Znakowanie laserowe polimerów wzmacnianych włóknem szklanym – znaczenie operacji wtryskiwania

Znakowanie laserowe polimerów wzmacnianych włóknem szklanym – znaczenie operacji wtryskiwania

Znakowanie laserowe tworzyw sztucznych ma liczne zalety w szerokim zakresie zastosowań przemysłowych. Znakowania dekoracyjne i funkcjonalne wykonywane laserem muszą być w pełni czytelne, np. identyfikacja komponentów, schematy, kody Data Matrix i kody kreskowe. Jakość znakowania zależy od polimeru, dodatków i barwników, procesów wtryskiwania oraz źródła lasera. Wady powierzchni formowanego polimeru, które ograniczają czytelność, mogą wpływać na bezpieczeństwo, właściwości użytkowe i funkcję produktu. Jednym z przykładów są dodatki w postaci włókna szklanego. Dodatek włókna szklanego może niekorzystnie wpływać na procesy formowania, co z kolei wpływa na jakość znakowania laserowego. Do uzyskania trwałego znakowania konieczne są powierzchnie części bogate w żywicę. Powierzchnie bogate we włókno szklane dają gorsze rezultaty.

Najważniejsze wnioski

• Zawartość włókna szklanego wynosi zwykle 10–60% w ABS, nylonie, acetalu, poliwęglanie, LCP, PBT, PET, PPS, PEEK i PEI.
• Włókno szklane słabo pochłania bliską podczerwień, dlatego powierzchnie bogate w szkło z definicji znakują się słabo.
• Wymagane są powierzchnie bogate w żywicę, ponieważ energia lasera musi oddziaływać z osnową polimerową.
• Wychodzenie szkła na powierzchnię objawia się białymi śladami po kondensacji i formowaniu.
• O możliwości znakowania decyduje formowanie – wada powstaje przed etapem laserowym, dlatego należy ją usunąć na wcześniejszym etapie.

Najczęściej zadawane pytania

Czym jest wychodzenie szkła na powierzchnię?

Poważna wada powierzchni wyrobów wtryskowych wypełnionych włóknem szklanym, w której nadmiar szkła gromadzi się na powierzchni podczas wypełniania formy stopem i formowania. Po kondensacji i formowaniu na powierzchni pojawiają się białe ślady, a odsłonięte włókna tworzą powierzchnię bogatą we włókno szklane, która znakuje się słabo.

Dlaczego powierzchnie bogate w szkło znakują się tak słabo?

Ponieważ włókno szklane słabo pochłania światło lasera w bliskiej podczerwieni. Znakowanie wymaga oddziaływania energii lasera z osnową polimerową, dlatego powierzchnie muszą być bogate w żywicę. Problem nasila się wraz ze wzrostem zawartości włókna.

Które polimery zawierają zwykle włókno szklane?

ABS, nylon, acetal, poliwęglan, polimer ciekłokrystaliczny, PBT, PET, PPS, PEEK i PEI. Udział wypełnienia jest zróżnicowany, ale zwykle mieści się w zakresie 10–60%.

Z czego właściwie wytwarza się włókno szklane?

Z krzemionki, wapienia i sody kalcynowanej. Krzemionka tworzy samo szkło, a soda kalcynowana i wapień obniżają temperaturę topnienia podczas produkcji.

Jakie mechanizmy powierzchniowe powodują powstanie znakowania?

Trzy: czarne znakowanie przez karbonizację, białe znakowanie przez tworzenie piany oraz zmiana barwy w wyniku wywołanych laserem termicznych reakcji chemicznych w polimerach pigmentowanych. To, który mechanizm wystąpi, zależy od pochłoniętej energii i unikalnej ścieżki degradacji termicznej materiału.

Włókna szklane

Gdy standardowe tworzywo wymaga poprawy parametrów konstrukcyjnych, dodaje się włókna szklane. Wzrost wytrzymałości wynika z przenoszenia naprężeń obciążenia z słabszego polimeru na mocniejsze włókna wzmacniające. Do produkcji włókna szklanego stosuje się krzemionkę, wapień i sodę kalcynowaną. Krzemionka jest głównym materiałem tworzącym szkło, a soda kalcynowana i wapień obniżają temperaturę topnienia.

Włókno szklane dodaje się najczęściej do ABS, nylonu, acetalu, poliwęglanu, polimeru ciekłokrystalicznego (LCP), PBT, PET, PPS, PEEK i PEI. Choć udział wypełnienia jest zróżnicowany, zwykle mieści się w zakresie 10–60%. Istnieją dwa rodzaje wzmocnień szklanych – włókno krótkie i długie – a każde ma zalety i wady.

Wada powierzchni: wychodzenie szkła

„Wychodzenie szkła” to poważna wada powierzchni, która często dotyczy wyrobów wtryskowych wypełnionych 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 kondensacji i formowaniu na powierzchni pojawiają się białe ślady (zob. fot. 1).

Powierzchnie formowanych części muszą być „bogate w żywicę”, aby uzyskać wysoką jakość znakowania, w którym energia lasera oddziałuje z osnową polimerową. I odwrotnie, powierzchnie bogate we włókno szklane znakują się słabo, a problem nasila się przy wyższej zawartości włókna. Samo włókno szklane słabo pochłania światło lasera w bliskiej podczerwieni (NIR).

