Tiền xử lý bề mặt và mực tùy chỉnh thúc đẩy in phun trên nhựa và màng

Tiền xử lý bề mặt và mực tùy chỉnh thúc đẩy in phun trên nhựa và màng

Các công nghệ in kỹ thuật số, chẳng hạn như khắc laser trên nhựa và in phun, mang lại lợi thế vượt trội cho nhà sản xuất so với các phương pháp analog truyền thống như in tampon, dập nóng, in lụa, v.v. In kỹ thuật số cho phép tùy biến hoàn toàn sản phẩm, nhận dạng chi tiết bằng mã chữ số duy nhất, bảo mật sản phẩm, đánh số seri, mã vạch/mã 2D, logo, hình ảnh và nhiều hơn nữa. Những khả năng này rất cần thiết trong thế giới tương tác số ngày nay. Một lợi ích đi kèm là có thể in lên sản phẩm đã lắp ráp ở cuối công đoạn sản xuất, giúp tiết kiệm chi phí và quản lý tồn kho tốt hơn. Bài viết này xem xét hai phương pháp in/khắc kỹ thuật số: in phun áp điện phun giọt theo yêu cầu (drop-on-demand) đủ màu và khắc laser sợi quang quét chùm tia. Cả in phun áp điện DOD lẫn laser sợi quang đều là công nghệ hiện đại với vô số ưu điểm cho việc tùy biến sản phẩm (và tùy biến hàng loạt).

In phun áp điện DOD và khắc laser sợi quang quét chùm tia đều là quy trình kỹ thuật số, không tiếp xúc. Nhiều nhà sản xuất đã nhận ra giá trị của việc cung cấp cả hai công nghệ để đáp ứng các yêu cầu in tùy chỉnh trên nhiều loại vật liệu nền polymer. Không thể khẳng định công nghệ nào tốt hơn hay kém hơn công nghệ kia vì yêu cầu ứng dụng rất đa dạng. Việc chọn quy trình nào (in phun hay laser) cho một ứng dụng cụ thể thoạt nhìn có vẻ dễ dàng. Ví dụ, nếu cần một hoặc nhiều màu (tùy chỉnh) để in trên nylon trắng gia cường sợi thủy tinh, hãy chọn in phun. Hoặc nếu cần độ tương phản đen tuyền, không phai trên nylon trắng, hãy chọn khắc laser. Tuy nhiên, trên thực tế, mực in phun không bám dính dễ dàng lên nylon (hay hầu hết các polymer có năng lượng bề mặt thấp) nếu không có mực chuyên dụng và tiền xử lý. Cần có phụ gia tăng cường khắc laser để đạt độ tương phản đen trên nylon trắng (và nhiều polymer màu sáng khác).

Các giải pháp khắc/in bền vững đòi hỏi kỹ thuật chính xác về hóa học mực/laser, khoa học bề mặt polymer, thiết kế quy trình và thiết bị. Quá thường xuyên, các công ty mua thiết bị phổ thông “có sẵn” và không đạt được kết quả yêu cầu. Vì vậy, khía cạnh “giải pháp toàn diện” của công nghệ in phun và khắc laser, làm định hướng cho việc mua sắm hệ thống và tối ưu hóa quy trình, trở nên rất quan trọng.

Những điểm chính

• In phun và laser bổ trợ cho nhau chứ không cạnh tranh. Không công nghệ nào vượt trội hoàn toàn; ứng dụng quyết định lựa chọn.
• Độ bám dính của mực là vấn đề năng lượng bề mặt. Hãy hướng tới năng lượng bề mặt của vật liệu nền cao hơn sức căng bề mặt của mực khoảng 10 dyne/cm.
• Đóng rắn UV LED đã thay thế đèn thủy ngân: bật/tắt tức thì, tuổi thọ trên 20.000 giờ, không gia nhiệt bằng IR và tạo ít ozone hơn nhiều.
• Khắc laser cần phụ gia, vì hầu hết polymer tự thân không hấp thụ cận hồng ngoại.
• Thiết bị phổ thông có sẵn là điểm hỏng thường gặp. Riêng in phun đòi hỏi tích hợp đồng bộ giữa đầu phun, mực, đóng rắn, tiền xử lý và cơ cấu xử lý chi tiết.

