Tworzywa sztuczne stanowią bardzo zróżnorodną grupę materiałów. Podejście do znakowania laserowego różni się w zależności od składu chemicznego polimeru, jego koloru oraz ewentualnych dodatków. Ponieważ laser działa na tworzywo cieplnie, może wywołać następujące efekty: odbarwienie lub zmianę koloru, spienienie powierzchni lub wypalenie (grawerowanie) w głębi. W idealnym przypadku chcemy uzyskać kontrastowy znak bez przebicia materiału.
Podczas znakowania laserowego tworzyw sztucznych można stosować następujące procesy:
-
Przyciemnianie (karbonizacja): Laser nagrzewa materiał poniżej temperatury topnienia, co wywołuje zmianę chemiczną. W jasnych tworzywach sztucznych pod wpływem lasera powstają zwęglone cząsteczki, co prowadzi do ciemnego zabarwienia tworzywa. Na przykład przezroczysty lub biały poliwęglan może po przejściu impulsu laserowego uzyskać szary lub czarny kolor.
-
Spienienie (foaming): Jeśli wiązka lasera stopi tworzywo, a następnie materiał szybko się ochłodzi, mogą powstać drobne pęcherzyki gazu. Rozpraszają one światło, dzięki czemu oznaczony obszar wydaje się optycznie jaśniejszy niż otoczenie. Zjawisko to nazywane jest spienieniem i stosowane jest głównie w ciemnych tworzywach, gdzie tworzy jasnoszary lub biały znak. Na przykład w czarnym plastiku ABS można odpowiednimi krótkimi impulsami uzyskać strukturę pęcherzykową i tym samym biały znak.
-
Grawerowanie: Przy wyższej energii laser może odparować lub spalić tworzywo. W ten sposób powstaje zagłębiony relief. Krawędzie są lekko nadtopione. Proces ten stosowany jest raczej w grubszych elementach plastikowych lub tam, gdzie nie przeszkadza lekkie naruszenie powierzchni. Na przykład w grubym akrylacie (PMMA) można laserem CO₂ wygrawerować tekst na głębokość kilku dziesiątych mm. W przypadku cienkich tworzyw (folii) mogłoby dojść do przebicia.
Każdy plastik zachowuje się inaczej podczas znakowania laserowego. Niektóre termoplasty ulegają topieniu i dobrze reagują na proces spieniania, inne tworzywa termoutwardzalne raczej się palą i podlegają karbonizacji. Niektóre polimery same z siebie słabo absorbują określoną długość fali, dlatego już na etapie produkcji dodaje się do nich specjalne dodatki (np. metaliczne lub ceramiczne mikrocząstki, pigmenty na bazie tlenku tytanu itp.), aby lepiej reagowały na działanie lasera. Jeżeli danego tworzywa nie da się znakować bez dodatków, problem rozwiązuje się przez modyfikację materiału (dodatki do laserowego znakowania) lub zastosowanie innej długości fali lasera (np. zielonego 532 nm lub UV 355 nm do przezroczystych plastików).
Białe plastiki (np. biały ABS z przezroczystą warstwą lakieru) mogą po obróbce laserem wyglądać nieestetycznie, przezroczysta warstwa może się stopić. Rozwiązaniem jest zastosowanie lasera krótkopulsowego z niską częstotliwością, aby doszło raczej do karbonizacji warstwy spodniej i powstał ciemny znak pod powierzchnią. Dzięki temu można uzyskać estetyczne czarne logo na białym plastiku bez rozlania się materiału wokół.
Odpowiedni typ lasera
Tworzywa sztuczne można znakować zarówno laserami fibrowymi, jak i CO₂, wybór zależy od rodzaju plastiku i wymagań aplikacji.
-
Laser CO₂ (10,6 µm) jest ogólnie bardzo odpowiedni dla większości materiałów organicznych, a więc również dla wielu tworzyw sztucznych. Większość plastików dobrze absorbuje tę długość fali, laser CO₂ nagrzewa powierzchnię i powoduje jej ściemnienie lub spienienie. Na przykład akryl, poliwęglan, ABS, polistyren, PE/PP i inne można znakować laserem CO₂. Zaletą lasera CO₂ jest możliwość szybkiego pokrywania większych powierzchni oraz łatwego cięcia cienkich folii, co pozwala także na formowanie materiałów opakowaniowych. Wadą jest większa średnica wiązki, co skutkuje niższą rozdzielczością drobnych detali oraz cieplnym wpływem na otoczenie znakowania. Wiązka CO₂ ma tendencję do silniejszego topienia i zwęglania powierzchni, co może być niepożądane np. w przypadku elementów elektroniki precyzyjnej, natomiast przy większych detalach z tworzyw sztucznych nie stanowi to problemu.
