Laser sợi quang giúp khắc laser trên nhựa cao cấp

Laser sợi quang giúp khắc laser trên nhựa cao cấp

Các phụ gia pha trộn vào polymer đột phá đã được FDA phê duyệt, được phối trộn trong quá trình gia công sơ cấp, giúp tối ưu hóa khắc laser trên nhựa. Tốc độ nhanh, độ tương phản vượt trội và tiết kiệm chi phí là những lợi ích đáng kể. Các phụ gia hóa học mới có thể tạo độ tương phản đen tuyền, màu sáng và màu tùy chỉnh, cả khi khắc “on-the-fly” (khắc trên dây chuyền đang chạy) lẫn trong các công đoạn thứ cấp. Được thiết kế cho laser sợi quang ytterbium giá phải chăng, khắc laser không mực trên dây chuyền nay thay thế in ống đồng quay và in tampon truyền thống.

Những điểm chính cần nhớ

• Hầu hết polymer không hấp thụ cận hồng ngoại, nên phụ gia chính là yếu tố giúp khắc ở bước sóng 1060–1080 nm trở nên khả thi.
• Các phụ gia không chứa kim loại nặng, được FDA và EFSA phê duyệt, cho độ tương phản cao mà không làm thay đổi độ trong, độ truyền phổ hay tính chất vật lý.
• Phụ gia rút ngắn thời gian khắc từ 20% trở lên so với công thức chưa tối ưu, nhờ đó nhanh chóng bù đắp chi phí phụ gia.
• MOPA vượt trội hơn Q-switched về tần số lặp xung — lên tới 500 kHz so với khoảng 80 kHz — và các xung ngắn dưới 40 ns phù hợp với các polymer nhạy cảm.
• Tốc độ on-the-fly đạt 2.000 chi tiết/phút trên nắp đóng chai, và 500 ft/min trở lên trên sản phẩm đùn tuyến tính.

Câu hỏi thường gặp

Cần hàm lượng phụ gia laser là bao nhiêu?

Từ 0,01% đến 4,0% theo khối lượng trong chi tiết cuối cùng, tùy loại phụ gia và polymer. Dạng hạt được phối trộn trực tiếp với nhựa; dạng bột được chuyển thành masterbatch trước. Vật liệu màu phối trộn sẵn cho độ đồng đều tốt hơn so với masterbatch màu dạng đậm đặc khi đùn, ép phun và tạo hình nhiệt.

Phụ gia laser có ảnh hưởng đến độ trong hay tính chất vật lý không?

Phụ gia được pha chế đúng cách thì không. Độ trong của polymer, độ truyền phổ và các tính chất vật lý cơ bản không bị ảnh hưởng, nhờ đó việc khắc trên polymer trong suốt và bán trong suốt trở nên khả thi mà không làm giảm chất lượng sản phẩm.

Khắc laser on-the-fly thực tế có thể chạy nhanh đến mức nào?

Tốc độ khắc cho nút chai rượu vang tổng hợp bằng polyolefin và các nội dung khuyến mãi dưới nắp trên nắp đóng chai đồ uống không có gioăng đạt 2.000 chi tiết mỗi phút đối với văn bản chữ-số và hình ảnh. Khắc tuyến tính văn bản và mã thị giác máy đạt 500 ft/min và nhanh hơn.

Laser sợi quang Q-switched và MOPA khác nhau như thế nào?

Laser sợi quang Q-switched thường có độ rộng xung 100–120 ns và bị giới hạn ở tần số lặp khoảng 80 kHz do chính công nghệ Q-switching. Laser MOPA điều biến trực tiếp hoạt động đến 500 kHz ở độ rộng xung nano giây, và tần số lặp cao hơn nhìn chung đồng nghĩa với khắc nhanh hơn.

Các phụ gia này có được phê duyệt cho tiếp xúc thực phẩm và thiết bị y tế không?

Một số phụ gia cụ thể 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, kèm các tuyên bố tuân thủ tương đương của EU. Việc đánh giá đủ điều kiện thêm cho chi tiết thành phẩm có thể đạt tính tương thích sinh học cho thiết bị y tế. Chứng nhận áp dụng riêng cho từng loại polymer, ngưỡng hàm lượng và việc tiếp xúc trực tiếp hay gián tiếp.

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), styrenics, cùng nhựa đàn hồi nhiệt dẻo (TPU) và polyurethane nhiệt dẻo (TPE), được pha chế đặc biệt bằng các phụ gia không chứa kim loại nặng, được FDA/Cơ quan An toàn Thực phẩm Châu Âu (EFSA) phê duyệt, để đạt chất lượng khắc có độ tương phản cao (xem 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 các quy trình in hóa chất mực. Kết quả là ứng dụng tiết kiệm chi phí, thân thiện với môi trường và có tính thẩm mỹ vượt trội.

