Phụ gia laser đa năng thúc đẩy khắc laser và hàn laser polymer

Phụ gia laser đa năng thúc đẩy khắc laser và hàn laser polymer

Phụ gia laser đa năng được phối trộn vào polymer trong quá trình gia công sơ cấp cho phép khắc laser và hàn laser truyền qua đối với polymer trong suốt lẫn đục. Các phụ gia hóa học mới, bao gồm loại đạt chuẩn FDA/y tế, tạo ra mối hàn kín khí độ bền cao và vết khắc đục có độ tương phản bền vĩnh viễn. Quy trình khắc laser và hàn laser là không tiếp xúc, dễ kiểm soát và thân thiện với môi trường. Được thiết kế cho các thiết bị laser tốc độ cao với chi phí hợp lý, việc khắc và hàn polymer đáp ứng các thách thức của những ứng dụng phức tạp ngày nay.

Điểm chính cần nhớ

• Một hợp chất, hai quy trình. Phụ gia đa năng hỗ trợ cả khắc laser và hàn laser truyền qua trên cùng một vật liệu.
• TTLW diễn ra qua ba giai đoạn — gia nhiệt, hòa trộn và hàn — với thời gian hàn thông thường từ một đến tám giây.
• Hai chi tiết cần có tính chất quang học đối lập: chi tiết trên phải cho bước sóng truyền qua, chi tiết dưới phải hấp thụ bước sóng đó trong một lớp mỏng.
• Độ hấp thụ trung bình là trường hợp xấu nhất, làm nóng toàn bộ chiều dày và khiến chi tiết không phù hợp cho cả hai phía của mối ghép.
• Hàn laser tạo mối hàn kín khí, không ba via, không hạt bụi, vùng ảnh hưởng nhiệt tối thiểu và không làm hỏng bề mặt chi tiết.

Các câu hỏi thường gặp

“Truyền qua” trong hàn laser nghĩa là gì?

Tia laser đi qua chi tiết trên trong suốt với laser và được hấp thụ tại bề mặt của chi tiết dưới hấp thụ laser. Các chi tiết được lắp sẵn và kẹp chặt để bề mặt ghép tiếp xúc chặt chẽ, và mối hàn hình thành tại mặt tiếp xúc đó.

Các giai đoạn của một mối hàn laser truyền qua là gì?

Ba giai đoạn. Ở giai đoạn gia nhiệt, laser làm nóng polymer hấp thụ tại mặt tiếp xúc, polymer giãn nở và làm tăng áp suất hàn. Ở giai đoạn hòa trộn, tiếp tục giãn nở làm tăng áp suất và một lượng nhỏ mối hàn được hình thành. Ở giai đoạn hàn, lượng vật liệu nóng chảy đủ lớn sụp xuống để tạo thành mối hàn thực sự, thường vào khoảng 0.13 mm.

Vật liệu gia cường sợi thủy tinh có hàn laser được không?

Vật liệu có độn đã được hàn với tới 50% sợi thủy tinh, nhưng không dùng cho mối hàn kín khí. Chất độn, phụ gia và bột màu đều làm thay đổi cách polymer phản ứng với chùm laser, nên mức độ phù hợp của vật liệu nhạy cảm hơn với hàn laser so với bất kỳ quy trình ghép nối nào khác.

Vì sao chọn hàn laser thay vì hàn siêu âm hoặc hàn tấm nhiệt?

Đây là phương pháp không tiếp xúc, kẹp nhẹ dưới tấm kính phẳng, nên không gì làm hỏng chi tiết và không truyền rung động. Mối hàn nằm dưới bề mặt và gần như vô hình, vùng ảnh hưởng nhiệt rất nhỏ nên các linh kiện mỏng manh đặt sẵn vẫn an toàn, không có ba via cần cắt tỉa và có thể đạt mối hàn kín khí.

Có thể hàn laser các loại nhựa khác nhau với nhau không?

Có, miễn là chúng đáp ứng các tiêu chí quang học và nhiệt cần thiết. Mỗi polymer truyền ba bước sóng hàn chính theo cách khác nhau, do đó cần đánh giá đồng thời cả hai vật liệu chứ không đánh giá riêng lẻ.

