การระเหยด้วยเลเซอร์ (Ablation)

การระเหยด้วยเลเซอร์ (Ablation)

ประเด็นสำคัญ

• Ablation คือการนำวัสดุออก ไม่ใช่การเปลี่ยนสีของวัสดุ การที่พอลิเมอร์กลายเป็นไอหรือถูกดีดออกคือสิ่งที่แตกต่างจากการหลอมและการไหม้เกรียมที่อยู่เบื้องหลังรอยมาร์กด้วยเลเซอร์ส่วนใหญ่
• Ablation มีค่าเกณฑ์ เมื่อต่ำกว่าฟลูเอนซ์เฉพาะของวัสดุจะไม่มีการนำวัสดุออกเลยและพลังงานกลายเป็นความร้อน เมื่อสูงกว่าค่าเกณฑ์ การนำวัสดุออกจะเริ่มทันที ความคลาดเคลื่อนของโฟกัสจึงปรากฏเป็นความคลาดเคลื่อนของความลึก
• เป็นกลไกเบื้องหลังการแกะสลักและการมาร์กแบบเย็น ซึ่งวัสดุหลุดออกไปแทนที่จะเปลี่ยนสี
• มีสองกลไก แหล่งกำเนิดอินฟราเรดทำให้เกิด ablation แบบโฟโตเทอร์มัลโดยให้ความร้อนแก่พอลิเมอร์จนเกินจุดสลายตัว ส่วนแหล่งกำเนิดอัลตราไวโอเลตตัดพันธะของพอลิเมอร์แบบโฟโตเคมี ทำให้เกิดโซนได้รับผลกระทบจากความร้อนที่เล็กกว่ามาก

การระเหยด้วยเลเซอร์ (Laser Ablation) คืออะไร

การระเหยด้วยเลเซอร์ (laser ablation) คือการนำวัสดุออกจากพื้นผิวด้วยพลังงานเลเซอร์ที่ถูกดูดซับ ซึ่งทำให้วัสดุรองรับกลายเป็นไอหรือถูกดีดออกโดยตรง แทนที่จะเพียงเปลี่ยนสี

การระเหยด้วยเลเซอร์เป็นกลไกทางกายภาพพื้นฐานที่อยู่เบื้องหลังการประมวลผลด้วยเลเซอร์หลายประเภท ได้แก่ การมาร์ก การแกะสลัก การกัดผิว การทำความสะอาด และการตัด การเข้าใจ ablation ช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานปรับกระบวนการเลเซอร์ให้เหมาะสมกับวัสดุพลาสติกและการใช้งานที่หลากหลาย โดยแก่นแท้แล้ว ablation คือการนำวัสดุออกจากพื้นผิวด้วยพลังงานเลเซอร์แบบโฟกัสที่มีความเข้มสูง ทำให้วัสดุกลายเป็นไอ ระเหิด หรือถูกดีดออกอย่างรวดเร็ว โดยไม่หลอมเหลวมากหรือทำความเสียหายจากความร้อนต่อบริเวณรอบข้าง

คำว่า ablation มาจากภาษาละตินที่มีความหมายว่านำออกไป ซึ่งอธิบายกระบวนการทางกายภาพที่วัสดุถูกนำออกจากพื้นที่เฉพาะจุดได้อย่างตรงตัว เมื่อลำแสงเลเซอร์แบบพัลส์กระทบพื้นผิวด้วยความเข้มที่เพียงพอ การดูดซับพลังงานจะเกิดเร็วกว่าที่ความร้อนจะนำเข้าสู่วัสดุโดยรอบ การสะสมพลังงานอย่างรวดเร็วนี้ทำให้วัสดุที่ได้รับรังสีเปลี่ยนจากของแข็งเป็นไอโดยตรง นำวัสดุออกได้สะอาดโดยไม่มีบริเวณหลอมไหลที่พบในกระบวนการให้ความร้อนช้ากว่า