Cơ chế phản ứng khắc laser trên polymer

Tiến bộ đạt được trong việc pha chế phụ gia hóa học laser dùng với laser cận hồng ngoại (NIR) (bước sóng 1060–1080nm) nằm ở khả năng tương thích với laser sợi quang ytterbium, laser vanadate và laser Nd:YAG đời trước. Hầu hết polymer không có đặc tính hấp thụ NIR nếu không có phụ gia hóa học¹. Các polymer có thể khắc bằng laser là những polymer hấp thụ ánh sáng laser và chuyển từ năng lượng ánh sáng thành năng lượng nhiệt. Các chuyên gia sử dụng phụ gia, chất độn, bột màu và thuốc nhuộm để tăng cường hấp thụ năng lượng laser nhằm tạo sự đổi màu cục bộ. Hóa học công thức và thông số quang học/thiết lập laser rất khác nhau được sử dụng tùy theo độ tương phản và chức năng khắc mong muốn.

Cơ chế phản ứng bề mặt phổ biến nhất được gọi là “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. Bằng cách tối ưu hóa thiết lập laser, lượng cặn cacbon hóa bề mặt là tối thiểu.

Phụ gia laser

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

So với các quy trình in mực (in tampon/in lụa và in phun), phụ gia laser tiết kiệm chi phí và có thể cho tốc độ khắc nhanh hơn 20% trở lên so với vật liệu chưa tối ưu. Phụ gia laser được cung cấp ở dạng hạt viên và dạng bột. Sản phẩm dạng hạt có thể phối trộn trực tiếp với nhựa polymer, còn dạng bột được chuyển thành masterbatch. Hầu hết đều dễ phân tán trong polymer. Tùy phụ gia và polymer, nồng độ hàm lượng theo khối lượng (trong chi tiết cuối cùng) nằm trong khoảng 0,01 đến 4,0%.

Cả dạng hạt và dạng bột đều có thể được phối trộn vào vật liệu màu phối trộn sẵn hoặc masterbatch màu dạng đậm đặc. 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. Với các công đoạn đùn, ép phun và tạo hình nhiệt, vật liệu phối trộn màu sẵn cho độ đồng đều tốt hơn so với masterbatch màu dạng đậm đặc. Nên tránh trộn thủ công. Dòng chảy khuôn cùng loại/vị trí cổng phun là những yếu tố quan trọng. Sự phân bố/phân tán đồng nhất của phụ gia laser trong toàn bộ từng chi tiết có vai trò quyết định 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 ra sắc “xám” cho độ đục của vật liệu nền tự nhiên (chưa nhuộm màu). Các phụ gia khác có thể chứa hạt nhôm, hỗn hợp oxit kim loại và các hợp chất độc quyền. Việc điều chỉnh màu được thực hiện bằng bột màu và thuốc nhuộm để đạt ngoại quan khớp màu cuối cùng. Một số phụ gia cụ thể được cung cấp thương mại (cũng dùng cho hàn laser) đã nhận phê duyệt của FDA cho sử dụng 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 áp dụng riêng cho từng loại polymer, ngưỡng mức hàm lượng và việc tiếp xúc trực tiếp hay gián tiếp. Việc đánh giá đủ điều kiện thêm các phụ gia đã được FDA phê duyệt khi phối trộn vào một “chi tiết cuối cùng” có thể đạt tính tương thích sinh học cho thiết bị y tế².

Công nghệ laser sợi quang ytterbium nano giây

Những cải tiến trong công nghệ laser đã đóng vai trò then chốt trong sự phát triển nhanh chóng của thế hệ phụ gia laser mới nhất được FDA phê duyệt. Sự xuất hiện của laser sợi quang ytterbium nano giây là một trong những tiến bộ đáng kể nhất cho khắc, hàn và cắt.

Về cơ bản, laser sợi quang khác với các laser khắc bơm diode thể rắn (DPSS) khác. Với laser sợi quang, môi trường hoạt tính tạo ra chùm laser được phân tán bên trong một cáp sợi quang chuyên dụng. Khác với laser dẫn bằng sợi quang, toàn bộ đường truyền của chùm tia nằm trong cáp sợi quang cho đến tận quang học phân phối chùm tia. Cấu trúc toàn sợi này phần lớn tạo nên độ tin cậy và độ bền của các laser này, giải thích cho sự tăng trưởng nhanh của chúng.

Laser sợi quang cho chất lượng chùm tia (M2) và độ sáng vượt trội so với laser Nd:YAG. Laser có chất lượng chùm tia vượt trội có thể hội tụ thành điểm nhỏ, dẫn đến mật độ năng lượng cao. Laser sợi quang MOPA (bộ khuếch đại công suất dao động chủ) xung cố định và xung biến thiên, với năng lượng xung lên đến 1mJ và mật độ công suất cao, có thể khắc nhiều loại polymer từng rất khó khắc (xem Hình 2)³.

