W przeciwieństwie do tworzyw sztucznych, guma i silikon to elastomery o elastycznej, często usieciowanej strukturze. Podczas znakowania laserowego zachodzą tu zupełnie inne efekty niż w przypadku termoplastów. Znakowanie często powoduje emisję sadzy i dymu, które mogą skraplać się z powrotem na powierzchni, przez co oznaczenie może być mniej precyzyjne. Dlatego przed znakowaniem laserowym powierzchnia gumy powinna być czysta i odtłuszczona. Resztki środków antyadhezyjnych, olejów czy kurzu mogą powodować nierównomierne oznaczenia.
Specyfika znakowania różnych elastomerów
EPDM (kauczuk etylenowo-propylenowo-dienowy), stosowany w uszczelnieniach samochodowych i membranach przemysłowych, często zawiera sadzę, co wpływa na sposób jego znakowania. EPDM dobrze pochłania promieniowanie lasera CO₂ (10,6 µm), który może utworzyć na powierzchni czarnego EPDM jasny, kontrastowy ślad o lekko „metalicznym” wyglądzie. Kluczowe jest zastosowanie niskiej mocy i wysokiej prędkości, tak aby powierzchnia została jedynie spieniona i rozjaśniona, bez nadmiernego przypalenia. Jasny EPDM bez sadzy można znakować poprzez karbonizację. Laser lekko przypala powierzchnię, pozostawiając ciemny ślad.
NBR (kauczuk nitrylowy, butadienowo-akrylonitrylowy), używany do pierścieni uszczelniających, uszczelek paliwowych i olejowych czy rękawic ochronnych, jest zazwyczaj czarny. Znakowanie NBR laserem przebiega podobnie jak w przypadku EPDM. Laser CO₂ może tworzyć czytelne oznaczenia metodą grawerowania lub ablacji, ale kontrast na czarnej powierzchni powstaje głównie przez spienienie górnej warstwy do koloru szaro-białego. Laser fibrowy (1,06 µm) może być zastosowany do delikatnego wybielania powierzchni bez znacznej ablacji, lecz konieczne jest precyzyjne ustawienie mocy. W przeciwnym razie guma może się przypalić i utworzyć mazistą warstwę sadzy. Podczas znakowania NBR wydziela się gęsty dym, dlatego konieczna jest skuteczna filtracja spalin, aby uniknąć osadzania się zanieczyszczeń i pogorszenia jakości znakowania..
FKM (fluorokauczuk, nazwa handlowa Viton): Fluorowane elastomery są wyjątkowo odporne na temperaturę (nawet do 200 °C w długim czasie) i chemikalia, co utrudnia ich znakowanie laserowe. Promieniowanie CO₂ jest silnie absorbowane i może łatwo grawerować Viton, lecz nie daje dobrego kontrastu, pozostawia jedynie czarne przypalenie. Aby uzyskać czytelny, jasny znak na ciemnym Vitonie, stosuje się laser fibrowy, najlepiej z technologią MOPA. Viton absorbuje również promieniowanie 1,06 µm i przy starannie dobranej energii można uzyskać efekt powierzchniowego wybielenia bez usuwania materiału.
Powstaje jasnobrązowy znak (tzw. bleaching), bez pyłu i ścieralności. Ze względu na twardość Vitonu i jego odporność termiczną zaleca się stosowanie wielu przejść z niższą mocą, zamiast jednego silnego impulsu, który prowadziłby tylko do poczernienia materiału. Podczas obróbki fluorokauczuków powstają toksyczne opary (np. fluorowodór), dlatego niezbędne jest intensywne odciąganie i filtracja.
Silikon (VMQ, elastomer silikonowy) to elastyczny materiał odporny na wysokie temperatury (200–300 °C). Przezroczysty lub jasny silikon bez dodatków słabo absorbuje standardowe długości fal laserowych. Dlatego do znakowania często dodaje się wcześniej specjalne pigmenty wrażliwe na laser. Dzięki takim dodatkom można uzyskać ciemny nadruk na jasnym silikonie (pigment ulega karbonizacji i czernieje) lub jasny nadruk na barwnym czy ciemnym silikonowym detalu, poprzez spienienie powierzchni.
Typowe lasery przemysłowe o długości fali około 1 µm w połączeniu z pigmentowanym silikonem pozwalają uzyskać ostre, kontrastowe oznaczenia także na przezroczystych i elastycznych częściach. W przypadku znakowania czystego silikonu bez pigmentów lepiej sprawdza się laser CO₂. Efektem jest jednak raczej bezbarwny grawerunek lub lekko przypalony szary ślad o niższym kontraście. Ponieważ silikon jest bardzo elastyczny, detal należy dobrze unieruchomić, aby drgania lasera nie rozmazały oznaczenia. Mieszanki silikonowe często zawierają oleje, dlatego po grawerowaniu może występować resztkowy pył lub tłusty osad.
