การมาร์กไนลอนด้วยไฟเบอร์เลเซอร์ (พอลิเอไมด์)

วิธีการมาร์กและแกะสลักพลาสติกไนลอน (พอลิเอไมด์) ด้วยไฟเบอร์เลเซอร์

บทคัดย่อ

ผู้ใช้ไฟเบอร์เลเซอร์มักประสบปัญหาในการมาร์กหรือแกะสลักไนลอน กุญแจสำคัญในการให้ได้ความคมชัดของรอยมาร์กคุณภาพสูงคือการผสมสารเติมแต่งที่ช่วยเพิ่มการตอบสนองต่อเลเซอร์เข้าไปในเนื้อไนลอนระหว่างกระบวนการขึ้นรูป ไม่ว่าจะใช้ในรูปแบบสีเข้มข้นหรือวัสดุที่ผ่านการคอมพาวด์มาแล้ว ประโยชน์ของการมาร์กไนลอนด้วยเลเซอร์ได้เปลี่ยนโฉมหลายอุตสาหกรรม รวมถึงอุตสาหกรรมอาวุธปืน โดยทำให้สามารถระบุเอกลักษณ์เฉพาะของชิ้นงานแต่ละชิ้น สร้างรหัส Data Matrix และ QR ตลอดจนการปรับแต่งเฉพาะราย

ประเด็นสำคัญ

• ไนลอนที่ไม่ผ่านการปรับสูตรให้รอยมาร์กคุณภาพต่ำ พอลิเอไมด์ดูดกลืนพลังงานได้น้อยที่ช่วง 1060–1070 nm ความคมชัดจึงขึ้นอยู่กับสารเติมแต่งสำหรับการมาร์กด้วยเลเซอร์
• คู่สีที่ให้ความคมชัดดีที่สุดคือ สีขาวทึบบนพื้นดำ สีดำสนิทบนพื้นขาว และสีขาวทึบบนพื้นน้ำเงินกลาง
• ไฟเบอร์เลเซอร์อิตเทอร์เบียมแบบ MOPA คือเครื่องมือที่เหมาะสม โดยความกว้างพัลส์ต่ำกว่าประมาณ 90 ns เหมาะกับพลาสติก
• ปริมาณการเติมอยู่ในช่วง 0.01–3.0% โดยน้ำหนัก และการกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งชิ้นงานคือสิ่งที่ทำให้ความคมชัดเกิดซ้ำได้อย่างคงที่
• ไนลอนเสริมใยแก้วยิ่งมาร์กได้ยากกว่า เนื่องจากพื้นผิวที่มีใยแก้วหนาแน่นให้รอยมาร์กที่ไม่ดี จึงจำเป็นต้องได้พื้นผิวที่อุดมด้วยเนื้อเรซิน

พลาสติกไนลอนมีการใช้งานหลากหลาย ทั้งอาวุธปืน ยานยนต์ ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ ผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม สินค้าสิ้นเปลือง และน้ำมันและก๊าซ อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติทางกายภาพ ทางเคมี และคุณสมบัติพื้นผิวของไนลอน (พอลิเอไมด์) ที่แตกต่างกัน โดยเฉพาะไนลอนเสริมใยแก้ว ทำให้การมาร์กและการแกะสลักด้วยเลเซอร์เป็นเรื่องท้าทาย คู่สีที่นิยมมากที่สุดคือ สีขาวทึบบนพื้นดำ สีดำสนิทบนพื้นขาว และสีขาวทึบบนพื้นน้ำเงินกลาง เมื่อผสมสารเติมแต่งสำหรับการมาร์กด้วยเลเซอร์เข้ากับเม็ดสีและสีย้อมที่เหมาะสม จะให้คุณภาพของรอยมาร์กที่เหนือกว่าด้วยต้นทุนต่ำ สารเติมแต่งสำหรับการมาร์กด้วยเลเซอร์ถูกนำไปใช้กับพลาสติกหลายชนิด ได้แก่ ABS อะซีทัล (POM) PET PVC พอลิคาร์บอเนต พอลิโพรพิลีน และพอลิเอทิลีน