Các câu hỏi thường gặp

Nên chọn in phun hay khắc laser cho chi tiết nhựa?

Chọn in phun khi cần một hoặc nhiều màu; chọn laser khi cần vết khắc đơn sắc không phai, tương phản cao và không tốn vật tư tiêu hao. Trên thực tế, quyết định hiếm khi đơn giản như vậy: mực in phun không bám dính lên nylon và các polymer có năng lượng bề mặt thấp khác nếu không có mực chuyên dụng và tiền xử lý, còn khắc laser cần phụ gia tăng cường để tạo độ tương phản trên polymer màu sáng.

Vì sao mực in phun UV không bám vào chi tiết nhựa của tôi?

Do năng lượng bề mặt. Mực UV có sức căng bề mặt thấp, khoảng 25 dyne/cm, trong khi hầu hết nhựa kỹ thuật trơ về mặt hóa học, không xốp và có năng lượng thấp. Để có độ bám dính chấp nhận được, vật liệu nền thường phải cao hơn mực khoảng 10 dyne/cm. Tiền xử lý bề mặt giúp thu hẹp khoảng cách này.

Đóng rắn UV LED có ưu điểm gì so với đèn thủy ngân?

UV LED phát dải hẹp tập trung quanh 395 nm nên gần như toàn bộ năng lượng đều hữu ích cho quá trình quang khơi mào. Đèn bật và tắt tức thì, tuổi thọ trên 20.000 giờ (gấp khoảng mười lần đèn UV), không phát IR nên phù hợp với nhựa nhạy nhiệt, đồng thời tạo ít ozone hơn nhiều.

In phun thang xám là gì và vì sao quan trọng?

In phun tiêu chuẩn là nhị phân: mỗi điểm ảnh hoặc nhận một giọt mực hoặc không. Đầu phun thang xám phóng nhiều giọt nhỏ đủ nhanh để chúng in thành một chấm duy nhất, và các đầu phun cao cấp có tám mức. Kết quả là độ phân giải biểu kiến cao hơn rõ rệt từ cùng độ phân giải gốc của đầu phun.

Vì sao hệ thống in phun phổ thông có sẵn thường thất bại trên nhựa?

Vì không có nhà sản xuất đơn lẻ nào cung cấp mọi thành phần. Một hệ thống hoạt động ổn định phải tích hợp đầu phun, mạch điều khiển, mực, cơ cấu xử lý chi tiết, điều khiển chuyển động, bộ chiếu đóng rắn và phần mềm giao thức tệp. Không như in tampon hay in lụa, không có gói chìa khóa trao tay hoàn chỉnh, nên khả năng tương thích giữa các thành phần phải được thiết kế.

Công nghệ in phun UV LED áp điện “phun giọt theo yêu cầu” (Drop-On-Demand)

In phun là quy trình in trực tiếp từ máy tính, không tiếp xúc, trong đó các giọt mực được bắn về phía vật liệu nền theo lưới điểm ảnh x-y đều đặn tạo ra từ tệp kỹ thuật số. Các thành phần chính của hệ thống gồm cụm đầu phun, bộ điều khiển điện tử cho đầu phun, mực UV, bộ chiếu đóng rắn và cơ cấu xử lý chi tiết có điều khiển chuyển động.

