FDA usprawniają znakowanie laserowe tworzyw sztucznych w linii

Dodatki zatwierdzone przez FDA usprawniają znakowanie laserowe tworzyw sztucznych w linii

Duża szybkość, doskonały kontrast i oszczędność kosztów należą do istotnych korzyści wprowadzania nowatorskich dodatków zatwierdzonych przez FDA do polimerów przeznaczonych do znakowania laserowego. Przełomowe dodatki chemiczne zapewniają głęboko czarny oraz jasny kontrast na wyrobach formowanych i wytłaczanych, zarówno „w locie”, jak i w operacjach wtórnych. Bezatramentowe znakowanie laserowe w linii, oparte na przystępnych cenowo laserach światłowodowych, zastępuje obecnie druk rotograwiurowy i tampodruk.

Zastosowania produktowe: wiele przezroczystych, półprzezroczystych i nieprzezroczystych barwionych polimerów, w tym nylony, PET, poliwęglany, poliolefiny, PVC, styreny i TPU/TPE (do urządzeń noszonych), jest unikalnie formułowanych z użyciem dodatków bez metali ciężkich, zatwierdzonych przez FDA i EFSA (Europejski Urząd ds. Bezpieczeństwa Żywności), aby uzyskać wysoką jakość znakowania i kontrast. Przejrzystość polimeru, transmisja widmowa i podstawowe właściwości fizyczne nie ulegają zmianie. Bezkontaktowe, cyfrowe znakowanie laserowe zastępuje kosztowne etykiety samoprzylepne i procesy druku z użyciem farb i chemii. W efekcie zastosowanie jest opłacalne, przyjazne środowisku i wyróżnia się doskonałym wyglądem.

Znakowanie „w locie” stosuje się na wyrobach formowanych i wytłaczanych, takich jak przewody i kable, węże i rury, w ramach znakowania laserowego.

Najważniejsze wnioski

• Znak powstaje w wyniku trzech reakcji powierzchniowych — karbonizacji (zwęglenia), spienienia i zmiany koloru barwnika.
• Dozowanie wynosi 0,01–4,0% wagowo w gotowym wyrobie i dobiera się je do polimeru, koloru podłoża, docelowego kontrastu i wymagań certyfikacyjnych.
• Dodatki zapewniają znakowanie o 15% lub więcej szybsze niż receptury niezoptymalizowane i całkowicie zastępują druk rotograwiurowy i tampodruk.
• Zwykłą przyczyną niskiej zawartości dodatku w gotowych wyrobach są problemy z dyspersją, a nie błędy dozowania — należy zwiększyć przeciwciśnienie i prędkość ślimaka.
• Warunki A–H normy 21 CFR 178.3297 obejmują zgodę FDA na kontakt z żywnością; kwalifikacja wg ISO 10993 rozszerza je na biokompatybilność wyrobów medycznych.

Prędkości znakowania syntetycznych korków do wina z poliolefin oraz promocji pod zamknięciem w zamknięciach do napojów bez uszczelki wynoszą do 2000 sztuk na minutę dla tekstu alfanumerycznego i grafiki. Prędkość znakowania zależy od wielu zmiennych, w tym: rodzaju polimeru, koloru podłoża, typu dodatku laserowego i poziomu dozowania, rozmiaru (masy) kabla, typu i mocy lasera, oprogramowania, liczby znaków alfanumerycznych, wysokości tekstu, długości ciągu tekstu, odstępów między znakami, kodu kreskowego lub Data Matrix, logo i grafiki, czcionek jednoliniowych lub wypełnionych TrueType, kierunku wypełnienia oraz tekstu ciągłego lub powtarzalnego. Zastosowanie odpowiednio sformułowanego dodatku barwiącego zapewni, że „gęstość mocy” na powierzchni znakowania nie będzie czynnikiem ograniczającym. Zamiast tego galwanometry wychylające wiązkę będą pracować z maksymalną prędkością.

