ความเข้มรังสีเลเซอร์
ประเด็นสำคัญ
- ความเข้มรังสี (irradiance) คือกำลังหารด้วยพื้นที่ วัดเป็นวัตต์ต่อตารางเซนติเมตรที่จุดโฟกัส
- ขนาดจุดโฟกัสสำคัญกว่ากำลังสูงสุดที่ระบุ จุดที่เล็กลงรวมกำลังวัตต์เท่าเดิมให้มีความเข้มสูงขึ้นมาก
- คุณภาพลำแสงกำหนดค่าต่ำสุดที่ทำได้ ค่า M2 ต่ำช่วยให้โฟกัสได้แคบลงและได้ความเข้มรังสีสูงขึ้น
- สูงเกินไปก่อให้เกิดความเสียหาย ต่ำเกินไปก็ไม่เกิดรอยมาร์ก ช่วงการใช้งานที่เหมาะสมถูกจำกัดทั้งสองด้าน
ความเข้มรังสีเลเซอร์
ความเข้มรังสีเลเซอร์คือกำลังแสงหารด้วยพื้นที่ที่กำลังนั้นตกกระทบ แสดงเป็นวัตต์ต่อตารางเซนติเมตร (W/cm²) เป็นตัวบอกว่าลำแสงรวมศูนย์ที่ชิ้นงานมากเพียงใด และบนพลาสติก ความเข้มรังสี ไม่ใช่กำลังวัตต์ที่ระบุของเลเซอร์ คือสิ่งที่กำหนดว่าจะเกิดรอยมาร์กหรือไม่ เกิดด้วยกลไกใด และวัสดุโดยรอบจะรอดจากความเสียหายหรือไม่
ความเข้มรังสี = กำลัง (W) ÷ พื้นที่จุดโฟกัส (cm²)
เหตุใดกำลังที่ระบุจึงทำให้เข้าใจผิด
พื้นที่จุดโฟกัสแปรผันตามกำลังสองของเส้นผ่านศูนย์กลางจุด ดังนั้นการลดขนาดจุดโฟกัสลงครึ่งหนึ่งจะทำให้ความเข้มรังสีเพิ่มเป็นสี่เท่าที่กำลังเท่าเดิม ระบบมาร์กขนาด 30 W สองเครื่องที่มีคุณภาพลำแสง ตัวขยายลำแสง และความยาวโฟกัสของเลนส์ f-thetaต่างกัน อาจให้ความเข้มรังสีที่ชิ้นงานแตกต่างกันประมาณ 10 เท่า
นี่คือเหตุผลเชิงปฏิบัติที่ไม่สามารถถ่ายโอนสูตรการมาร์กระหว่างเครื่องโดยคัดลอกเพียงกำลังและความเร็ว และเหตุผลที่การเลือกพื้นที่มาร์กขนาดใหญ่ "เพื่อความยืดหยุ่น" ทำให้ความสามารถในการมาร์กลดลงโดยไม่รู้ตัว เพราะความยาวโฟกัสที่ยาวขึ้นให้จุดที่ใหญ่ขึ้นและความหนาแน่นกำลังที่ต่ำลง
ความเข้มรังสีและฟลูเอนซ์
สองค่านี้มักถูกสับสน แต่อธิบายสิ่งที่ต่างกัน
| ความเข้มรังสี | ฟลูเอนซ์ | |
|---|---|---|
| ปริมาณ | กำลังต่อหน่วยพื้นที่ | พลังงานต่อหน่วยพื้นที่ |
| หน่วย | W/cm² | J/cm² |
| อธิบาย | ลำแสงกระทบแรงเพียงใด | ปริมาณรวมที่ส่งถึง |
| กำหนด | ข้ามเกณฑ์หรือไม่ | วัสดุตอบสนองมากเพียงใด |
สำหรับเลเซอร์มาร์กแบบพัลส์ ความแตกต่างยิ่งชัดเจนขึ้น เพราะความเข้มรังสีสูงสุดภายในพัลส์ระดับนาโนวินาทีอาจสูงกว่าค่าเฉลี่ยหลายระดับขนาด เลเซอร์ 30 W ที่ปล่อยพัลส์ 100 ns ที่ 20 kHz มีกำลังเฉลี่ย 30 W แต่มีกำลังสูงสุดหลายสิบกิโลวัตต์ ค่าสูงสุดนี้คือสิ่งที่ขับเคลื่อนกลไกการมาร์ก ส่วนกำลังเฉลี่ยส่วนใหญ่กำหนดปริมาณความร้อนเหลือทิ้งที่สะสมในชิ้นงาน
