การมาร์ก PPS ด้วยไฟเบอร์เลเซอร์ MOPA

การมาร์ก PPS (พอลิฟีนิลีนซัลไฟด์) ด้วยไฟเบอร์เลเซอร์

บทคัดย่อ

การมาร์กและการแกะสลักบน PPS (พอลิฟีนิลีนซัลไฟด์) ทำได้ยากมาก เนื่องจากวัสดุทนต่ออุณหภูมิสูงเมื่อได้รับความร้อนจากเลเซอร์ ความก้าวหน้าล่าสุดของเทคโนโลยีสารให้สี คาร์บอนแบล็กที่ออกแบบมาเฉพาะสำหรับเลเซอร์ และไฟเบอร์เลเซอร์ ทำให้สามารถมาร์ก PPS เสริมใยแก้วสีดำให้ได้รอยมาร์กสีอ่อนที่มีความคมชัดสูงและทนต่อการขูดขีด อีกทั้งผ่านการรับรอง Yellow Card ความก้าวหน้าสำคัญนี้เปิดทางให้การมาร์กและไมโครมาร์ก Data Matrix บาร์โค้ด QR code และรหัสระบุชิ้นงานเฉพาะราย ในหลายภาคอุตสาหกรรม ทั้งยานยนต์ อากาศยาน/อิเล็กทรอนิกส์ระดับ NASA MIL ปั๊มและวาล์ว เครื่องใช้ไฟฟ้า และอื่น ๆ ทั้งนี้การตั้งค่าและระบบทัศนศาสตร์ของไฟเบอร์เลเซอร์ชนิดอิตเทอร์เบียมต้องมีความแม่นยำ จึงจะได้รอยมาร์กที่แข็งแรงและทนต่อการขูดขีด

ประเด็นสำคัญ

• PPS มาร์กได้ยากเพราะทนความร้อน ความเสถียรที่อุณหภูมิสูงทำให้ปฏิกิริยาที่พื้นผิวซึ่งก่อให้เกิดความคมชัดถูกกระตุ้นได้ยาก
• ไฟเบอร์เลเซอร์อิตเทอร์เบียมแบบ MOPA คือทางเลือกที่ถูกต้อง โดยใช้ความกว้างพัลส์ 20-40 ns และความถี่พัลส์สูงกว่า 100 kHz
• การควบคุมอุณหภูมิพื้นผิวเป็นตัวชี้ขาดความทนต่อการขูดขีด หากกำหนดเวลาขาขึ้นและขาลงของอุณหภูมิผิดพลาด รอยมาร์กจะหลุดลอกออก
• พื้นผิวที่มีเรซินสูงเป็นสิ่งจำเป็น การเกิดใยแก้วโผล่ที่ผิวบน PPS เสริมใยแก้ว 30-40% ทำให้ได้รอยมาร์กที่ด้อยคุณภาพ
• ต้องฉีดขึ้นรูปที่อุณหภูมิแม่พิมพ์ 275-300°F ขึ้นไปเพื่อให้เกิดผลึกอย่างสมบูรณ์ มิฉะนั้นชิ้นงานจะเปลี่ยนแปลงขนาดระหว่างการใช้งาน

การมาร์กด้วยเลเซอร์ที่เหมาะสมที่สุด สำหรับการสร้างรอยมาร์กสีอ่อนที่มีความคมชัดสูงและทนต่อการขูดขีดบน PPS เสริมใยแก้วสีดำ ไฟเบอร์เลเซอร์อิตเทอร์เบียมแบบ MOPA คือทางเลือกที่ดีที่สุด เพราะสามารถควบคุมความกว้างพัลส์และความหนาแน่นกำลังงาน ณ จุดโฟกัสได้อย่างแม่นยำ ความแม่นยำนี้ช่วยให้ควบคุมกระบวนการเกิดฟองทางเคมีที่พื้นผิวได้ดีขึ้นที่ความยาวคลื่นย่านอินฟราเรดใกล้ 1060-1070nm ความกว้างพัลส์ที่ดีที่สุดอยู่ระหว่าง 20 ถึง 40 นาโนวินาที ร่วมกับความถี่พัลส์สูงกว่า 100 กิโลเฮิรตซ์ การตั้งค่าเลเซอร์อย่างแม่นยำจำเป็นต่อการควบคุมอุณหภูมิพื้นผิว (เวลาขาขึ้นและขาลง) มิฉะนั้นรอยมาร์กจะถูกขูดออกได้ง่าย