Znaczenia prawidłowych procesów wtryskiwania nie sposób przecenić. W tabeli 1 wymieniono wady powierzchni, które oprócz wychodzenia szkła mogą niekorzystnie wpływać na jakość znakowania laserowego.

Mechanizmy znakowania laserowego polimerów

W przypadku laserów NIR ze skanowaniem wiązką, o długości fali 1060–1070 nm, mechanizm znakowania laserowego polega na naświetlaniu polimeru zlokalizowanym źródłem promieniowania o wysokiej energii (laserem). Źródłami laserowymi są lasery światłowodowe z iterbem, wanadanowe i YAG. Energia promieniowania jest następnie pochłaniana przez materiał i zamieniana na energię cieplną, wywołując w nim reakcje. Mechanizmy powierzchniowe zmiany barwy obejmują: 1) czarne znakowanie przez karbonizację, 2) białe znakowanie przez tworzenie piany oraz 3) zmiany barwy wskutek wywołanych laserem termicznych reakcji chemicznych w polimerach pigmentowanych. Jakość znakowania zależy od pochłoniętej energii i unikalnej ścieżki degradacji termicznej materiału. Każdy gatunek polimeru, nawet w obrębie tej samej rodziny polimerów, może dawać inne wyniki.

Dla wysokiej jakości znakowania równie istotne jak powierzchnie bogate w żywicę jest jednorodne rozmieszczenie i zdyspergowanie barwników i dodatków. Aby stwierdzić, czy występują problemy z rozmieszczeniem lub dyspersją, zaleca się ustawić laser tak, aby znakował lub skanował w sposób ciągły całą powierzchnię części. Zob. fot. 2.

Wynik przedstawia (od lewej do prawej) formowany długopis z doskonałym znakowaniem w kolorze złotym na czarnym tle (po lewej), dwa środkowe zdjęcia z niedostateczną dystrybucją koloru oraz zdjęcie po prawej z doskonałym, jednorodnym rozkładem.

Ponieważ większość polimerów bez dodatków chemicznych nie wykazuje właściwości pochłaniania NIR, specjaliści stosują dodatki, wypełniacze, pigmenty i barwniki w celu zwiększenia pochłaniania energii lasera. W zależności od wymaganego kontrastu znakowania i funkcjonalności stosuje się bardzo różne chemie receptur oraz parametry optyki i ustawień lasera. Dodatki laserowe optymalizują stopień kontrastu i znacząco zwiększają prędkość znakowania. Zarówno granulat, jak i proszek można mieszać z prekompaundowanym materiałem barwionym lub koncentratem barwiącym. Materiały prekompaundowane z barwnikiem zapewniają bardziej spójne znakowanie niż koncentrat barwiący. Wybór dodatku zależy od składu polimeru, barwy podłoża, wymaganego koloru kontrastu znakowania oraz wymagań certyfikacyjnych dla końcowego zastosowania.

Systemy do znakowania laserowego charakteryzują się wysoką dokładnością i powtarzalnością. Po ustawieniu procesu laser precyzyjnie nanosi i powtarza dokładnie tę samą energię wyjściową. Dlatego wszelkie wady powierzchni powodują niejednorodność znakowania.

Trudnym zastosowaniem jest uzyskanie trwałego białego kontrastu na niebieskim i czarnym poliamidzie (nylonie) wypełnionym w 30% włóknem szklanym. Zob. fot. 3.

Częstotliwość powtarzania impulsów lasera i szczytowa gęstość mocy są kluczowymi parametrami w tworzeniu znakowania oraz uzyskiwaniu optymalnego kontrastu i prędkości. Arytmetyczne krzywe zależności mocy od częstotliwości powtarzania impulsów są odwrotnie proporcjonalne.

Wysoka moc szczytowa przy niskiej częstotliwości szybko podnosi temperaturę powierzchni, odparowując materiał i przewodząc minimalną ilość ciepła w głąb podłoża. Wraz ze wzrostem częstotliwości powtarzania impulsów niższa moc szczytowa powoduje minimalne odparowanie, ale przewodzi więcej ciepła. Czynnikami wpływającymi na kontrast i jakość znakowania są także szerokość impulsu, odległość ogniskowa, prędkość wiązki oraz odstęp między liniami wektorowymi.

Podsumowanie

Podsumowując, znakowanie laserowe tworzyw sztucznych jest doskonałym procesem. Jakość znakowania zależy od osnowy polimerowej, dodatków i barwników, procesu wtryskiwania oraz źródła lasera. Wady powierzchni formowanego polimeru, które ograniczają czytelność, mogą wpływać na bezpieczeństwo, właściwości użytkowe i funkcję produktu. Wychodzenie szkła jest jedną z wad powierzchni formowanych elementów, która niekorzystnie wpływa na jakość znakowania. Powierzchnie części bogate w żywicę oraz jednorodna dyspersja i dystrybucja mają kluczowe znaczenie dla uzyskania trwałego znakowania laserowego.

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, powłokach przemysłowych, zdobieniu i wykańczaniu oraz bezpieczeństwie produktu. 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.

---