Naylon (poliamit) plastiklerde fiber lazer markalama

Naylon (poliamit) plastiklerde fiber lazer markalama

Geniş endüstriyel uygulama yelpazesi nedeniyle naylon (poliamit) plastik ürünlerde yüksek kontrastlı lazer markalamaya yönelik talep hızla artıyor. İşlevsel ve dekoratif markalamalar arasında alfanümerik tanımlama, data matrix/QR görüntü kodları, diyagramlar ve mikro yapılar yer alır.

Polifitalamidler (PPA) dahil poliamidler; çeşitli malzeme özellikleri, kalıplama koşulları ve lazer konfigürasyonları nedeniyle lazerle markalanması en zor polimerler arasındadır. Yakın kızılötesi lazerler için akıllı katkı maddeleri, malzeme özelliklerini etkilemeden markalama kontrastı sorunlarını çözer ve markalama hızını (daha kısa çevrim süresi) artırır.

Bu makale, yüksek kontrastlı renk ve ekonomik lazer markalama operasyonları elde etmek için naylonlar, kimyasal katkı maddeleri ve fiber lazerler hakkında bir anlayış sunar.

Temel çıkarımlar

• PPA dahil poliamidler; çeşitli özellikleri, kalıplama koşulları ve lazer konfigürasyonları göz önüne alındığında markalanması en zor polimerler arasındadır.
• Kontrast yalnızca renk değişimi değildir; ince çizgi çözünürlüğü ve keskinliğin yanında değişken ışık kırınımı da katkıda bulunur.
• Altlık malzeme rengi başlı başına bir değişkendir; çünkü karbon siyahı, TiO2 ve alev geciktiriciler lazer ışığını farklı şekilde absorbe eder.
• Fiber lazerler 20 mikronun altına odaklanır; bu da ince naylon markalamanın gerektirdiği yüksek enerji yoğunluğunu sağlar.
• 20–50 ns'de MOPA, çoğu polimerde üstün kontrast rengi için etkili aralıktır.

Markalama kalitesini tanımlamak için temel bir parametre, markalanan yüzey ile altlık malzeme arasındaki renk kontrastıdır. İterbiyum fiber, Vanadat (Nd:YVO4) ve Nd:YAG dahil NIR lazerler kullanılarak renk değişimi için üç yüzey mekanizması vardır: 1) karbonizasyonla siyah markalama, 2) köpük oluşumuyla beyaz markalama ve 3) pigmentli polimerlerin lazerle tetiklenen ısıl kimyasal reaksiyonlarıyla renk değişimleri¹. En çok talep edilen kontrast renkleri arasında siyah üzerine opak beyaz, beyaz üzerine simsiyah ve orta mavi üzerine opak beyaz yer alır. Bu renk kombinasyonları çoğu zaman kimyasal katkı maddeleri gerektirir. Katkı maddeleri renk kontrastı derecesini (lazer ışığının absorpsiyonunu) iyileştirir; bu da uygun lazer seçimi ve markalama parametreleriyle daha da güçlendirilir.

Sık sorulan sorular

Naylonu lazerle markalamayı zorlaştıran nedir?

Polifitalamidler dahil poliamidler; çeşitli malzeme özelliklerine, kalıplama koşullarına ve lazer konfigürasyonlarına sahiptir ve çoğu polimer gibi lazer ışığını doğal olarak absorbe etmez; bu da markayı oluşturan renk değişimini engeller. Kontrast, hız ve dayanıklılık sorunlarını çözen şey, lazeri güçlendiren katkı maddeleridir.

Markalama kalitesi, kontrastın ötesinde nasıl değerlendirilir?

Aslına uygunlukla; yani ince çizgi çözünürlüğü ve keskinlikle. Kontrast her zaman yalnızca renk değişimiyle elde edilmez, değişken ışık kırınımı da katkıda bulunur; dolayısıyla her iki yön birlikte değerlendirilmelidir.

Naylonun rengi markalamayı etkiler mi?

Evet. Altlık malzeme rengi gerçek bir faktördür; çünkü karbon siyahı, titanyum dioksit ve alev geciktiriciler gibi bileşiklerin her biri farklı derecelerde lazer ışığı absorpsiyonuna sahiptir ve bu da malzemenin nasıl tepki verdiğini değiştirir.

İterbiyum fiber lazerler bu iş için neden YAG'ın yerini aldı?

Endüstriyel markalama pazarına 2010 civarında üstün ışın kalitesi ve yüksek parlaklıkla girdiler; yüksek enerji yoğunluğu için 20 mikronun altında bir noktaya odaklanırlar. Ayrıca çok yönlü, maliyet etkin ve neredeyse sıfır bakım gerektiren tak-çalıştır yapıdadırlar.

Hangi darbe genişliği aralığı en iyi sonucu verir?

