Znakowanie laserowe na zimno

Znakowanie laserowe na zimno

Najważniejsze informacje

• Pod tą nazwą kryją się dwie odrębne drogi: fotochemiczne znakowanie ultrafioletem oraz atermiczna ablacja impulsami ultrakrótkimi.
• W przypadku tworzyw sztucznych główną drogą jest UV 355 nm, które rozrywa wiązania polimeru bezpośrednio, zamiast nagrzewać materiał.
• Rozdzielczość rzędu mikrometrów bez zwęglenia, przebarwień i sadzy.
• Niezbędne tam, gdzie ciepło jest niedopuszczalne — implanty medyczne, płytki PCB, cienkie folie i precyzyjne tworzywa.

Znakowanie laserowe na zimno

Znakowanie laserowe na zimno wykorzystuje krótkofalowe światło ultrafioletowe — zwykle 355 nm — do znakowania polimeru przez bezpośrednie zrywanie wiązań chemicznych, a nie przez ogrzewanie materiału do momentu jego degradacji. Proces ten często nazywa się znakowaniem atermicznym lub fotochemicznym. Nie jest on dosłownie zimny, ale strefa wpływu ciepła jest na tyle mała, że części wrażliwe termicznie można znakować bez topienia, zwęglania i odkształceń.

Podstawy fizyczne

Energia fotonu rośnie wraz ze spadkiem długości fali. Foton podczerwieni 1064 nm niesie około 1,2 eV — zdecydowanie za mało, by zerwać wiązanie kowalencyjne, więc jego energia po prostu zamienia się w ciepło. Foton ultrafioletu 355 nm niesie około 3,5 eV, co jest porównywalne z energią dysocjacji wiązania węgiel–węgiel w łańcuchu głównym polimeru.

Przy takiej energii zaabsorbowany foton może wprost przeciąć łańcuch polimeru. Materiał jest usuwany lub zmieniany przez fotolityczne zrywanie wiązań, przy jedynie niewielkim udziale składnika termicznego. Wynikają z tego dwie konsekwencje i to one są całym powodem istnienia tej techniki:

• Bardzo mała strefa wpływu ciepła, a więc brak stopionego brzegu, zwęglonej aureoli, spękań i odkształceń wymiarowych.
• Silna absorpcja w większości polimerów. Niemal wszystkie polimery organiczne dobrze pochłaniają UV, nawet te, które są praktycznie przezroczyste dla 1064 nm. Oznacza to oznaczenia o wysokim kontraście na żywicach naturalnych, przezroczystych i jasnych bez wprowadzania dodatku laserowego do kompozycji.

Znakowanie na zimno a znakowanie podczerwienią

Gdzie się je określa

• Wyroby medyczne — oznaczenia UDI, które muszą przetrwać sterylizację w autoklawie, promieniowaniem gamma lub tlenkiem etylenu bez naruszania podłoża i bez dodatku, który komplikowałby zatwierdzenie pod kątem biokompatybilności.
• Elementy cienkościenne i foliowe, w których znakowanie podczerwienią odkształciłoby lub przebiło element.
• Polimery przezroczyste i jasne, w których znakowanie podczerwienią daje niewielki kontrast lub nie daje go wcale — zob. znakowanie laserowe przezroczystych tworzyw sztucznych.
• Drobne kody i mikroznakowanie, w których wąska strefa wpływu ciepła zachowuje definicję komórek, od której zależy wizja maszynowa.
• Zastosowania bez dodatków, w których wymogi regulacyjne, kontaktu z żywnością lub optyczne wykluczają wprowadzanie absorbera do kompozycji.

Źródłem jest zwykle potrojony częstotliwościowo laser wanadanowy (Nd:YVO4). Wobec jego zalet należy rozważyć wyższy koszt inwestycyjny, mniejszą wydajność i skończoną żywotność optyki konwersji częstotliwości. W przypadku pigmentowanych i wypełnionych żywic inżynierskich, które już dobrze znakują się termicznie, bardziej ekonomicznym rozwiązaniem pozostaje laser światłowodowy — porównanie omówiono w artykule znakowanie laserem UV a znakowanie laserem światłowodowym.

