MM Magazyn Przemysłowy | nr 5/2015:
"Znakowanie laserem tworzyw sztucznych"



Laser doskonale sprawdza się jako narzędzie do znakowania tworzyw sztucznych. Technologię tę cechuje trwałość, uniwersalność, materiały oznaczone z jego użyciem nie tracą swoich właściwości, a oznaczenia są bardzo czytelne.


Lasery mogą znakować wszystko, co jest wykonane z tworzyw sztucznych i wymaga trwałego, trudno usuwalnego oznaczenia - począwszy od elementów wykorzystywanych w przemyśle samochodowym, takich jak przyciski, złącza, obudowy, uchwyty, poprzez przemysł elektroniczny (klawiatury, telefony komórkowe, kondensatory, płytki drukowane) po rożnego rodzaju zastosowania w przemyśle spożywczym (butelki PET, folie OPP, sleeve itp.). Sam laser to jedynie połowa technologii znakowania. Druga połowa to materiał, który ma być mu poddany. Jako że ten proces to reakcja materiału na wiązkę lasera, o jego wyborze w największym stopniu decyduje materiał, który ma być poddany jego działaniu. Istotne jest również to, czy znakowanie ma być kontrastowe czy niekontrastowe. Aby być absolutnie pewnym, że wybór jest słuszny, warto dokonać prób i obserwacji reakcji konkretnego materiału na wiązkę. W pierwszej kolejności dobierana jest odpowiednia długość fali laserowej. Następnie brana jest pod uwagę średnica plamki laserowej, która bezpośrednio wpływa na uzyskaną gęstość mocy. Im mniejsza plamka, tym lepsze odwzorowanie, ale i mniejsza wydajność. Na tę ostatnią bezpośrednio wpływa częstotliwość powtarzania impulsów - wraz z jej wzrostem rośnie też wydajność procesu. Powyższe parametry powinny być skorelowane z mocą impulsu oraz prędkością przesuwu wiązki laserowej.



– Zasadniczy wpływ na wyniki znakowania ma długość emitowanej fali wiązki laserowej. Jest ona rożna w zależności od zastosowania. Od λ=355 nm (tzw. laser THG, promieniowanie ultrafioletowe), przez lasery z długością fali o λ=532 nm (tzw. SHG) oraz standardowe lasery o długości fali w zasięgu λ=1064, 1070 nm, aż do źródeł laserowych CO2 (λ=10600 nm) - mówi Bernard Rzany, przedstawiciel na Polskę firmy ROFIN.

Istnieje wiele typów laserów. Laser CO2 (λ=10600 nm) jest najtańszym rozwiązaniem i sprawdza się bardzo dobrze w przypadku znakowania bez kontrastu (tzw. product tracking). Z kolei lasery UV (λ=355 nm) znakują tworzywa sztuczne z kontrastem (często bez efektów termicznych, tzw. cold marking), jednak ich wadą jest bardzo wysoka cena. Rozwiązaniem bardzo często stosowanym mogą być lasery włóknowe (λ=1064 nm) lub „zielone” (λ=532 nm), które umożliwiają znakowanie kontrastowe na części tworzyw sztucznych przy cenach wyższych niż lasery CO2, ale znacząco niższych od laserów UV.


Znakowanie krok po kroku


Podczas znakowania laserowego pojawiają się trzy fazy:


  • Grzanie – podgrzanie materiału, które może zapoczątkować reakcję fotochemiczną w materiale i pojawienie się zmiany koloru (znakowanie kontrastowe - laser UV).

  • Parowanie – podgrzany materiał zaczyna parować, nie ma śladu wypływki, a następuje jedynie usunięcie (odparowanie części materiału) –znakowanie takie może być kontrastowe lub bez kontrastu.

  • Topienie – podgrzany materiał zaczyna się topić, częściowo wypływa, z reguły nie występuje wtedy zmiana koloru, a raczej efekt grawerowania, znakowanie jest łatwo wyczuwalne, następuje częściowy ubytek materiału (charakterystyczne dla lasera CO2).


W każdym z powyższych przypadków kluczowy jest próg reakcji termicznej znakowanego materiału. Właśnie dlatego znakowany materiał jest znaczącą częścią technologii laserowego znakowania, równie istotną jak sam laser.