Kauczuk naturalny (NR): Naturalna guma charakteryzuje się wysoką elastycznością, ale niższą odpornością termiczną. W czystej postaci ma barwę jasną lub bursztynową – laser potrafi ją zkarbonizować i wytworzyć ciemny, niemal czarny nadruk. Dotyczy to mieszanek bez sadzy lub z jej niewielką ilością, np. w jasnych rękawicach czy balonach. Laser CO₂ dobrze się sprawdza do szybkiego znakowania powierzchni. Parametry należy dobrać tak, by użyć średniej mocy i większej prędkości, aby nie przepalić materiału w głąb. Podczas znakowania naturalnego kauczuku powstaje dużo dymu i sadzy, co może obniżyć kontrast, dlatego niezbędne jest skuteczne odsysanie i ewentualne przerwy na oczyszczenie optyki.
W przypadku jasnych mieszanek bez sadzy dla lepszego kontrastu można rozważyć dodanie pigmentu lub użycie lasera fibrowego z MOPA, który przy odpowiednich impulsach lokalnie przyciemnia materiał. Z kolei ciemne mieszanki NR z dużą zawartością sadzy (np. czarne uszczelki, silentbloki) zazwyczaj reagują na laser jasnym nadrukiem, uzyskiwanym przez spienienie lub utlenianie powierzchni. Pomaga obniżenie mocy, zwiększenie liczby przejść lub delikatna defokusacja, która wspomaga powierzchniowe spienienie zamiast głębokiej karbonizacji.
Inne elastomery: Do pozostałych materiałów gumowych należą np. CR (chloropren, neopren), SBR (kauczuk styrenowo-butadienowy) czy elastomery PUR. Zasady ich znakowania są podobne. Neopren podczas obróbki laserowej wydziela chlorowodór, dlatego konieczne jest dokładne odciąganie spalin, a do znakowania stosuje się głównie laser CO₂. SBR przypomina kauczuk naturalny oraz NBR pod względem zawartości sadzy, a także zdolności do skutecznego spieniania i wybielania pod wpływem lasera. Termoplastyczne elastomery (TPE, TPU) zachowują się bardziej jak tworzywa sztuczne i laser zwykle wywołuje w nich zmianę koloru zamiast głębokiego grawerunku.
Odpowiedni typ lasera
Dla większości polimerów organicznych, w tym gumy i silikonu, bardzo skuteczny jest laser CO₂. Jego wiązka jest silnie absorbowana przez wiązania węgiel–węgiel w strukturze polimerów, co pozwala szybko nagrzać i odparować materiał. Czasami jednak lasery CO₂ dają niższy kontrast i mają tendencję do przypalania lub całkowitego odparowania materiału na czarno. W praktyce laser CO₂ stosuje się zatem głównie do jasnych elastomerów lub do głębszego znakowania czarnych gum. Zaletą lasera CO₂ jest szybkość oraz możliwość pokrywania większych powierzchni, wadą natomiast relatywnie niższa precyzja detali w porównaniu do laserów fibrowych.
Standardowy laser fibrowy (Yb fiber) działający w zakresie podczerwieni jest najczęściej wykorzystywany do znakowania metali, natomiast w przypadku materiałów gumowych znajduje zastosowanie głównie przy powierzchniowym znakowaniu z wykorzystaniem kontrastu. Sam wiązka o długości fali 1,06 µm jest słabo absorbowana przez niektóre czyste polimery, jak na przykład przezroczysty silikon, ale obecność sadzy lub specjalnych pigmentów znacznie poprawia absorpcję. Laser fibrowy z głowicą galvo ma tę zaletę, że umożliwia bardzo szybkie znakowanie oraz uzyskanie drobnych detali dzięki niewielkiej średnicy wiązki.
Na czarnych gumach (EPDM, NBR, FKM) laser fibrowy może wytworzyć jasny, spieniony znak. Przy wysokiej częstotliwości impulsów powierzchnia lekko się topi i wybiela bez głębokiego grawerowania. Zaletą jest to, że oznaczona powierzchnia pozostaje gładka, a znak odporny na ścieranie. Wadą może być konieczność bardzo precyzyjnego ustawienia parametrów. Przy zbyt wysokiej energii impulsu laser fibrowy przepala gumę i powoduje jej ściemnienie (podobnie jak CO₂), natomiast przy zbyt niskiej energii znakowanie nie będzie widoczne. Lasery fibrowe są zatem szczególnie odpowiednie tam, gdzie wymagany jest wysoki kontrast na ciemnym elastomerze (na przykład kod na czarnym pierścieniu uszczelniającym), ewentualnie w połączeniu z pigmentem aktywowanym laserowo przy jasnych gumach.
