Obróbka wstępna powierzchni i dedykowane tusze usprawniają druk atramentowy na tworzywach sztucznych i foliach

Obróbka wstępna powierzchni i dedykowane tusze usprawniają druk atramentowy na tworzywach sztucznych i foliach

Technologie druku cyfrowego, takie jak druk atramentowy i laser na tworzywach sztucznych, zapewniają producentom ogromne korzyści w porównaniu z tradycyjnymi metodami analogowymi, np. tampodrukiem, tłoczeniem na gorąco czy sitodrukiem. Druk cyfrowy umożliwia pełną personalizację produktu, unikalną identyfikację części znakami alfanumerycznymi, bezpieczeństwo produktu, serializację, kody kreskowe i 2D, logotypy, grafikę i wiele więcej. Możliwości te są niezbędne we współczesnym, cyfrowym i interaktywnym świecie. Dodatkową korzyścią jest możliwość zadruku gotowych, zmontowanych produktów na końcu procesu produkcyjnego, co pozwala obniżyć koszty i lepiej zarządzać zapasami. W artykule omówiono dwie metody druku i znakowania cyfrowego: pełnokolorowy piezoelektryczny druk atramentowy typu drop-on-demand oraz znakowanie laserem światłowodowym ze sterowaniem wiązką. Piezoelektryczny druk atramentowy DOD (drop-on-demand) i laser światłowodowy to nowoczesne technologie o niezliczonych zaletach w zakresie personalizacji produktów (także masowej).

Piezoelektryczny druk atramentowy DOD i znakowanie laserem światłowodowym ze sterowaniem wiązką to cyfrowe procesy bezdotykowe. Wielu producentów dostrzega już wartość oferowania obu technologii, aby sprostać wymaganiom personalizowanego druku na zróżnicowanych podłożach polimerowych. Ze względu na różnorodność wymagań aplikacyjnych nie można jednoznacznie uznać żadnej z tych technologii za lepszą lub gorszą. Wybór procesu (druk atramentowy czy laser) dla danego zastosowania może wydawać się prosty. Na przykład jeśli do zadruku białego nylonu wzmacnianego włóknem szklanym potrzebny jest jeden lub kilka kolorów (także niestandardowych), należy wybrać druk atramentowy. Jeśli natomiast na białym nylonie wymagany jest trwały, głęboko czarny kontrast, należy wybrać znakowanie laserowe. W rzeczywistości jednak tusze atramentowe nie przylegają łatwo do nylonu (ani do większości polimerów o niskiej energii powierzchniowej) bez specjalnego tuszu i obróbki wstępnej. Aby uzyskać czarny kontrast na białym nylonie (i wielu innych jasnych polimerach), konieczne są dodatki wspomagające znakowanie laserowe.

Niezawodne rozwiązania w zakresie znakowania i druku wymagają precyzyjnego zaprojektowania chemii tuszy i laserów, nauki o powierzchni polimerów, konstrukcji procesu oraz urządzeń. Zbyt często firmy kupują generyczne urządzenia „z półki”, które nie zapewniają wymaganych rezultatów. Dlatego kompleksowe podejście do technologii druku atramentowego i znakowania laserowego staje się bardzo ważnym wyznacznikiem przy zakupie systemów i optymalizacji procesu.

Najważniejsze wnioski

• Druk atramentowy i laser się uzupełniają, a nie konkurują. Żadna z technologii nie jest uniwersalnie lepsza; decyduje zastosowanie.
• Przyczepność tuszu to kwestia energii powierzchniowej. Energia powierzchniowa podłoża powinna być o ok. 10 dyn/cm wyższa niż napięcie powierzchniowe tuszu.
• Utwardzanie UV LED wyparło lampy rtęciowe — natychmiastowe włączanie i wyłączanie, żywotność ponad 20 000 godzin, brak nagrzewania podczerwienią i znacznie mniej ozonu.
• Znakowanie laserowe wymaga dodatków, ponieważ większość polimerów nie absorbuje samodzielnie bliskiej podczerwieni.
• Urządzenia „z półki” to najczęstsza przyczyna niepowodzeń. Zwłaszcza druk atramentowy wymaga integracji głowicy, tuszu, utwardzania, obróbki wstępnej i transportu detali.

