Çığır açan katkı maddeleri plastik lazer markalamayı geliştirir: üstün kontrast, çizgi kenar detayı ve hız

Çığır açan katkı maddeleri plastik lazer markalamayı geliştirir: üstün kontrast, çizgi kenar detayı ve hız

Polimerlere formüle edilen en yeni nesil lazer markalama katkı maddeleri, hem fayda sağladığı hem de maliyet tasarrufu getirdiği kanıtlanmış, teknolojide önemli bir ilerlemedir. İleri malzeme bilimi formülasyonları, geleneksel olarak lazerle markalanması zor, hatta imkânsız olan plastiklerde üstün markalama kontrastı, çizgi kenar detayı ve hız elde eder. Uygun maliyetli fiber, vanadat ve YAG lazerler için tasarlanan bu formülasyonlar, 1060-1070 nm yakın kızılötesi spektrumda çalışır. Bu makale, “ısıl kimyasal yüzey karbonizasyonu” için tasarlanmış koyu renkli ve açık renkli lazer markalama kontrastı uygulamalarını ele alır. Bu, en yaygın polimerik yüzey reaksiyonudur ve “köpürme” ile “renk” değişimi mekanizmalarından belirgin biçimde farklı bir kimyasal yoldur.

PVC, polikarbonat ve poliolefinler dahil şeffaf ve yarı şeffaf polimerler artık ağır metal içermeyen, FDA onaylı katkı maddeleri kullanılarak özel olarak formüle ediliyor. Polimerin şeffaflığı ve spektral geçirgenlik özellikleri etkilenmez. Bu atılım, ekstrüde tüp/boru ürünlerinde “akış halinde” ve ikincil operasyonlarda minimum yüzey karbonizasyonu kalıntısıyla simsiyah lazer markalama kontrastı sağlar. Hat içi mürekkepsiz lazer markalama artık döner gravür ve tampon baskının yerini alıyor. (Bkz. Fotoğraf A.)

Temel çıkarımlar

• Uygun maliyetli fiber, vanadat ve YAG lazerleri kapsayan 1060–1070 nm yakın kızılötesi bant için tasarlanmıştır.
• Isıl kimyasal yüzey karbonizasyonu, en yaygın polimerik yüzey reaksiyonudur ve bu formülasyonların odağıdır.
• Hiçbir tek katkı maddesi tüm markalama sorunlarını çözmez; kimya ve lazer kurulumu hedef kontrasta göre değişir.
• Yükleme, nihai parçada ağırlıkça yüzde 0,01 ile 4,0 arasındadır; renk pigmentler ve boyalarla ayarlanır.
• Yüzde 0,01 ile 2,0 kadar düşük konsantrasyonlarda, optimize edilmemiş malzemelere kıyasla yüzde 25'e varan daha hızlı markalama.

Sık sorulan sorular

Optimum formüle edilmiş katkı maddeleri markalamayı ne kadar hızlandırabilir?

Bağımsız çalışmalar, yaklaşık yüzde 0,01 ile 2,0 gibi çok düşük konsantrasyonlarda elde edilen, çoğu zaman optimize edilmemiş malzemeye göre yüzde 25 veya daha hızlı, istatistiksel olarak anlamlı kazanımlar göstermektedir. Markalama süresi doğrudan bir çevrim süresi maliyeti olduğundan, bu durum ilave katkı maddesi fiyatını hızla dengeler.

Bir markanın uygulanma süresini ne belirler?

Polimerik altlık malzeme, çizilen vektör çizgilerinin sayısı ve ışının ve galvanometre tarama başlığının bu çizgileri ne kadar hızlı çizdiği. Lazer yazılımı ile vektör dolgu türü (tek yönlü, çift yönlü veya yılankavi) de markalama süresini etkiler.

Katkı maddesi eklendikten sonra doğal altlık malzeme neden bazen gri görünür?

Bazı katkı maddeleri, antimon katkılı kalay oksit ile antimon trioksit karışımları içerir; bunlar doğal renklendirilmemiş altlık malzeme opaklığına grimsi bir ton verir. Pigmentler ve boyalarla yapılan renk ayarları, parçayı hedef renk eşleşmesine geri getirir.

Katkı maddeleri pelet olarak mı, toz olarak mı tedarik edilir?