MOPA, jako szczególny typ lasera fibrowego, w którym można w szerokim zakresie regulować długość impulsu i częstotliwość, zapewnia dużą elastyczność przy znakowaniu tworzyw sztucznych i elastomerów. Krótkie impulsy (np. <10 ns) o wysokiej częstotliwości pozwalają bardzo szybko i lokalnie podgrzać powierzchnię polimeru. Sprzyjają one spienianiu i jasnemu znakowaniu, ponieważ materiał ma czas na rozszerzenie, zanim dojdzie do zwęglenia. Z kolei dłuższe impulsy lub niższe częstotliwości dostarczają więcej ciepła i mogą wywołać ciemniejszy, zwęglony ślad. Dzięki MOPA laserowi można uzyskać większy kontrast znakowania gumy w porównaniu ze standardowym laserem fibrowym. MOPA lasery nadają się do znakowania drobnych kodów (DataMatrix, QR) na małych elementach elastomerowych, a także do oznaczania materiałów wrażliwych, gdzie konieczne jest minimalizowanie efektu cieplnego.
Poza wymienionymi wyżej laserami, do znakowania niektórych silikonów stosuje się w mniejszym zakresie również lasery UV (355 nm). Ich zaletą jest bardzo mała strefa wpływu ciepła oraz możliwość znakowania nawet przezroczystych materiałów metodą fotochemiczną, bez spieniania. Są jednak droższe i rzadziej stosowane w przemyśle elastomerów.
Zalecane parametry znakowania
Podczas znakowania laserowego gumy i silikonu obowiązuje zasada rozpoczynania od niskiej energii i przeprowadzania testów, ponieważ elastomery mogą ulec deformacji lub zapłonowi przy nadmiernym nagrzaniu. Kluczowe parametry i typowe wartości:
- Moc: Zazwyczaj wynosi od kilku do kilkudziesięciu watów przy pracy ciągłej lasera CO₂ lub odpowiadającym ustawieniu impulsów w przypadku lasera fibrowego. Na przykład do znakowania EPDM wystarczy ok. 10 W w przypadku lasera CO₂. W laserach fibrowych moc ustawia się pośrednio poprzez regulację częstotliwości i energii impulsu. Celem jest osiągnięcie temperatury wystarczającej do zmiany koloru bez uszkodzenia materiału. W przypadku miękkich gum zaczyna się od ok. 10% mocy znamionowej i stopniowo ją zwiększa. Dla twardszych materiałów, jak Viton, może być potrzebna wyższa moc stosowana w kilku przejściach.
- Prędkość przesuwu: Wyższe prędkości pomagają zapobiec przegrzewaniu jednego miejsca. Typowe wartości dla znakowania gumy laserem CO₂ to setki mm/s (np. 300–500 mm/s), a dla galvo-laserów fibrowych nawet kilka m/s. Zbyt wolny przesuw może prowadzić do przypaleń.
- Częstotliwość impulsów: Parametr istotny głównie dla laserów fibrowych i Nd:YAG. Niższe częstotliwości (np. 20–30 kHz) dają silne impulsy odpowiednie do ablacji i karbonizacji (ciemne, głębsze oznaczenia), wyższe częstotliwości (100–200 kHz i więcej) generują częstsze, słabsze impulsy, które raczej stapiają i spieniają powierzchnię (jasne oznaczenia). W przypadku silikonu i miękkich gum zaleca się raczej wysoką częstotliwość z niską energią impulsu, natomiast dla twardszych gum i jasnych materiałów korzystne są średnie częstotliwości dla uzyskania przebarwień..
- Liczba przejść: W idealnym przypadku znakowanie odbywa się podczas jednego przejścia lasera. W przypadku niektórych materiałów, takich jak twardy Viton czy mieszaniny o wysokim przewodnictwie cieplnym, jedno przejście może nie zapewnić wystarczającego kontrastu, dlatego stosuje się powtórzenia. Lepszy efekt uzyskuje się przy kilkukrotnym szybkim przejściu z niższą mocą (2–3 razy) niż przy jednym wolnym i silnym, który mógłby spalić powierzchnię. Więcej przejść może także poprawić ostrość krawędzi przy głębszym grawerowaniu.
- Ostrość i średnica wiązki: Dokładne detale, takie jak małe czcionki czy kody QR, wymagają krótkiej ogniskowej. Na przykład laser fibrowy z obiektywem ok. 100 mm daje ślad wiązki o średnicy ok. 30 µm. Lasery CO₂ mają zwykle większą średnicę plamki (np. soczewka 200 mm ~300 µm), co ogranicza minimalny rozmiar czcionki. W przypadku grubszych gum przydatne może być lekkie rozogniskowanie, aby rozłożyć energię i zapobiec przepaleniom. Z kolei przy precyzyjnym znakowaniu konieczne jest utrzymanie prawidłowej odległości ogniskowania i prostopadłości wiązki względem powierzchni, szczególnie na zakrzywionych detalach.