Khắc laser nhựa gia cường sợi thủy tinh – Tầm quan trọng của quy trình ép phun

Khắc laser nhựa gia cường sợi thủy tinh – Tầm quan trọng của quy trình ép phun

Khắc laser trên nhựa mang lại nhiều ưu điểm trong hàng loạt ứng dụng công nghiệp. Các dấu khắc trang trí và chức năng do laser tạo ra phải hoàn toàn dễ đọc, chẳng hạn như nhận dạng linh kiện, sơ đồ, mã data matrix và mã vạch. Chất lượng vết khắc phụ thuộc vào polymer, phụ gia và chất tạo màu, quy trình ép phun và nguồn laser. Các vấn đề bề mặt của chi tiết polymer đúc làm giảm khả năng đọc có thể ảnh hưởng đến độ an toàn, hiệu năng và chức năng của sản phẩm. Một ví dụ là phụ gia sợi thủy tinh. Việc bổ sung sợi thủy tinh có thể gây bất lợi cho quá trình ép phun, từ đó ảnh hưởng đến chất lượng khắc laser. Bề mặt chi tiết giàu nhựa là điều cần thiết để có vết khắc bền vững. Bề mặt giàu sợi thủy tinh sẽ cho kết quả kém hơn.

Điểm chính cần nhớ

• Tỷ lệ gia cường sợi thủy tinh thường từ 10–60% trong ABS, nylon, acetal, polycarbonate, LCP, PBT, PET, PPS, PEEK và PEI.
• Sợi thủy tinh hấp thụ hồng ngoại gần kém, nên các bề mặt giàu sợi thủy tinh vốn khắc kém.
• Bề mặt giàu nhựa là yêu cầu bắt buộc, vì năng lượng laser phải tương tác với nền polymer.
• Hiện tượng nổi sợi thủy tinh biểu hiện bằng các vệt trắng trên bề mặt sau khi ngưng tụ và đúc.
• Quy trình đúc quyết định khả năng khắc — lỗi phát sinh từ công đoạn trước laser, nên phải khắc phục ở công đoạn đó.

Câu hỏi thường gặp

Hiện tượng nổi sợi thủy tinh (glass emergence) là gì?

Đây là lỗi bề mặt nghiêm trọng ảnh hưởng đến các sản phẩm ép phun gia cường sợi thủy tinh, trong đó lượng sợi thủy tinh dư thừa tập trung ở bề mặt khi điền đầy khuôn bằng nhựa nóng chảy. Sau khi ngưng tụ và đúc, các vệt trắng xuất hiện trên bề mặt, và các sợi lộ ra tạo thành bề mặt giàu sợi thủy tinh, khắc kém.

Vì sao bề mặt giàu sợi thủy tinh khắc kém đến vậy?

Vì sợi thủy tinh hấp thụ ánh sáng laser hồng ngoại gần kém. Quá trình khắc đòi hỏi năng lượng laser tương tác với nền polymer, nên bề mặt phải giàu nhựa. Vấn đề càng nghiêm trọng khi hàm lượng sợi tăng.

Những polymer nào thường chứa sợi thủy tinh?

ABS, nylon, acetal, polycarbonate, polymer tinh thể lỏng, PBT, PET, PPS, PEEK và PEI. Tỷ lệ gia cường thay đổi nhưng thường nằm trong khoảng 10 đến 60%.

Sợi thủy tinh thực chất được làm từ gì?

Silica, đá vôi và soda ash. Silica tạo nên chính phần thủy tinh, còn soda ash và đá vôi làm giảm nhiệt độ nóng chảy trong quá trình sản xuất.

Những cơ chế bề mặt nào tạo ra vết khắc?

Ba cơ chế: khắc đen do carbon hóa, khắc trắng do tạo bọt, và đổi màu nhờ các phản ứng hóa nhiệt do laser cảm ứng trong polymer có bột màu. Cơ chế nào xảy ra tùy thuộc vào năng lượng hấp thụ và con đường phân hủy nhiệt riêng của vật liệu.

Sợi thủy tinh

Khi cần nâng cao hiệu năng kết cấu của một loại nhựa thông thường, người ta bổ sung sợi thủy tinh. Độ bền được cải thiện nhờ polymer yếu hơn truyền ứng suất tải sang các sợi gia cường bền hơn. Nguyên liệu để sản xuất sợi thủy tinh gồm silica, đá vôi và soda ash. Silica là vật liệu chính tạo nên thủy tinh, còn soda ash và đá vôi được dùng để hạ nhiệt độ nóng chảy.

Sợi thủy tinh thường được bổ sung vào ABS, nylon, acetal, polycarbonate, polymer tinh thể lỏng (LCP), PBT, PET, PPS, PEEK và PEI. Tuy tỷ lệ gia cường khác nhau, thông thường nằm trong khoảng 10 đến 60%. Có hai loại gia cường bằng thủy tinh – sợi ngắn và sợi dài – và mỗi loại đều có ưu điểm và hạn chế riêng.

Lỗi bề mặt do nổi sợi thủy tinh

“Nổi sợi thủy tinh” (glass emergence) là lỗi bề mặt nghiêm trọng thường gặp ở các sản phẩm ép phun gia cường sợi thủy tinh. Việc các sợi thủy tinh bị lộ ra làm bề mặt giàu sợi thủy tinh. Lượng thủy tinh dư thừa hình thành trên bề mặt trong quá trình điền đầy khuôn bằng nhựa nóng chảy và đúc. Sau khi ngưng tụ và đúc, các vệt trắng xuất hiện trên bề mặt (xem Ảnh 1).

