Znakowanie laserem światłowodowym tworzyw z nylonu (poliamidu)

Znakowanie laserem światłowodowym tworzyw z nylonu (poliamidu)

Zapotrzebowanie na znakowanie laserowe o wysokim kontraście wyrobów z nylonu (poliamidu) szybko rośnie ze względu na szeroki zakres zastosowań przemysłowych. Znaki funkcjonalne i dekoracyjne obejmują identyfikację alfanumeryczną, kody wizyjne Data Matrix i QR, schematy oraz mikrostruktury.

Poliamidy, w tym poliftalamidy (PPA), należą do polimerów najtrudniejszych do znakowania laserowego ze względu na zróżnicowane właściwości materiałowe, warunki formowania i konfiguracje laserów. Inteligentne dodatki do laserów bliskiej podczerwieni rozwiązują problemy z kontrastem znakowania i zwiększają szybkość znakowania (krótszy czas cyklu) bez wpływu na właściwości materiału.

Niniejszy artykuł przybliża zagadnienia dotyczące nylonów, dodatków chemicznych i laserów światłowodowych, które pozwalają uzyskać kolorowe znaki o wysokim kontraście oraz ekonomiczne operacje znakowania laserowego.

Najważniejsze wnioski

• Poliamidy, w tym PPA, należą do najtrudniejszych do znakowania polimerów ze względu na zróżnicowane właściwości, warunki formowania i konfiguracje laserów.
• Kontrast to nie tylko zmiana koloru — udział ma także zmienna dyfrakcja światła, obok rozdzielczości cienkich linii i ostrości.
• Kolor podłoża sam jest zmienną, ponieważ sadza, TiO2 i środki zmniejszające palność w różnym stopniu pochłaniają światło lasera.
• Lasery światłowodowe ogniskują wiązkę do rozmiaru poniżej 20 mikronów, co zapewnia wysoką gęstość energii wymaganą do drobnego znakowania nylonu.
• MOPA przy 20–50 ns to skuteczny zakres dla uzyskania doskonałego kontrastu barwnego na większości polimerów.

Podstawowym parametrem opisującym jakość znakowania jest kontrast barwny między znakowaną powierzchnią a podłożem. Istnieją trzy mechanizmy powierzchniowej zmiany koloru przy użyciu laserów NIR, w tym laserów światłowodowych na iterbie, wanadanowych (Nd:YVO4) i Nd:YAG: 1) czarne znakowanie przez karbonizację, 2) białe znakowanie przez wytworzenie piany oraz 3) zmiany koloru wywołane laserem termochemicznymi reakcjami polimerów pigmentowanych¹. Do najbardziej poszukiwanych kolorów kontrastu należą nieprzezroczysta biel na czerni, głęboka czerń na bieli oraz nieprzezroczysta biel na średnim niebieskim. Takie kombinacje kolorów często wymagają dodatków chemicznych. Dodatki poprawiają stopień kontrastu barwnego (absorpcję światła lasera), który dodatkowo wzmacnia optymalny dobór lasera i parametrów znakowania.

Najczęściej zadawane pytania

Dlaczego nylon jest trudny do znakowania laserowego?

Poliamidy, w tym poliftalamidy, mają zróżnicowane właściwości materiałowe, warunki formowania i konfiguracje laserów, a podobnie jak większość polimerów nie pochłaniają w sposób naturalny światła lasera, co uniemożliwia zmianę koloru tworzącą znak. Kontrast, szybkość i trwałość poprawiają dodatki wzmacniające działanie lasera.

Jak ocenia się jakość znakowania poza kontrastem?

Na podstawie wierności odwzorowania — rozdzielczości cienkich linii i ostrości. Sam kontrast nie zawsze wynika wyłącznie ze zmiany koloru, ponieważ udział ma także zmienna dyfrakcja światła, dlatego oba aspekty należy oceniać łącznie.

Czy kolor nylonu wpływa na znakowanie?

Tak. Kolor podłoża jest realnym czynnikiem, ponieważ związki takie jak sadza, dwutlenek tytanu i środki zmniejszające palność w różnym stopniu pochłaniają światło lasera, co zmienia reakcję materiału.

Dlaczego lasery światłowodowe na iterbie zastąpiły lasery YAG w tych zastosowaniach?

Weszły na rynek znakowania przemysłowego około 2010 roku, oferując doskonałą jakość wiązki i wysoką jasność, z ogniskowaniem do plamki poniżej 20 mikronów, co daje dużą gęstość energii. Są też wszechstronne, opłacalne i praktycznie typu plug-and-play, z niemal zerową konserwacją.

Jaki zakres szerokości impulsu działa najlepiej?