Najczęściej zadawane pytania

Co wybrać do znakowania części z tworzyw sztucznych: druk atramentowy czy znakowanie laserowe?

Druk atramentowy, gdy potrzebny jest jeden lub więcej kolorów; laser, gdy potrzebne są trwałe, wysokokontrastowe znaki monochromatyczne bez materiałów eksploatacyjnych. W praktyce decyzja rzadko bywa tak prosta — tusze atramentowe nie przylegają do nylonu i innych polimerów o niskiej energii powierzchniowej bez specjalnego tuszu i obróbki wstępnej, a znakowanie laserowe wymaga dodatków wzmacniających kontrast na jasnych polimerach.

Dlaczego tusz UV nie przywiera do moich części z tworzyw sztucznych?

Przyczyną jest energia powierzchniowa. Tusze UV mają niskie napięcie powierzchniowe, ok. 25 dyn/cm, a większość tworzyw inżynieryjnych jest chemicznie obojętna, nieporowata i ma niską energię powierzchniową. Do uzyskania akceptowalnej przyczepności zwykle potrzeba, aby podłoże miało energię o ok. 10 dyn/cm wyższą niż tusz. Obróbka wstępna powierzchni niweluje tę różnicę.

Jakie są zalety utwardzania UV LED w porównaniu z lampami rtęciowymi?

Diody UV LED emitują wąskie pasmo o środku w pobliżu 395 nm, więc niemal cała energia jest wykorzystywana do fotoinicjacji. Włączają się i wyłączają natychmiast, działają ponad 20 000 godzin — ok. dziesięć razy dłużej niż lampa UV — nie emitują podczerwieni, co sprzyja tworzywom wrażliwym na ciepło, i wytwarzają znacznie mniej ozonu.

Czym jest druk atramentowy w skali szarości i dlaczego ma znaczenie?

Standardowy druk atramentowy jest binarny: każdy piksel otrzymuje kroplę albo jej nie otrzymuje. Głowice w skali szarości wyrzucają kilka małych kropli na tyle szybko, że drukują się jako jeden punkt; zaawansowane głowice oferują osiem poziomów. Efektem jest wyraźnie wyższa pozorna rozdzielczość przy tej samej natywnej rozdzielczości głowicy.

Dlaczego systemy druku atramentowego „z półki” często zawodzą na tworzywach sztucznych?

Ponieważ żaden pojedynczy producent nie dostarcza wszystkich komponentów. Działający system integruje głowicę, elektronikę sterującą, tusze, transport detali, sterowanie ruchem, naświetlacz utwardzający i oprogramowanie protokołu plików. W odróżnieniu od tampodruku czy sitodruku nie istnieje kompletny pakiet pod klucz, dlatego zgodność komponentów trzeba zaprojektować.

Piezoelektryczna technologia druku atramentowego UV LED typu „drop-on-demand”

Druk atramentowy to bezdotykowy proces „z komputera na wydruk”, w którym krople tuszu są wyrzucane w stronę podłoża w regularnym rastrze pikseli x-y, wyznaczonym przez plik cyfrowy. Główne elementy systemu to zespół głowic drukujących, elektroniczne sterowniki głowic, tusze UV, naświetlacz utwardzający oraz transport detali ze sterowaniem ruchem.

Podstawowym elementem jest głowica drukująca (rysunek 2). Ma ona zasobnik tuszu i wiele małych komór tuszu z okrągłymi dyszami, z których wyrzucane są krople. Dysze są ułożone liniowo, prostopadle do kierunku ruchu. Każda głowica może mieć od jednego do pięciu rzędów dysz – każdy rząd po 128, 256, 512 lub 768 dysz. Każdy kolor ma własny zasobnik tuszu i własne głowice. W rozważanej drukarce głowice skanują tam i z powrotem (kierunek x), a elementy przesuwają się skokowo (kierunek y) przy każdym przejściu. Skok i rozstaw dysz są dopasowane (rysunek 1). Przy częstszym wyrzucaniu kropli i mniejszych skokach równoważny rozstaw pikseli może być znacznie mniejszy niż rozstaw dysz. Na przykład głowica 300 dpi może drukować w rozdzielczości 300×300, 300×600 itd., aż do 2400×2400 punktów na cal. Normalny druk jest binarny – w każdym położeniu jest albo kropla, albo jej brak. Technologia najwyższej klasy oferuje skalę szarości, co oznacza, że objętość tuszu w każdym punkcie można celowo zmieniać.