Laser vanadate cũng có giá trị M2 nhỏ với độ rộng xung ngắn hơn laser sợi quang xung cố định và laser YAG. Thời lượng xung ảnh hưởng đến mức độ nhiệt và cacbon hóa vào trong vật liệu. Các xung ngắn, thường <40ns, cho phép đưa năng lượng vào có kiểm soát hơn khi gia công các vật liệu polymer nhạy cảm. Các xung này vẫn có công suất đỉnh đủ để vượt các ngưỡng của vật liệu, nhưng có năng lượng xung thấp hơn để giảm hư hại nhiệt cục bộ.

IPG Photonics, nhà phát triển và sản xuất hàng đầu laser sợi quang hiệu suất cao, cung cấp cả laser dòng YLP xung cố định (đôi khi gọi là “Q-switch”) và laser YLPN (MOPA) xung ngắn biến thiên. Laser sợi quang Q-switched, thường có độ rộng xung 100–120ns, được dùng cho một số ứng dụng khắc, nhưng tần số lặp bị giới hạn ở khoảng 80kHz do hạn chế vốn có của công nghệ Q-switching. Laser sợi quang MOPA điều biến trực tiếp (DM-MOPA) có thể hoạt động ở tần số lặp lên đến 500kHz ở độ rộng xung nano giây. Tần số lặp cao nhìn chung đồng nghĩa với tốc độ khắc nhanh hơn (kết hợp với các thông số laser/ống dẫn sóng khác).

Phát triển ứng dụng mang tính đặc thù cao, vì không có giải pháp laser vạn năng. Laser MOPA có thời lượng xung ngắn có thể khai thác trọn vẹn hiệu suất của các phụ gia hóa học nhạy cảm được FDA phê duyệt. Kiểm soát không gian và thời gian cục bộ đối với nhiệt đầu vào của laser và tốc độ nhiệt đầu vào giúp đạt hiệu suất tối đa. Việc chọn loại laser nào để tích hợp được quyết định bởi đặc tính đầu ra của laser tương tác với vật liệu polymer đã tối ưu. HÌNH 3 thể hiện dạng xung theo thời gian của laser sợi quang ytterbium có độ dài xung cố định và biến thiên (MOPA) [3].

Khi thiết lập laser sợi quang có độ dài xung cố định để khắc, phải đặt hai thông số đầu vào:

• Tần số lặp xung (thường gọi là tần số xung) và
• Công suất bơm theo phần trăm – 100% là mức điện năng đầu vào tối đa có thể cho các diode bơm.

Khi thiết lập laser sợi quang MOPA xung ngắn biến thiên để khắc, phải đặt ba thông số đầu vào:

• Thời lượng xung (thường gọi là độ dài xung);
• Tần số lặp xung (tần số xung); và
• Công suất bơm theo phần trăm, như giải thích ở trên.

Với cả hai loại, tổ hợp thông số đầu vào cụ thể quyết định các đặc tính đầu ra của chùm laser, cụ thể là năng lượng xung, công suất đỉnh (đỉnh tức thời cao nhất của năng lượng xung, joule/thời lượng xung) và công suất trung bình (công suất trung bình tính bằng watt = năng lượng xung tính bằng joule × tần số lặp xung tính bằng hertz).

Khắc laser ‘On-The-Fly’

Khắc laser “on-the-fly” là một trong những ứng dụng chuyên biệt cao nhất thực hiện trên sản phẩm ép phun và đùn như dây/cáp, ống và đường ống. Tốc độ khắc cho nút chai rượu vang tổng hợp bằng polyolefin và các nội dung khuyến mãi dưới nắp trên nắp đóng chai đồ uống không có gioăng có thể đạt 2000 chi tiết/phút đối với văn bản chữ-số và hình ảnh (xem Hình 4). Tốc độ khắc tuyến tính văn bản và mã thị giác máy có thể đạt 500 ft/min và nhanh hơn, nơi khắc laser không mực nay thay thế in ống đồng quay và in tampon.

Tốc độ khắc là hàm của nhiều biến số, gồm loại polymer, màu vật liệu nền, loại và hàm lượng phụ gia laser, kích thước cáp (trọng lượng), loại và công suất laser, phần mềm, số ký tự chữ-số, chiều cao chữ, độ dài chuỗi văn bản, khoảng cách giữa các ký tự, mã vạch/data matrix, logo/hình ảnh, phông một nét hoặc phông true-type có tô đầy, hướng tô đầy, và văn bản liên tục hoặc lặp lại. Sử dụng chất tạo màu phụ gia được pha chế phù hợp sẽ đảm bảo “mật độ công suất” tại bề mặt vết khắc không phải là yếu tố giới hạn. Thay vào đó, các galvanometer điều hướng chùm tia sẽ hoạt động ở tốc độ tối đa.