Thành phần cơ bản là đầu phun (Hình 2). Đầu phun có nguồn cấp mực và nhiều buồng mực thể tích nhỏ với các vòi phun tròn để phóng giọt mực. Các vòi được xếp thẳng hàng, vuông góc với hướng chuyển động. Mỗi đầu có thể có từ một đến năm hàng vòi, mỗi hàng gồm 128, 256, 512 hoặc 768 vòi. Mỗi màu có nguồn mực và đầu phun riêng. Trong máy in dự kiến, các đầu phun quét qua lại (hướng x) còn chi tiết bước tiến (hướng y) sau mỗi lượt quét. Bước tiến và khoảng cách vòi phun được đồng bộ (Hình 1). Với tần suất phun cao hơn và bước tiến nhỏ hơn, khoảng cách điểm ảnh tương đương có thể nhỏ hơn nhiều so với khoảng cách vòi phun. Ví dụ, đầu phun 300 dpi có thể in ở 300×300, 300×600 và cứ thế đến 2400×2400 điểm trên inch. In thông thường là nhị phân: tại mỗi vị trí hoặc có giọt mực hoặc không. Công nghệ cao cấp cung cấp thang xám, nghĩa là thể tích mực của mỗi chấm có thể được thay đổi chủ động.

Thiết kế đầu phun áp điện DOD

Trong in phun áp điện phun giọt theo yêu cầu, sự biến dạng của vật liệu gốm áp điện làm thay đổi thể tích mực trong buồng áp suất, tạo ra sóng áp suất lan truyền về phía vòi phun. Sóng áp suất âm học này vượt qua tổn thất áp suất do độ nhớt trong vòi nhỏ và lực căng bề mặt của mặt khum mực để giọt mực bắt đầu hình thành tại vòi. Khi giọt đã hình thành, áp suất phải đủ lớn để đẩy giọt về phía vật liệu ghi (Hình 2). Độ nhớt từ 10 đến 20 mPa-s giúp chất lỏng chuyển động nhanh. Nhìn chung, độ biến dạng của bộ dẫn động áp điện ở cấp dưới micron. Để có độ dịch chuyển thể tích mực đủ lớn cho việc tạo giọt, kích thước vật lý của bộ dẫn động áp điện thường lớn hơn nhiều so với lỗ phun. Mỗi điểm ảnh trên vật liệu nền hoặc được phủ mực hoặc không, đó là lựa chọn nhị phân. In phun thang xám khác ở chỗ đầu phun có thể phóng nhiều giọt nhỏ cực nhanh, đủ nhanh để chúng in thành một chấm duy nhất. Các đầu phun cao cấp có tám mức, từ không đến bảy giọt. Kết quả là độ phân giải biểu kiến cao hơn đáng kể so với in nhị phân dùng cùng độ phân giải gốc.

Mực đóng rắn bằng UV

Mực và lớp phủ đóng rắn bằng tia cực tím (UV) được ưa chuộng cho các ứng dụng công nghiệp và ngoài trời vì sau khi đóng rắn chúng cứng chắc và bền. Chúng có gam màu đầy đủ và với độ phân giải mịn cho chất lượng in xuất sắc. Công thức đóng rắn UV gồm chất quang khơi mào, monome, oligome, chất tạo màu và phụ gia. Monome và oligome chiếm khoảng 85 phần trăm công thức, chất tạo màu có thể chiếm 10 phần trăm, chất quang khơi mào khoảng năm phần trăm, còn chất hoạt động bề mặt và chất ổn định từ một đến hai phần trăm.

Tia UV làm đứt các liên kết của chất quang khơi mào, tạo ra hai gốc tự do. Các gốc này khởi động phản ứng dây chuyền qua các monome và oligome, dẫn đến liên kết ngang (đóng rắn) rộng khắp nhưng không hoàn toàn của các nhựa. Phản ứng tỏa nhiệt, và nguồn UV cũng phát nhiệt. Nhiệt độ tăng có thể hỗ trợ cả độ bám dính lẫn mức độ đóng rắn, góp phần vào khả năng chống mài mòn, chống trầy xước của lớp mực đã đóng rắn1. Thách thức khi pha chế mực đóng rắn UV là đáp ứng yêu cầu độ nhớt rất thấp mà vẫn tạo được polymer hữu dụng. Tuy nhiên, bằng cách gia nhiệt mực, đầu phun và hệ thống cấp mực đến khoảng 50ºC, có thể đạt độ nhớt phù hợp với đầu phun áp điện, dù chi phí cao hơn đáng kể so với hệ thống ở nhiệt độ phòng.