Dwie drogi do oznaczenia na zimno

Termin obejmuje dwie różne technologie, a ich mylenie prowadzi do określania drogiej maszyny do zadania, które tańsza wykonuje dobrze. Obie unikają oznaczenia termicznego, ale robią to na podstawie odmiennej fizyki:

W zdecydowanej większości prac na polimerach właściwą odpowiedzią jest droga ultrafioletowa. System o ultrakrótkich impulsach uzasadnia konkretne wymaganie — cecha submikrometrowa, folia wielowarstwowa, w której jedna warstwa musi być oznaczona bez naruszenia następnej, lub element optyczny, w którym jakiekolwiek uszkodzenie podpowierzchniowe dyskwalifikuje.

Kwalifikacja oznaczenia na zimno na wyrobie medycznym

Znakowanie na zimno jest określane dla wyrobów medycznych częściej niż w jakiejkolwiek innej branży, ponieważ zapewnia trwały niepowtarzalny identyfikator wyrobu bez dodatku, który na nowo otwierałby kwestię biokompatybilności. Umieszcza to oznaczenie w dokumentacji głównej wyrobu, więc kwalifikacja musi być udokumentowana, a nie tylko udana:

• Znakować na docelowym materiale wyrobu, w jego końcowej barwie i z udziałem regranulatu, z jakim faktycznie będzie pracować produkcja. Kwalifikacja na naturalnej płytce niewiele mówi o pigmentowanej wypresce.
• Oceniać klasę kodu, a nie oglądać go. Niepowtarzalne identyfikatory wyrobów są odczytywane maszynowo, więc kryterium akceptacji należy formułować w kategoriach ISO/IEC 15415 dla symbolu dwuwymiarowego. Minimalną klasę, aperturę i oświetlenie należy ustalić w metodzie kontroli, a nie tylko w instrukcji dla operatora.
• Ponownie oceniać klasę po sterylizacji. Autoklaw parowy, promieniowanie gamma i tlenek etylenu wpływają na powierzchnie polimerów w różny sposób. Klasę symbolu należy oceniać po pełnej zwalidowanej liczbie cykli, a nie po jednym przejściu.
• Potwierdzić brak uszkodzeń podpowierzchniowych. Wykonać przekroje i zbadać próbki pod kątem spękań lub zmętnienia pod oznaczeniem, zwłaszcza na poliwęglanie i akrylu, gdzie uszkodzenie może nie być widoczne z powierzchni.
• Ograniczyć wyzwalacze rekwalifikacji. Zmianę partii żywicy, zmianę barwnika, dryf mocy źródła i wymianę optyki należy wskazać jako zdarzenia wymagające ponownej oceny klasy oznaczenia.

Usuwanie problemów z oznaczeniami na zimno

Powiązane terminy i lektury

• Znakowanie laserem UV a znakowanie laserem światłowodowym
• Laser wanadanowy
• Produkcja farmaceutyczna i medyczna
• Rozwiązania w zakresie znakowania laserowego tworzyw sztucznych
• Przyspieszone starzenie

Zastosowanie w produkcji

The Sabreen Group zapewnia niezależne wsparcie inżynieryjne w zakresie kwalifikacji znakowania UV na zimno elementów medycznych, optycznych i wrażliwych na ciepło. Jeśli określają Państwo proces, kwalifikują materiał lub usuwają problem produkcyjny, pomoże zespół naszych usług inżynieryjnych. Prosimy o kontakt, aby omówić Państwa zastosowanie.

Najczęściej zadawane pytania

Dlaczego znakowanie laserowe na zimno jest „zimne”?

Ponieważ oznaczenie powstaje bez istotnego ciepła. Osiągają to dwa różne mechanizmy. Znakowanie ultrafioletem 355 nm niesie wystarczającą energię fotonu, by zrywać wiązania polimeru bezpośrednio, więc zmiana ma charakter fotochemiczny, a nie termiczny. Znakowanie impulsami ultrakrótkimi, z użyciem źródeł pikosekundowych lub femtosekundowych, dostarcza energię szybciej, niż ciepło zdąży odpłynąć ze strefy oddziaływania. Żadne z nich nie jest dosłownie zimne, ale w obu strefa wpływu ciepła jest na tyle mała, że części wrażliwe termicznie pozostają nienaruszone poza zamierzonym elementem.