การจะได้การมาร์กด้วยเลเซอร์คุณภาพสูงบนพอลิเมอร์เสริมใยแก้วรวมถึง PPS จำเป็นต้องมีกระบวนการฉีดขึ้นรูปที่มีเสถียรภาพ ควบคู่กับการกระจายและการแจกแจงตัวที่สม่ำเสมอของสารให้สีที่ปรับให้เหมาะกับเลเซอร์และวัสดุที่ผ่านการคอมปาวด์ล่วงหน้า การเติมใยแก้วอาจส่งผลเสียต่อกระบวนการขึ้นรูป ซึ่งส่งผลต่อเนื่องถึงคุณภาพของการมาร์กด้วยเลเซอร์ พื้นผิวชิ้นงานที่มีเรซินสูงจึงจำเป็นต่อการได้รอยมาร์กที่แข็งแรง ส่วนพื้นผิวที่มีใยแก้วหนาแน่นจะให้ผลการมาร์กที่ด้อยกว่า

พอลิฟีนิลีนซัลไฟด์ (PPS)

พอลิฟีนิลีนซัลไฟด์ (PPS) เป็นเทอร์โมพลาสติกวิศวกรรมชนิดกึ่งผลึกที่ทนอุณหภูมิสูง ในวงการอุตสาหกรรม PPS เป็นที่รู้จักในฐานะพลาสติกที่ให้สมรรถนะเทียบเท่าโลหะ สมบัติของ PPS เช่นเดียวกับพลาสติกสมรรถนะสูงทนอุณหภูมิชนิดอื่นอย่าง PEEK และ LCP ขึ้นอยู่กับพฤติกรรมการเกิดผลึก PPS ที่จำหน่ายมีสองรูปแบบที่แตกต่างกัน ได้แก่ โครงสร้างโมเลกุลแบบกิ่ง (Branched) และแบบเส้นตรง (Linear) แบรนด์ที่เป็นที่รู้จักมากที่สุด ได้แก่ Celanese Fortron® Solvay Ryton®, SABIC Supec, Toray Torelina และ DIC PPS โดยชนิดแบบกิ่งมักมีความแข็งเกร็งมากกว่า ส่วนชนิดแบบเส้นตรงมักให้ความแข็งแรงเชิงกลและความแข็งแรงต่อการดัดโค้งที่ดีกว่า รวมถึงมีเสถียรภาพในสถานะหลอมเหลวสูงกว่า อีกทั้ง PPS แบบเส้นตรงยังมีสิ่งเจือปนไอออนิกน้อยกว่า การเสริมใยแก้ว (30 เปอร์เซ็นต์ และ 40 เปอร์เซ็นต์) และการผสมใยแก้ว/แร่ธาตุเข้ากับ PPS มาตรฐาน ช่วยให้รองรับการใช้งานเฉพาะทางที่มีข้อกำหนดสูงได้ ผู้ผลิตอิเล็กทรอนิกส์นิยมเลือกใช้ PPS เสริมใยแก้ว 40 เปอร์เซ็นต์ สำหรับผลิตภัณฑ์ฉนวนและคอนเนกเตอร์

การทำให้เกิดสถานะผลึกอย่างสมบูรณ์ต้องใช้อุณหภูมิแม่พิมพ์อย่างน้อย 275 ถึง 300 องศาฟาเรนไฮต์ เมื่อฉีดขึ้นรูป PPS ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 275 องศาฟาเรนไฮต์ ชิ้นงานที่ได้จะมีโครงสร้างแบบอสัณฐานหรือกึ่งผลึก และคงสภาพเช่นนั้นจนกว่าจะสัมผัสกับอุณหภูมิใช้งานที่สูงขึ้น หากอุณหภูมิใช้งานสูงกว่าอุณหภูมิขณะขึ้นรูป ชิ้นงานจะเกิดผลึกมากขึ้น ส่งผลให้ขนาดและสมบัติเปลี่ยนแปลงไป