Ứng dụng sản phẩm

Các polymer màu trong suốt, bán trong suốt và đục, bao gồm nylon, polyethylene terephthalate (PET), polycarbonate, polyolefin, polyvinyl chloride (PVC), styrenic, nhựa đàn hồi nhiệt dẻo (TPU) và polyurethane nhiệt dẻo (TPE), được pha chế riêng bằng phụ gia không chứa kim loại nặng, được FDA/Cơ quan An toàn Thực phẩm Châu Âu (EFSA) phê duyệt để đạt chất lượng vết khắc có độ tương phản cao, kể cả với sản phẩm hàn laser (Hình 1). Độ trong của polymer, độ truyền phổ và các tính chất vật lý cơ bản không bị ảnh hưởng. Khắc laser kỹ thuật số không tiếp xúc thay thế nhãn dán đắt tiền và quy trình in mực hóa chất. Kết quả là giải pháp tiết kiệm chi phí, thân thiện với môi trường và có tính thẩm mỹ vượt trội.

Cơ chế phản ứng bề mặt khi khắc laser

Những tiến bộ trong việc pha chế phụ gia hóa học laser để dùng với laser cận hồng ngoại (NIR) (bước sóng 1,060-1,080nm) bao gồm khả năng tương thích với laser sợi quang ytterbium, vanadate và Nd:YAG. Hầu hết polymer không có khả năng hấp thụ NIR nếu không có phụ gia hóa học. Các polymer có thể khắc bằng laser là những polymer hấp thụ ánh sáng laser và chuyển từ năng lượng ánh sáng sang năng lượng nhiệt. Phụ gia, chất độn, bột màu và thuốc nhuộm được dùng để tăng cường hấp thụ năng lượng laser nhằm tạo thay đổi màu cục bộ. Hóa học pha chế và thông số quang học/thiết lập laser rất khác nhau được cấu hình tùy theo độ tương phản vết khắc và chức năng mong muốn.

Hình 1 cho thấy hai cơ chế phản ứng bề mặt phổ biến. Thứ nhất, có thể xảy ra “cacbon hóa” hay “than hóa” nhiệt-hóa học, trong đó năng lượng hấp thụ trong vật liệu nền làm nhiệt độ cục bộ của vật liệu xung quanh vị trí hấp thụ tăng đủ cao để gây phân hủy nhiệt polymer. Độ đậm hay nhạt của vết khắc phụ thuộc vào năng lượng hấp thụ, cũng như đường phân hủy nhiệt riêng của vật liệu. Khi tối ưu hóa thiết lập laser, cặn cacbon hóa trên bề mặt là tối thiểu.

Phản ứng bề mặt thứ hai, “tạo bọt”, là sự thay đổi hóa học nhờ phụ gia giải phóng hơi nước khi phân hủy, làm polymer nổi bọt. Trong quá trình tạo bọt, năng lượng laser được hấp thụ bởi một phụ gia nằm sát chất tạo bọt. Nhiệt từ chất hấp thụ làm chất tạo bọt phân hủy và giải phóng hơi nước. Nhờ kiểm soát chặt chẽ các thông số vận hành laser, có thể tạo vết khắc màu sáng “trắng” chất lượng cao và bền trên vật liệu nền tối màu.

Phản ứng thứ ba (không minh họa) dùng năng lượng laser để gia nhiệt/phân hủy một chất tạo màu trong hỗn hợp chất tạo màu, dẫn đến thay đổi màu sắc. Ví dụ là hỗn hợp muội than và một chất tạo màu vô cơ bền. Khi được gia nhiệt, muội than bị loại bỏ, chỉ còn lại chất tạo màu vô cơ. Các hệ chất tạo màu hỗn hợp này phụ thuộc vào độ ổn định cụ thể của từng chất tạo màu, và không phải mọi thay đổi màu đều khả thi. Công thức muội than là thành phần không thể thiếu trong hàn laser.