20 ile 50 ns aralığındaki değişken kısa darbeli MOPA fiber lazerler, naylonlar dahil çoğu polimerde üstün kontrast rengi elde etmede son derece etkilidir. 100 ile 150 ns'deki Q-anahtarlamalı fiber lazerler yaklaşık 80 kHz tekrarlama hızıyla sınırlıdır.

Naylon (poliamit) nedir?

Poliamidler veya naylon, tekrar eden amid bağları, yani –CO-NH– içeren başlıca mühendislik ve yüksek performanslı termoplastik sınıfıdır. Bunlar, özdeş birimlerin yoğunlaşmasıyla oluşur; farklı birimler için ise kopolimerlerdir. Naylon, bir diasidin bir diaminle polikondensasyonuyla veya altı, 11 ya da 12 karbon atomlu laktamların halka açılma polimerizasyonuyla üretilir². Naylon monomerleri alifatik, yarı aromatik veya aromatik (aramid) olabilir ve yapı olarak amorf, yarı kristalin ve az ya da çok kristalinlik derecesine sahip olabilir.

Alifatik poliamidler, tamamen aromatik poliamidlerden çok daha büyük ölçekte üretilir ve en önemli mühendislik termoplastikleri sınıflarından biridir. Yüzde 20 cam elyaf dolgulu, mat yüzey dokulu naylonda lazer markalama renk kontrastı: enjeksiyonla kalıplandığında amorf veya yalnızca orta derecede kristalindirler, ancak kristalinlik derecesi artırılabilir.

İki önemli poliamid, poli(heksametilen adipamid) (naylon 6,6) ve polikaprolaktam (naylon 6)'dır. Diğer alifatik poliamidler arasında naylon 12, 69, 6-10, 6-12, 46 ve 1212 bulunur. Naylon 11, yenilenebilir kaynaklardan (hint yağı bitkisi) elde edilen biyo bazlı bir mühendislik plastiğidir.

Alifatik amidlerin yoğunlaşmasıyla üretilen yarı aromatik, yarı kristalin poliamidler PA 6T ve PA 6I'i içerir. Yarı aromatik poliamidler çoğu zaman daha pahalı tamamen aromatik aramidlere maliyet etkin bir alternatiftir. Aramid olarak adlandırılan aromatik poliamidler, alifatik amidlere göre daha yüksek mukavemete, daha iyi solvent, alev ve ısı direncine ve daha fazla boyutsal kararlılığa sahiptir. Yaygın olarak bilinen bir aromatik amid, poli(p-fenilen tereftalamid) olan Kevlar'dır.

Polifitalamidler (PPA) dahil poliamidler; çeşitli malzeme özellikleri, kalıplama koşulları ve lazer konfigürasyonları nedeniyle lazerle markalanması en zor polimerler arasındadır.

Polifitalamid (PPA), polimer zincirindeki tekrar eden birimin karboksilik asit kısmının yüzde 55 veya daha fazla molünün bu bileşenden oluştuğu durumda tanımlanan, poliamid (naylon) ailesindeki termoplastik sentetik reçinelerin bir alt kümesidir. PPA yarı aromatik ve yarı kristalindir. PPA'lar, PA6,6 ve PA6 gibi alifatik naylonlar ile çok daha pahalı poliaramidler arasındaki performans boşluğunu doldurur.

“Akıllı” katkı maddeleri

Markalama kalitesini tanımlamaya yönelik parametrelerden biri, markalanan yüzey ile arka plan arasındaki renk kontrastıdır. Kontrast her zaman renk değişiminin kendisiyle elde edilmez; değişken ışık kırınımıyla da elde edilebilir.

Eşit derecede önemli olan markalama kalitesi ve/veya aslına uygunluktur; yani ince çizgi çözünürlüğü veya keskinlik. Naylonlar dahil birçok polimer lazer ışığını doğal olarak absorbe etmez; bu da renk değişimini engeller. Lazeri güçlendiren kimyasal katkı maddeleri markalama kontrastını, hızını ve dayanıklılığını önemli ölçüde iyileştirir (bkz. Görsel 1). Altlık malzeme rengi bir faktördür; çünkü karbon siyahı, TiO2 ve alev geciktiriciler gibi bileşikler farklı derecelerde lazer ışığı absorpsiyonuna sahiptir.

Lazer katkı maddeleri pelet granül ve toz formunda tedarik edilir. Granül ürünler doğrudan polimer reçineyle harmanlanır; toz formlar ise masterbatch'e dönüştürülür. (Nihai parçadaki) ağırlıkça yükleme konsantrasyonu düzeyi tipik olarak yüzde 0,01 ile 3,0 arasında değişir. Lazer katkı maddelerinin her parça boyunca homojen dağılımı/dispersiyonu, en iyi renk kontrastını elde etmek için kritiktir.

