Plasty tvoria veľmi rozmanitú skupinu materiálov. Prístup k laserovému značeniu sa preto líši podľa chemického zloženia polyméru, jeho farby a prípadných prísad. Keďže laser pôsobí na plast tepelne, môže vyvolať tieto efekty: odfarbenie alebo zmenu farby, penenie povrchu, prípadne vypálenie (gravírovanie) do hĺbky. V ideálnom prípade chceme dosiahnuť kontrastný popis bez prerazenia materiálu.
Pri laserovom značení plastov možno použiť tieto procesy:
-
Stmavnutie (karbonizácia): Laser zahrieva materiál pod bodom tavenia, čo vyvolá chemickú zmenu. U svetlých plastov pôsobením laseru vznikajú zuhoľnatené častice, čo vedie k tmavému zafarbeniu plastu. Napríklad číry či biely polykarbonát môže po prechode laserového pulzu získať sivú až čiernu farbu.
-
Penenie (foaming): Ak laserový lúč nataví plast a následne sa materiál rýchlo ochladí, môžu vo vnútri vzniknúť drobné plynové bublinky. Tie rozptyľujú dopadajúce svetlo, takže značená oblasť sa javí opticky svetlejšia než okolie. Tomuto javu hovoríme penenie a využíva sa hlavne u tmavých plastov, kde vytvorí svetlosivý alebo biely popis. Napríklad u čierneho ABS plastu možno vhodnými krátkymi pulzmi dosiahnuť bublinkovú štruktúru a tým biele značenie.
-
Gravírovanie: Pri vyššej energii môže laser plast odpariť alebo spáliť. Tým sa vytvára zahlbený reliéf. Okraje bývajú mierne natavené. Tento proces sa používa skôr u hrubších plastových dielov alebo ak nevadí mierne narušenie povrchu. Napríklad do silného akrylátu (PMMA) možno CO₂ laserom vygravírovať text do niekoľkých desatín mm hĺbky. U tenkých plastov (fólie) by však prerazil skrz.
Každý plast sa pri značení správa inak. Niektoré termoplasty sa taví a penenie sa darí, iné termosety skôr horia a karbonizujú. Niektoré polyméry samy o sebe zle absorbujú určitú vlnovú dĺžku, a preto sa do nich pri výrobe pridávajú špeciálne aditíva (napr. kovové alebo keramické mikročastice, pigmenty na báze oxidu titaničitého a pod.), aby lepšie reagovali na laser. Ak určitý plast nemožno bez aditív značiť, rieši sa to buď úpravou materiálu (prísady pre laser), alebo použitím odlišnej vlnovej dĺžky laseru (napr. zelený 532 nm či UV 355 nm laser pre číre plasty).
Biele plasty (napr. biele ABS s priehľadným vrchným lakom) sa môžu pri laserovaní dopadnúť nepekne – priehľadná vrstva sa roztaví. Riešením je použiť krátkopulzný laser s nízkou frekvenciou, aby došlo skôr k karbonizácii spodnej vrstvy a vznikol tmavý popis pod povrchom. To umožní získať krásne čierne logo na bielom plaste, bez toho aby sa okolie roztieklo.
Vhodný typ lasera
Plasty možno značiť vláknovými aj CO₂ lasermi, voľba závisí na druhu plastu a požiadavke.
-
CO₂ laser (10,6 µm) je všeobecne veľmi vhodný pre väčšinu organických materiálov, teda aj pre mnoho plastov. Väčšina plastov absorbuje túto vlnovú dĺžku pomerne dobre – CO₂ laser povrch ohreje a spôsobí zhnednutie alebo vypenenie. Napríklad akryláty, polykarbonáty, ABS, polystyrén, PE/PP a ďalšie možno CO₂ laserom značiť. Výhodou CO₂ laseru je, že vie rýchlo pokryť aj väčšie plochy a ľahko prereže tenké fólie, takže vie zároveň tvarovať obalové materiály. Nevýhodou býva väčšia veľkosť lúča a teda nižšie rozlíšenie jemných detailov a tepelné ovplyvnenie okolia značky. CO₂ lúč má totiž tendenciu viac taviť a zuhoľnatievať okolie, čo môže byť u jemnej elektroniky nežiadúce (u väčších plastových dielov to nevadí).