Konstrukcja piezoelektrycznej głowicy DOD

W piezoelektrycznym druku atramentowym typu drop-on-demand odkształcenie materiału piezoceramicznego powoduje zmianę objętości tuszu w komorze ciśnieniowej i generuje falę ciśnienia rozchodzącą się w stronę dyszy. Ta akustyczna fala ciśnienia pokonuje lepkościowe straty ciśnienia w małej dyszy oraz siłę napięcia powierzchniowego menisku tuszu, dzięki czemu na dyszy może zacząć się formować kropla. Po uformowaniu kropli ciśnienie musi być wystarczające, aby wyrzucić ją w stronę podłoża (rysunek 2). Lepkość w zakresie 10–20 mPa·s zapewnia szybki przepływ cieczy. Ogólnie odkształcenie elementu piezoelektrycznego jest rzędu ułamka mikrometra. Aby uzyskać odpowiednio dużą zmianę objętości tuszu do utworzenia kropli, fizyczny rozmiar elementu piezoelektrycznego jest często znacznie większy niż otwór dyszy. Każdy piksel na podłożu jest albo pokryty tuszem, albo nie – wybór binarny. Druk w skali szarości różni się tym, że głowica może wyrzucić wiele małych kropli niezwykle szybko – na tyle, że drukują się jako jeden punkt. Zaawansowane głowice mają osiem poziomów – od zera do siedmiu kropli. Efektem jest znacznie wyższa pozorna rozdzielczość przy tej samej natywnej rozdzielczości co w druku binarnym.

Tusze utwardzane UV

Tusze i powłoki utwardzane promieniowaniem ultrafioletowym (UV) są preferowane w zastosowaniach przemysłowych i zewnętrznych, ponieważ po utwardzeniu są wytrzymałe i trwałe. Mają pełną gamę kolorów i przy wysokiej rozdzielczości zapewniają znakomitą jakość druku. Formulacje utwardzane UV zawierają fotoinicjatory, monomery, oligomery, barwniki i dodatki. Monomery i oligomery stanowią ok. 85 procent składu, barwniki mogą stanowić 10 procent, fotoinicjatory ok. pięciu procent, a środki powierzchniowo czynne i stabilizatory od jednego do dwóch procent.

Ekspozycja na UV powoduje pękanie wiązań fotoinicjatora, w wyniku czego powstają dwa wolne rodniki. Inicjują one reakcję łańcuchową w monomerach i oligomerach, prowadzącą do rozległego, lecz niecałkowitego sieciowania (utwardzenia) żywic. Reakcja jest egzotermiczna, a źródła UV emitują też ciepło. Wzrost temperatury może sprzyjać zarówno przyczepności, jak i stopniowi utwardzenia, co wpływa na odporność utwardzonych płynów na ścieranie, zarysowania i zadrapania1. Wyzwaniem przy formułowaniu tuszy utwardzanych UV jest spełnienie wymogu bardzo niskiej lepkości przy jednoczesnym tworzeniu użytecznych polimerów. Po podgrzaniu tuszu, głowic i układu podawania tuszu do ok. 50ºC uzyskuje się jednak lepkości odpowiednie dla głowic piezoelektrycznych, choć przy znacznie wyższych kosztach niż w systemach pracujących w temperaturze pokojowej.

Zgodność tuszu z podłożem z tworzywa sztucznego

Wszystkie procesy druku tuszem wymagają, aby ciekła chemia tuszu (UV, rozpuszczalnikowa, termiczna itd.) była zgodna z podłożem z tworzywa sztucznego, co zapewnia właściwe zwilżenie powierzchni. Tusze UV mają zwykle niższą lepkość (napięcie powierzchniowe ok. 25 dyn/cm) niż tusze do tampodruku lub sitodruku. Istotnym czynnikiem wpływającym na zgodność tuszu z podłożem jest to, że wiele tworzyw sztucznych ma powierzchnie chemicznie obojętne, nieporowate i o niskiej energii powierzchniowej. Obróbka wstępna powierzchni współczesnych wysokowydajnych żywic inżynieryjnych rozwiązuje większość problemów z przyczepnością tuszu. Zasadniczo akceptowalną przyczepność tuszu uzyskuje się, gdy energia powierzchniowa podłoża (mierzona w dyn/cm) jest o ok. 10 dyn/cm większa niż napięcie powierzchniowe cieczy. W takiej sytuacji ciecz „rozpływa się” po powierzchni, czyli do niej przylega.