ช่วงกระบวนการบนพอลิเมอร์
พลาสติกมีช่วงการใช้งานที่แคบกว่าโลหะ และถูกจำกัดทั้งสองด้าน
- ต่ำกว่าเกณฑ์ พื้นผิวอุ่นขึ้น อาจเปลี่ยนสีจางๆ แต่ไม่เกิดรอยมาร์กที่คงทน การเพิ่มความเร็วหรือลดกำลังจะเลื่อนเข้าสู่บริเวณนี้มากขึ้น
- ในช่วงที่เหมาะสม การเกิดคาร์บอไนซ์ การเกิดฟอง หรือการเปลี่ยนสีอย่างควบคุมได้ ให้ความคมชัดตามที่ต้องการ
- สูงกว่าช่วงที่เหมาะสม เกิดการระเหยอย่างรวดเร็ว การไหม้ การหลอมละลาย รัศมีไหม้เกรียม ความเค้นภายใน และการบิดเบี้ยวของขนาด
ตำแหน่งของช่วงนี้ขึ้นกับเรซิน ชุดสารเติมแต่ง และสารแต่งสี ด้วยเหตุนี้สูตรที่ผ่านการรับรองจึงใช้ได้กับเกรดวัสดุเฉพาะ ไม่ใช่กับกลุ่มพอลิเมอร์โดยรวม
การควบคุมความเข้มรังสีในทางปฏิบัติ
- ตำแหน่งโฟกัสคือตัวปรับที่ให้ผลทันทีที่สุด การเบี่ยงโฟกัสโดยตั้งใจทำให้จุดขยายใหญ่และความเข้มรังสีลดลงอย่างรวดเร็ว เป็นเทคนิคที่ใช้ได้เมื่อต้องการลดความรุนแรงของรอยมาร์กที่แรงเกินไป และเป็นสาเหตุที่พบบ่อยของรอยมาร์กอ่อนโดยไม่ตั้งใจเมื่อความสูงของชิ้นงานไม่สม่ำเสมอ
- คุณภาพลำแสง (M²) กำหนดขนาดจุดที่เล็กที่สุดที่ทำได้ ค่า M² ต่ำคือสิ่งที่ทำให้ได้ความเข้มรังสีสูงโดยไม่ต้องใช้กำลังสูง
- ระยะเวลาพัลส์บนแหล่งกำเนิดแบบ MOPA เปลี่ยนความเข้มรังสีสูงสุดได้โดยตรงขณะที่กำลังเฉลี่ยคงที่ เป็นวิธีที่สะอาดที่สุดในการเพิ่มความเข้มโดยไม่เพิ่มความร้อน
- กำลังเฉลี่ยควรเป็นการปรับขั้นสุดท้าย เพราะการเพิ่มกำลังทำให้ความร้อนสะสมในเนื้อวัสดุเพิ่มขึ้นพร้อมกับความเข้ม
ตัวอย่างการคำนวณ
เหตุผลที่กำลังที่ระบุทำให้เข้าใจผิดจะเห็นได้ชัดทันทีเมื่อคำนวณ สมมติแหล่งกำเนิดขนาด 20 W และเปลี่ยนเฉพาะโฟกัส
| เงื่อนไข | เส้นผ่านศูนย์กลางจุด | พื้นที่จุด | ความเข้มรังสีจาก 20 W |
|---|---|---|---|
| โฟกัสดี เลนส์ความยาวโฟกัสสั้น | 30 µm | 7.1 × 10-6 cm² | ประมาณ 2.8 × 106 W/cm² |
| โฟกัสแล้ว เลนส์ความยาวโฟกัสยาวกว่า | 60 µm | 2.8 × 10-5 cm² | ประมาณ 7.1 × 105 W/cm² |
| เบี่ยงโฟกัสเล็กน้อย | 120 µm | 1.1 × 10-4 cm² | ประมาณ 1.8 × 105 W/cm² |
| เบี่ยงโฟกัสมาก | 300 µm | 7.1 × 10-4 cm² | ประมาณ 2.8 × 104 W/cm² |
การเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางจุดเป็นสองเท่าทำให้ความเข้มรังสีเหลือหนึ่งในสี่ เพราะพื้นที่แปรผันตามกำลังสองของเส้นผ่านศูนย์กลาง เครื่องเดียวที่ตั้งกำลังค่าเดียวสามารถให้ความเข้มที่ส่งถึงชิ้นงานต่างกันได้ถึง 100 เท่า เพียงด้วยการเลือกโฟกัสและเลนส์ ด้วยเหตุนี้สูตรที่ใช้ได้กับเครื่องหนึ่งจึงใช้ไม่ได้กับอีกเครื่องที่มีกำลังตามที่ระบุเท่ากัน และโฟกัสจึงเป็นสิ่งแรกที่ต้องตรวจสอบเมื่อคุณภาพรอยมาร์กเสื่อมลง
การวัดค่าที่ส่งถึงชิ้นงานจริง
ความเข้มรังสีได้จากการคำนวณ ไม่ใช่ค่าที่อ่านจากหน้าจอเครื่อง จึงต้องทราบค่าทั้งสองในสูตรจากการวัด ไม่ใช่การสันนิษฐาน
- วัดกำลังที่ชิ้นงาน ไม่ใช่ที่แหล่งกำเนิด เครื่องวัดกำลังใต้หัวสแกนจะรวมการสูญเสียการส่งผ่านของตัวขยายลำแสง กระจกกัลวาโนมิเตอร์ เลนส์ f-theta และหน้าต่างป้องกัน ซึ่งโดยรวมแล้วไม่ใช่ค่าที่น้อยและเลวลงเมื่อชิ้นส่วนแสงสกปรก
- หาขนาดจุดโฟกัสจริง ไม่ใช่อ้างตามข้อกำหนด เครื่องวิเคราะห์โปรไฟล์ลำแสงให้ค่าโดยตรง หากไม่มี การทำชุดรอยเบิร์นบนกระดาษความร้อนหรืออะลูมิเนียมอะโนไดซ์ผ่านช่วงโฟกัสจะระบุตำแหน่งเอวลำแสงและให้ค่าประมาณที่ใช้งานได้
- คำนึงถึงคุณภาพลำแสง ขนาดจุดต่ำสุดที่ทำได้แปรผันตาม M² ดังนั้นแหล่งกำเนิดสองเครื่องที่กำลังและความยาวโฟกัสเท่ากันจึงไม่ให้ความเข้มรังสีเท่ากันหากคุณภาพลำแสงต่างกัน
- ตรวจสอบซ้ำหลังการเปลี่ยนแปลงชิ้นส่วนแสงทุกครั้ง การเปลี่ยนเลนส์ หน้าต่างป้องกันใหม่ หรือการสอบเทียบพื้นที่มาร์กใหม่ ล้วนเปลี่ยนความเข้มรังสีที่ส่งถึงชิ้นงานโดยไม่มีตัวเลขใดในสูตรการมาร์กเปลี่ยนแปลง
- แยกค่าเฉลี่ยออกจากค่าสูงสุด บนแหล่งกำเนิดแบบพัลส์ ความเข้มรังสีสูงสุดระหว่างพัลส์คือสิ่งที่ขับเคลื่อนการตอบสนองของวัสดุ และอาจสูงกว่าค่าเฉลี่ยที่เครื่องวัดกำลังรายงานหลายระดับขนาด
การวินิจฉัยรอยมาร์กผ่านความเข้มรังสี
| อาการ | การตีความความเข้มรังสี | การดำเนินการ |
|---|---|---|
| ไม่มีรอยมาร์ก หรือรอยจางไม่สม่ำเสมอ | ต่ำกว่าเกณฑ์ของวัสดุ | ตรวจสอบโฟกัสก่อนเพิ่มกำลัง ลำแสงที่เบี่ยงโฟกัสเป็นสาเหตุที่พบบ่อยที่สุดและแก้ไขได้ถูกที่สุด |
| รอยมาร์กดีที่กลางพื้นที่ แต่อ่อนที่ขอบ | ความเข้มรังสีลดลงตามตำแหน่งในพื้นที่มาร์ก | ความเรียบของพื้นที่มาร์กหรือความคลาดเคลื่อนของระนาบโฟกัส บนชิ้นงานสามมิติ โฟกัสคงที่ไม่สามารถรักษาความเข้มรังสีได้ทั่วทั้งพื้นผิว |