İkisi de. Granül ürünler doğrudan polimer reçineyle harmanlanır; toz formlar ise masterbatch'e dönüştürülür. Her ikisi de önceden kompaund edilmiş malzeme veya renk konsantresi olarak tedarik edilebilir.

Bir lazer markalama formülasyonu aslında hangi uzmanlığı gerektirir?

Polimerler ve her ailedeki özellik kaliteleri bilgisi; ayrıca çözünürlük, tanecik boyutu, eşik konsantrasyon sınırları, renk eşleştirme ve GRAS ile FDA doğrudan ve dolaylı gıda teması dahil mevzuat sertifikaları açısından renklendiriciler, pigmentler ve boyalar konusunda bilgi.

Polimerik lazer markalama reaksiyon mekanizması

Lazerle markalanabilen polimerler, lazer ışığını absorbe edip ışık enerjisinden ısıl enerjiye dönüştürenlerdir. Çoğu polimer 1060-1070nm'de absorpsiyon özelliğine sahip olmadığından uzmanlar, yerel renk değişimleri için lazer enerjisinin absorpsiyonunu artıran katkı maddeleri, dolgular, pigmentler ve boyalar kullanır. Yüksek kontrastlı ve renkli lazer markalamayı elde etmeye yönelik malzeme bilimi kimyası hem sanat hem bilimdir. Yaygın inanışın aksine, tüm markalama sorunlarını çözen tek bir lazer katkı maddesi yoktur. İstenen markalama kontrastına ve işlevselliğe bağlı olarak çok farklı formülasyon kimyaları ve lazer optiği/kurulum parametreleri kullanılır.

En yaygın yüzey reaksiyon mekanizması, ısıl kimyasal “karbonizasyon” veya “kömürleşme” olarak adlandırılır (Bkz. Fotoğraf B.). Burada altlık malzemede emilen enerji, absorpsiyon bölgesini çevreleyen malzemenin yerel sıcaklığını polimerin ısıl bozunmasına yol açacak kadar yükseltir. Bu, oksijen varlığında polimerin yanmasına yol açabilse de altlık malzemenin iç kısmındaki sınırlı oksijen temini, polimerin kömürleşerek siyah veya koyu bir markalama kontrastı oluşturmasına neden olur. Markanın koyuluğu veya açıklığı, emilen enerjiye ve malzemenin kendine özgü ısıl bozunma yoluna bağlıdır.

Lazer katkı maddeleri kontrast derecesini iyileştirir; bu da lazer kurulum parametreleri değiştirilerek daha da güçlendirilebilir. Polimerler doğal olarak “koyu renkli” veya “açık renkli” markalama kontrastı verme özelliklerine sahiptir. (Bkz. Fotoğraf B.) Aynı polimer ailesi içinde bile her polimer renklendirici kalitesi farklı sonuçlar verebilir. Düşük miktarda TiO2, karbon siyahı ve karışık metal oksitler içeren renklendirici bileşikler de lazer ışığını absorbe eder ve bazı durumlarda markalama kontrastını iyileştirir.

Birincil işleme, lazer katkı maddeleri ve renk eşleştirme

Piyasada bulunan lazer katkı maddeleri granül ve toz formunda tedarik edilir. Granül ürünler doğrudan polimer reçineyle harmanlanabilir; toz formlar ise masterbatch'e dönüştürülür.

Bu katkı maddelerinin bir kısmı, doğal (renklendirilmemiş) altlık malzeme opaklığına “grimsi” bir ton veren antimon katkılı kalay oksit ve/veya antimon trioksit karışımları içerir. Nihai renk eşleşmesi görünümünü elde etmek için pigmentler ve boyalar kullanılarak renk ayarlamaları yapılır. Belirli katkı maddesine ve polimere bağlı olarak (nihai parçadaki) ağırlıkça yükleme konsantrasyonu düzeyi yüzde 0,01 ile 4,0 arasında değişebilir. Hem granül hem toz form, önceden kompaund edilmiş renk malzemesi veya renk konsantresi olarak tedarik edilebilir.