Tương thích giữa mực và vật liệu nền nhựa

Mọi quy trình in bằng mực đều yêu cầu hóa học của mực lỏng (UV, chất rắn, nhiệt, v.v.) tương thích với vật liệu nền nhựa để đạt độ thấm ướt bề mặt phù hợp. Mực UV thường có độ nhớt thấp hơn (khoảng 25 dyne/cm) so với mực in tampon hoặc in lụa. Một yếu tố chính ảnh hưởng đến sự tương thích giữa mực và vật liệu nền là nhiều loại nhựa trơ về mặt hóa học, có bề mặt không xốp và năng lượng bề mặt thấp. Tiền xử lý bề mặt trên các loại nhựa kỹ thuật hiệu suất cao ngày nay sẽ giải quyết được hầu hết vấn đề bám dính của mực. Theo nguyên tắc chung, đạt được độ bám dính mực chấp nhận được khi năng lượng bề mặt của vật liệu nền (đo bằng dyne/cm) cao hơn sức căng bề mặt của chất lỏng khoảng 10 dyne/cm. Khi đó, chất lỏng được cho là “thấm ướt” hay bám dính lên bề mặt.

Sức căng bề mặt, một thước đo của năng lượng bề mặt, là đặc tính (do lực phân tử) mà mọi chất lỏng, thông qua sự co lại của bề mặt, có xu hướng đưa thể tích chứa trong nó về hình dạng có diện tích bề mặt nhỏ nhất. Do đó, năng lượng bề mặt của vật liệu nền rắn càng cao so với sức căng bề mặt của chất lỏng thì “khả năng thấm ướt” càng tốt và góc tiếp xúc càng nhỏ. (Để biết thông tin chi tiết về tiền xử lý bề mặt, xem “Plasma Surface Pretreatment of Polymers for Improved Adhesion” tại trang 44-51 số tháng 4/5 năm 2018 của tạp chí Plastics Decorating.)

Tiền xử lý bề mặt được dùng để tăng năng lượng bề mặt và cải thiện khả năng thấm ướt cũng như tính chất bám dính của vật liệu polymer. Ngành công nghiệp sử dụng nhiều quy trình tiền xử lý oxy hóa bề mặt pha khí, gồm plasma khí lạnh áp suất thấp (vi sóng/RF), phóng điện (corona), plasma ngọn lửa và plasma khí quyển nhiệt độ thấp không điện áp. Mỗi phương pháp phù hợp với ứng dụng cụ thể và có ưu điểm riêng cũng như những hạn chế tiềm ẩn. Mỗi quy trình này đều đặc trưng bởi khả năng tạo ra “plasma khí”, một loại khí có hoạt tính cực cao gồm các electron tự do, ion dương và các loại hóa chất khác. Trong vật lý, cơ chế tạo ra các plasma này khác nhau nhưng tác động của chúng lên độ thấm ướt bề mặt là tương tự. Đôi khi có thể dùng lớp lót hóa học (primer) thay cho quy trình plasma khí.