Ze względu na złożoność czynników wpływających na możliwości znakowania „w locie” w produkcji każde zastosowanie należy dokładnie przeanalizować. Istnieje niewiele reguł, jeśli w ogóle, które można ekstrapolować. Dla ogólnej orientacji można jednak rozważyć następujący przykład z polimerem nylonowym: laser światłowodowy 50 W, soczewka płaskiego pola 254 mm, 100 znaków alfanumerycznych o wysokości 2 mm, tworzących powtarzający się ciąg tekstu o długości 14,68 cala, przy czasie znakowania 0,232 s. Obliczona prędkość wynosi około 315 stóp bieżących na minutę.

Najczęściej zadawane pytania

Które polimery można znakować za pomocą dodatków laserowych zatwierdzonych przez FDA?

Przezroczyste, półprzezroczyste i nieprzezroczyste barwione polimery, w tym nylony, PET, poliwęglany, poliolefiny, PVC, styreny oraz TPU/TPE do urządzeń noszonych. Przejrzystość polimeru, transmisja widmowa i podstawowe właściwości fizyczne nie ulegają zmianie.

Moje gotowe wyroby zawierają mniej dodatku niż wynika z obliczeń. Dlaczego?

Prawie zawsze przyczyną jest nierównomierne rozmieszczenie podczas wytłaczania lub formowania, a nie błąd dozowania. Większość przypadków rozwiązuje zwiększenie przeciwciśnienia i prędkości obrotowej ślimaka. Materiał prekompaundowany zapewnia lepszą jednorodność niż koncentrat barwnika, a ręcznego mieszania należy w ogóle unikać.

Jakie są trzy mechanizmy reakcji w znakowaniu laserowym?

Karbonizacja, czyli zwęglenie, w której pochłonięta energia degraduje termicznie polimer i tworzy ciemne znaki. Spienienie, w którym dodatek uwalnia parę wodną podczas rozkładu i tworzy trwałe jasne znaki na ciemnych podłożach. Oraz zmiana koloru, w której energia lasera rozkłada jeden barwnik w mieszaninie — na przykład usuwa sadzę, pozostawiając stabilny barwnik nieorganiczny.

Jak szybko może pracować znakowanie w linii w praktyce?

Prędkości znakowania syntetycznych korków do wina z poliolefin oraz promocji pod zamknięciem w zamknięciach do napojów bez uszczelki sięgają 2000 sztuk na minutę. Przykład obliczeniowy dla nylonu — laser światłowodowy 50 W, soczewka płaskiego pola 254 mm, 100 znaków o wysokości 2 mm, powtarzający się ciąg 14,68 cala, czas znakowania 0,232 s — daje około 315 stóp bieżących na minutę.

Dlaczego jasne, spienione znaki czasem się ścierają?

Z powodu słabej kontroli lasera. Mechanizm spieniania wymaga ścisłej kontroli parametrów, aby polimer ulegał degradacji w temperaturze wyższej niż dodatek spieniający. Bez niej znak jest kruchy lub ma niski kontrast i niską trwałość.

Mechanizmy reakcji polimeru podczas znakowania laserowego

Postęp w formułowaniu dodatków laserowych do laserów bliskiej podczerwieni (długość fali 1060–1080 nm) polega na ich zgodności z laserami światłowodowymi na iterbie, wanadanowymi oraz ich poprzednikami, laserami Nd:YAG. Większość polimerów bez dodatków chemicznych nie wykazuje właściwości absorpcyjnych w bliskiej podczerwieni. Polimery, które można znakować laserem, to te, które pochłaniają światło lasera i zamieniają energię świetlną na cieplną. Specjaliści stosują dodatki, wypełniacze, pigmenty i barwniki rozpuszczalne, aby zwiększyć absorpcję energii lasera dla lokalnych zmian koloru. 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”, w którym energia pochłonięta w podłożu podnosi temperaturę materiału wokół miejsca absorpcji na tyle, że powoduje degradację termiczną polimeru. Ciemność lub jasność znaku zależy od pochłoniętej energii oraz od charakterystycznej dla materiału ścieżki degradacji termicznej. Optymalizacja ustawień lasera pozwala ograniczyć pozostałości po karbonizacji powierzchni do minimum.