วัตถุดิบที่ใช้ผลิตใยแก้ว ได้แก่ ซิลิกา หินปูน และโซดาแอช โดยซิลิกาเป็นวัตถุดิบหลักในการก่อรูปแก้ว ขณะที่โซดาแอชและหินปูนใช้เพื่อลดอุณหภูมิหลอมเหลว การเกิดใยแก้วโผล่ที่ผิว (glass emergence) เป็นข้อบกพร่องที่พื้นผิวซึ่งร้ายแรงและพบได้บ่อยในชิ้นงานฉีดขึ้นรูปที่เสริมใยแก้ว การที่ใยแก้วโผล่ออกมาทำให้พื้นผิวมีใยแก้วหนาแน่น โดยแก้วส่วนเกินจะก่อตัวขึ้นที่ผิวระหว่างการไหลเติมของพลาสติกหลอมเหลวและการขึ้นรูป หลังการควบแน่นและขึ้นรูปเสร็จ จะปรากฏรอยสีขาวบนพื้นผิว พื้นผิวของชิ้นงานฉีดขึ้นรูปจึงต้องมีเรซินสูง (resin-rich) เพื่อให้ได้รอยมาร์กคุณภาพสูง โดยพลังงานจากเลเซอร์จะเข้าทำปฏิกิริยากับเมทริกซ์ของพอลิเมอร์ ในทางกลับกัน พื้นผิวที่มีใยแก้วหนาแน่นจะมาร์กได้ไม่ดี และปัญหาจะรุนแรงขึ้นเมื่อปริมาณใยแก้วสูงขึ้น เนื่องจากใยแก้วเองไม่ใช่ตัวดูดกลืนแสงเลเซอร์ย่านอินฟราเรดใกล้ (NIR) ที่ดี

ไฟเบอร์เลเซอร์สำหรับงานอุตสาหกรรม

ไฟเบอร์เลเซอร์อิตเทอร์เบียมระดับนาโนวินาที (ทั้งแบบ MOPA และแบบพัลส์คงที่) เหมาะอย่างยิ่งกับการมาร์ก การแกะสลัก และการกัดผิวพลาสติก ด้วยคุณภาพลำแสงที่เหนือกว่า (M2) และความสว่างเชิงรังสี (radiance) ที่สูง สามารถโฟกัสให้ได้จุดขนาดเล็ก (น้อยกว่า 20 ไมครอน) จึงให้ความหนาแน่นพลังงานสูง ข้อได้เปรียบสำคัญประการหนึ่งของการใช้เลเซอร์แบบ MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) คือความสามารถในการปรับความกว้างพัลส์อย่างละเอียด ค่าความเข้มรังสีของเลเซอร์ (irradiance, W/cm2) และค่าฟลูเอนซ์ (fluence, J/cm2) เป็นพารามิเตอร์สำคัญในการมาร์กพลาสติก ความเข้มรังสีคือความเข้มของลำเลเซอร์ ซึ่งเป็นฟังก์ชันของขนาดจุดโฟกัส ส่วนฟลูเอนซ์เป็นตัวกำหนดปริมาณพลังงานที่ถ่ายเทสู่พื้นผิววัสดุ หากฟลูเอนซ์ต่ำเกินไป วัสดุอาจไม่เกิดการเปลี่ยนแปลงใด ๆ เลย แต่หากสูงเกินไป วัสดุอาจเสียหายมากเกินกว่าผลการมาร์กที่ต้องการ

อัตราการยิงพัลส์ซ้ำของเลเซอร์และความหนาแน่นกำลังงานสูงสุดมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการก่อรูปรอยมาร์ก และต่อการได้ความคมชัดและความเร็วที่เหมาะสมที่สุด เส้นโค้งความสัมพันธ์ระหว่างกำลังงานกับอัตราการยิงพัลส์ซ้ำเป็นสัดส่วนผกผันกัน กำลังงานสูงสุดที่สูงร่วมกับความถี่ต่ำจะเพิ่มอุณหภูมิพื้นผิวอย่างรวดเร็ว ทำให้วัสดุระเหยกลายเป็นไอ ขณะที่นำความร้อนเข้าสู่วัสดุรองรับน้อยที่สุด เมื่ออัตราการยิงพัลส์ซ้ำเพิ่มขึ้น กำลังงานสูงสุดที่ลดลงจะทำให้เกิดการระเหยน้อยลง แต่นำความร้อนเข้าสู่เนื้อวัสดุมากขึ้น