หลักฟิสิกส์ของการระเหยด้วยเลเซอร์

Ablation เกิดขึ้นเมื่อลำแสงเลเซอร์แบบโฟกัสส่งพลังงานสู่พื้นผิวในอัตราที่เกินความสามารถของวัสดุในการนำพลังงานนั้นออกไป การสะสมพลังงานอย่างรวดเร็วทำให้เกิดความร้อนรวดเร็วมาก ส่งให้วัสดุเปลี่ยนจากของแข็งเป็นแก๊สโดยตรงผ่านการระเหิด ข้ามวัฏภาคของเหลวซึ่งจะทำให้เกิดการหลอมและการไหลของวัสดุที่ควบคุมไม่ได้

วัสดุทุกชนิดมีค่าเกณฑ์ ablation ซึ่งเป็นความหนาแน่นพลังงานเลเซอร์ (ฟลูเอนซ์) ขั้นต่ำที่ต้องใช้เพื่อเริ่มการนำวัสดุออก เมื่อต่ำกว่าค่าเกณฑ์นี้ เลเซอร์อาจให้ความร้อนแก่พื้นผิวโดยไม่นำวัสดุออก เมื่อสูงกว่าค่าเกณฑ์ การนำวัสดุออกจะเริ่มขึ้นและเพิ่มตามความหนาแน่นพลังงานที่สูงขึ้น การเข้าใจและควบคุมการส่งพลังงานเมื่อเทียบกับค่าเกณฑ์ ablation ทำให้ควบคุมอัตราและคุณภาพของการนำวัสดุออกได้อย่างแม่นยำ

โดยทั่วไปนิยมใช้เลเซอร์แบบพัลส์มากกว่าเลเซอร์แบบคลื่นต่อเนื่องสำหรับกระบวนการ ablation พัลส์สั้นที่มีความเข้มสูงส่งพลังงานได้เร็วพอที่จะเกิด ablation ก่อนที่การนำความร้อนจะเกิดขึ้นมาก เลเซอร์แบบคลื่นต่อเนื่องมักทำให้เกิดการหลอมและความเสียหายจากความร้อนมากกว่า เพราะการส่งพลังงานช้าพอที่ความร้อนจะกระจายออกจากบริเวณที่ได้รับรังสี

ระยะเวลาพัลส์ส่งผลอย่างมากต่อคุณภาพ ablation พัลส์ระดับนาโนวินาทีให้ผลดีในหลายการใช้งาน ขณะที่เลเซอร์ระดับพิโควินาทีและเฟมโตวินาที (เลเซอร์พัลส์สั้นพิเศษ) ทำให้ ablation สะอาดยิ่งขึ้นโดยมีโซนได้รับผลกระทบจากความร้อนน้อยที่สุด ระยะเวลาพัลส์ที่สั้นมากของเลเซอร์พัลส์สั้นพิเศษส่งพลังงานเร็วจนวัสดุถูกนำออกก่อนที่ผลจากความร้อนจะเกิดขึ้น จึงประมวลผลวัสดุที่ไวต่อความร้อนได้และให้ความแม่นยำสูงเป็นพิเศษ

Ablation แบบโฟโตเทอร์มัลกับแบบโฟโตเคมี

การนำวัสดุออกมีสองเส้นทาง และเส้นทางใดเป็นตัวหลักขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นเป็นสำคัญ Ablation แบบโฟโตเทอร์มัลเป็นสิ่งที่แหล่งกำเนิดอินฟราเรดทำ กล่าวคือ ไฟเบอร์เลเซอร์ 1064 nm หรือเลเซอร์ CO₂ 10.6 µm สะสมพลังงานเป็นความร้อน พอลิเมอร์ถูกดันให้เกินอุณหภูมิสลายตัวเร็วกว่าที่ความร้อนจะนำออกไปได้ และผลิตภัณฑ์ที่ได้ออกไปในรูปไอและเศษชิ้นส่วน เนื่องจากเทอร์โมพลาสติกส่วนใหญ่หลอมก่อนสลายตัว ablation แบบโฟโตเทอร์มัลจึงมีการหลอมติดมาด้วยเสมอ ซึ่งเป็นที่มาของขอบมนและโซนได้รับผลกระทบจากความร้อน