Lazer katkı maddesi yükleme/renk eşleştirme kimyası sırasında bitmiş ürünün hesaplanan miktardan daha az lazer katkı maddesi içermesi nadir değildir. Bu sorun neredeyse her zaman ekstrüzyon veya kalıplama sırasındaki homojen olmayan dağılımla ilgilidir. Kalıplama makinesinde geri basıncı ve vida dönüş hızını artırmak gibi basit ayarlamalar sorunların çoğunu çözer. Lazer katkı maddelerinin her parça boyunca homojen dağılımı/dispersiyonu, en iyi markalama performansını elde etmek için kritiktir. Ekstrüzyon, enjeksiyon kalıplama ve termoform işlemlerinde, önceden renklendirilmiş kompaund malzemeler renk konsantresine kıyasla daha iyi homojenlik sağlar. El ile karıştırmadan kaçınılmalıdır. Kalıp akışı ile yolluk türü/konumu önemli faktörlerdir.

Daha hızlı markalama hızları = maliyet tasarrufu

Bir parçayı markalamak için gereken süre; polimerik altlık malzemenin, çizilen vektör çizgilerinin sayısının ve lazer ışını/galvanometre tarama başlığının tüm çizgileri ne kadar hızlı çizdiğinin bir fonksiyonudur. Lazer yazılımı ve vektör dolgu türü (tek yönlü, çift yönlü veya yılankavi) de markalama süresini etkiler.

Yeni bağımsız çalışmalar, genellikle yüzde 0,01 ile 2,0 gibi çok düşük konsantrasyon düzeylerinde lazer katkı maddesi formülasyonları eklenerek istatistiksel olarak anlamlı ölçüde daha hızlı markalama hızlarına ulaşılabildiğini göstermektedir. Optimum formüle edilmiş lazer katkı maddeleri maliyet tasarrufu sağlar ve optimize edilmemiş malzeme formülasyonlarına göre çoğu zaman yüzde 25 ve daha hızlı markalama hızları sunar. Hız ve kalitedeki bu artış, ilave malzeme katkı maddesi maliyetini fazlasıyla dengeler.

Lazer Katkı Maddelerinin Bilimi (34. sayfadaki Şekil 1), 28mm contasız içecek kapaklarında kullanılan iki yüksek yoğunluklu polietilen için bir termogravimetrik analiz (TGA) grafiğini göstermektedir. İki polimer, lazer markayı oluşturan süreç olan ısıl bozunma için farklı sıcaklıklar sergiler. Yüksek sıcaklıklı polimer, aynı marka görünümüne ulaşmak için daha fazla lazer enerjisi, daha düşük markalama hızı veya daha fazla absorplayan katkı maddesi gerektirir.

Lazer katkı maddeleri olmadan, bilinen bazı endüstriyel ürünler maliyet etkin biçimde üretilemezdi. İlginç bir uygulama, contasız içecek kapaklarında kapak altı promosyonları için “akış halinde” lazer markalamadır. Anahtar teslim sistemler, dakikada 1.500 – 2.000 kapak hızlarına kadar benzersiz grafikler ve alfanümerik metin markalayabilir. (Bkz. Fotoğraf B.)

Lazer teknolojisi

Lazer teknolojisindeki ilerlemeler, en yeni nesil lazer katkı maddelerinin hızlı gelişiminde belirleyici olmuştur. Nanosaniye fiber lazerlerin ortaya çıkışı, markalama, kaynak ve kesme alanındaki en önemli ilerlemelerden biridir. Temelde fiber lazerler, diğer katı hal markalama lazerlerinden farklıdır. Fiber lazerlerde lazer ışınını üreten aktif ortam, özel bir fiber optik kablonun içine dağılmıştır. Fiberle iletilen lazerlerin aksine ışının tüm yolu, ışın iletim optiklerine kadar fiber optik kablonun içindedir.

Fiber lazerler üstün ışın kalitesi ve parlaklığı sağlar. Işın kalitesinin ölçütü M2'dir. M2 değeri ne kadar küçükse ışın kalitesi o kadar iyidir; M2 = 1 ideal Gauss lazer ışınıdır. Üstün ışın kalitesine sahip bir lazer küçük bir nokta boyutuna odaklanabilir; bu da yüksek enerji yoğunluğuna yol açar. 1 mJ'ye kadar darbe enerjisine ve yüksek güç yoğunluğuna sahip sabit ve değişken darbeli fiber lazerler, naylonlar, üretanlar ve asetaller dahil tarihsel olarak zor birçok polimeri markalayabilir. Vanadat lazerler de sabit fiber ve YAG lazerlerden daha kısa darbe genişliğiyle küçük bir M2 değerine sahiptir. Darbe süresi, malzemeye giren ısı ve karbonizasyon derecesini etkiler. Kısa darbe genişliği, hassas polimerik uygulamalarda avantajlı olabilir.

