„Inteligentne dodatki” poprawiają znakowanie laserowe tworzyw sztucznych

„Inteligentne dodatki” poprawiają znakowanie laserowe tworzyw sztucznych

Lepszy kontrast, szczegółowość krawędzi linii i szybkość

Najnowsza generacja „inteligentnych dodatków” do znakowania laserowego wprowadzanych do polimerów to skok jakościowy w technologii, który jest zarówno przełomowy, jak i oszczędny. Te zaawansowane receptury materiałowe zapewniają dotychczas nieosiągalny kontrast znakowania, szczegółowość krawędzi linii i szybkość na tworzywach sztucznych, które tradycyjnie były trudne, a nawet niemożliwe do znakowania laserowego. Zaprojektowane z myślą o termochemicznych reakcjach powierzchniowych, receptury te idealnie nadają się do laserów światłowodowych, YAG i wanadanowych pracujących na długości fali od 1060 do 1070 nm (bliska podczerwień).

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, typy laserów (światłowodowy, YAG, wanadanowy) oraz optykę i parametry ustawień lasera, w zależności od oczekiwanego kontrastu znaku i funkcjonalności.

RYSUNEK 1 przedstawia „ciemny kontrast znaku” na polietylenie (po lewej), „biały kontrast znaku” na nylonie (pośrodku) oraz kolor niestandardowy żółto-złoty na ABS (po prawej). Ilustruje on także trzy odrębne mechanizmy reakcji powierzchniowej. Pierwszy to zwęglenie, które zachodzi, gdy pochłonięta energia 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 znaku zależy od pochłoniętej energii oraz od charakterystycznej dla materiału ścieżki degradacji termicznej. Dodatki dające ciemny kontrast znaku, wprowadzane do matrycy barwnika w żywicy, często zawierają mieszaniny tlenku cyny domieszkowanego antymonem, trójtlenku antymonu lub cząstek aluminium. Wszystkie łatwo dyspergują w polimerach. Typowe stężenia wagowe wynoszą od 0,01% do 3,0%. Wiele gotowych receptur uzyskało zgodę FDA na stosowanie na warunkach A–H zgodnie z 21 CFR 178.3297 Colorant for Polymers.

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. Przykładami środków spieniających są wodorotlenek glinu lub różne węglany. Aby zapobiec zwęgleniu, mechanizm wymaga, by polimer ulegał degradacji w temperaturze wyższej niż dodatek spieniający. 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.

Receptury laserowe nie mogą być toksyczne ani negatywnie wpływać na wygląd, właściwości fizyczne lub funkcjonalne wyrobów. Muszą pochłaniać dostatecznie dużo energii lasera, aby podnieść lokalną temperaturę polimeru do poziomu wystarczającego do jego zwęglenia lub spienienia i w ten sposób utworzyć znak. Temperatura ta różni się w zależności od polimeru, nawet w obrębie jednej rodziny.

Najważniejsze wnioski

• Nie istnieje uniwersalny dodatek. Wbrew powszechnemu przekonaniu chemię trzeba dopasować do polimeru, koloru i lasera.
• Trzy mechanizmy — zwęglenie, spienienie i zmiana koloru barwnika — obejmują znaki ciemne, białe i w kolorach niestandardowych.
• Dozowanie jest niskie, zwykle od 0,01% do 3,0% wagowo, a wiele receptur ma zgodę FDA na podstawie 21 CFR 178.3297.
• Przyrost szybkości o 15% lub więcej zapewniają dodatki przy stężeniach już od 0,01% do 2,0%.
• Temperatura degradacji termicznej pozwala przewidzieć zdolność do znakowania. Już z tego powodu dwa gatunki HDPE mogą znakować się bardzo różnie.

Najczęściej zadawane pytania

Czy istnieje jeden dodatek laserowy rozwiązujący wszystkie problemy ze znakowaniem?

Nie. Wbrew powszechnemu przekonaniu nie istnieje uniwersalny dodatek. W zależności od oczekiwanego kontrastu i funkcjonalności potrzebne są bardzo różne chemie receptur, typy laserów — światłowodowy, YAG lub wanadanowy — oraz optyka i parametry ustawień.

Jak dodatki tworzą białe znaki na ciemnym tworzywie?

Przez spienienie. Dodatek uwalnia parę wodną podczas rozkładu, a energia lasera jest pochłaniana przez absorber znajdujący się blisko środka spieniającego. Typowymi środkami spieniającymi są wodorotlenek glinu i różne węglany. Polimer musi ulegać degradacji w temperaturze wyższej niż dodatek spieniający, w przeciwnym razie nastąpi zwęglenie.

Dlaczego dwa gatunki tego samego polimeru znakują się inaczej?

Ze względu na różne temperatury degradacji termicznej. Analiza termograwimetryczna dwóch próbek HDPE wykazuje wyraźnie różny początek degradacji, a polimer o wyższej temperaturze wymaga więcej energii lasera, wolniejszego znakowania lub bardziej absorbującego dodatku, aby uzyskać taki sam wygląd znaku.

O ile szybsze jest znakowanie z optymalnymi dodatkami?

Statystycznie istotne przyrosty o 15% lub więcej w porównaniu z recepturami niezoptymalizowanymi, uzyskiwane przy niskich stężeniach rzędu 0,01% do 2,0%. Znakowanie „w locie” promocji pod zamknięciem w zamknięciach do napojów bez uszczelki odbywa się z prędkością do 1500 zamknięć na minutę.

Dlaczego jasny znak łatwo się ściera?

Z powodu słabej kontroli lasera podczas spieniania. Bez ścisłej kontroli parametrów powstaje kruchy znak lub znak o niskim kontraście i niskiej trwałości, zamiast wysokiej jakości, trwałego jasnego znaku, jaki może zapewnić ten mechanizm.

Uzyskiwanie większych prędkości znakowania

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 mogą też wpływać oprogramowanie lasera i typ wypełnienia wektorowego: jednokierunkowe, dwukierunkowe lub meandrowe. Nowe niezależne badania wskazują, że statystycznie istotnie szybsze znakowanie można uzyskać, wprowadzając receptury dodatków laserowych przy bardzo niskich stężeniach, zwykle od 0,01% do 2,0%.

RYSUNEK 2 przedstawia analizę termograwimetryczną (TGA) dwóch polietylenów o dużej gęstości. 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. Inteligentne dodatki obniżają koszty i zapewniają o 15% większą prędkość znakowania w porównaniu z niezoptymalizowanymi recepturami materiałów. 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 zamknięć na minutę. Przykłady pokazano na RYSUNKU 3.

Technologia laserowa

Postępy w technologii laserowej miały kluczowe znaczenie dla szybkiego rozwoju inteligentnych dodatków laserowych. Technologia nanosekundowych laserów światłowodowych to rozwijająca się dziedzina i jedno z najważniejszych osiągnięć w laserach do 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 MOPA z energią impulsu do 1 mJ i wysoką gęstością mocy mogą znakować wiele polimerów historycznie trudnych, w tym nylony, uretany i acetale.

Nie wszystkie lasery światłowodowe, YAG i wanadanowe 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. 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.

Podsumowanie

Najnowsza generacja „inteligentnych dodatków” do znakowania laserowego wprowadzanych do polimerów zapewnia dotychczas nieosiągalny kontrast znakowania, szczegółowość krawędzi linii i szybkość. 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.

Literatura

• Engelhard 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, „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.

---