-
Laser fibrowy (1,06 µm) jest wykorzystywany do znakowania tworzyw sztucznych głównie w zastosowaniach przemysłowych, gdzie laserem oznacza się naprzemiennie metale i plastiki na jednej linii produkcyjnej. Zaletą lasera fibrowego jest uniwersalność względem metali i niektórych tworzyw. Nie każdy plastik dobrze absorbuje tę długość fali, zazwyczaj musi zawierać pigmenty lub dodatki. Jeśli plastik dobrze absorbuje promieniowanie, laser fibrowy umożliwia bardzo szybkie i precyzyjne znakowanie z małą średnicą wiązki (typowo około 30–50 µm), co pozwala na nanoszenie mikrokodów, drobnych oznaczeń i grafiki o wysokiej rozdzielczości. W przypadku ciemnych tworzyw laser fibrowy często powoduje spienienie i jasny znak, natomiast w przypadku jasnych tworzyw dochodzi do karbonizacji i ciemnego oznaczenia. W przeciwieństwie do lasera CO₂ laser fibrowy nie powoduje tak rozległego efektu cieplnego. Strefa nagrzewania jest niewielka, więc otoczenie pozostaje nienaruszone. Dlatego lasery fibrowe są stosowane na przykład do znakowania drobnych elementów plastikowych w elektronice (złącza, obudowy układów scalonych itd.), gdzie wymagany jest precyzyjny mały kod. W przypadkach, gdy plastik nie absorbuje 1064 nm (na przykład przezroczyste tworzywa), stosuje się dodanie absorbera (np. barwnego pigmentu) lub użycie specjalnego lasera o krótszej długości fali (laser UV może znakować nawet całkowicie przezroczyste tworzywa bez pigmentu, ale to już inna technologia).
Zalecane parametry
W przypadku tworzyw sztucznych ogólnie obowiązuje zasada, że znakowanie odbywa się z większą prędkością i przy niższej mocy niż w przypadku metali. Powodem jest niższa odporność termiczna, plastik łatwo się przepala. Typowe są prędkości skanowania w zakresie od kilkuset mm/s do kilku m/s. Przykładowo typowa prędkość to około 400–1000 mm/s. Moc lasera fibrowego może być niższa: już laser o mocy około 20 W potrafi oznaczyć większość tworzyw, więc standardowo ustawia się około 30 W i większa moc nie jest konieczna (w przeciwieństwie do metali, gdzie zaczyna się od 50 W wzwyż).
Częstotliwość impulsów jest zazwyczaj wyższa (np. 50–100 kHz), aby impulsy zawierały mniej energii na jednostkę. Wspomaga to raczej łagodną reakcję termiczną (odbarwienie) niż intensywne usuwanie materiału. W przypadku laserów fibrowych MOPA ważnym parametrem jest długość impulsu: krótkie impulsy (np. 4 ns) mogą dać inny efekt niż dłuższe (200 ns). Dla spieniania ciemnych tworzyw często sprawdzają się dłuższe impulsy o średniej energii, natomiast dla karbonizacji jasnych raczej krótkie impulsy o wysokiej intensywności.
Lasery CO₂ nie mają tak elastycznej regulacji impulsów (często są to źródła ciągłe), dlatego dostraja się głównie moc i prędkość. Na przykład w przypadku cienkiej folii ustawia się niższą moc i szybszy ruch, aby tylko zmienić kolor. W przypadku grubszych tworzyw można spowolnić proces w celu grawerowania. Zawsze celem jest, aby materiał nie został przegrzany na wskroś (nie został przepalony), o ile nie jest to zamierzone.
Zalety i wady
Znakowanie laserowe tworzyw sztucznych jest bezkontaktowe i bardzo szybkie. Oznaczenie jest oczywiście trwałe, odporne na działanie chemikaliów i ścieranie. Dodatkową zaletą jest fakt, że niektóre lasery (np. UV) potrafią znakować plastik bez naruszania powierzchni. Materiał zmienia jedynie kolor, ale powierzchnia pozostaje gładka.
Wadą może być to, że nie każdy plastik dobrze reaguje. Czasami konieczny jest droższy wariant materiału z dodatkami. Opary z tworzyw sztucznych są toksyczne, dlatego konieczne jest dobre odciąganie (np. PVC praktycznie nie poddaje się znakowaniu laserowemu, ponieważ uwalnia chlor). Znakowanie jasnych tworzyw laserem fibrowym może być mniej kontrastowe, jeśli materiał nie zawiera odpowiednich składników. W takim przypadku lepiej sprawdza się laser CO₂, który lekko przypala powierzchnię na brązowo.
Ogólnie rzecz biorąc, laser zapewnia wyjątkową elastyczność: pozwala znakować szeroką gamę tworzyw sztucznych (ABS, poliwęglan, poliamid, PMMA itd.) i poprzez dobór odpowiedniego modelu lasera oraz parametrów znakowania dostosować się do konkretnego polimeru.