Ablation แบบโฟโตเคมีเป็นสิ่งที่แหล่งกำเนิดอัลตราไวโอเลตทำ โฟตอน 355 nm มีพลังงานประมาณ 3.5 eV และโฟตอนจากเอ็กไซเมอร์ 248 nm ประมาณ 5 eV ซึ่งใกล้เคียงหรือสูงกว่าพลังงานพันธะคาร์บอน–คาร์บอนและคาร์บอน–ไฮโดรเจนในโครงหลักของพอลิเมอร์ โฟตอนที่ถูกดูดซับจึงตัดพันธะโดยตรง และเศษชิ้นส่วนถูกดีดออกโดยเกิดความร้อนน้อยมาก มักเรียกว่า cold ablation ใช้ได้ผลดีที่สุดกับพอลิเมอร์ที่ดูดซับอัลตราไวโอเลตได้ดี โดยเฉพาะที่มีหมู่อะโรมาติก เช่น พอลิคาร์บอเนต PET และพอลิอิไมด์ และได้ผลน้อยกว่ากับพอลิโอเลฟิน ซึ่งโปร่งใสเป็นส่วนใหญ่จนถึงช่วงอัลตราไวโอเลตลึก ที่ 355 nm กลไกในทางปฏิบัติเป็นแบบผสม โดยมีองค์ประกอบโฟโตเคมีที่ทำให้โซนได้รับผลกระทบจากความร้อนเล็กลง แต่ไม่ได้ทำให้หมดไป

หลักปฏิบัติที่ตามมาคือ เมื่อขอบที่สะอาดบนชิ้นงานบาง ไวต่อความร้อน หรือใสทางแสงสำคัญกว่าอัตราการผลิต ให้ระบุแหล่งกำเนิดอัลตราไวโอเลตหรือพัลส์สั้น ส่วนเมื่อเพียงต้องการลอกสารเคลือบออกจากวัสดุรองรับที่แข็งแรงด้วยความเร็วสูง แหล่งกำเนิดอินฟราเรดที่ทำ ablation แบบความร้อนเป็นทางเลือกที่ประหยัด

Ablation ในการมาร์กพลาสติก

การระเหยด้วยเลเซอร์เป็นหนึ่งในกลไกหลักในการสร้างรอยมาร์กถาวรบนวัสดุพลาสติก เมื่อมาร์กพลาสติกด้วย ablation เลเซอร์จะนำวัสดุชั้นบางออกจากพื้นผิว สร้างรอยมาร์กที่มองเห็นได้จากความแตกต่างระหว่างบริเวณที่ถูก ablation กับบริเวณที่ไม่ถูก พื้นผิวที่ถูก ablation อาจแตกต่างจากพื้นผิวเดิมในด้านเนื้อผิว การสะท้อนแสง หรือสี ให้ความแตกต่างที่มองเห็นได้สำหรับการระบุตัวตน

ความลึกของรอยมาร์กที่เกิดจาก ablation บนพลาสติกโดยทั่วไปวัดได้เป็นเศษส่วนของมิลลิเมตร สำหรับงานระบุตัวตนบนพื้นผิว ความลึกประมาณ 0.001 นิ้ว (0.025 mm) หรือน้อยกว่าให้ความชัดเจนเพียงพอ และลดการนำวัสดุออกให้น้อยที่สุด ซึ่งแตกต่างจากกระบวนการแกะสลักด้วยเลเซอร์แบบลึก

การใช้งาน ablation ที่พบบ่อยคือการนำสารเคลือบหรือชั้นผิวออกเพื่อเผยวัสดุที่มีความแตกต่างของสีด้านล่าง ตัวอย่าง ได้แก่ การนำสารเคลือบอะโนไดซ์ออกจากอะลูมิเนียมเพื่อเผยโลหะสว่าง การทำ ablation พื้นผิวที่ทาสีเพื่อเผยวัสดุฐาน หรือการนำชั้นเคลือบโลหะออกจากฟิล์มพลาสติกเมทัลไลซ์ การนำชั้นออกแบบเลือกเฉพาะนี้อาศัย ablation เพื่อนำชั้นผิวออกอย่างสะอาดโดยไม่ทำลายวัสดุด้านล่าง