Napięcie powierzchniowe, będące miarą energii powierzchniowej, to właściwość (wynikająca z sił międzycząsteczkowych), przez którą każda ciecz, kurcząc swoją powierzchnię, dąży do nadania zawartej objętości kształtu o najmniejszym polu powierzchni. Zatem im wyższa energia powierzchniowa ciała stałego względem napięcia powierzchniowego cieczy, tym lepsza jest jego „zwilżalność” i tym mniejszy kąt zwilżania. (Szczegółowe informacje o obróbce wstępnej powierzchni zawiera artykuł „Plasma Surface Pretreatment of Polymers for Improved Adhesion” na stronach 44–51 w wydaniu kwiecień/maj 2018 czasopisma Plastics Decorating.)

Obróbkę wstępną powierzchni stosuje się w celu zwiększenia energii powierzchniowej oraz poprawy zwilżalności i właściwości adhezyjnych materiałów polimerowych. W przemyśle stosuje się różne procesy utleniania powierzchni w fazie gazowej, w tym niskociśnieniową plazmę zimną (mikrofale/RF), obróbkę elektryczną (wyładowanie koronowe), plazmę płomieniową oraz niskotemperaturową, bezwoltową plazmę atmosferyczną. Każda metoda jest dobierana do zastosowania i ma swoje unikalne zalety oraz potencjalne ograniczenia. Każdy z tych procesów charakteryzuje się zdolnością do wytwarzania „plazmy gazowej” – wysoce reaktywnego gazu złożonego z wolnych elektronów, jonów dodatnich i innych indywiduów chemicznych. W fizyce mechanizmy generowania tych plazm są różne, lecz ich wpływ na zwilżalność powierzchni jest podobny. Zamiast procesów z użyciem plazmy gazowej można czasem stosować podkłady gruntujące (primery) chemiczne.

Utwardzanie UV LED

Do niedawna całe utwardzanie inicjowano lampami rtęciowymi z wyładowaniem. Rtęć ma bardzo szerokie widmo emisji, przy czym więcej energii jest emitowane w postaci ciepła niż UV. Jedną z wad jest niska sprawność. Inną jest nagrzewanie tuszu i podłoża, które uniemożliwia stosowanie utwardzania UV w wielu zastosowaniach. (Lampy rtęciowe wytwarzają ozon w stężeniach niebezpiecznych dla zdrowia, co stanowi dodatkowy problem.) Lampy UV LED (rysunek 3) wypierają obecnie żarniki rtęciowe. Utwardzanie UV LED wykorzystuje diody elektroluminescencyjne emitujące wąskie pasmo UV, dające szczyt energii UV – zwykle wyśrodkowany na 400 nm – dzięki czemu większość energii jest użyteczna do fotoinicjacji. Niewielka część przypada na światło widzialne, a bardzo mało na podczerwień (IR).

Kolejną zaletą jest niemal natychmiastowe włączanie i wyłączanie, co skraca przestoje oraz ogranicza straty energii i materiału, występujące np. podczas dochodzenia lamp rtęciowych do pełnej mocy. Utwardzanie UV LED ma też dalsze zalety w porównaniu z tradycyjnymi lampami parowymi rtęciowymi (Hg). Niewielkie półprzewodnikowe elementy są projektowane na ponad 20 000 godzin pracy, czyli ok. 10 razy dłużej niż lampy UV. Moc wyjściowa jest wyjątkowo stabilna przez długi czas. Diody UV LED emitują czyste UV bez podczerwieni, dzięki czemu proces jest przyjazny dla podłoży z tworzyw wrażliwych na ciepło. Przy braku światła o bardzo krótkiej długości fali powstaje znacznie mniej ozonu.