W zależności od tworzywa oraz parametrów znakowania (długości fali laserowej, średnicy ogniska wiązki laserowej, mocy i czasu trwania impulsu) znakowanie laserowe może przebiegać na rożne sposoby. Można wyróżnić:


  • Spienianie – szczególnie często wykorzystywane do znakowania kolorowych, ciemnych tworzyw sztucznych, które intensywnie absorbują promieniowanie laserowe. Krótkotrwały impuls laserowy silnie uplastycznia tworzywo, powodując pojawienie się małych pęcherzyków gazowych, które natychmiast zostają uwięzione w krzepnącym tworzywie. Uwięzione pęcherzyki powodują powstanie wybrzuszenia i rozproszenie padającego na obszar znakowania światła.

  • Odbarwianie – proces, w którym wiązka laserowa jest absorbowana przez odpowiednio dobrany pigment. W wyniku zachodzących reakcji molekuły zmieniają kolor zarówno w pigmencie, jak i materiale. W tego typu procesach stosuje się najczęściej lasery zielone (532 nm) lub UV (355 nm). Materiały po tym procesie cechują się idealnie gładką powierzchnią.

  • Ablację – proces miejscowego odparowania tworzywa, najczęściej stosowany do znakowania wielowarstwowych tworzyw sztucznych. Usunięcie cienkiej warstwy wierzchniej pozwala na odkrycie kolejnej warstwy tworzywa, co przy odpowiednim kontraście pozwala uzyskać czytelne oznaczenia (np. efekt pozytyw – negatyw).


Przykład znakowania na zimno laserem UV


O przydatności danego lasera do znakowania konkretnego elementu mogą świadczyć nie tylko parametry związane z samym laserem i rodzajem obróbki, ale także różnorodne rozwiązania ułatwiające proces i poprawiające jego wydajność. Istnieje możliwość znakowania elementów będących w ruchu (np. na linii produkcyjnej), są to systemy komunikacji zewnętrznej do sterowania znakowaniem w linii produkcyjnej. Bardzo istotna jest łatwość serwisowania znakowarki oraz dostępność wykwalifikowanego serwisu.


W znakowarkach niektórzy producenci implementują także różnorodne rozwiązania dodatkowe, które udoskonalają standardowe zestawy. Są to np.:


  • Oprogramowanie pozwalające w prosty sposób dobrać parametry znakowania.

  • Wewnętrzne sterowanie położeniem ogniska wiązki laserowej, umożliwiające przesuwanie punktu ogniskowania wiązki laserowej do 60 mm, co pozwala na znakowanie przy jednym ustawieniu detali o rożnych wysokościach.

  • Laser pilotujący, symulujący wzór znakowania i ułatwiający pozycjonowanie znakowanych detali.

  • Detekcja położenia ogniska. To przyjazna dla użytkownika funkcja określania położenia ogniska, która pozwala na ustalenie pozycji punktu ogniska w sposób szybki i elastyczny. Funkcja ta pozwala także na pracę z wklęsłymi bądź bardziej złożonymi powierzchniami.

  • Opcja znakowanie w ruchu - prędkość przenośnikow z detalami jest mierzona i przetwarzana przez urządzenie w taki sposób, aby dostosował się on do nowych warunków pracy.

  • Modułowa budowa umożliwiająca łatwą rozbudowę systemu oraz obsługę serwisową.

  • System dwóch głowic, umożliwiający synchroniczne lub sekwencyjne znakowanie.

  • Systemy do zautomatyzowanej korektury położenia ogniska wiązki laserowej, względnie powierzchni detali opracowanych (tzw. moduły FFM) oraz systemy vision, które w trybie automatycznym sprawdzają zarówno położenie detali do znakowania w płaszczyźnie X-Y, jak i ich wysokość (FFM).


– Jednym z ciekawszych kierunków rozwoju technologii jest współpraca producentów laserów z wytwórcami tworzyw sztucznych. Przykładem jest wykorzystanie materiałów dodatkowych, takich jak pigment Iriotec8000, które ulepszają absorbcję wiązki laserowej i zwiększają kontrast - mówi Bernard Rzany. – Nowe, lepsze technologie, które nieustannie dostarczane są firmom przemysłowym przez producentów laserów gwarantują, że w najbliższych latach ich popularność będzie znacząco rosnąć.
PolandEnglish