Ablation เปรียบเทียบกับกลไกการมาร์กด้วยเลเซอร์อื่น

การเข้าใจว่า ablation แตกต่างจากกลไกการมาร์กด้วยเลเซอร์อื่นอย่างไรช่วยให้เลือกกระบวนการที่เหมาะสมกับแต่ละการใช้งาน

Ablation เทียบกับการมาร์กด้วยเลเซอร์ (Annealing)

การมาร์กด้วยเลเซอร์แบบแอนนีลลิงปรับเปลี่ยนสมบัติพื้นผิวโดยไม่นำวัสดุออก เลเซอร์ให้ความร้อนแก่พื้นผิวมากพอที่จะทำให้เกิดออกซิเดชันหรือการเปลี่ยนแปลงทางเคมีอื่นที่สร้างความแตกต่างของสีที่มองเห็นได้ พื้นผิวยังคงเรียบและสมบูรณ์ ส่วน ablation นำวัสดุออกทางกายภาพ ทำให้เกิดพื้นผิวมีเนื้อผิวและมีความลึก

Ablation เทียบกับการแกะสลักลึก

แม้ ablation และการแกะสลักจะนำวัสดุออกทั้งคู่ แต่ต่างกันที่ความลึกและวัตถุประสงค์ โดยทั่วไป ablation หมายถึงการนำวัสดุออกตื้น ๆ เพื่อการมาร์กหรือปรับเปลี่ยนพื้นผิว ส่วนการแกะสลักลึกต้องนำวัสดุออกมากกว่าเพื่อสร้างลักษณะที่เว้าลึก มักต้องสแกนเลเซอร์หลายรอบและใช้เวลาประมวลผลนานกว่า เส้นแบ่งระหว่าง ablation กับการแกะสลักไม่ได้กำหนดไว้ชัดเจน แต่โดยทั่วไปเกี่ยวข้องกับความลึกและวัตถุประสงค์ของการนำวัสดุออก

Ablation เทียบกับการกัดผิวด้วยเลเซอร์

การกัดผิวด้วยเลเซอร์ทำให้วัสดุที่ผิวหลอมและขยายตัว เกิดรอยมาร์กที่นูนขึ้น วัสดุที่หลอมเปลี่ยนเนื้อผิวและการสะท้อนแสง ให้ความแตกต่างที่มองเห็นได้ ต่างจาก ablation ที่วัสดุถูกนำออก การกัดผิวจัดเรียงวัสดุผิวใหม่เพื่อสร้างความแตกต่างของรอยมาร์ก โดยทั่วไปการกัดผิวใช้ได้กับช่วงวัสดุที่แคบกว่า ablation

พารามิเตอร์และการควบคุม Ablation

กระบวนการ ablation ที่สำเร็จต้องควบคุมพารามิเตอร์เลเซอร์อย่างรอบคอบ ได้แก่ กำลัง ความถี่พัลส์ ระยะเวลาพัลส์ ขนาดจุด ความเร็วสแกน และจำนวนรอบ พารามิเตอร์เหล่านี้ส่งผลร่วมกันต่อพลังงานที่ส่งสู่พื้นผิว รวมถึงอัตราและคุณภาพของการนำวัสดุออก

ความเร็วสแกนที่สูงขึ้นร่วมกับกำลังที่เพียงพอให้ ablation ที่สะอาดกว่าความเร็วต่ำร่วมกับกำลังที่ลดลง ความเร็วที่สูงกว่าทำให้แต่ละพัลส์นำวัสดุออกได้เร็วก่อนที่ความร้อนจะแผ่กระจาย ลดผลกระทบจากความร้อนให้น้อยที่สุด การซ้อนทับของพัลส์ซึ่งกำหนดจากความสัมพันธ์ระหว่างความถี่พัลส์กับความเร็วสแกนส่งผลต่อคุณภาพพื้นผิวและอัตราการนำวัสดุออก