Systemy urządzeń do druku atramentowego

Proces druku atramentowego różni się od konwencjonalnych technik druku tuszem tym, że integracja systemów pod klucz wymaga wiedzy inżynierskiej z wielu odrębnych dziedzin. Natomiast producenci urządzeń do tampodruku i sitodruku niemal zawsze mogą dostarczyć systemy pod klucz obejmujące tusze, materiały eksploatacyjne do druku, urządzenia utwardzające, automatykę oraz urządzenia do czyszczenia chemicznego. Komponenty systemu druku atramentowego to głowica drukująca, elektronika sterująca, tusze, sprzęt do transportu detali i sterowania ruchem oraz naświetlacz utwardzający. Ponadto informacje cyfrowe muszą być przekazywane do głowicy poprzez sprzętowo-programowy protokół plików, w tym główne oprogramowanie sterujące. Żaden pojedynczy producent nie dostarcza wszystkich wymienionych komponentów do każdego niestandardowego zastosowania. Wysoki poziom wiedzy inżynierskiej o wszystkich komponentach druku atramentowego i ich wzajemnej zgodności jest kluczowy dla niezawodnej produkcji.

Technologia znakowania laserem iterbowym światłowodowym

Lasery znakujące ze sterowaniem wiązką wykorzystują lustra zamontowane na szybkich, sterowanych komputerowo galwanometrach, które kierują wiązkę lasera po znakowanej powierzchni, podobnie jak pisanie ołówkiem na papierze. Każdy galwanometr, jeden dla osi Y i jeden dla osi X, zapewnia ruch wiązki w polu znakowania. Zespół soczewek płaskiego pola skupia światło lasera, aby uzyskać dużą gęstość mocy na powierzchni podłoża. Rysunek 4 przedstawia optyczny układ prowadzenia wiązki z galwanometrami sterowanymi komputerowo.

Mechanizmy reakcji polimerów przy znakowaniu laserowym

Większość polimerów nie wykazuje właściwości absorpcji NIR bez dodatków chemicznych, dlatego znakowanie ich laserem jest trudne lub niemożliwe. Nowatorskie dodatki chemiczne pozwalają uzyskać kontrast głęboko czarny, jasny i w kolorach niestandardowych, zarówno w procesie „w locie”, jak i w operacjach wtórnych. Przejrzystość polimeru, transmisja widmowa i podstawowe właściwości fizyczne pozostają niezmienione.

Polimery, które można znakować laserem, to te, które pochłaniają światło lasera i zamieniają energię świetlną na cieplną. Specjaliści stosują dodatki, wypełniacze, pigmenty i barwniki, aby zwiększyć absorpcję energii lasera i wywołać lokalne zmiany koloru. Wbrew powszechnemu przekonaniu nie istnieje pojedynczy dodatek laserowy rozwiązujący wszystkie problemy ze znakowaniem. W zależności od wymaganego kontrastu i funkcjonalności znakowania stosuje się bardzo różne chemie formulacji, różne typy laserów (światłowodowy, YAG, wanadanowy) oraz różną optykę i parametry ustawień lasera.

Dodatki laserowe do bliskiej podczerwieni poprawiają stopień kontrastu, który można dodatkowo zwiększyć, zmieniając parametry ustawień lasera. Zarówno granulat, jak i proszek można mieszać ze wstępnie skompaundowanym materiałem barwnym lub koncentratem barwnika. Wybór dodatku zależy od składu polimeru, koloru podłoża, pożądanego koloru kontrastu znakowania oraz wymagań certyfikacyjnych dla końcowego zastosowania.

Polimery mają naturalne cechy, które dają ciemny lub jasny kontrast znakowania. 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 polimerowej, może dawać inne rezultaty. Formulacje dodatków nie mogą być toksyczne ani niekorzystnie wpływać na wygląd, właściwości fizyczne lub funkcjonalne produktów.

Najczęstszy mechanizm reakcji powierzchniowej nazywa się termiczną karbonizacją chemiczną, czyli „zwęglaniem”, w którym energia pochłonięta w podłożu podnosi temperaturę materiału wokół miejsca absorpcji na tyle, że powoduje termiczną degradację polimeru (rysunek 5 [b]). Ciemność lub jasność znaku zależy od pochłoniętej energii oraz od właściwej danemu materiałowi ścieżki degradacji termicznej. Dzięki optymalizacji ustawień lasera pozostałości po karbonizacji powierzchni są minimalne.