Đóng rắn UV LED

Cho đến gần đây, mọi quá trình đóng rắn đều được khởi động bằng đèn phóng điện thủy ngân. Thủy ngân có phổ phát xạ rất rộng, với năng lượng phát ra dưới dạng nhiệt nhiều hơn dạng UV. Hiệu suất thấp là một nhược điểm. Nhược điểm khác là làm nóng mực và vật liệu nền, khiến đóng rắn UV không dùng được cho rất nhiều ứng dụng. (Đèn thủy ngân còn tạo ozone ở mức nguy hại cho sức khỏe, một phiền toái nữa.) Đèn UV LED (Hình 3) hiện đang thay thế bóng đèn thủy ngân. Đóng rắn UV LED dùng các điốt phát quang phát ra dải UV hẹp, cho đỉnh năng lượng UV thường tập trung ở 400nm nên phần lớn năng lượng hữu ích cho quang khơi mào. Một lượng nhỏ là ánh sáng khả kiến, nhưng rất ít là hồng ngoại (IR).

Một ưu điểm khác là gần như bật/tắt tức thì, giảm thời gian ngừng máy cũng như hao phí năng lượng và vật liệu, như khi đèn thủy ngân đang chờ đạt công suất đầy đủ. Đóng rắn UV LED còn có thêm nhiều ưu điểm so với đèn hơi thủy ngân (Hg) truyền thống. Các linh kiện bán dẫn nhỏ gọn được thiết kế để hoạt động trên 20.000 giờ, lâu hơn khoảng 10 lần so với đèn UV. Công suất đầu ra cực kỳ ổn định trong thời gian dài. UV LED phát UV thuần khiết không có IR, giúp quy trình thân thiện với vật liệu nền nhựa nhạy nhiệt. Không có ánh sáng bước sóng rất ngắn nên lượng ozone tạo ra ít hơn nhiều.

Hệ thống thiết bị in phun

Quy trình in phun khác với các kỹ thuật in mực thông thường ở chỗ cần kỹ thuật thuộc nhiều lĩnh vực riêng biệt để tích hợp hệ thống chìa khóa trao tay. Ngược lại, các nhà sản xuất thiết bị in tampon và in lụa hầu như luôn cung cấp được hệ thống chìa khóa trao tay gồm mực, vật tư in, thiết bị đóng rắn, tự động hóa và thiết bị làm sạch hóa chất. Các thành phần hệ thống in phun gồm đầu phun, mạch điện tử điều khiển, mực, phần cứng xử lý chi tiết và điều khiển chuyển động, cùng bộ chiếu đóng rắn. Ngoài ra, thông tin số phải được truyền đến đầu phun qua giao thức tệp phần cứng/phần mềm, bao gồm phần mềm điều khiển chính. Không nhà sản xuất đơn lẻ nào cung cấp đầy đủ các thành phần nêu trên cho mọi ứng dụng tùy chỉnh. Kiến thức kỹ thuật sâu về mọi thành phần in phun và khả năng tương thích giữa các chi tiết là then chốt để đạt hoạt động sản xuất bền vững.

Công nghệ khắc laser sợi quang ytterbium

Máy khắc laser quét chùm tia dùng các gương gắn trên galvanometer tốc độ cao điều khiển bằng máy tính để dẫn chùm laser qua bề mặt cần khắc, giống như viết bằng bút chì trên giấy. Mỗi galvanometer, một cho trục Y và một cho trục X, tạo chuyển động chùm tia trong vùng khắc. Cụm thấu kính trường phẳng hội tụ ánh sáng laser để đạt mật độ công suất cao trên bề mặt vật liệu nền. Hình 4 thể hiện hệ thống dẫn chùm quang học dùng galvanometer điều khiển bằng máy tính.

Cơ chế phản ứng khắc laser trên polymer

Hầu hết polymer không có đặc tính hấp thụ NIR nếu không có phụ gia hóa học, do đó khó hoặc không thể khắc laser. Các phụ gia hóa học mới có thể tạo độ tương phản đen tuyền, màu sáng và màu tùy chỉnh, cả khi khắc trên dây chuyền lẫn ở công đoạn thứ cấp. Độ trong suốt, độ truyền phổ và các tính chất vật lý cơ bản của polymer không bị ảnh hưởng.