Czy znakowanie laserowe na zimno jest lepsze niż tradycyjne znakowanie laserowe?

To zależy od zastosowania. Znakowanie laserowe na zimno jest lepsze przy delikatnych, wrażliwych na ciepło lub mikroskalowych częściach, gdzie uszkodzenia termiczne byłyby niedopuszczalne. W ogólnym znakowaniu produkcyjnym na wytrzymałych podłożach konwencjonalne znakowanie termiczne jest szybsze i znacznie bardziej ekonomiczne.

Jakich laserów używa się do znakowania na zimno?

W przypadku tworzyw sztucznych zdecydowanie potrojonego częstotliwościowo źródła wanadanowego 355 nm — jest to droga ekonomiczna i znakuje większość polimerów bez dodatku. Źródła pikosekundowe i femtosekundowe również dają oznaczenia na zimno, wyprzedzając dyfuzję ciepła zamiast działać fotochemicznie, i są określane tam, gdzie nawet niewielka strefa wpływu ciepła UV jest zbyt duża lub gdzie podłoże nie pochłania użytecznie ultrafioletu. Kosztują znacznie więcej.

Czy znakowanie laserowe na zimno można stosować na tworzywach sztucznych?

Tak, i szczególnie nadaje się do tworzyw skłonnych do topienia lub przebarwień pod wpływem ciepła. Daje ostre oznaczenia o wysokim kontraście na materiałach takich jak poliimid, poliwęglan i ABS, które są wrażliwe na dostarczanie ciepła.

Czy znakowanie laserowe na zimno jest trwałe?

Tak. Wykonane oznaczenia są trwałe i odporne na ścieranie oraz nie ulegają wpływowi wilgoci, chemikaliów ani promieniowania UV, ponieważ zmiana zachodzi w samym materiale, a nie jest nałożona na jego powierzchnię.

Czy znakowanie na zimno to to samo co znakowanie impulsami ultrakrótkimi?

Niezupełnie — znakowanie impulsami ultrakrótkimi to jedna z dwóch dróg dających oznaczenie na zimno. W przypadku tworzyw sztucznych częstszą drogą jest znakowanie ultrafioletem 355 nm, które unika ciepła przez fotochemiczne zrywanie wiązań, a nie przez wyprzedzanie dyfuzji ciepła. Systemy pikosekundowe i femtosekundowe dają podobny rezultat przy znacznie wyższym koszcie i są określane wtedy, gdy zastosowanie naprawdę ich wymaga.

Czy znakowanie na zimno eliminuje potrzebę dodatku laserowego?

Często, ale nie zawsze. Większość polimerów pochłania ultrafiolet znacznie silniej niż 1064 nm, dlatego przezroczyste i jasne żywice, które nie znakują się laserem światłowodowym, łatwo znakują się ultrafioletem. Kontrast na naturalnych poliolefinach jest nadal umiarkowany, więc tam, gdzie wymagany jest kod o wysokim kontraście, dodatek może być nadal potrzebny. Należy przebadać rzeczywisty gatunek produkcyjny, a nie zakładać.

Jak kwalifikuje się oznaczenie na zimno dla UDI wyrobu medycznego?

Klasę symbolu należy oceniać wg ISO/IEC 15415, a nie oglądać wizualnie, znakować na docelowym materiale wyrobu w barwie produkcyjnej i ponownie oceniać po pełnej zwalidowanej liczbie cykli sterylizacji. Zmianę partii żywicy, zmianę barwnika, dryf mocy źródła i wymianę optyki należy wskazać jako wyzwalacze rekwalifikacji, ponieważ wszystkie cztery zmieniają kontrast oznaczenia bez uruchomienia jakiegokolwiek alarmu.

---