ไนลอนพอลิเอไมด์

พอลิเอไมด์ หรือที่รู้จักกันในชื่อไนลอน เป็นเทอร์โมพลาสติกกลุ่มสำคัญที่ใช้ในงานสมรรถนะสูง โครงสร้างประกอบด้วยพันธะเอไมด์ คือ –CO-NH– ไนลอนสังเคราะห์ขึ้นด้วยกระบวนการพอลิคอนเดนเซชัน ซึ่งไดเอมีนทำปฏิกิริยากับไดแอซิด หรือด้วยพอลิเมอไรเซชันแบบเปิดวงของแลกแตมที่มีอะตอมคาร์บอน 6, 11 หรือ 12 อะตอม มอนอเมอร์ของไนลอนอาจเป็นแบบอะลิฟาติก กึ่งอะโรมาติก หรืออะโรมาติก (อะรามิด) และมีโครงสร้างได้ตั้งแต่แบบอสัณฐาน กึ่งผลึก ไปจนถึงระดับความเป็นผลึกที่มากหรือน้อยแตกต่างกัน พอลิเอไมด์หลักสองชนิดคือ พอลิ(เฮกซะเมทิลีนอะดิพาไมด์) (ไนลอน 6,6) และพอลิคาโปรแลกแทม (ไนลอน 6) พอลิเอไมด์แบบอะลิฟาติกได้แก่ ไนลอน 12, 69, 6-10, 6-12, 46 และ 1212 ส่วนพลาสติกวิศวกรรมชีวฐานที่รู้จักกันในชื่อไนลอน 11 ผลิตจากทรัพยากรหมุนเวียน โดยเฉพาะต้นละหุ่ง

กลไกการเกิดปฏิกิริยาที่พื้นผิวในการมาร์กด้วยเลเซอร์

พลาสติกที่มาร์กด้วยเลเซอร์ได้มีคุณลักษณะเด่นคือความสามารถในการดูดกลืนแสงเลเซอร์แล้วเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อน ในช่วงความยาวคลื่นอินฟราเรดใกล้ (NIR) ระหว่าง 1060nm-1070nm เลเซอร์ที่ใช้กันทั่วไปมีสามประเภท ได้แก่ ไฟเบอร์เลเซอร์อิตเทอร์เบียม (แบบ MOPA และแบบพัลส์คงที่) วานาเดต (Nd:YVO4) และ Nd:YAG ขึ้นอยู่กับประเภทของเลเซอร์และความคมชัดของรอยมาร์กที่ต้องการ สามารถเลือกใช้สูตรเคมีได้หลากหลายเพื่อให้เกิดปฏิกิริยาที่พื้นผิว เช่น การเกิดคาร์บอนไนเซชันจนไหม้เกรียม การเปลี่ยนแปลงทางเคมีจนเกิดฟอง และการเปลี่ยนสี เลเซอร์เครื่องเดียวกันสามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาพื้นผิวได้ทุกรูปแบบด้วยการปรับค่าในซอฟต์แวร์มาร์ก (กำลัง อัตราการซ้ำของพัลส์ และความเร็วในการมาร์ก) เลเซอร์ CO2 แบบคลื่นต่อเนื่อง (CW) มีความยาวคลื่น 10.6 ไมครอน (ช่วงอินฟราเรดไกล) เลเซอร์ CO2 แบบ CW มีกำลังสูงสุดต่ำกว่า และไม่สามารถสร้างรอยมาร์กที่มีความคมชัดสูงบนพลาสติกได้

สารเติมแต่งสำหรับการมาร์กด้วยเลเซอร์

เนื่องจากพอลิเมอร์ส่วนใหญ่มีคุณสมบัติการดูดกลืนที่จำกัดในช่วงความยาวคลื่นนี้ (NIR) และไม่สามารถให้ความคมชัดที่สังเกตเห็นได้ ผู้เชี่ยวชาญจึงใช้สารเติมแต่ง สารตัวเติม เม็ดสี และสีย้อมหลายชนิดเพื่อเพิ่มการดูดกลืนและให้ได้คุณภาพความคมชัดสูง สารเติมแต่งช่วยเพิ่มระดับความคมชัดของสี (การดูดกลืนแสงเลเซอร์) ซึ่งจะดียิ่งขึ้นเมื่อเลือกเลเซอร์และพารามิเตอร์การมาร์กได้เหมาะสมที่สุด ตรงข้ามกับความเชื่อทั่วไป ไม่มีสารเติมแต่งชนิดใดชนิดหนึ่งที่ใช้ได้กับทุกกรณี