ติดต่อ The SABREEN Group เพื่อดูรายละเอียดเพิ่มเติม พร้อมรับโจทย์การมาร์กด้วยเลเซอร์ที่ท้าทายที่สุด

คำถามที่พบบ่อย

เหตุใด PPS จึงมาร์กด้วยเลเซอร์ได้ยาก

PPS เป็นเทอร์โมพลาสติกกึ่งผลึกที่ทนอุณหภูมิสูง จึงทนต่อความร้อนที่เลเซอร์ป้อนเข้าไป ทำให้ปฏิกิริยาคาร์บอไนเซชันและการเกิดฟองซึ่งสร้างความคมชัดในพลาสติกทั่วไปถูกกระตุ้นได้ยากกว่ามาก อีกทั้งการเสริมใยแก้วซึ่งพบได้ทั่วไปในชิ้นงาน PPS ยังทำให้ปัญหารุนแรงยิ่งขึ้น

ค่าตั้งเลเซอร์แบบใดจึงให้รอยมาร์กที่ทนต่อการขูดขีดบน PPS เสริมใยแก้วสีดำ

ไฟเบอร์เลเซอร์อิตเทอร์เบียมแบบ MOPA ที่ใช้ความกว้างพัลส์ระหว่าง 20 ถึง 40 นาโนวินาที และความถี่พัลส์สูงกว่า 100 kHz การตั้งค่าอย่างแม่นยำคือสิ่งที่ควบคุมเวลาขาขึ้นและขาลงของอุณหภูมิพื้นผิว หากขาดการควบคุมดังกล่าว รอยมาร์กจะถูกขูดออกได้ง่าย

ปริมาณใยแก้วส่งผลต่อคุณภาพการมาร์กบน PPS หรือไม่

ส่งผลอย่างมาก ใยแก้วไม่ดูดกลืนรังสีย่านอินฟราเรดใกล้ พื้นผิวที่มีใยแก้วหนาแน่นจึงมาร์กได้ไม่ดี และปัญหาจะรุนแรงขึ้นเมื่อปริมาณใยแก้วสูงขึ้น คอนเนกเตอร์อิเล็กทรอนิกส์นิยมใช้ PPS เสริมใยแก้ว 40% ซึ่งทำให้การสร้างพื้นผิวที่มีเรซินสูงเป็นสิ่งที่ต้องให้ความสำคัญเป็นลำดับต้นในกระบวนการฉีดขึ้นรูป

PPS ต้องใช้อุณหภูมิแม่พิมพ์เท่าใด

อย่างน้อย 275 ถึง 300°F จึงจะเข้าสู่สถานะผลึกอย่างสมบูรณ์ หากขึ้นรูปที่อุณหภูมิต่ำกว่านั้น ชิ้นงานจะยังคงเป็นแบบอสัณฐานหรือกึ่งผลึก และจะเกิดผลึกขึ้นภายหลังเมื่ออุณหภูมิใช้งานสูงกว่าอุณหภูมิขณะขึ้นรูป ส่งผลให้ขนาดและสมบัติเปลี่ยนแปลง

PPS แบบเส้นตรงกับแบบกิ่งต่างกันอย่างไร

PPS แบบกิ่งมักมีความแข็งเกร็งมากกว่า ส่วน PPS แบบเส้นตรงโดยทั่วไปให้ความแข็งแรงเชิงกลและความแข็งแรงต่อการดัดโค้งที่ดีกว่า มีเสถียรภาพในสถานะหลอมเหลวสูงกว่า และมีสิ่งเจือปนไอออนิกน้อยกว่า

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 https://sabreen.com/solutions/plastics-laser-marking/

---