Analiza wrażliwości polimerów na promieniowanie laserowe pokazuje, że zarówno PVC, jak i PC mogą być stosunkowo łatwo znakowane bez użycia dodatków do znakowania laserowego (laser marking additives). W przypadku PC dodatki mogą jednak znacznie wspomóc kontrast, ostrość brzegów i szybkość znakowania. Z kolei w wyniku znakowania laserowego styrenowych polimerów takich jak ABS, PS, SB i SAN bez użycia takiego dodatku mogą wystąpić defekty, tzw. efekt kropek. Natomiast poliolefiny i termoplastyczne elastomery zwykle wymagają zastosowania dodatków wspomagających znakowanie laserowe.
Rola dodatków znakujących
Dobór dodatku do znakowania laserowego jest procesem wielokryterialnym i zależy od szeregu czynników, takich jak skład chemiczny polimeru, barwa materiału bazowego, oczekiwany kolor i poziom kontrastu oznaczenia, a także wymagania normatywne i certyfikacyjne obowiązujące dla danego zastosowania końcowego.
W praktyce przemysłowej stosowane są dodatki o zróżnicowanym składzie chemicznym. Część z nich oparta jest na mieszaninach tlenku cyny domieszkowanego antymonem oraz trójtlenku antymonu, które pod wpływem wiązki laserowej umożliwiają uzyskanie szarego lub grafitowego kontrastu na naturalnych, niepigmentowanych i nieprzezroczystych podłożach polimerowych. Inne formulacje zawierają cząstki aluminium, mieszane tlenki metali lub inne związki nieorganiczne, których rolą jest zwiększenie absorpcji promieniowania laserowego i intensyfikacja efektu znakowania. Ostateczny wygląd oznaczenia może być dodatkowo korygowany poprzez zastosowanie pigmentów lub barwników, które pozwalają regulować barwę tła oraz kontrast znaku, bez zaburzania właściwości mechanicznych i przetwórczych materiału.
Dodatki do znakowania laserowego dostępne są zazwyczaj w postaci granulatu lub proszku, co umożliwia ich łatwe dozowanie i jednorodne rozproszenie w matrycy polimerowej. W zależności od rodzaju dodatku oraz kompatybilności z danym polimerem, ich zawartość w materiale mieści się zwykle w przedziale od 0,01 do 4,0 proc. masowych, przy czym najczęściej stosowane stężenia wynoszą od 0,5 do 2,0 proc. Zarówno dodatki w formie granulowanej, jak i proszkowej mogą być mieszane z wcześniej zabarwionym tworzywem lub z koncentratami barwiącymi. Należy podkreślić, że niewłaściwy dobór ilości dodatku laserowego lub masterbacza może prowadzić do pogorszenia jakości oznakowania. Zbyt wysoka koncentracja może skutkować obniżeniem kontrastu, nierównomiernym grawerowaniem lub pogorszeniem jakości powierzchni po znakowaniu. Z drugiej strony, masterbacze laserowe mogą być wykorzystywane do modyfikacji naturalnych polimerów w taki sposób, aby stały się one bardziej podatne na znakowanie laserowe bez konieczności intensywnego pigmentowania.
W przypadku czarnych tworzyw sztucznych standardowe pigmentowanie sadzą często uniemożliwia skuteczne znakowanie laserowe, ponieważ prowadzi do nadmiernej absorpcji energii, lokalnego stopienia materiału i jego degradacji. W takich sytuacjach stosuje się specjalistyczne masterbacze umożliwiające tzw. lekkie znakowanie na czarnym, nieprzezroczystym tle, które nie przepuszcza światła. Kluczowe pozostaje przy tym zachowanie zalecanej dawki dodatku, gdyż jej zwiększenie nie poprawia efektu znakowania, a może wręcz prowadzić do jego pogorszenia.
Coraz częściej producenci tworzyw sztucznych oferują gotowe materiały modyfikowane dodatkami lub nanocząstkami, zaprojektowane specjalnie z myślą o znakowaniu laserowym. Takie rozwiązania pozwalają na uzyskanie stabilnych i powtarzalnych efektów znakowania bez konieczności dodatkowej modyfikacji formulacji na etapie przetwórstwa.
W celu dalszego zwiększenia kontrastu oznaczeń możliwe jest również stosowanie warstw powierzchniowych, takich jak specjalistyczne farby, powłoki lub tlenki, które wzmacniają efekt optyczny znakowania laserowego, szczególnie w wymagających aplikacjach estetycznych lub identyfikacyjnych.
Przykład zastosowania znakowania laserowego w produkcji wyrobów medycznych z tworzyw sztucznych (foto: TRUMPF Group)
Jakie lasery stosuje się w praktyce
Urządzenia do znakowania laserowego znajdują zastosowanie w obróbce większości materiałów, w tym metali, tworzyw sztucznych, ceramiki, szkła i materiałów organicznych. Pewnym ograniczeniem mogą być niektóre tworzywa sztuczne, które bez zastosowania specjalnych dodatków charakteryzują się niską absorpcją promieniowania laserowego.
Najczęściej stosowane są lasery włóknowe (fiber) oraz Nd:YAG, pracujące przy długości fali 1064 nm. Lasery fiber stopniowo zastępują lasery Nd:YAG ze względu na wyższą sprawność, lepsze parametry wiązki, większą moc, możliwość chłodzenia powietrzem oraz niższe koszty eksploatacji. Lasery Nd:YAG nadal znajdują zastosowanie w wybranych aplikacjach, gdzie wymagana jest bardzo wysoka jakość znakowania, szczególnie w przypadku tworzyw sztucznych.
Lasery UV o długości fali 355 nm umożliwiają tzw. zimne znakowanie, oparte na efekcie fotochemicznym, z minimalnym oddziaływaniem cieplnym. Stosowane są do precyzyjnego znakowania tworzyw sztucznych, szkła oraz materiałów żaroodpornych, umożliwiając nanoszenie bardzo drobnych znaków o wysokiej rozdzielczości.
Najpowszechniej wykorzystywane do materiałów niemetalowych są lasery CO₂, emitujące promieniowanie o długości fali 10,6 µm lub 9,3 µm. Znajdują one zastosowanie w znakowaniu i grawerowaniu drewna, papieru, tworzyw sztucznych, gumy, tkanin, skóry oraz szkła. Parametry procesu, takie jak głębokość i prędkość grawerowania, zależą od właściwości materiału oraz mocy źródła laserowego. Ze względu na silne odbicie promieniowania od metali, lasery CO₂ są rzadko stosowane do ich znakowania, gdzie lepszym rozwiązaniem są lasery włóknowe.
Gdzie technologia zyskuje najwięcej
Znakowanie laserowe będzie coraz powszechniej wykorzystywane w przemyśle. Rosnący nacisk na jakość produktów wymusza gromadzenie informacji o wszystkich etapach procesu produkcyjnego każdego egzemplarza, aby w razie awarii lub stwierdzenia braku móc szybko wykryć miejsce powstania problemu. Znakowanie produktów to także element walki z ich fałszerstwem. Znakowanie laserowe jest obecnie powszechnie stosowaną technologią znakowania i kodowania elementów z tworzyw sztucznych, takich jak kable i przewody, opakowania, wyroby medyczne oraz komponenty stosowane w przemyśle motoryzacyjnym. Technologia ta stanowi atrakcyjną alternatywę dla tradycyjnych metod nadruku – jest szybka, bezkontaktowa i w pełni cyfrowa, co umożliwia łatwe nanoszenie indywidualnych oraz sekwencyjnych oznaczeń.
Autor: Marta Lenartowicz-Klik