Do sự phức tạp của các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng khắc trong sản xuất on-the-fly, mỗi ứng dụng phải được xem xét kỹ lưỡng. Có rất ít quy tắc, nếu có, có thể suy rộng ra. Tuy nhiên, để tham khảo chung, hãy xem ví dụ về polymer nylon sau đây với laser sợi quang 50W, thấu kính trường phẳng 254mm, 100 ký tự chữ-số, chiều cao 2mm, độ dài chuỗi văn bản lặp lại 14,68in. và thời gian khắc 0,232s. Tốc độ tính toán xấp xỉ 315 ft tuyến tính/phút.

Hệ thống thiết bị laser

Các thành phần phần cứng và phần mềm mà nhà sản xuất laser đưa vào hệ thống tạo ra sự khác biệt đáng kể về độ tương phản, chất lượng và tốc độ khắc. Một thuộc tính chính là mật độ công suất (W/cm2) tại bề mặt vết khắc (khác với công suất đầu ra thô của laser). Chế độ đầu ra của chùm laser có vai trò quyết định đối với hiệu suất khắc. Các chế độ đầu ra này liên quan đến các yếu tố gồm độ phân kỳ chùm tia và phân bố công suất trên đường kính chùm laser.

Mật độ công suất là hàm của kích thước điểm laser hội tụ. Kích thước điểm laser hội tụ với thấu kính tiêu cự và bước sóng laser bất kỳ là hàm của độ phân kỳ chùm laser, được kiểm soát bởi cấu hình laser, kích thước khẩu độ chọn mode và độ phóng đại của bộ chuẩn trực (bộ mở rộng chùm tia). Tần số lặp xung và mật độ công suất đỉnh là các thông số then chốt trong việc tạo vết khắc và đạt độ tương phản cùng tốc độ tối ưu. Các đường cong số học của công suất theo tần số lặp xung tỷ lệ nghịch với nhau. Công suất đỉnh cao ở tần số thấp làm nhiệt độ bề mặt tăng nhanh, làm bay hơi vật liệu trong khi truyền rất ít nhiệt vào vật liệu nền. Khi tần số lặp xung tăng, công suất đỉnh thấp hơn tạo ra ít bay hơi nhất nhưng truyền nhiều nhiệt hơn. Các yếu tố góp phần khác ảnh hưởng đến độ tương phản và chất lượng vết khắc, tất nhiên, là vận tốc chùm tia và khoảng cách giữa các đường vector.

Kết luận

Các phụ gia laser đột phá được FDA phê duyệt, đưa vào polymer, cho độ tương phản vết khắc, chi tiết cạnh nét và tốc độ vượt trội. Các sản phẩm tích hợp phụ gia tăng cường laser cho tốc độ khắc nhanh hơn 20% trở lên. Lợi ích nhanh chóng bù đắp chi phí vật liệu phụ gia tăng thêm. Những tiến bộ trong công nghệ laser sợi quang ytterbium nano giây giá phải chăng đóng vai trò then chốt. Khắc laser on-the-fly trên dây chuyền nay thay thế in ống đồng quay và in tampon. Hóa học khoa học vật liệu tối ưu cho khắc laser trên nhựa 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 các chứng nhận quy định (GRAS, FDA tiếp xúc thực phẩm trực tiếp/gián tiếp). Không phải laser sợi quang nào cũng như nhau.

Lời cảm ơn và tài liệu tham khảo

Tác giả xin ghi nhận Bản tin kỹ thuật Mark-it Laser Marking Pigment của BASF Corporation năm 2002, với đóng góp nội dung kỹ thuật từ The Sabreen Group; Bruce Mulholland của Hoechst Technical Polymers và The Sabreen Group cho bài “Enlightened laser marking,” Lasers & Optronics (Jul. 1997); và Daniel S. Burgess của Baasel Lasertechnik GmbH và The Sabreen Group cho bài “Laser marking: A clean economical packaging solution,” Photonics Spectra (Nov. 2001).

• Sabreen, S. Fiber Lasers: Selection and Additives, Plastics Decorating, November 2017.
• Polyamide (PA) Nylon Complete Guide, SpecialChem 2019.
• Brodsky, M. Wave Forms: A New Laser Tool, Optics & Photonics, March 2012.

Scott R. Sabreen là người sáng lập kiêm chủ tịch của The Sabreen Group, Inc., một công ty tư vấn kỹ thuật chuyên về các quy trình sản xuất nhựa thứ cấp – tiền xử lý bề mặt, liên kết bám dính, in phun, khắc laser, 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 suốt hơn 30 năm. Quý khách có thể liên hệ ông theo số 972.820.6777 hoặc truy cập www.sabreen.com.

---