| ไหม้ หลอมละลาย หรือพองเป็นตุ่ม | สูงกว่าช่วงที่ใช้งานได้ | เพิ่มความเร็วหรือเบี่ยงโฟกัสเล็กน้อยแทนการลดกำลัง ซึ่งอาจทำให้รอยมาร์กต่ำกว่าเกณฑ์ในบริเวณอื่น |
| สูตรใช้ไม่ได้เมื่อย้ายไปเครื่องที่เหมือนกัน | ขนาดจุดหรือการส่งผ่านแสงต่างกัน | วัดกำลังที่ชิ้นงานและขนาดจุดบนทั้งสองเครื่อง กำลังที่ระบุเท่ากันไม่ได้พิสูจน์อะไร |
| เสื่อมลงทีละน้อยตลอดหลายเดือน | การสูญเสียการส่งผ่านเมื่อชิ้นส่วนแสงสกปรก | กำลังที่วัดได้ที่ชิ้นงานจะแสดงการลดลงที่หน้าจอเครื่องไม่แสดง |
| คุณภาพรอยมาร์กแปรผันตามความสูงของชิ้นงานในฟิกซ์เจอร์ | ชิ้นงานอยู่นอกความลึกของโฟกัส | ควบคุมความสูงของฟิกซ์เจอร์ให้เข้มงวดขึ้น หรือระบุหัวสามแกนที่มีโฟกัสไดนามิก |
คำศัพท์และบทความที่เกี่ยวข้อง
- พารามิเตอร์กระบวนการที่มีผลต่อคุณภาพของรอยมาร์ก
- เลเซอร์แบบลำแสงเคลื่อนที่
- ไฟเบอร์เลเซอร์
- โซลูชันการมาร์กพลาสติกด้วยเลเซอร์
การนำไปใช้ในการผลิตจริง
The Sabreen Group ให้การสนับสนุนด้านวิศวกรรมอย่างเป็นอิสระสำหรับการพัฒนาช่วงกระบวนการเลเซอร์และการถ่ายโอนพารามิเตอร์ระหว่างระบบมาร์ก หากอยู่ระหว่างการกำหนดกระบวนการ การรับรองวัสดุ หรือการแก้ปัญหาการผลิต ทีมบริการด้านวิศวกรรมพร้อมให้ความช่วยเหลือ ติดต่อเราเพื่อหารือเกี่ยวกับการใช้งาน
คำถามที่พบบ่อย
ความเข้มรังสีเลเซอร์คืออะไร
กำลังของลำแสงเลเซอร์ต่อหน่วยพื้นที่ โดยทั่วไปแสดงเป็นวัตต์ต่อตารางเซนติเมตร และวัดที่จุดโฟกัสหรือจุดของลำแสง เป็นตัวกำหนดความเข้มของพลังงานที่ส่งถึงวัสดุ และกำหนดว่าจะเกิดอะไรขึ้นเมื่อลำแสงตกกระทบพื้นผิว
ความเข้มรังสีต่างจากฟลูเอนซ์อย่างไร
ความเข้มรังสีคือกำลังต่อหน่วยพื้นที่ หรือก็คือความเข้ม ส่วนฟลูเอนซ์คือพลังงานต่อหน่วยพื้นที่ วัดเป็นจูลต่อตารางเซนติเมตร และบอกปริมาณรวมที่ส่งถึงวัสดุ ความเข้มรังสีกำหนดว่าลำแสงกระทบแรงเพียงใด ส่วนฟลูเอนซ์กำหนดว่าถ่ายโอนพลังงานได้มากเพียงใด
ปัจจัยใดที่เปลี่ยนความเข้มรังสี
กำลังเลเซอร์ ขนาดจุดโฟกัส คุณภาพลำแสง และความยาวคลื่น กำลังที่มากขึ้นเพิ่มความเข้มรังสี จุดที่เล็กลงรวมความเข้มไว้ และค่า M2 ต่ำช่วยให้โฟกัสได้แคบลง ความยาวคลื่นมีผลเพราะส่งผลต่อทั้งการดูดกลืนและการโฟกัสที่ทำได้