Hóa học phụ gia laser cho khắc và hàn

Phụ gia laser cận hồng ngoại cải thiện mức độ tương phản, có thể tăng cường hơn nữa bằng cách thay đổi thông số thiết lập laser. Polymer vốn có các đặc tính cho ra độ tương phản vết khắc “màu tối” hoặc “màu sáng”. Một số hợp chất tạo màu chứa lượng thấp titanium dioxide (TiO2) và muội than cũng hấp thụ ánh sáng laser và có thể cải thiện độ tương phản vết khắc. Mỗi mác polymer, ngay cả trong cùng một họ polymer, có thể cho kết quả khác nhau. Công thức phụ gia không được độc hại hoặc ảnh hưởng xấu đến ngoại quan, tính chất vật lý hay chức năng của sản phẩm.

So với các quy trình in mực (in tampon/in lụa và in phun), phụ gia laser giúp tiết kiệm chi phí và có thể đạt tốc độ khắc nhanh hơn 20 phần trăm so với vật liệu chưa tối ưu. Phụ gia laser được cung cấp ở dạng hạt và dạng bột. Sản phẩm dạng hạt có thể phối trộn trực tiếp với nhựa polymer, trong khi dạng bột được chuyển thành masterbatch. Hầu hết đều dễ phân tán trong polymer. Tùy phụ gia và polymer, nồng độ nạp theo khối lượng (trong chi tiết cuối cùng) nằm trong khoảng 0.01 đến 4.0 phần trăm.

Cả dạng hạt và dạng bột đều có thể phối trộn vào vật liệu màu phối sẵn hoặc masterbatch màu. Việc chọn phụ gia nào phụ thuộc vào thành phần polymer, màu vật liệu nền, màu tương phản vết khắc mong muốn và yêu cầu chứng nhận sử dụng cuối. Đối với các công đoạn đùn, ép phun và định hình nhiệt, vật liệu phối màu sẵn cho độ đồng đều tốt hơn so với masterbatch màu. Nên tránh trộn tay. Dòng chảy khuôn và loại/vị trí cổng phun là những yếu tố quan trọng. Phân bố/phân tán đồng nhất phụ gia laser trong từng chi tiết là then chốt để đạt hiệu suất khắc tối ưu.

Một số phụ gia chứa hỗn hợp oxit thiếc pha tạp antimon và antimon trioxide có thể tạo ánh “xám” cho độ đục của vật liệu nền tự nhiên (không màu). Các phụ gia khác có thể chứa hạt nhôm, hỗn hợp oxit kim loại và các hợp chất độc quyền. Việc hiệu chỉnh màu được thực hiện bằng bột màu và thuốc nhuộm để đạt ngoại quan khớp màu cuối cùng. Theo cung cấp thương mại, một số phụ gia cụ thể (cũng dùng cho hàn laser) đã được FDA phê duyệt cho tiếp xúc thực phẩm và bao bì thực phẩm theo các điều kiện A-H của 21 CFR 178.3297 – Chất tạo màu cho polymer. Đối với Liên minh Châu Âu, có các tuyên bố tuân thủ tương tự. Điều kiện chứng nhận riêng cho từng loại polymer, ngưỡng nồng độ nạp và tiếp xúc trực tiếp hay gián tiếp. Việc đánh giá thêm các phụ gia được FDA phê duyệt khi phối trộn vào “chi tiết cuối cùng” có thể đạt tính tương thích sinh học cho thiết bị y tế.

Trong quá trình nạp phụ gia laser/hóa học khớp màu, không hiếm khi sản phẩm hoàn thiện chứa lượng phụ gia laser ít hơn lượng tính toán. Vấn đề này hầu như luôn liên quan đến phân bố không đồng đều khi đùn hoặc ép. Các điều chỉnh đơn giản trên máy ép, như tăng áp suất ngược và tốc độ quay trục vít, sẽ giải quyết hầu hết các vấn đề. Phân bố/phân tán đồng nhất phụ gia laser trong từng chi tiết là then chốt để đạt hiệu suất khắc tối ưu. Đối với các công đoạn đùn, ép phun và định hình nhiệt, vật liệu phối màu sẵn cho độ đồng đều tốt hơn so với masterbatch màu. Nên tránh trộn tay. Dòng chảy khuôn và loại/vị trí cổng phun là những yếu tố quan trọng.