Drugą reakcją powierzchniową jest zmiana chemiczna, wywołana przez dodatki uwalniające parę wodną podczas rozkładu, która powoduje spienienie polimeru. W trakcie spieniania energia lasera jest pochłaniana przez dodatek znajdujący się w bezpośrednim sąsiedztwie środka spieniającego. Ciepło z absorbera powoduje rozkład środka spieniającego i uwolnienie pary. Dzięki ścisłej kontroli parametrów pracy lasera można uzyskać wysokiej jakości i trwałe jasne znaki na ciemnych podłożach. Słaba kontrola lasera może dać kruchy znak lub znak o niskim kontraście, który łatwo zarysować (niska trwałość).

Trzecia reakcja polega na wykorzystaniu energii lasera do ogrzania lub rozkładu jednego barwnika w mieszaninie barwników, co powoduje zmianę koloru. Przykładem jest mieszanina sadzy i stabilnego barwnika nieorganicznego. Po ogrzaniu sadza zostaje usunięta, a barwnik nieorganiczny pozostaje. Takie mieszane układy barwników zależą od stabilności poszczególnych barwników i nie wszystkie zmiany koloru są możliwe.

Dodatki laserowe

Dodatki laserowe poprawiają stopień kontrastu, który można dodatkowo wzmocnić, zmieniając parametry ustawień lasera. Polimery mają naturalną skłonność do uzyskiwania kontrastu znaku „ciemnego” lub „jasnego”. Niektóre związki barwiące zawierające niewielkie ilości dwutlenku tytanu (TiO2) i sadzy mogą również absorbować światło lasera i w niektórych przypadkach poprawiać kontrast znakowania. Każdy gatunek polimeru, nawet w obrębie tej samej rodziny, może dawać inne wyniki. Receptury dodatków nie mogą być toksyczne ani negatywnie wpływać na wygląd, właściwości fizyczne lub funkcjonalne wyrobów.

W porównaniu z procesami druku atramentowego (tampodruk, sitodruk i druk atramentowy) dodatki laserowe pozwalają obniżyć koszty i zapewniają o 15 procent (lub więcej) większą prędkość znakowania w porównaniu z niezoptymalizowanymi recepturami materiałów. Dodatki laserowe są dostarczane w postaci granulatu i proszku. Produkty granulowane można mieszać bezpośrednio z żywicą polimerową, natomiast proszki przetwarza się na masterbatch. Większość z nich łatwo dyspergować w polimerach. W zależności od dodatku i polimeru stężenie wagowe (w gotowym wyrobie) mieści się w zakresie od 0,01 do 4,0 procent.

Zarówno granulat, jak i proszek można wprowadzać do prekompaundowanego materiału barwionego lub koncentratu barwnika. Wybór dodatku zależy od składu polimeru, koloru podłoża, oczekiwanego koloru kontrastu znaku oraz wymaganych certyfikatów dla końcowego zastosowania. Niektóre dodatki zawierają mieszaniny tlenku cyny domieszkowanego antymonem i trójtlenku antymonu, które mogą nadawać „szarawy” odcień nieprzezroczystości naturalnego (niebarwionego) podłoża. Inne dodatki mogą zawierać cząstki aluminium, mieszane tlenki metali i związki opatentowane. Korekty koloru przeprowadza się za pomocą pigmentów i barwników rozpuszczalnych w celu uzyskania końcowego dopasowania koloru. W formie dostarczanej komercyjnie określone dodatki (stosowane także w spawaniu laserowym) uzyskały zgodę FDA na kontakt z żywnością i zastosowanie w opakowaniach do żywności na warunkach A–H zgodnie z 21 CFR 178.3297 Colorant for Polymers. W Unii Europejskiej obowiązują podobne oświadczenia o zgodności. Warunki certyfikacji zależą od rodzaju polimeru, progowego poziomu dozowania oraz kontaktu bezpośredniego lub pośredniego. Dalsza kwalifikacja dodatków zatwierdzonych przez FDA, wprowadzonych do „gotowego wyrobu”, może zapewnić biokompatybilność wyrobów medycznych (zob. norma międzynarodowa ISO-10993).

