FDA onaylı katkı maddeleri hat içi plastik lazer markalamayı güçlendirir

FDA onaylı katkı maddeleri hat içi plastik lazer markalamayı güçlendirir

Yüksek hız, üstün kontrast ve maliyet tasarrufu, lazer markalama için polimerlere yeni FDA onaylı katkı maddeleri eklemenin önemli faydaları arasındadır. Kimyasal katkı maddelerindeki atılımlar, kalıplanmış ve ekstrüde ürünlerde hem “akış halinde” hem de ikincil operasyonlarda simsiyah ve açık renkli kontrast sağlar. Uygun maliyetli fiber lazerler için tasarlanan hat içi mürekkepsiz lazer markalama artık döner gravür ve tampon baskının yerini alıyor.

Ürün uygulamaları: Naylonlar, PET, polikarbonatlar, poliolefinler, PVC, stirenikler, TPU/TPE (giyilebilir ürünler için) dahil birçok şeffaf, yarı şeffaf ve opak renkli polimer, yüksek kontrastlı markalama kalitesi elde etmek için ağır metal içermeyen, FDA/EFSA (Avrupa Gıda Güvenliği Otoritesi) onaylı katkı maddeleri kullanılarak özel olarak formüle edilir. Polimerin şeffaflığı, spektral geçirgenliği ve temel fiziksel özellikleri etkilenmez. Temassız, dijital lazer markalama, pahalı yapışkanlı etiketlerin ve mürekkep-kimyasal baskı proseslerinin yerini alır. Sonuç, uygulamada maliyet etkin, çevre dostu ve üstün estetik çekiciliktir.

Kalıplanmış ve ekstrüde ürünlerde (kablo/tel, tüp ve boru gibi) “akış halinde” lazer markalama yapılır.

Temel çıkarımlar

• Markayı üç yüzey reaksiyonu oluşturur: karbonizasyon (kömürleşme), köpürme ve renklendirici renk değişimi.
• Yükleme, nihai parçada ağırlıkça yüzde 0,01–4,0 arasındadır; polimere, altlık malzeme rengine, hedef kontrasta ve sertifikasyon ihtiyaçlarına göre seçilir.
• Katkı maddeleri optimize edilmemiş formülasyonlardan yüzde 15 veya daha fazla hızlıdır ve döner gravür ile tampon baskının tamamen yerini alır.
• Bitmiş parçalarda düşük katkı maddesi içeriğinin olağan nedeni dozaj hataları değil dispersiyon sorunlarıdır; geri basıncı ve vida hızını artırın.
• 21 CFR 178.3297 A–H koşulları FDA gıda teması onayını kapsar; ISO 10993 nitelendirmesi tıbbi cihaz biyouyumluluğuna uzanır.

Poliolefin sentetik şarap mantarları ve contasız içecek kapaklarındaki kapak altı promosyonlar için markalama hızları, alfanümerik metin ve grafiklerde dakikada 2.000 parçaya kadar ulaşabilir. Markalama hızı; polimer türü, altlık malzeme rengi, lazer katkı maddesi türü ve yükleme düzeyi, kablo boyutu (ağırlık), lazer türü ve gücü, yazılım, alfanümerik karakter sayısı, metin yüksekliği, metin dizisi uzunluğu, karakterler arası boşluk, barkod/data matrix, logolar/grafikler, tek vuruşlu veya true-type dolgulu yazı tipleri, dolgu yönü ve sürekli veya tekrarlayan metin dahil birçok değişkenin fonksiyonudur. Uygun formüle edilmiş katkı maddesi-renklendirici kullanımı, markalama yüzeyindeki “güç yoğunluğunun” sınırlayıcı faktör olmamasını sağlar. Bunun yerine ışın yönlendirmeli galvanometreler azami hızda çalışır.