Nguyên lý hàn laser truyền qua

Thuật ngữ “truyền qua” xuất phát từ việc tia laser đi qua chi tiết trên trong suốt với laser đến bề mặt của chi tiết dưới hấp thụ laser, như thể hiện ở Hình 2. Hàn laser truyền qua (TTLW) nhựa gồm ba giai đoạn. Trong TTLW, các chi tiết được lắp sẵn và kẹp chặt với nhau để bề mặt ghép tiếp xúc chặt chẽ. Trong bài viết này, sử dụng laser diode công suất cao (λ = 800-1,000nm) và laser thể rắn (laser sợi quang Ytterbium và laser Nd:YAG, λ = 1,060-1,080nm).

Trong giai đoạn gia nhiệt, năng lượng laser làm nóng polymer hấp thụ laser tại mặt tiếp xúc, khiến chi tiết giãn nở và làm tăng áp suất hàn. Tại tiêu điểm của chùm tia, công suất laser đạt cực đại và chi tiết bắt đầu nóng chảy tại điểm đó, tạo ra vùng nóng chảy. Đây là điểm bắt đầu giai đoạn thứ hai, giai đoạn hòa trộn. Các chi tiết tiếp tục giãn nở, tạo thêm giãn nở kèm theo áp suất tăng tương ứng. Tại thời điểm này, một lượng nhỏ mối hàn đã hình thành.

Giai đoạn hàn là giai đoạn cuối cùng. Lượng vật liệu nóng chảy đủ lớn được tạo ra để hình thành mối hàn thực sự. Vật liệu nóng chảy sụp xuống, tương tự hàn tấm nhiệt hoặc hàn nóng chảy. Đối với hầu hết ứng dụng, mức này vào khoảng 0.13mm (0.005 inch). Thời gian hàn thông thường khoảng một đến tám giây với hầu hết ứng dụng, dù các chi tiết lớn hơn có thể lâu hơn. Có bốn quy trình hàn laser TTLW chính: hàn theo đường viền, hàn mặt nạ, hàn đồng thời và hàn bán đồng thời.

Hai chi tiết cần hàn phải có tính chất hấp thụ quang học khác nhau ở một bước sóng hàn nhất định. Chi tiết trên, trong suốt với laser, phải truyền qua càng nhiều bước sóng càng tốt, trong khi chi tiết dưới, hấp thụ laser, phải hấp thụ càng nhiều càng tốt trong một lớp mỏng. Điều này tạo ra sự kết hợp tiết kiệm năng lượng nhất vì một lượng lớn năng lượng được hấp thụ tại mặt tiếp xúc, và nếu không nó có thể làm phân hủy chi tiết trên trước khi chi tiết dưới đủ mềm để hàn. Độ phản xạ quá mức cũng làm tăng lượng năng lượng cần cho hàn.

Mức độ phù hợp của vật liệu nhạy cảm hơn với hàn laser so với bất kỳ quy trình ghép nối nào khác. Về lý thuyết, hàn laser có thể hàn mọi loại nhựa nhiệt dẻo trong suốt với chùm laser. Tuy nhiên, khả năng truyền ánh sáng laser của mỗi polymer ở ba bước sóng chính dùng trong hàn laser là khác nhau. Hơn nữa, phản ứng của một polymer nhất định với chùm laser sẽ bị thay đổi bởi sự hiện diện của chất độn, phụ gia và bột màu.

Vật liệu có tốc độ hấp thụ cao là lý tưởng cho chi tiết dưới trong hàn TTLW vì chúng hấp thụ phần lớn năng lượng tại mặt tiếp xúc hàn và tạo ra lớp bề mặt mỏng được gia nhiệt, lý tưởng cho hàn laser. Vật liệu có tốc độ hấp thụ ở mức trung bình có thể gây vấn đề vì chúng hấp thụ năng lượng laser xuyên suốt chiều dày vật liệu, dẫn đến làm nóng toàn bộ chiều dày. Những vật liệu này cho rất ít năng lượng đi qua nên không phù hợp làm vật liệu trên trong hàn laser TTLW. Hơn nữa, chúng không hấp thụ nhiều năng lượng ở mép trên nên cũng là lựa chọn kém cho vật liệu dưới. Vật liệu có độn đã được hàn với tới 50 phần trăm sợi thủy tinh, nhưng không dùng cho mối hàn kín khí.