สารเติมแต่งบางชนิดมีส่วนผสมของทินออกไซด์ที่เจือด้วยแอนติโมนีและแอนติโมนีไตรออกไซด์ ซึ่งอาจทำให้ความทึบแสงของวัสดุรองรับตามธรรมชาติ (ไม่ผสมสี) ดูออกโทน “เทา” สารเติมแต่งชนิดอื่นอาจมีอนุภาคอะลูมิเนียม ออกไซด์ของโลหะผสม หรือสารประกอบเฉพาะของผู้ผลิต การปรับสีทำได้ด้วยเม็ดสีและสีย้อมเพื่อให้ได้ลักษณะสีที่ตรงตามต้องการ สารเติมแต่งบางรายการได้รับการรับรองจาก FDA ให้ใช้ในงานสัมผัสอาหารและบรรจุภัณฑ์อาหารภายใต้เงื่อนไข A-H ของ 21 CFR 178.3297 Colorants for Polymers

สารเติมแต่งสำหรับการมาร์กด้วยเลเซอร์มีจำหน่ายทั้งในรูปเม็ดแกรนูลและแบบผง ผลิตภัณฑ์แบบเม็ดจะผสมเข้ากับเรซินพอลิเมอร์โดยตรง ส่วนแบบผงจะถูกแปรรูปเป็นมาสเตอร์แบตช์ ระดับความเข้มข้นของการเติมโดยน้ำหนัก (ในชิ้นงานสำเร็จ) โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 0.01 ถึง 3.0% เพื่อให้ได้ความคมชัดของสีที่ดีที่สุด สารเติมแต่งสำหรับการมาร์กด้วยเลเซอร์ต้องกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งชิ้นงานแต่ละชิ้น

ไฟเบอร์เลเซอร์

ไฟเบอร์เลเซอร์อิตเทอร์เบียมระดับนาโนวินาที (แบบ MOPA และแบบพัลส์คงที่) เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการมาร์ก การแกะสลัก และการกัดผิวพลาสติก เนื่องจากมีคุณภาพลำแสง (M2) ที่เหนือกว่าและมีความสว่างเชิงรังสี “radiance” สูง สามารถโฟกัสให้ได้ขนาดจุดเล็ก (น้อยกว่า 20 ไมครอน) จึงให้ความหนาแน่นพลังงานสูง ข้อได้เปรียบสำคัญประการหนึ่งของการใช้เลเซอร์แบบ MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) คือความสามารถในการปรับความกว้างพัลส์อย่างละเอียด ความกว้างพัลส์ต่ำ โดยทั่วไปน้อยกว่า 90 นาโนวินาที เหมาะที่สุดสำหรับการมาร์กวัสดุพลาสติก

ความเข้มรังสีเลเซอร์ (W/cm2) และฟลูเอนซ์ (J/cm2) เป็นพารามิเตอร์สำคัญในการมาร์กพลาสติก ความเข้มได้รับอิทธิพลจากความถี่พัลส์ กำลังเลเซอร์ ขนาดจุดโฟกัส และความกว้างพัลส์ ส่วนฟลูเอนซ์ได้รับอิทธิพลจากความเข้มของลำแสง ความเร็วในการสแกน การซ้อนทับของพัลส์ และเส้นผ่านศูนย์กลางลำแสงที่จุดโฟกัส อัตราการซ้ำของพัลส์และความหนาแน่นกำลังสูงสุดเป็นพารามิเตอร์วิกฤตต่อการเกิดรอยมาร์ก และต่อการให้ความคมชัดและความเร็วที่เหมาะสมที่สุด กำลังสูงสุดที่สูงร่วมกับความถี่ต่ำจะเพิ่มอุณหภูมิพื้นผิวอย่างรวดเร็ว ทำให้วัสดุระเหยกลายเป็นไอโดยนำความร้อนเข้าสู่วัสดุรองรับน้อยที่สุด เมื่ออัตราการซ้ำของพัลส์เพิ่มขึ้น กำลังสูงสุดที่ต่ำลงจะทำให้เกิดการระเหยน้อยลงแต่นำความร้อนเข้าไปมากขึ้น เส้นโค้งเชิงเลขคณิตระหว่างกำลังกับอัตราการซ้ำของพัลส์แปรผกผันกัน

