Khắc laser trên nylon bằng laser sợi quang

Cách khắc và khắc chìm nylon (polyamide) bằng laser sợi quang

Tóm tắt

Người sử dụng laser sợi quang thường gặp khó khăn khi khắc hoặc khắc chìm trên nylon. Chìa khóa để đạt được độ tương phản khắc chất lượng cao là bổ sung phụ gia tăng cường khắc laser vào vật liệu nylon trong quá trình ép khuôn, dù sử dụng hạt cô đặc màu hay vật liệu phối trộn sẵn. Lợi ích của khắc laser trên nylon đã tạo ra bước chuyển đổi trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm ngành vũ khí, bằng cách cho phép nhận dạng chi tiết riêng biệt, mã Data Matrix và mã QR, cùng khả năng tùy biến.

Những điểm chính

• Nylon chưa biến tính khắc kém. Polyamide hấp thụ rất ít năng lượng ở bước sóng 1060–1070 nm, vì vậy độ tương phản phụ thuộc vào phụ gia khắc laser.
• Các cặp tương phản tốt nhất là trắng đục trên đen, đen tuyền trên trắng, và trắng đục trên xanh dương trung bình.
• Laser sợi quang Ytterbium MOPA là công cụ phù hợp; độ rộng xung dưới khoảng 90 ns thích hợp cho nhựa.
• Hàm lượng phụ gia dao động từ 0,01–3,0% theo khối lượng, và sự phân bố đồng đều trong toàn bộ chi tiết là yếu tố quyết định để đạt độ tương phản ổn định.
• Nylon gia cường sợi thủy tinh còn khó khắc hơn — bề mặt giàu sợi thủy tinh khắc kém, vì vậy bề mặt giàu nhựa nền là yếu tố thiết yếu.

Nhựa nylon có phạm vi ứng dụng rộng, bao gồm vũ khí, ô tô, điện & điện tử, công nghiệp, hàng tiêu dùng và dầu khí. Tuy nhiên, các đặc tính vật lý, hóa học và bề mặt khác nhau của nylon (polyamide), đặc biệt là nylon gia cường sợi thủy tinh, khiến việc khắc và khắc chìm bằng laser trở nên khó khăn. Các màu tương phản phổ biến nhất là trắng đục trên đen, đen tuyền trên trắng, và trắng đục trên xanh dương trung bình. Khi phụ gia khắc laser được kết hợp với bột màu và thuốc nhuộm phù hợp, chúng tạo ra chất lượng vết khắc vượt trội với chi phí thấp. Phụ gia khắc laser được sử dụng trong nhiều loại nhựa, bao gồm ABS, Acetal, PET, PVC, polycarbonate, polypropylene và polyethylene.

Nylon polyamide

Polyamide, còn được gọi là nylon, là một nhóm nhựa nhiệt dẻo quan trọng được sử dụng trong các ứng dụng hiệu suất cao. Chúng bao gồm các liên kết amide, cụ thể là –CO-NH–. Nylon được tổng hợp qua quá trình polycondensation, trong đó một diamine phản ứng với một diacid, hoặc qua quá trình trùng hợp mở vòng của lactam chứa sáu, mười một hoặc mười hai nguyên tử carbon. Monomer nylon có thể là mạch thẳng (aliphatic), bán thơm hoặc thơm (aramid), và có thể có cấu trúc từ vô định hình, bán kết tinh đến độ kết tinh cao hoặc thấp. Hai loại polyamide chính là poly(hexamethylene adipamide) (nylon 6,6) và polycaprolactam (nylon 6). Các polyamide mạch thẳng bao gồm nylon 12, 69, 6-10, 6-12, 46 và 1212. Nhựa kỹ thuật Nylon 11 có nguồn gốc sinh học, được chiết xuất từ cây thầu dầu — một nguồn tài nguyên tái tạo.

Cơ chế bề mặt khắc laser

Nhựa có thể khắc laser được đặc trưng bởi khả năng hấp thụ ánh sáng laser và chuyển đổi thành năng lượng nhiệt trong vùng bước sóng cận hồng ngoại (NIR) từ 1060nm–1070nm. Ba loại laser phổ biến là Ytterbium sợi quang (MOPA và xung cố định), Vanadate (Nd:YVO4), và Nd:YAG. Tùy thuộc vào loại laser và độ tương phản khắc mong muốn, nhiều loại hóa chất khác nhau có thể được sử dụng để tạo ra các phản ứng bề mặt như than hóa (carbonization charring), thay đổi hóa học tạo bọt (foaming) và thay đổi màu. Cùng một loại laser có thể thực hiện tất cả các phản ứng bề mặt này bằng cách điều chỉnh thông số trong phần mềm khắc (công suất, tốc độ lặp xung và tốc độ khắc). Laser CO2 sóng liên tục (CW) có bước sóng 10,6 micron (vùng hồng ngoại xa). Laser CO2 CW có công suất đỉnh thấp hơn và không thể tạo ra vết khắc độ tương phản cao trên nhựa.

Phụ gia khắc laser

Vì hầu hết các polymer có đặc tính hấp thụ hạn chế ở bước sóng này (NIR) và không thể tạo ra độ tương phản đáng kể, các chuyên gia sử dụng nhiều loại phụ gia, chất độn, bột màu và thuốc nhuộm khác nhau để tăng độ hấp thụ và đạt được chất lượng tương phản cao. Phụ gia làm tăng mức độ tương phản màu (hấp thụ ánh sáng laser), được tăng cường hơn nữa bằng cách lựa chọn laser và thông số khắc tối ưu. Trái với quan niệm phổ biến, không có phụ gia đơn lẻ nào là giải pháp phổ quát.