สำหรับพลาสติกโดยเฉพาะ การหลีกเลี่ยงการส่งพลังงานมากเกินไปช่วยป้องกันการหลอมที่ควบคุมไม่ได้และความเสียหายจากความร้อน วัสดุพลาสติกโดยทั่วไปมีค่าเกณฑ์ ablation ต่ำกว่าโลหะและอาจเสียหายได้จากการส่งพลังงานมากเกินไป การปรับพารามิเตอร์ให้เหมาะสมด้วยการทดสอบบนตัวอย่างวัสดุที่เป็นตัวแทนช่วยให้ระดับพลังงานเหมาะสมกับแต่ละการใช้งาน

การใช้งานในการแปรรูปพลาสติก

การระเหยด้วยเลเซอร์ใช้งานในการแปรรูปพลาสติกหลายประเภท ดังนี้

• การมาร์กพื้นผิวและการระบุตัวตนด้วยรอยมาร์กถาวรที่ทนต่อการสึกหรอ
• การนำสีและสารเคลือบออกเพื่อเผยวัสดุด้านล่างแบบเลือกเฉพาะ
• การประมวลผลปุ่มกลางวัน/กลางคืนของรถยนต์ด้วยการนำชั้นออกแบบเลือกเฉพาะ
• การทำเนื้อผิวเพื่อวัตถุประสงค์เชิงหน้าที่หรือความสวยงาม
• การกลึงระดับไมโครสำหรับลักษณะที่แม่นยำบนชิ้นส่วนพลาสติก
• การทำความสะอาดและเตรียมพื้นผิวก่อนการเคลือบหรือการยึดติด
• การสร้างลวดลายฟิล์มบางสำหรับงานอิเล็กทรอนิกส์และงานแสง

ข้อดีและข้อจำกัด

Ablation มีข้อดีหลายประการสำหรับการแปรรูปพลาสติก กระบวนการแบบไม่สัมผัสช่วยขจัดการสึกหรอของเครื่องมือและความเค้นทางกลต่อชิ้นงาน การควบคุมแบบดิจิทัลทำให้เปลี่ยนแบบได้รวดเร็วโดยไม่ต้องปรับแม่พิมพ์ การควบคุมพลังงานอย่างแม่นยำทำให้นำวัสดุออกแบบเลือกเฉพาะได้โดยเกิดความเสียหายข้างเคียงน้อยที่สุด ความเร็วการประมวลผลสูงรองรับอัตราการผลิตที่ประหยัด

ข้อจำกัดรวมถึงข้อกำหนดที่ต้องมีพลังงานเลเซอร์เพียงพอที่จะเกินค่าเกณฑ์ ablation ผลกระทบจากความร้อนที่อาจเกิดขึ้นหากไม่ควบคุมพารามิเตอร์อย่างเหมาะสม และความจำเป็นต้องมีระบบดูดควันเพื่อจัดการวัสดุที่ถูกนำออก พลาสติกบางชนิดเกิด ablation ได้สะอาดกว่าชนิดอื่น จึงต้องพัฒนากระบวนการเฉพาะวัสดุเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด

การเลือก Ablation แทนทางเลือกอื่น

Ablation นำวัสดุออก นั่นคือทั้งข้อดีและต้นทุนของมัน และการตัดสินใจมักขึ้นอยู่กับว่าจำเป็นต้องนำวัสดุออกจริงหรือไม่

การแก้ปัญหาลักษณะที่เกิดจาก Ablation

ศัพท์และเอกสารที่เกี่ยวข้อง

• การแกะสลักด้วยเลเซอร์
• การกลายเป็นคาร์บอน
• ความเข้มรังสีเลเซอร์
• โซลูชันการมาร์กพลาสติกด้วยเลเซอร์