Dodatki, które po wmieszaniu w matrycę barwiącą żywicy dają ciemny kontrast znakowania, 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 procent. Wiele gotowych formulacji uzyskało zatwierdzenie FDA do stosowania w warunkach A–H według 21 CFR 178.3297 (barwniki do polimerów).

Druga reakcja powierzchniowa to zmiana chemiczna, wywołana dodatkami uwalniającymi parę wodną podczas degradacji, co powoduje spienienie polimeru (rysunek 5(c)). W trakcie spieniania energia lasera jest pochłaniana przez dodatek znajdujący się w bezpośrednim sąsiedztwie środka spieniającego. Ciepło z absorbera powoduje degradację środka spieniającego i uwolnienie pary. Przykładami środków spieniających są wodorotlenek glinu lub różne węglany. Aby zapobiec zwęglaniu, mechanizm ten wymaga, by polimer degradował w temperaturze wyższej niż dodatek spieniający. Przy ścisłej kontroli parametrów pracy lasera można uzyskać wysokiej jakości, trwałe jasne znaki na ciemnych podłożach. Słaba kontrola lasera może dać znak kruchy lub o niskim kontraście, łatwy do zarysowania (niska trwałość). Rysunek 5(e), opracowany niedawno, przedstawia zarówno głęboko czarny, jak i nieprzezroczysty biały kontrast w tej samej formulacji (zatwierdzonej przez FDA). To przełomowe rozwiązanie jest idealne dla polimerów przezroczystych (amorficznych).

Po trzecie, energia lasera służy do ogrzania i degradacji jednego z barwników w mieszaninie, co powoduje zmianę koloru (rysunek 5 [d]). Przykładem jest mieszanina sadzy i stabilnego barwnika nieorganicznego. Po ogrzaniu sadza zostaje usunięta, a pozostaje barwnik nieorganiczny. Takie układy mieszanych barwników zależą od stabilności poszczególnych barwników i nie wszystkie zmiany koloru są możliwe.

Inna specjalistyczna reakcja powierzchniowa, pokazana na rysunku 5 (a), polega na wprowadzeniu dodatków laserowych do wielowarstwowej struktury laminatu w identyfikatorze ze zdjęciem. Unikalne cechy znakowania w wysokiej rozdzielczości, jawne i ukryte, oraz RFID zapewniają silne zabezpieczenie przed podrabianiem.

W porównaniu z procesami druku tuszem (tampodruk/sitodruk i druk atramentowy) dodatki laserowe pozwalają obniżyć koszty i mogą zapewnić o 20 procent i więcej większą prędkość znakowania niż w przypadku materiałów nieoptymalizowanych. Dodatki laserowe dostarczane są w postaci granulatu i proszku. Produkty granulowane można mieszać bezpośrednio z żywicą polimerową, a proszki przetwarza się na masterbatch. Większość z nich łatwo dyspergują w polimerach. W zależności od dodatku i polimeru stężenie wagowe (w gotowym elemencie) mieści się w zakresie od 0,01 do 4,0 procent.

Nanosekundowa technologia laserów iterbowych światłowodowych

Postęp w technologii laserowej odegrał kluczową rolę w szybkim rozwoju najnowszej generacji dodatków laserowych zatwierdzonych przez FDA. Pojawienie się nanosekundowych laserów iterbowych światłowodowych jest jednym z najważniejszych osiągnięć w znakowaniu, spawaniu i cięciu. Zasadniczo lasery światłowodowe różnią się od innych laserów znakujących na ciele stałym pompowanych diodowo (DPSS). W laserach światłowodowych ośrodek czynny generujący wiązkę lasera jest rozproszony w specjalnym kablu światłowodowym. W odróżnieniu od laserów z dostarczaniem wiązki światłowodem cała droga wiązki przebiega wewnątrz kabla światłowodowego aż do optyki końcowej. Ta całkowicie światłowodowa struktura w dużej mierze odpowiada za niezawodność i wytrzymałość tych laserów, co tłumaczy ich szybki wzrost.