Uwagi dotyczące przetwórstwa

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.

Technologia laserowa

Postępy w technologii laserowej miały kluczowe znaczenie dla szybkiego rozwoju najnowszej generacji dodatków laserowych zatwierdzonych przez FDA. Pojawienie się nanosekundowych laserów światłowodowych na iterbie 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 lepszą jakość i jasność wiązki niż lasery Nd:YAG. Jedną z miar 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 (MOPA) z energią impulsu do 1 mJ i wysoką gęstością mocy mogą znakować wiele polimerów historycznie trudnych. 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. Krótszy impuls może być korzystny w zastosowaniach z wrażliwymi polimerami.

IPG Photonics, wiodący producent wysokowydajnych laserów światłowodowych, oferuje zarówno lasery o stałym impulsie (określane czasem jako „Q-switch”), jak i lasery o zmiennym, krótkim impulsie (MOPA). Opracowanie zastosowania jest silnie zależne od przypadku. O wyborze typu lasera do zintegrowania decydują parametry wyjściowe lasera oddziałujące ze zoptymalizowanym materiałem polimerowym. Zob. poniższe wykresy przedstawiające czasowe kształty impulsów laserów światłowodowych na iterbie o stałej i zmiennej (MOPA) długości impulsu – IPG Photonics.

Podczas konfiguracji lasera światłowodowego o stałej długości impulsu do znakowania należy ustawić dwa parametry.

• Częstotliwość powtarzania impulsów (często nazywana częstotliwością impulsów)
• Moc pompy w procentach (100 procent oznacza maksymalne możliwe zasilanie elektryczne diod pompujących)

Podczas konfiguracji lasera światłowodowego MOPA o zmiennym, krótkim impulsie ustawia się trzy parametry.

• Czas trwania impulsu (często nazywany długością impulsu)
• Częstotliwość powtarzania impulsów (częstotliwość impulsów)
• Moc pompy w procentach (100 procent oznacza maksymalne możliwe zasilanie elektryczne diod pompujących)

W obu wykresach na poprzedniej stronie określona kombinacja parametrów wejściowych steruje właściwościami wyjściowymi wiązki lasera, a mianowicie energią impulsu, mocą szczytową (najwyższa chwilowa wartość szczytowa energii impulsu, J/czas trwania impulsu) oraz mocą średnią (moc średnia w watach = energia impulsu w dżulach × częstotliwość powtarzania impulsów w Hz).

Nie wszystkie lasery światłowodowe, wanadanowe i YAG z wychylaną wiązką są sobie równe. Komponenty sprzętowe i programowe stosowane w systemach producenta lasera 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 laserowych zatwierdzonych przez FDA, wprowadzanych do polimerów, zapewnia lepszy kontrast znakowania, szczegółowość krawędzi linii i szybkość. Znakowanie laserowe w linii „w locie” zastępuje obecnie druk rotograwiurowy i tampodruk. Kluczową rolę odegrał postęp w technologii przystępnych cenowo laserów światłowodowych. Korzyści te szybko rekompensują dodatkowy koszt dodatku. Zoptymalizowana chemia materiałowa do znakowania laserowego tworzyw sztucznych wymaga wiedzy z zakresu polimerów, 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). Nie wszystkie lasery są sobie równe.

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.
• 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.

---