Các polymer có thể khắc bằng laser là những polymer hấp thụ ánh sáng laser và chuyển đổi từ năng lượng ánh sáng thành nhiệt năng. Các chuyên gia dùng phụ gia, chất độn, bột màu và thuốc nhuộm để tăng cường hấp thụ năng lượng laser nhằm tạo đổi màu cục bộ. Trái với quan niệm phổ biến, không tồn tại một phụ gia laser duy nhất giải quyết mọi vấn đề khắc. Tùy vào độ tương phản và chức năng mong muốn mà dùng các hóa học công thức rất khác nhau, loại laser (sợi quang, YAG, vanadate) và thông số quang học/cài đặt laser khác nhau.

Phụ gia laser cận hồng ngoại cải thiện mức độ tương phản, và có thể tăng cường thêm bằng cách thay đổi thông số cài đặt laser. Cả dạng hạt lẫn dạng bột đều có thể phối trộn vào vật liệu màu đã pha 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 cho mục đích sử dụng cuối.

Polymer vốn có những đặc tính để tạo độ tương phản vết khắc màu tối hoặc màu sáng. Một số hợp chất tạo màu chứa lượng thấp titan dioxide (TiO2) và muội than cũng có thể hấp thụ ánh sáng laser và trong một số trường hợp cải thiện độ tương phản vết khắc. Mỗi mác polymer, kể 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 hay tính chất vật lý, chức năng của sản phẩm.

Cơ chế phản ứng bề mặt phổ biến nhất gọi là cacbon hóa nhiệt hóa học, hay “cháy than”, trong đó năng lượng hấp thụ trong vật liệu nền làm nhiệt độ cục bộ của vật liệu quanh vị trí hấp thụ tăng đủ cao để gây phân hủy nhiệt polymer (Hình 5 [b]). 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 cài đặt laser, cặn cacbon hóa trên bề mặt là tối thiểu.

Các phụ gia tạo độ tương phản tối khi phối trộn vào ma trận nhựa màu thường chứa hỗn hợp oxit thiếc pha tạp antimon, antimon trioxide hoặc hạt nhôm. Tất cả đều dễ phân tán trong polymer. Nồng độ nạp điển hình theo khối lượng là 0,01 đến 3,0 phần trăm. Nhiều công thức thành phẩm đã được FDA phê duyệt sử dụng theo các điều kiện A-H của 21 CFR 178.3297 về chất tạo màu cho polymer.

Phản ứng bề mặt thứ hai là thay đổi hóa học, thông qua phụ gia giải phóng hơi nước khi phân hủy, làm polymer tạo bọt (Hình 5(c)). 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. Ví dụ về chất tạo bọt là nhôm hydroxide hoặc các loại cacbonat. Để tránh cháy than, cơ chế này đòi hỏi polymer phân hủy ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ của phụ gia tạo bọt. Nhờ kiểm soát chặt chẽ các thông số vận hành laser, có thể tạo ra vết khắc sáng chất lượng cao và bền trên vật liệu nền tối. Kiểm soát laser kém có thể tạo vết khắc giòn hoặc độ tương phản thấp, dễ bị trầy xước (độ bền kém). Hình 5(e), mới được phát triển, cho thấy cả độ tương phản đen tuyền lẫn trắng đục trong cùng một công thức (được FDA phê duyệt). Bước đột phá này lý tưởng cho các polymer trong suốt (vô định hình).

Thứ ba, năng lượng laser được dùng để gia nhiệt/phân hủy một chất tạo màu trong hỗn hợp chất tạo màu, gây ra thay đổi màu (Hình 5 [d]). Một ví dụ là hỗn hợp muội than và chất tạo màu vô cơ bền. Khi được gia nhiệt, muội than bị loại bỏ, để lại chất tạo màu vô cơ. Các hệ chất tạo màu hỗn hợp này phụ thuộc vào độ bền cụ thể của từng chất tạo màu, và không phải mọi thay đổi màu đều thực hiện được.