Lasery światłowodowe MOPA o zmiennym, krótkim impulsie w zakresie 20–50 ns są wyjątkowo skuteczne w uzyskiwaniu doskonałego kontrastu barwnego na większości polimerów, w tym nylonach. Lasery światłowodowe z modulacją dobroci o impulsie 100–150 ns są ograniczone do częstotliwości powtarzania ok. 80 kHz.

Czym jest nylon (poliamid)?

Poliamidy, czyli nylon, to główna klasa konstrukcyjnych i wysokowydajnych tworzyw termoplastycznych zawierających powtarzalne wiązania amidowe, tj. –CO-NH–. Powstają przez kondensację identycznych jednostek, a kopolimery — różnych jednostek. Nylon otrzymuje się przez polikondensację kwasu dikarboksylowego z diaminą lub przez polimeryzację z otwarciem pierścienia laktamów zawierających sześć, 11 lub 12 atomów węgla². Monomery nylonu mogą być alifatyczne, półaromatyczne lub aromatyczne (aramidy), a ich struktura może być amorficzna lub półkrystaliczna, o większym lub mniejszym stopniu krystaliczności.

Poliamidy alifatyczne produkuje się na znacznie większą skalę niż poliamidy w pełni aromatyczne i należą one do najważniejszych klas konstrukcyjnych tworzyw termoplastycznych. Kontrast barwny znakowania laserowego nylonu z 20% włókna szklanego i matową fakturą powierzchni: poliamidy te są amorficzne lub tylko umiarkowanie krystaliczne po formowaniu wtryskowym, ale stopień krystaliczności można zwiększyć.

Dwa ważne poliamidy to poli(heksametylenoadypinamid) (nylon 6,6) i polikaprolaktam (nylon 6). Dodatkowe poliamidy alifatyczne to nylon 12, 69, 6-10, 6-12, 46 i 1212. Nylon 11 to biopochodne tworzywo konstrukcyjne otrzymywane z surowców odnawialnych (rącznik).

Półaromatyczne, półkrystaliczne poliamidy otrzymywane przez kondensację amidów alifatycznych obejmują PA 6T i PA 6I. Poliamidy półaromatyczne są często opłacalną alternatywą dla droższych, w pełni aromatycznych aramidów. Poliamidy aromatyczne, zwane aramidami, mają większą wytrzymałość, lepszą odporność na rozpuszczalniki, ogień i ciepło oraz większą stabilność wymiarową niż amidy alifatyczne. Powszechnie znanym amidem aromatycznym jest Kevlar, poli(tereftalamid p-fenylenu).

Poliamidy, w tym poliftalamidy (PPA), należą do polimerów najtrudniejszych do znakowania laserowego ze względu na zróżnicowane właściwości materiałowe, warunki formowania i konfiguracje laserów.

Poliftalamid (PPA) to podgrupa termoplastycznych żywic syntetycznych z rodziny poliamidów (nylonów), w której co najmniej 55% moli części kwasu karboksylowego jednostki powtarzalnej w łańcuchu polimeru stanowią kwasy aromatyczne. PPA jest półaromatyczny i półkrystaliczny. PPA wypełniają lukę wydajnościową między nylonami alifatycznymi, takimi jak PA6,6 i PA6, a znacznie droższymi poliaramidami.

„Inteligentne” dodatki

Jednym z parametrów opisujących jakość znakowania jest kontrast barwny między znakowaną powierzchnią a tłem. Kontrast nie zawsze wynika z samej zmiany koloru, ponieważ można go uzyskać także dzięki zmiennej dyfrakcji światła.

Równie ważna jest jakość lub wierność znakowania, tj. rozdzielczość cienkich linii lub ostrość. Wiele polimerów, w tym nylony, nie pochłania w sposób naturalny światła lasera, co uniemożliwia zmianę koloru. Chemiczne dodatki wzmacniające działanie lasera znacząco poprawiają kontrast, szybkość i trwałość znakowania (zob. zdjęcie 1). Kolor podłoża jest czynnikiem, ponieważ związki takie jak sadza, TiO2 i środki zmniejszające palność w różnym stopniu pochłaniają światło lasera.

Dodatki laserowe są dostarczane w postaci granulatu i proszku. Produkty granulowane miesza się bezpośrednio z żywicą polimerową, a proszki przetwarza się na masterbatch. Stężenie wagowe (w gotowym wyrobie) zwykle mieści się w zakresie od 0,01 do 3,0%. Jednorodne rozmieszczenie i dyspersja dodatków laserowych w całym wyrobie mają decydujące znaczenie dla uzyskania optymalnego kontrastu barwnego.

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. Określone dodatki uzyskały zgodę FDA na kontakt z żywnością i zastosowanie w opakowaniach do żywności na warunkach A–H zgodnie z 21 CFR 178.3297 Colorants for Polymers¹.