Các ưu điểm chính của TTLW gồm:

• Hàn không tiếp xúc. Hàn laser dùng tấm kính phẳng để giữ các chi tiết cần hàn với lực kẹp nhẹ từ 100lbs trở xuống, và không có tiếp xúc với dụng cụ hàn. Do đó không có gì làm hỏng bề mặt chi tiết hàn, và không cần áp lực hàn có thể làm hư các chi tiết mỏng manh.
• Hàn dưới bề mặt. Mối hàn xảy ra tại mặt tiếp xúc giữa hai chi tiết. Mối hàn gần như vô hình với chi tiết trong suốt và hoàn toàn vô hình với chi tiết đục. Mối hàn có thể nằm ngay dưới bề mặt hoặc sâu trong chi tiết.
• Hàn chính xác. Kích thước và vị trí mối hàn laser có thể rất chính xác, và không có rung động truyền vào chi tiết cần hàn. Với những phiên bản quy trình cần chuyển động tương đối giữa laser và chi tiết hàn, chính laser là bên di chuyển. Do đó, hàn laser là quy trình hàn chính xác nhất.
• Vùng ảnh hưởng nhiệt tối thiểu. Điểm hàn rất nhỏ và vùng ảnh hưởng nhiệt khá hạn chế. Nhờ vậy có thể hàn rất gần các linh kiện khác mà không ảnh hưởng đến chúng, cho phép hàn các cụm lắp ráp con có chi tiết nhạy cảm và mỏng manh đã được đặt sẵn. Ngoài ra, biến dạng và suy giảm do nhiệt cực kỳ hạn chế, và ứng suất dư giảm.
• Khả năng hàn các loại nhựa khác nhau. Các loại nhựa khác nhau đáp ứng các tiêu chí cần thiết có thể được hàn với nhau.
• Không ba via. Trong hàn laser, mối hàn được bao kín hoàn toàn và không tạo ba via cần cắt bỏ. Không có hạt bụi rời.
• Mối hàn kín khí. Hàn laser có khả năng tạo mối hàn kín khí.
• Hiệu quả năng lượng. So với các quy trình hàn khác, hàn laser có hiệu quả năng lượng rất cao. Điều này cũng có nghĩa là không sinh thêm nhiệt thừa cần loại bỏ khỏi nơi làm việc.

Kết luận

Phụ gia laser đa năng được đưa vào polymer mang lại độ tương phản vết khắc, chi tiết mép nét và tốc độ vượt trội. Các phụ gia này tối ưu hóa hàn laser nhựa nhiệt dẻo giống nhau và khác nhau. Những tiến bộ của công nghệ laser sợi quang giá hợp lý đóng vai trò then chốt. Các lợi ích này nhanh chóng bù đắp chi phí phụ gia tăng thêm. Hóa học khoa học vật liệu được tối ưu cho khắc laser và hàn laser đòi hỏi chuyên môn về polymer, chất tạo màu, bột màu và thuốc nhuộm liên quan đến độ hòa tan, kích thước hạt, giới hạn nồng độ ngưỡng, khớp màu và chứng nhận quy định (GRAS, FDA tiếp xúc thực phẩm trực tiếp/gián tiếp). Khắc laser và TTLW polymer đáp ứng các thách thức của các ứng dụng ngày nay.

Tài liệu tham khảo

• Scott R. Sabreen, “FDA-Approved Additives Boost Inline Laser Marking,” Plastics Decorating Magazine, April/May 2015
• Jordan Rotheiser, chuyên gia tư vấn của The Sabreen Group Inc. Trích đoạn về hàn từ Joining of Plastics, Handbook for Designers and Engineers, Third Edition, Jordan Rotheiser, Carl Hanser Verlag, Munich, 2009

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

---