เหตุใดกำลังวัตต์ดิบของเลเซอร์จึงทำให้เข้าใจผิด
เพราะความหนาแน่นกำลังที่ผิวมาร์กคือสิ่งที่ก่อให้เกิดรอยมาร์ก ซึ่งต่างจากกำลังเอาต์พุตที่ระบุของเลเซอร์ ระบบ 50 W สองเครื่องที่มีคุณภาพลำแสงและชิ้นส่วนแสงต่างกันอาจให้ความเข้มรังสีที่ชิ้นงานต่างกันมาก
จะเกิดอะไรขึ้นหากตั้งค่าความเข้มรังสีไม่ถูกต้อง
สูงเกินไปทำให้เกิดความร้อนและการระเหยอย่างรวดเร็ว นำไปสู่การแตกร้าว การไหม้เกินไป หรือความเสียหายนอกเหนือรอยมาร์กที่ต้องการ ต่ำเกินไปอาจได้รอยมาร์กที่ช้าและอ่อน หรือไม่เห็นรอยมาร์กเลย ความล้มเหลวทั้งสองแบบพบได้บ่อยในกระบวนการที่ยังไม่ได้ปรับให้เหมาะสม
เหตุใดกำลังวัตต์เท่ากันจึงให้ผลต่างกันบนเครื่องสองเครื่อง
เพราะความเข้มรังสีขึ้นกับพื้นที่จุดโฟกัส ไม่ใช่กำลังที่ระบุ การเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางจุดเป็นสองเท่าทำให้ความเข้มที่ส่งถึงเหลือหนึ่งในสี่ ความยาวโฟกัสของเลนส์ คุณภาพลำแสง และตำแหน่งโฟกัสจึงอาจทำให้สิ่งที่ถึงวัสดุจริงต่างกันถึงร้อยเท่าที่การตั้งกำลังค่าเดียว เครื่องสองเครื่องที่มีกำลังตามที่ระบุเท่ากันไม่เทียบเท่ากัน เว้นแต่ขนาดจุดที่ส่งถึงและการส่งผ่านแสงตรงกัน
วัดความเข้มรังสีที่ส่งถึงจริงได้อย่างไร
วัดกำลังที่ชิ้นงานด้วยเครื่องวัดใต้หัวสแกน ซึ่งครอบคลุมการสูญเสียผ่านตัวขยายลำแสง กระจก เลนส์ f-theta และหน้าต่างป้องกัน จากนั้นหาขนาดจุดด้วยเครื่องวิเคราะห์โปรไฟล์ลำแสง หรือประมาณจากชุดรอยเบิร์นผ่านช่วงโฟกัส ต้องวัดทั้งสองค่า เพราะการอ้างกำลังของแหล่งกำเนิดร่วมกับข้อกำหนดของเลนส์อาจให้ตัวเลขที่ห่างจากความจริงมาก
ควรตรวจสอบอะไรก่อนเมื่อรอยมาร์กเสื่อมลง
โฟกัส เป็นตัวปรับที่มีผลต่อความเข้มรังสีมากที่สุดและเป็นสิ่งที่เบี่ยงเบนได้บ่อยที่สุด ไม่ว่าจะจากการสึกหรอของฟิกซ์เจอร์ ความสูงของชิ้นงานที่ไม่สม่ำเสมอ หรือการเปลี่ยนแปลงชิ้นส่วนแสง การเพิ่มกำลังเพื่อชดเชยลำแสงที่เบี่ยงโฟกัสได้ผลชั่วคราวแล้วทำให้แย่ลง เพราะทำให้ช่องว่างระหว่างกลางพื้นที่มาร์กกับขอบกว้างขึ้น
ขอใบเสนอราคาฟรี
Scott Sabreen — ประธานและหัวหน้าวิศวกร ประสบการณ์กว่า 30 ปี ติดต่อเราวันนี้เพื่อปรึกษาการใช้งานของคุณและโซลูชันจาก SABREEN โดยไม่มีค่าใช้จ่าย
โทรศัพท์: +1 972-820-6777