Một số phụ gia chứa hỗn hợp tin oxide pha tạp antimony và antimony trioxide, có thể làm cho độ mờ tự nhiên (không màu) của vật liệu nền có sắc xám. Các phụ gia khác có thể chứa hạt nhôm, oxit kim loại hỗn hợp hoặc hợp chất độc quyền. Việc điều chỉnh màu được thực hiện bằng bột màu và thuốc nhuộm để đạt được màu sắc mong muốn. Một số phụ gia cụ thể đã được FDA phê duyệt để sử dụng trong tiếp xúc thực phẩm và bao bì thực phẩm theo các điều kiện A-H của quy định 21 CFR 178.3297 về chất tạo màu cho polymer.

Hợp chất phụ gia khắc laser có sẵn dưới dạng hạt granulate và bột. Sản phẩm dạng hạt được phối trộn trực tiếp với nhựa nền, còn dạng bột được chuyển đổi thành masterbatch. Mức hàm lượng theo khối lượng (trong chi tiết cuối cùng) thường dao động từ 0,01 đến 3,0%. Để đạt được độ tương phản màu tốt nhất, phụ gia khắc laser phải được phân bố/phân tán đồng đều trong toàn bộ chi tiết.

Laser sợi quang

Laser sợi quang Ytterbium xung nano giây (MOPA và xung cố định) là lựa chọn lý tưởng để khắc, khắc chìm và khắc ăn mòn trên nhựa nhờ chất lượng chùm tia vượt trội (M2) và độ sáng cao (radiance). Chúng có thể hội tụ đến kích thước điểm chiếu nhỏ (dưới 20 micron), tạo ra mật độ năng lượng cao. Một lợi thế quan trọng của laser MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) là khả năng điều chỉnh linh hoạt độ rộng xung. Độ rộng xung thấp, thường dưới 90 nano giây, là lý tưởng để khắc trên vật liệu nhựa.

Độ chiếu xạ laser (W/cm2) và mật độ năng lượng (J/cm2) là các thông số quan trọng trong khắc nhựa. Cường độ chịu ảnh hưởng bởi tần số xung, công suất laser, kích thước điểm chiếu hội tụ và độ rộng xung. Mật độ năng lượng chịu ảnh hưởng bởi cường độ chùm tia, tốc độ quét, độ chồng xung và đường kính điểm hội tụ. Tốc độ lặp xung và mật độ công suất đỉnh là các thông số quan trọng để hình thành vết khắc và đạt được độ tương phản, tốc độ tối ưu. Công suất đỉnh cao ở tần số thấp làm tăng nhanh nhiệt độ bề mặt, làm bốc hơi vật liệu trong khi truyền tối thiểu nhiệt vào vật liệu nền. Khi tốc độ lặp xung tăng, công suất đỉnh thấp hơn tạo ra sự bốc hơi tối thiểu nhưng truyền nhiều nhiệt hơn. Các đường cong toán học của công suất so với tốc độ lặp xung tỷ lệ nghịch với nhau.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao laser sợi quang của tôi không khắc rõ trên nylon?

Polyamide có độ hấp thụ hạn chế trong dải cận hồng ngoại, nơi laser sợi quang Ytterbium hoạt động, vì vậy hầu hết năng lượng không chuyển đổi thành phản ứng nhiệt để tạo vết khắc. Giải pháp là sử dụng phụ gia tăng cường khắc laser được phối trộn vào vật liệu, không phải tăng công suất laser.

Phụ gia nào được dùng để khắc laser trên nylon?

Hỗn hợp tin oxide pha tạp antimony và antimony trioxide là loại phổ biến, dù chúng có thể tạo sắc xám cho vật liệu nền không màu. Các loại khác sử dụng hạt nhôm, oxit kim loại hỗn hợp hoặc hợp chất độc quyền, kết hợp với bột màu và thuốc nhuộm để đạt màu sắc cuối cùng.

Nylon được khắc laser có thể dùng cho các chi tiết tiếp xúc thực phẩm không?

Có, với phụ gia phù hợp. Một số phụ gia cụ thể đã được FDA phê duyệt cho tiếp xúc thực phẩm và bao bì thực phẩm theo các điều kiện A–H của quy định 21 CFR 178.3297, chất tạo màu cho polymer. Hãy xác nhận rằng phê duyệt đó áp dụng cho cấp độ và hàm lượng vật liệu của quý khách.

Nên dùng độ rộng xung nào cho nylon?

Xung ngắn. Trên laser MOPA, độ rộng dưới khoảng 90 nano giây phù hợp cho nhựa, mang lại công suất đỉnh cao giúp tăng nhanh nhiệt độ bề mặt trong khi truyền tối thiểu nhiệt vào vật liệu nền.

Vì sao nylon gia cường sợi thủy tinh khó khắc hơn nylon không gia cường?

Sợi thủy tinh không hấp thụ ánh sáng cận hồng ngoại và làm phân tán chùm tia, vì vậy bề mặt giàu sợi thủy tinh khắc yếu và không đồng đều. Quy trình ép khuôn phải được điều chỉnh để tạo ra bề mặt giàu nhựa nền. Xem thêm về hiện tượng nổi sợi thủy tinh và khắc laser.

Scott R. Sabreen là người sáng lập và chủ tịch của The Sabreen Group, Inc., một công ty kỹ thuật chuyên về các quy trình sản xuất gia công nhựa thứ cấp – tiền xử lý bề mặt, dán keo, trang trí và hoàn thiện bề mặt, khắc laser và bảo mật sản phẩm. Ông đã phát triển các công nghệ mới và giải quyết các vấn đề sản xuất trong hơn 30 năm. Có thể liên hệ Sabreen qua số 972.820.6777 hoặc truy cập www.sabreen.com hoặc www.adhesionbonding.com.

---