Lasery światłowodowe zapewniają lepszą jakość wiązki (M2) i jasność niż lasery Nd:YAG. Laser o lepszej jakości wiązki można skupić w małą plamkę, co prowadzi do dużej gęstości energii. Lasery światłowodowe MOPA (master oscillator power amplifier) o stałym i zmiennym impulsie, z energią impulsu do 1 mJ i dużą gęstością mocy, mogą znakować wiele polimerów trudnych historycznie. Lasery wanadanowe również mają małą wartość M2 i krótszy czas impulsu niż lasery światłowodowe o stałym impulsie i lasery YAG. Czas trwania impulsu wpływa na stopień nagrzania i karbonizacji materiału. Krótkie impulsy, zwykle poniżej 40 ns, umożliwiają bardziej kontrolowane wprowadzanie energii podczas obróbki wrażliwych materiałów polimerowych. Impulsy te nadal mają moc szczytową wystarczającą do przekroczenia progów materiałowych, lecz mają mniejszą energię impulsu, co ogranicza lokalne uszkodzenia termiczne.

Nie wszystkie lasery światłowodowe ze sterowaniem wiązką są sobie równe. Komponenty sprzętowe i programowe stosowane przez producenta lasera mają istotny wpływ na kontrast, jakość i prędkość znakowania. Podstawowym parametrem jest gęstość mocy (W/cm) na powierzchni znakowanej – inna niż surowa moc wyjściowa lasera. Tryb wyjściowy wiązki lasera ma kluczowe znaczenie dla skuteczności znakowania. Tryby te wiążą się m.in. z rozbieżnością wiązki i rozkładem mocy na jej średnicy.

Gęstość mocy zależy od wielkości skupionej plamki lasera. Wielkość skupionej plamki dla danej ogniskowej soczewki i długości fali lasera zależy od rozbieżności wiązki, którą kontrolują konfiguracja lasera, wielkość apertury selekcjonującej mody oraz powiększenie kolimatora (poszerzacza wiązki). Częstotliwość powtarzania impulsów i szczytowa gęstość mocy są kluczowymi parametrami w formowaniu znaku oraz uzyskiwaniu optymalnego kontrastu i prędkości. Duża moc szczytowa przy niskiej częstotliwości szybko podnosi temperaturę powierzchni, odparowując materiał przy minimalnym przewodzeniu ciepła w głąb podłoża. Wraz ze wzrostem częstotliwości powtarzania mniejsza moc szczytowa powoduje minimalne odparowanie, ale przewodzi więcej ciepła.

Podsumowanie

Cyfrowy piezoelektryczny druk atramentowy DOD i technologie laserów światłowodowych oferują niezliczone zalety w zakresie personalizacji produktów. Niezawodne rozwiązania w zakresie znakowania i druku wymagają precyzyjnego zaprojektowania chemii tuszy i laserów, nauki o powierzchni polimerów, konstrukcji procesu oraz urządzeń. Firmy, które decydują się na tanie urządzenia „z półki”, często nie potrafią zintegrować niezawodnych systemów z powodu braku zrozumienia procesu. Każdy proces ma swoje zalety i potencjalne ograniczenia. Wielu producentów dostrzega już wartość oferowania obu technologii. Dodatkową korzyścią jest możliwość zadruku w pełni zmontowanych produktów na końcu procesu produkcyjnego, co pozwala obniżyć koszty i lepiej zarządzać zapasami.

The Sabreen Group oferuje kompleksowe szkolenia na miejscu z zakresu procesów łączenia adhezyjnego, plazmowej obróbki wstępnej i zaawansowanych technik produkcji. Demonstracje urządzeń do obróbki wstępnej odbywają się w siedzibie firmy, z użyciem rzeczywistych części produkcyjnych i testów w czasie rzeczywistym. Gwarantowane rezultaty.

Scott R. Sabreen jest założycielem i prezesem The Sabreen Group, Inc., firmy inżynieryjnej specjalizującej się we wtórnych procesach przetwórstwa tworzyw sztucznych – znakowaniu laserowym, druku atramentowym, obróbce wstępnej powierzchni, klejeniu, 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 www.sabreen.com albo www.plasticslasermarking.com.

Piśmiennictwo

• S. Sabreen, “Innovating inkjet technologies for plastics products,” Plastics Decorating magazine (Aug. 2013).
• M. Gailey, “Plastics additives allow inkless marking,” Photonics Spectra (Sept. 2013).
• S. Sabreen, “Fiber laser enables marking of advanced plastics,” Industrial Laser Solutions (Feb. 2013).

---