การนำไปใช้ในการผลิตจริง

The Sabreen Group ให้การสนับสนุนด้านวิศวกรรมอย่างเป็นอิสระสำหรับการพัฒนากระบวนการมาร์กและแกะสลักด้วย ablation ไม่ว่าจะเป็นการกำหนดกระบวนการ การรับรองวัสดุ หรือการแก้ปัญหาในการผลิต ทีมบริการด้านวิศวกรรมของเรายินดีให้ความช่วยเหลือ ติดต่อเรา เพื่อหารือเกี่ยวกับการใช้งานที่ต้องการ

คำถามที่พบบ่อย

การระเหยด้วยเลเซอร์ (laser ablation) คืออะไร

การนำวัสดุออกจากพื้นผิวด้วยเลเซอร์ ไม่ว่าจะโดยการทำให้กลายเป็นไอโดยตรง หรือเมื่อใช้พัลส์สั้นพอ ก็ดีดวัสดุออกก่อนที่จะมีเวลาหลอม ต่างจากกลไกการมาร์ก เช่น การกลายเป็นคาร์บอนและการเกิดฟอง ซึ่งเปลี่ยนสีของพอลิเมอร์โดยไม่นำออก

เมื่อใดที่ ablation เป็นกลไกที่เหมาะกับการใช้งานพลาสติก

เมื่อจำเป็นต้องนำวัสดุออกจริง ๆ กรณีคลาสสิกคือการนำสารเคลือบ สี หรือชั้นเมทัลไลซ์ออกแบบเลือกเฉพาะ เช่น แผงกลางวัน/กลางคืนแบบไฟส่องหลัง ซึ่งนำชั้นบนที่ทึบแสงออกเพื่อเผยวัสดุรองรับที่โปร่งแสง สำหรับรหัสถาวรบนชิ้นงานขึ้นรูป การกลายเป็นคาร์บอนเร็วกว่า นุ่มนวลกว่า และไม่ใช้ความหนาผนัง

เหตุใด ablation จึงมีค่าเกณฑ์ ไม่ได้เพิ่มตามกำลังอย่างง่าย

เพราะวัสดุจะถูกนำออกก็ต่อเมื่อฟลูเอนซ์ที่ส่งเกินระดับที่ต้องใช้เพื่อตัดพันธะและดีดวัสดุออก เมื่อต่ำกว่าค่าเกณฑ์ พลังงานกลายเป็นความร้อนและพื้นผิวเพียงอุ่นขึ้นหรือเปลี่ยนสี ด้วยเหตุนี้ความคลาดเคลื่อนของโฟกัสเล็กน้อยจึงเปิดและปิด ablation แทนที่จะเพียงทำให้อ่อนลง และเหตุใดตำแหน่งโฟกัสจึงเป็นสิ่งแรกที่ต้องตรวจสอบเมื่อความลึกไม่สม่ำเสมอ

หลีกเลี่ยงขอบหลอมรอบลักษณะที่เกิดจาก ablation ได้อย่างไร

ทำให้ระยะเวลาพัลส์สั้นลงเพื่อให้กำลังสูงสุดเพิ่มขึ้นขณะที่พลังงานรวมลดลง ซึ่งนำวัสดุออกเร็วกว่าที่ความร้อนจะแพร่เข้าสู่พอลิเมอร์โดยรอบ แหล่งกำเนิดอัลตราไวโอเลตให้ผลลัพธ์เดียวกันด้วยกลไกโฟโตเคมี ขอบหลอมหมายความว่ากระบวนการกำลังทำงานแบบความร้อน และการเพิ่มกำลังจะทำให้การหลอมลึกขึ้น ไม่ได้ทำให้ขอบคมขึ้น

วัสดุที่ถูกนำออกไปเกิดอะไรขึ้น

ออกไปในรูปไอและอนุภาคที่ถูกดีดออก บางส่วนตกกลับลงบนพื้นผิวเป็นเศษ และบางส่วนทำให้เลนส์เปื้อน การดักจับที่จุดทำงานเป็นส่วนหนึ่งของการออกแบบกระบวนการ ไม่ใช่สิ่งที่คิดทีหลัง และระบบกรองควรสอดคล้องกับพอลิเมอร์ เพราะการกรองอนุภาคเพียงอย่างเดียวไม่ครอบคลุมไอสารอินทรีย์

---