Bề mặt chi tiết đúc phải “giàu nhựa” để cho vết khắc chất lượng cao, khi đó năng lượng từ laser tương tác với nền polymer. Ngược lại, bề mặt giàu sợi thủy tinh khắc kém, và vấn đề càng nặng khi hàm lượng sợi cao hơn. Bản thân sợi thủy tinh hấp thụ ánh sáng laser hồng ngoại gần (NIR) không tốt.

Tầm quan trọng của quy trình ép phun đúng chuẩn là không thể phóng đại. Bảng 1 liệt kê các lỗi bề mặt có thể ảnh hưởng bất lợi đến chất lượng vết khắc laser, bên cạnh hiện tượng nổi sợi thủy tinh.

Cơ chế khắc laser trên polymer

Với laser NIR quét chùm tia, bước sóng 1060-1070 nm, cơ chế khắc laser là chiếu xạ polymer bằng nguồn bức xạ năng lượng cao cục bộ (laser). Nguồn laser gồm laser sợi quang Ytterbium, Vanadate và YAG. Năng lượng bức xạ sau đó được vật liệu hấp thụ và chuyển thành nhiệt năng, gây ra các phản ứng trong vật liệu. Các cơ chế bề mặt gây đổi màu gồm: 1) khắc đen do carbon hóa, 2) khắc trắng do tạo bọt, và 3) đổi màu nhờ các phản ứng hóa nhiệt do laser cảm ứng trong polymer có bột màu. Chất lượng vết khắc phụ thuộc vào năng lượng hấp thụ và con đường phân hủy nhiệt riêng của vật liệu. Mỗi mác polymer, dù cùng một họ, có thể cho kết quả khác nhau.

Để có vết khắc chất lượng cao, sự phân bố/phân tán đồng nhất của chất tạo màu và phụ gia quan trọng không kém bề mặt giàu nhựa. Để xác định có vấn đề phân bố/phân tán hay không, nên cài đặt laser khắc/quét liên tục trên toàn bộ bề mặt chi tiết. Xem Ảnh 2.

Kết quả cho thấy (từ trái sang phải) chiếc bút đúc với vết khắc màu vàng trên nền đen xuất sắc (bên trái), hai hình giữa cho thấy sự phân bố màu kém, và hình ngoài cùng bên phải cho thấy sự phân bố đồng đều xuất sắc.

Vì hầu hết polymer không có khả năng hấp thụ NIR nếu không có phụ gia hóa học, các chuyên gia dùng phụ gia, chất độn, bột màu và thuốc nhuộm để tăng cường hấp thụ năng lượng laser. Hóa học công thức và các thông số quang học/cài đặt laser khác nhau rất nhiều tùy theo độ tương phản vết khắc và chức năng mong muốn. Phụ gia laser tối ưu hóa mức độ tương phản và làm tăng đáng kể tốc độ khắc. Cả dạng hạt và dạng bột đều có thể được trộn vào vật liệu màu phối trộn sẵn hoặc masterbatch màu. Vật liệu phối màu sẵn cho vết khắc ổn định hơn so với 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 cho ứng dụng cuối.

Hệ thống khắc laser có độ chính xác và độ lặp lại rất cao. Sau khi quy trình được thiết lập, laser sẽ áp dụng và lặp lại chính xác cùng một mức năng lượng đầu ra. Do đó, mọi lỗi bề mặt đều gây ra sự không đồng nhất của vết khắc.

Một ứng dụng đầy thách thức là tạo độ tương phản trắng bền vững trên polyamide (nylon) màu xanh dương và đen gia cường 30% sợi thủy tinh. Xem Ảnh 3.

Tần số lặp xung laser và mật độ công suất đỉnh là các thông số then chốt trong việc tạo vết khắc và đạt được độ tương phản và 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 dẫn nhiệt vào vật liệu nền ở mức tối thiểu. Khi tần số lặp xung tăng, công suất đỉnh thấp hơn chỉ gây bay hơi tối thiểu nhưng dẫn nhiều nhiệt hơn. Các yếu tố góp phần ảnh hưởng đến độ tương phản và chất lượng vết khắc gồm độ rộng xung, khoảng cách tiêu cự, vận tốc chùm tia và khoảng cách giữa các đường vector.

Kết luận

Tóm lại, khắc laser trên nhựa là một quy trình xuất sắc. Chất lượng vết khắc phụ thuộc vào nền polymer, phụ gia và chất tạo màu, quy trình ép phun và nguồn laser. Các vấn đề bề mặt của polymer đúc làm giảm khả năng đọc có thể ảnh hưởng đến độ an toàn, hiệu năng và chức năng của sản phẩm. Nổi sợi thủy tinh là một loại lỗi bề mặt khi đúc gây ảnh hưởng bất lợi đến chất lượng vết khắc. Bề mặt chi tiết giàu nhựa và sự phân tán/phân bố đồng đều là yếu tố then chốt để có vết khắc laser bền vững.

Scott R. Sabreen là người sáng lập và chủ tịch của The Sabreen Group, Inc., công ty tư vấn kỹ thuật chuyên về các quy trình gia công nhựa thứ cấp – tiền xử lý bề mặt, liên kết bám dính, in phun, khắc laser, lớp phủ công nghiệp, trang trí & hoàn thiện bề mặt và bảo mật sản phẩm. Ông 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.

---