Tüm ışın yönlendirmeli fiber, vanadat ve YAG lazerler eşit değildir. Bir lazer üreticisinin sistemlerine dahil ettiği donanım ve yazılım bileşenleri; markalama kontrastı, kalitesi ve hızında önemli fark yaratır. Temel özellik, markalanan yüzeydeki güç yoğunluğudur (watt/cm²) (bu, lazerin ham çıkış gücünden farklıdır). Lazer ışınının çıkış modu, markalama performansı için kritiktir. Bu çıkış modları, ışın ıraksaması ve lazer ışınının çapı boyunca güç dağılımı gibi faktörlerle ilişkilidir.

Güç yoğunluğu, odaklanmış lazer nokta boyutunun bir fonksiyonudur. Belirli bir odak uzaklığındaki lens ve lazer dalga boyu için odaklanmış lazer nokta boyutu, lazer konfigürasyonu, mod seçici diyafram boyutu ve genişletici (ışın genişletici) büyütmesi tarafından kontrol edilen lazer ışını ıraksamasının bir fonksiyonudur.

Darbe tekrarlama hızı ve tepe güç yoğunluğu, markanın oluşturulmasında ve en uygun kontrast ile hızın elde edilmesinde kritik parametrelerdir. Güç ile darbe tekrarlama hızının aritmetik eğrileri ters orantılıdır. Düşük frekansta yüksek tepe gücü, altlık malzemeye minimum ısı ileterek malzemeyi buharlaştırırken yüzey sıcaklığını hızla artırır. Darbe tekrarlaması arttıkça daha düşük tepe gücü minimum buharlaşma sağlar ancak daha fazla ısı iletir. Markalama kontrastını ve kalitesini etkileyen diğer katkıda bulunan faktörler ise elbette ışın hızı ve vektör çizgi aralığı mesafesidir.

Sonuç

Polimerlere katılan en yeni nesil lazer markalama katkı maddeleri, üstün markalama kontrastı, çizgi kenar detayı ve hız sağlar. Hat içi mürekkepsiz lazer markalama artık döner gravür ve tampon baskının yerini alıyor. Bu faydalar, ilave malzeme katkı maddesi maliyetini hızla dengeler. Plastik lazer markalama için en uygun malzeme bilimi kimyası formülasyonunu elde etmek; polimerler, polimer aileleri içindeki özellik kaliteleri, renklendiriciler, pigmentler ve boyalar (çözünürlük, tanecik boyutları, eşik konsantrasyon sınırları, renk eşleşmesi) ve mevzuat sertifikaları (GRAS, FDA doğrudan/dolaylı gıda teması) konusunda uzmanlık gerektirir. Malzeme bilimi çözümleri maliyet etkin, kullanımı kolay olmalı ve polimerin fiziksel ve kimyasal özellikleri üzerinde zararlı bir etkisi bulunmamalıdır.

Teşekkürler

• Dr. Tony Hoult, IPG Photonics, “Laser Marking with Fiber Lasers”, Industrial Laser Solutions, Eylül 2012.
• BASF Corporation Mark-it™ Laser Marking Pigment Technical Bulletin 2002, The Sabreen Group, Inc.'in teknik içerik katkılarıyla. Lasers&Optronics, Temmuz 1997.
• Bruce Mulholland (Hoechst Technical Polymers) ve Scott Sabreen (The Sabreen Group, Inc.), “Enlightened Laser Marking”, Lasers&Optronics, Temmuz 1997.
• Daniel S. Burgess, Scott R. Sabreen ve Carl Baasel Lasertechnik GmbH, Özel Makale, “Laser Marking: A Clean Economical Packaging Solution”, Photonics Spectra, Kasım 2001.

Scott R. Sabreen, plastik ikincil işleme prosesleri (lazer markalama, yüzey ön işlemleri, yapıştırma, dekorasyon ve yüzey işleme ile ürün güvenliği) alanında uzmanlaşmış bir mühendislik şirketi olan The Sabreen Group, Inc.'in kurucusu ve başkanıdır. Sabreen, 30 yılı aşkın süredir öncü teknolojiler geliştirmekte ve imalat sorunlarını çözmektedir. Kendisine 972.820.6777 numaralı telefondan veya www.sabreen.com ya da www.plasticslasermarking.com adreslerini ziyaret ederek ulaşabilirsiniz.

---