คำถามที่พบบ่อย

เหตุใดไฟเบอร์เลเซอร์จึงมาร์กไนลอนได้ไม่ชัดเจน

พอลิเอไมด์มีการดูดกลืนที่จำกัดในย่านอินฟราเรดใกล้ซึ่งเป็นย่านที่ไฟเบอร์เลเซอร์อิตเทอร์เบียมทำงาน พลังงานส่วนใหญ่จึงไม่ถูกเปลี่ยนเป็นปฏิกิริยาความร้อนที่ก่อให้เกิดรอยมาร์ก ทางแก้คือการผสมสารเติมแต่งที่ช่วยเพิ่มการตอบสนองต่อเลเซอร์เข้าไปในเนื้อวัสดุ ไม่ใช่การเพิ่มกำลังเลเซอร์

สารเติมแต่งชนิดใดที่ใช้สำหรับการมาร์กไนลอนด้วยเลเซอร์

ส่วนผสมของทินออกไซด์ที่เจือด้วยแอนติโมนีและแอนติโมนีไตรออกไซด์เป็นชนิดที่ใช้กันทั่วไป แม้อาจทำให้วัสดุรองรับที่ไม่ผสมสีมีโทนออกเทา ชนิดอื่นใช้อนุภาคอะลูมิเนียม ออกไซด์ของโลหะผสม หรือสารประกอบเฉพาะของผู้ผลิต โดยเติมเม็ดสีและสีย้อมเพื่อให้ได้สีสุดท้ายตรงตามที่กำหนด

ไนลอนที่ผ่านการมาร์กด้วยเลเซอร์ใช้กับชิ้นงานที่สัมผัสอาหารได้หรือไม่

ใช้ได้ หากเลือกสารเติมแต่งที่ถูกต้อง สารเติมแต่งบางรายการได้รับการรับรองจาก FDA สำหรับงานสัมผัสอาหารและบรรจุภัณฑ์อาหารภายใต้เงื่อนไข A–H ของ 21 CFR 178.3297, Colorants for Polymers ทั้งนี้ควรตรวจสอบว่าการรับรองครอบคลุมเกรดวัสดุและปริมาณการเติมที่ใช้งานจริง

ควรใช้ความกว้างพัลส์เท่าใดกับไนลอน

ควรใช้พัลส์สั้น สำหรับเลเซอร์แบบ MOPA ความกว้างพัลส์ต่ำกว่าประมาณ 90 นาโนวินาทีเหมาะกับพลาสติก เพราะให้กำลังสูงสุดที่สูงซึ่งเพิ่มอุณหภูมิพื้นผิวได้อย่างรวดเร็ว โดยนำความร้อนเข้าสู่วัสดุรองรับน้อยที่สุด

เหตุใดไนลอนเสริมใยแก้วจึงมาร์กได้ยากกว่าไนลอนที่ไม่เสริมใยแก้ว

ใยแก้วไม่ดูดกลืนรังสีอินฟราเรดใกล้และยังกระเจิงลำแสง พื้นผิวที่มีใยแก้วหนาแน่นจึงให้รอยมาร์กที่จางและไม่สม่ำเสมอ ต้องปรับกระบวนการขึ้นรูปให้ได้พื้นผิวที่อุดมด้วยเนื้อเรซิน ดูเพิ่มเติมเรื่องการโผล่ของใยแก้วที่ผิวกับการมาร์กด้วยเลเซอร์

Scott R. Sabreen เป็นผู้ก่อตั้งและประธานของ The Sabreen Group, Inc. บริษัทวิศวกรรมที่เชี่ยวชาญด้านการแปรรูปพลาสติกขั้นที่สอง ได้แก่ การปรับสภาพพื้นผิว การยึดติด การตกแต่งและการเก็บงานผิว การมาร์กด้วยเลเซอร์ และความปลอดภัยของผลิตภัณฑ์ เขาพัฒนาเทคโนโลยีใหม่และแก้ปัญหาด้านการผลิตมากว่า 30 ปี ติดต่อ Sabreen ได้ที่ 972.820.6777 หรือเยี่ยมชม www.sabreen.com หรือ www.adhesionbonding.com

---