On-the-fly üretim markalama kabiliyetini etkileyen faktörlerin karmaşıklığı nedeniyle her uygulama titizlikle incelenmelidir. Genelleştirilebilecek kural yok denecek kadar azdır. Ancak genel amaçlar için şu naylon polimer örneğini düşünün: 50 watt fiber lazer, 254mm düz alan lensi, 2mm yüksekliğinde 100 alfanümerik karakter, 14,68 inç uzunluğunda tekrarlayan bir metin dizisi ve 0,232 saniyelik markalama süresi. Hesaplanan hız yaklaşık dakikada 315 doğrusal fittir.

Sık sorulan sorular

FDA onaylı lazer katkı maddeleriyle hangi polimerler markalanabilir?

Naylonlar, PET, polikarbonatlar, poliolefinler, PVC, stirenikler ve giyilebilir ürünler için TPU/TPE dahil şeffaf, yarı şeffaf ve opak renkli polimerler. Polimerin şeffaflığı, spektral geçirgenliği ve temel fiziksel özellikleri etkilenmez.

Bitmiş parçalarım hesaplanandan daha az katkı maddesi içeriyor. Neden?

Neredeyse her zaman bir dozaj hatasından çok, ekstrüzyon veya kalıplama sırasındaki homojen olmayan dağılımdandır. Geri basıncı ve vida dönüş hızını artırmak vakaların çoğunu çözer. Önceden kompaund edilmiş malzeme homojenlik açısından renk konsantresinden daha iyi performans gösterir ve el ile karıştırmadan tamamen kaçınılmalıdır.

Üç lazer markalama reaksiyon mekanizması nedir?

Karbonizasyon veya kömürleşme: emilen enerji polimeri ısıl olarak bozundurarak koyu markalar oluşturur. Köpürme: bir katkı maddesi bozunma sırasında buhar salarak koyu altlık malzemelerde dayanıklı açık renkli markalar oluşturur. Ve renk değişimi: lazer enerjisi bir karışımdaki tek bir renklendiriciyi bozundurur; örneğin karbon siyahını uzaklaştırarak kararlı bir inorganik renklendiriciyi geride bırakır.

Hat içi markalama pratikte ne kadar hızlı çalışabilir?

Poliolefin sentetik şarap mantarları ve contasız içecek kapaklarındaki kapak altı promosyonlar için markalama hızları dakikada 2.000 parçaya ulaşır. Uygulamalı bir naylon örneği (50 W fiber lazer, 254 mm düz alan lensi, 2 mm yüksekliğinde 100 karakter, 14,68 inçlik tekrarlayan dizi, 0,232 s markalama süresi) yaklaşık dakikada 315 doğrusal fit olarak hesaplanır.

Açık renkli köpürtülmüş markalar neden bazen silinir?

Zayıf lazer kontrolü. Köpürme mekanizması, polimerin köpürtücü katkı maddesinden daha yüksek sıcaklıkta bozunması için sıkı parametre kontrolü gerektirir. Bu olmadan marka kolay ufalanır veya düşük kontrastlıdır ve dayanıklılığı zayıftır.

Polimerik lazer markalama reaksiyon mekanizmaları

Yakın kızılötesi lazerlerle (1060-1080nm dalga boyu) kullanılacak lazer katkı maddelerinin formülasyonunda elde edilen ilerlemeler, bunların İterbiyum fiber, Vanadat ve önceki nesil Nd:YAG lazerlerle uyumluluğudur. Çoğu polimer, kimyasal katkı maddeleri olmadan yakın kızılötesi absorpsiyon özelliğine sahip değildir. Lazerle markalanabilen polimerler, lazer ışığını absorbe edip ışık enerjisinden ısıl enerjiye dönüştürenlerdir. Uzmanlar, yerel renk değişimleri için lazer enerjisinin absorpsiyonunu artırmak amacıyla katkı maddeleri, dolgular, pigmentler ve boyalar kullanır. İstenen markalama kontrastına ve işlevselliğe bağlı olarak çok farklı formülasyon kimyaları ve lazer optiği/kurulum parametreleri kullanılır.