-
Vláknový laser (1,06 µm) sa využíva pre plasty hlavne v priemyselných aplikáciách, kde sa laserom značí striedavo kovy aj plasty na jednej linke. Výhodou vláknového laseru je univerzálnosť pre kovy aj niektoré plasty. Nie každý plast však túto vlnovú dĺžku dobre absorbuje; spravidla musí obsahovať pigmenty alebo aditíva. Ak plast absorbuje, vláknový laser umožňuje veľmi rýchle a jemné značenie s malým priemerom lúča (typicky ~30–50 µm), takže zvládne mikrokódy, malé popisky a grafiku s vysokým rozlíšením. Pri tmavých plastoch vláknový laser často spôsobuje penenie a svetlý popis; pri svetlých plastoch zas karbonizáciu a tmavý popis. Na rozdiel od CO₂ laseru vláknový nespôsobuje také rozsiahle tepelné rozliatie – zóna ohrevu je malá, takže okolie zostáva neporušené. Preto sa vláknové lasery používajú napríklad na značenie jemných plastových súčiastok v elektronike (konektory, kryty čipov a pod.), kde sa vyžaduje precízny malý kód. V prípadoch, keď plast 1064 nm neabsorbuje (napr. číre plasty), sa volí buď pridanie absorbéra (napr. farebný pigment), alebo nasadenie špeciálneho laseru s kratšou vlnovou dĺžkou (UV laser dokáže značiť aj úplne číre plasty bez pigmentu, ale to je už iná technológia).
Odporúčané parametre
Pri plastoch všeobecne platí, že sa značia vyššou rýchlosťou a nižším výkonom než kovy. Dôvodom je nižšia teplotná odolnosť – plast sa ľahko prepáli. Typicky sa volia rýchlosti skenovania v rozmedzí stoviek mm/s až jednotiek m/s. Bežná je napríklad rýchlosť 400–1000 mm/s. Výkon vláknového laseru postačuje menší: už ~20W vláknový laser dokáže väčšinu plastov popísať, takže bežne sa nastavuje okolo 30 W a viac nie je potrebné (na rozdiel od kovov, kde sa začína od 50 W vyššie).
Frekvencia pulzov býva pri plastoch vyššia (napr. 50–100 kHz), aby pulzy mali menej energie na jednotku. To podporuje skôr jemnú tepelnú reakciu (odfarbenie) než hrubé odoberanie materiálu. Pri vláknových MOPA laserov je dôležitou premennou dĺžka pulzu: krátke pulzy (napr. 4 ns) môžu vytvárať iný efekt než dlhšie (200 ns). Pri penení tmavých plastov sa často osvedčia dlhšie pulzy so strednou energiou, zatiaľ čo pri karbonizácii svetlých skôr krátke intenzívne pulzy.
CO₂ lasery nemajú nastavovanie pulzov také flexibilné (často ide o kontinuálne zdroje), takže sa ladí najmä výkon a rýchlosť: napr. pri tenkej fólii sa zvolí nižší výkon a rýchly pohyb, aby sa len zmenila farba; pri hrubšom plaste sa môže spomaliť na gravírovanie. Vždy je cieľom neprehriať materiál skrz (neprepáliť dieru), ak to nie je žiaduce.
Výhody a nevýhody
Laserové značenie plastov je bezkontaktné a veľmi rýchle. Popis je samozrejme nezmazateľný, odolný voči chemikáliám a oderu. Ďalšou výhodou je, že niektoré lasery (napr. UV) dokážu značiť plast bez narušenia povrchu. Materiál iba zmení farbu, ale povrch zostáva hladký.
Nevýhodou môže byť, že nie každý plast reaguje dobre. Niekedy je nutná drahšia varianta materiálu s aditívami. Spaliny z plastov sú toxické, takže je nevyhnutné kvalitné odsávanie (napr. PVC sa laserom takmer neznakováva, pretože uvoľňuje chlór). Značenie svetlých plastov vláknovým laserom môže mať nižší kontrast, ak materiál neobsahuje vhodné zložky. V takom prípade je vhodnejší CO₂ laser, ktorý povrch mierne opáli dohneda.
Celkovo však laser ponúka jedinečnú flexibilitu: umožňuje značenie širokej škály plastov (ABS, polykarbonát, polyamid, PMMA atď.) a voľbou vhodného modelu laseru a parametrov značenia sa dá prispôsobiť konkrétnemu polyméru.