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. Belirli katkı maddeleri, 21 CFR 178.3297 Polimerler için renklendiriciler standardının A-H koşulları uyarınca gıda teması ve gıda ambalajı kullanımı için FDA onayı almıştır¹.

İterbiyum fiber lazerler

NIR iterbiyum fiber lazerler, geleneksel YAG lazerlerin yerini alarak 2010 civarında endüstriyel markalama pazarına girdi. Fiber lazerler üstün ışın kalitesine (M2) ve yüksek parlaklığa sahiptir ve küçük bir nokta boyutuna (20 mikrondan az) odaklanabilir; bu da yüksek enerji yoğunluğuna yol açar. Fiber lazerler son derece çok yönlü, maliyet etkin ve neredeyse sıfır bakım gerektiren tak-çalıştır yapıdadır.

Sabit darbeli (Q-anahtarlamalı) ve değişken darbeli (MOPA) nanosaniye fiber lazerler, IPG Photonics ve SPI Lasers dahil birçok lazer şirketi tarafından satılmaktadır. Genellikle 100 ile 150 ns darbe genişliğine sahip Q-anahtarlamalı fiber lazerler bazı polimer markalama uygulamalarında kullanılır, ancak Q-anahtarlama teknolojisinin doğal kısıtı nedeniyle tekrarlama hızları yaklaşık 80 kHz ile sınırlıdır.

Doğrudan modülasyonlu MOPA (DM-MOPA) fiber lazerler, nanosaniye darbe genişliklerinde 500 kHz'e kadar tekrarlama hızlarında çalışır. Darbe genişliği [ns], darbe şeklinin tam genişlik yarı maksimumuna (FWHM) dayalı olarak genellikle darbenin başlangıcı ile bitişi arasındaki sürenin ölçüsüdür.

Yüksek tekrarlama hızları genellikle (diğer lazer/dalga formu parametreleriyle birlikte) daha yüksek markalama hızı anlamına gelir. Dalga formlarında ve yüzey karbonizasyonu derecesinde önemli farklar vardır³ (bkz. Görsel 1).

Lazer ısı girdisinin ve ısı girdisi hızının yerel uzamsal ve zamansal kontrolü, azami performansı mümkün kılar. Sıcaklığa duyarlı polimerler için değişken kısa darbeli (MOPA) fiber lazerler, aşırı karbonizasyon olmadan yüksek kontrast elde etmede özellikle etkilidir.

Tıbbi uygulamalar için şeffaf plastiklerde yüzey altı markalama mümkündür. Genellikle MOPA lazerler 1 ns ile 250 ns (ve üzeri) arasında darbe genişlikleri (darbe süresi) üretir. The Sabreen Group, naylonlar dahil birçok polimer uygulamasında en uygun renk kontrastı için 20 ns ile 50 ns aralığının ideal olduğunu tespit etmiştir.

Kozmetik ve işlevsel markalama kontrastında, doğrudan parça markalama (DPM) data matrix ve barkod için yüksek çözünürlük, çizgi kenar kalitesi ve küçük veri hücreleri gerektiğinde lazer katkı maddeleri kritik fark yaratır. Veri dizisi ne kadar uzunsa veri hücreleri o kadar sıkışık hale gelir.

Askeri, havacılık, otomotiv ve ilaç ürünleri için çoğu zaman “A” sınıfı doğrulama gerekir. Yüksek kontrastlı kod okunabilirliğinin ek faydaları vardır: daha hızlı markalama hızları ve fabrika genelinde kullanılabilen düşük maliyetli el tipi okuyucular.

Sonuç

Poliamidler, lazerle markalanması en zor polimerler arasındadır. Akıllı lazer katkı maddeleri kontrast sorunlarını çözer, markalama hızlarını artırır ve maliyet tasarrufu sağlar. Doğrudan parça markalama (DPM) data matrix ve barkod için lazer katkı maddeleri kritik iyileştirmeler sunar. 20 ns ile 50 ns aralığındaki değişken kısa darbeli (MOPA) fiber lazerler, çoğu polimerde üstün kontrast rengi elde etmede son derece etkilidir.

Kaynaklar

1. Sabreen, S. Fiber Lasers: Selection and Additives, Plastics Decorating, Kasım 2017. 2. Polyamide (PA) Nylon Complete Guide, SpecialChem 2019. 3. Brodsky, M. Wave Forms: A New Laser Tool, Optics & Photonics, Mart 2012.

Scott R. Sabreen, plastik ikincil işleme prosesleri (yüzey ön işlemleri, yapıştırma, mürekkep püskürtmeli baskı, lazer markalama, dekorasyon ve yüzey işleme ile ürün güvenliği) alanında uzmanlaşmış bir mühendislik danışmanlığı 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 adresini ziyaret ederek ulaşabilirsiniz.

---