En yaygın yüzey reaksiyon mekanizması, altlık malzemede emilen enerjinin absorpsiyon bölgesini çevreleyen malzemenin yerel sıcaklığını polimerin ısıl bozunmasına yol açacak kadar yükselttiği ısıl kimyasal “karbonizasyon” veya “kömürleşme” olarak adlandırılır. Markanın koyuluğu veya açıklığı, emilen enerjiye ve malzemenin kendine özgü ısıl bozunma yoluna bağlıdır. Lazer kurulumu optimize edildiğinde yüzey karbonizasyonu kalıntısı minimum olur.

İkinci yüzey reaksiyonu, bozunma sırasında buhar salan katkı maddeleri kullanılarak gerçekleştirilen ve polimerin köpürmesine yol açan kimyasal değişimdir. Köpürme sürecinde lazer enerjisi, köpürtücü ajanın yakınındaki bir katkı maddesi tarafından emilir. Absorbanın ürettiği ısı, köpürtücü ajanın bozunarak buhar salmasına neden olur. Lazer çalışma parametrelerinin sıkı kontrolüyle koyu altlık malzemeler üzerinde yüksek kaliteli ve dayanıklı açık renkli markalar elde edilebilir. Zayıf lazer kontrolü ise kolayca çizilebilen (düşük dayanıklılık) kolay ufalanan veya düşük kontrastlı bir marka oluşturabilir.

Üçüncüsü, bir renklendirici karışımındaki tek bir renklendiriciyi ısıtmak/bozundurmak için lazer enerjisi kullanılır ve bu bir renk değişimiyle sonuçlanır. Bunun bir örneği, karbon siyahı ile kararlı bir inorganik renklendiricinin karışımıdır. Isıtıldığında karbon siyahı uzaklaşır ve inorganik renklendirici geride kalır. Bu karışık renklendirici sistemleri belirli renklendirici kararlılıklarına bağlıdır ve her renk değişimi mümkün değildir.

Lazer katkı maddeleri

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. Düşük miktarda titanyum dioksit (TiO2) ve karbon siyahı içeren bazı renklendirici bileşikler de lazer ışığını absorbe edebilir ve bazı durumlarda markalama kontrastını iyileştirebilir. Aynı polimer ailesi içinde bile her polimer kalitesi farklı sonuçlar verebilir. Katkı maddesi formülasyonları toksik olamaz ve ürünlerin görünümünü veya fiziksel ya da işlevsel özelliklerini olumsuz etkileyemez.

Mürekkep baskı proseslerine (tampon/serigrafi baskı ve mürekkep püskürtme) kıyasla lazer katkı maddeleri maliyet tasarrufu sağlar ve optimize edilmemiş malzeme formülasyonlarına göre yüzde 15 (veya daha fazla) daha hızlı markalama hızları gösterir. Lazer katkı maddeleri pelet granül ve toz formunda tedarik edilir. Granül ürünler doğrudan polimer reçineyle harmanlanabilir; toz formlar ise masterbatch'e dönüştürülür. Çoğu polimerlerde kolayca dağılır. Katkı maddesine ve polimere bağlı olarak (nihai parçadaki) ağırlıkça yükleme konsantrasyonu düzeyi yüzde 0,01 ile 4,0 arasında değişir.

Hem granül hem de toz form, önceden kompaund edilmiş renk malzemesine veya renk konsantresine harmanlanabilir. Hangi katkı maddesinin ekleneceğinin seçimi; polimer bileşimine, altlık malzeme rengine, istenen markalama kontrastı rengine ve nihai kullanım sertifikasyon gereksinimlerine bağlıdır. Bazı katkı maddeleri, doğal (renklendirilmemiş) altlık malzeme opaklığına “grimsi” bir ton verebilen antimon katkılı kalay oksit ve antimon trioksit karışımları içerir. Diğer katkı maddeleri alüminyum parçacıkları, karışık metal oksitler ve tescilli bileşikler içerebilir. Nihai renk eşleşmesi görünümünü elde etmek için pigmentler ve boyalar kullanılarak renk ayarlamaları yapılır. Ticari olarak tedarik edilen belirli katkı maddeleri (lazer kaynağında da kullanılan), 21 CFR 178.3297 Polimerler için renklendirici standardının A-H koşulları uyarınca gıda teması ve gıda ambalajı kullanımı için FDA onayı almıştır. Avrupa Birliği için benzer uyumluluk beyanları mevcuttur. Sertifikasyon koşulları polimer türüne, yükleme düzeyi eşiğine ve doğrudan veya dolaylı temasa özgüdür. “Nihai parçaya” harmanlanmış FDA onaylı katkı maddelerinin daha ileri nitelendirilmesi, tıbbi cihazların biyouyumluluğunu sağlayabilir (bkz. Uluslararası Standart ISO-10993).