Lasery światłowodowe na iterbie

Lasery światłowodowe NIR na iterbie weszły na rynek znakowania przemysłowego około 2010 roku, zastępując tradycyjne lasery YAG. Lasery światłowodowe cechują się doskonałą jakością wiązki (M2) i wysoką jasnością oraz mogą ogniskować wiązkę do małej plamki (poniżej 20 mikronów), co prowadzi do dużej gęstości energii. Są niezwykle wszechstronne, opłacalne i typu plug-and-play, z niemal zerową konserwacją.

Nanosekundowe lasery światłowodowe o stałym impulsie (z modulacją dobroci) i zmiennym impulsie (MOPA) oferuje kilku producentów laserów, w tym IPG Photonics i SPI Lasers. Lasery światłowodowe z modulacją dobroci, zazwyczaj o szerokości impulsu 100–150 ns, są stosowane w niektórych zastosowaniach znakowania polimerów, lecz ich częstotliwość powtarzania jest ograniczona do ok. 80 kHz ze względu na nieodłączne ograniczenie technologii modulacji dobroci.

Lasery światłowodowe MOPA z modulacją bezpośrednią (DM-MOPA) pracują z częstotliwością powtarzania do 500 kHz przy impulsach nanosekundowych. Szerokość impulsu [ns] jest miarą czasu między początkiem a końcem impulsu, zazwyczaj określaną na podstawie szerokości połówkowej (FWHM) kształtu impulsu.

Wysokie częstotliwości powtarzania zazwyczaj przekładają się na większą prędkość znakowania (w połączeniu z pozostałymi parametrami lasera i kształtu impulsu). Występują znaczące różnice w kształtach impulsów i stopniu karbonizacji powierzchni³ (zob. zdjęcie 1).

Lokalna, przestrzenna i czasowa kontrola dopływu ciepła z lasera oraz szybkości jego dostarczania zapewnia maksymalną wydajność. W przypadku polimerów wrażliwych na temperaturę lasery światłowodowe o zmiennym, krótkim impulsie (MOPA) są szczególnie skuteczne w uzyskiwaniu wysokiego kontrastu bez nadmiernej karbonizacji.

Na przezroczystych tworzywach sztucznych do zastosowań medycznych można uzyskać znakowanie podpowierzchniowe. Lasery MOPA generują zazwyczaj szerokości impulsu (czas trwania impulsu) od 1 ns do 250 ns (i więcej). The Sabreen Group ustaliła, że zakres od 20 ns do 50 ns jest idealny do uzyskania optymalnego kontrastu barwnego w wielu zastosowaniach polimerowych, w tym w nylonach.

W przypadku kontrastu znakowania kosmetycznego i funkcjonalnego dodatki laserowe mają kluczowe znaczenie, gdy do bezpośredniego znakowania części (DPM) kodami Data Matrix i kodami kreskowymi wymagana jest wysoka rozdzielczość, jakość krawędzi linii i małe komórki danych. Im dłuższy ciąg danych, tym bardziej zagęszczone stają się komórki danych.

Weryfikacja w klasie „A” jest często wymagana dla produktów wojskowych, lotniczych, motoryzacyjnych i farmaceutycznych. Czytelność kodu o wysokim kontraście daje dodatkowe korzyści — większą prędkość znakowania oraz możliwość stosowania tanich czytników ręcznych w całym zakładzie.

Podsumowanie

Poliamidy należą do polimerów najtrudniejszych do znakowania laserowego. Inteligentne dodatki laserowe rozwiązują problemy z kontrastem, zwiększają szybkość znakowania i przynoszą oszczędności kosztów. W bezpośrednim znakowaniu części (DPM) kodami Data Matrix i kodami kreskowymi dodatki laserowe zapewniają kluczowe usprawnienia. Lasery światłowodowe o zmiennym, krótkim impulsie (MOPA) w zakresie 20–50 ns są wyjątkowo skuteczne w uzyskiwaniu doskonałego kontrastu barwnego na większości polimerów.

Literatura

1. Sabreen, S. Fiber Lasers: Selection and Additives, Plastics Decorating, listopad 2017. 2. Polyamide (PA) Nylon Complete Guide, SpecialChem 2019. 3. Brodsky, M. Wave Forms: A New Laser Tool, Optics & Photonics, marzec 2012.

Scott R. Sabreen jest założycielem i prezesem The Sabreen Group, Inc., firmy doradztwa inżynieryjnego specjalizującej się we wtórnych procesach przetwórstwa tworzyw sztucznych: obróbce wstępnej powierzchni, łączeniu adhezyjnym, druku atramentowym, znakowaniu laserowym, 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.

---