İşleme hususları

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.

Lazer teknolojisi

Lazer teknolojisindeki ilerlemeler, en yeni nesil FDA onaylı lazer katkı maddelerinin hızlı gelişiminde belirleyici olmuştur. Nanosaniye İterbiyum 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, Nd:YAG lazerlere kıyasla üstün ışın kalitesi ve parlaklığı sağlar. Işın kalitesinin ölçütlerinden biri 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 (MOPA) fiber lazerler, 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. Daha kısa darbe genişliği, hassas polimerik uygulamalarda avantajlı olabilir.

Yüksek performanslı fiber lazerlerin önde gelen geliştiricisi ve üreticisi IPG Photonics, hem sabit darbeli (bazen “Q-anahtarlamalı” olarak anılır) hem de değişken kısa darbeli (MOPA) lazerler sunar. Uygulama geliştirme son derece özgüdür. Hangi lazer türünün entegre edileceğinin seçimi, lazerin çıkış özelliklerinin optimize edilmiş polimer malzemeyle etkileşimine göre belirlenir. Sabit ve Değişken (MOPA) Darbe Uzunluklu İterbiyum Fiber Lazerlerin Zamansal Darbe Şekillerini gösteren aşağıdaki grafiklere bakın – IPG Photonics.

Markalama için sabit darbe uzunluklu bir fiber lazer kurulurken iki girdi ayarlanmalıdır.

• Darbe tekrarlama hızı (çoğunlukla darbe frekansı olarak anılır)
• Yüzde olarak pompa gücü (yüzde 100, pompa diyotlarına verilebilecek azami elektriksel girdiyi ifade eder)

Markalama için değişken kısa darbeli bir MOPA fiber lazer kurulurken üç girdi ayarlanır.

• Darbe süresi (çoğunlukla darbe uzunluğu olarak anılır)
• Darbe tekrarlama hızı (darbe frekansı)
• Yüzde olarak pompa gücü (yüzde 100, pompa diyotlarına verilebilecek azami elektriksel girdiyi ifade eder)

Önceki sayfadaki her iki grafik için de parametre girdilerinin belirli kombinasyonu, lazer ışınının çıkış özelliklerini kontrol eder; yani darbe enerjisini, tepe gücü (darbe enerjisinin en yüksek anlık tepesi, J/darbe süresi) ve ortalama gücü (watt cinsinden ortalama güç = joule cinsinden darbe enerjisi × Hz cinsinden darbe tekrarlama hızı).

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 FDA onaylı lazer katkı maddeleri, üstün markalama kontrastı, çizgi kenar detayı ve hız sağlar. Hat içi, akış halinde lazer markalama artık döner gravür ve tampon baskının yerini alıyor. Uygun maliyetli fiber lazer teknolojisindeki ilerlemeler belirleyici olmuştur. Bu faydalar, ilave malzeme katkı maddesi maliyetini hızla dengeler. Plastik lazer markalama için optimize edilmiş malzeme bilimi kimyası; polimerler, renklendiriciler, pigmentler ve boyalar (çözünürlük, tanecik boyutları, eşik konsantrasyon sınırları, renk eşleşmesi) ve mevzuat sertifikaları (GRAS, FDA doğrudan/dolaylı gıda teması) konusunda uzmanlık gerektirir. Tüm lazerler eşit değildir.

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.
• 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.

---