Một phản ứng bề mặt chuyên biệt khác, thể hiện ở Hình 5 (a), tích hợp phụ gia laser vào cấu trúc nhiều lớp ép cho thẻ nhận dạng có ảnh. Các đặc điểm khắc độ phân giải cao độc đáo, hiển thị và ẩn, cùng RFID mang lại bảo mật chống hàng giả mạnh mẽ.

So với các quy trình in mực (in tampon/in lụa và in phun), phụ gia laser tiết kiệm chi phí và có thể đạt tốc độ khắc nhanh hơn 20 phần trăm so với vật liệu chưa tối ưu hóa. Phụ gia laser được cung cấp dạng hạt 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 nạp theo khối lượng (trong chi tiết thành phẩm) nằm trong khoảng 0,01 đến 4,0 phần trăm.

Công nghệ laser sợi quang ytterbium nanosecond

Những cải tiến trong công nghệ laser đóng vai trò quyết định trong sự phát triển nhanh của thế hệ phụ gia laser mới nhất được FDA phê duyệt. Sự xuất hiện của laser sợi quang ytterbium nanosecond là một trong những bước tiến quan trọng nhất cho khắc, hàn và cắt. Về bản chất, laser sợi quang khác với các laser khắc bơm diode thể rắn (DPSS) khác. Với laser sợi quang, môi trường hoạt chất tạo ra chùm laser được phân bố bên trong một sợi cáp quang chuyên dụng. Khác với laser dẫn truyền bằng sợi quang, toàn bộ đường đi của chùm tia nằm trong cáp quang cho đến tận bộ quang học dẫn chùm. Cấu trúc toàn sợi này chủ yếu 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 cao hơn có thể hội tụ thành điểm rất 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 thay đổi với năng lượng xung đến 1mJ và mật độ công suất cao có thể khắc nhiều loại polymer vốn khó khắc. Laser vanadate cũng có giá trị M2 nhỏ, với độ rộng xung ngắn hơn laser sợi quang cố định và laser YAG. Thời lượng xung ảnh hưởng đến mức độ nhiệt và cacbon hóa đi vào vật liệu. Các xung ngắn, thường ‹40ns, cho phép đưa năng lượng vào có kiểm soát hơn khi xử lý vật liệu polymer nhạy cảm. Các xung này vẫn có công suất đỉnh để vượt ngưỡng vật liệu nhưng năng lượng xung thấp hơn để giảm tổn hại nhiệt cục bộ.

Không phải mọi laser sợi quang quét chùm tia đều như nhau. Các thành phần phần cứng và phần mềm mà nhà sản xuất laser đưa vào hệ thống tạo ra khác biệt đáng kể về độ tương phản, chất lượng và tốc độ khắc. Một thuộc tính chính là mật độ công suất (watt/cm) tại bề mặt 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 như độ phân kỳ chùm tia và sự phân bố công suất trên đường kính chùm laser.

Mật độ công suất là hàm của kích thước điểm laser đã hội tụ. Với một tiêu cự thấu kính và bước sóng laser nhất định, kích thước điểm hội tụ là hàm của độ phân kỳ chùm tia, được điều khiển bởi cấu hình laser, kích thước khẩu độ chọn mode và độ phóng đại của bộ chuẩn trực nâng (bộ mở rộng chùm tia). Tần số lặp xung và mật độ công suất đỉnh là các thông số quan trọng để tạo vết khắc và đạt độ tương phản, tốc độ tối ưu. 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 tạo ra ít bay hơi hơn nhưng dẫn nhiều nhiệt hơn.

Kết luận

Công nghệ in phun áp điện DOD kỹ thuật số và laser sợi quang mang lại vô số lợi thế cho việc tùy biến sản phẩm. Các giải pháp khắc/in bền vững đòi hỏi kỹ thuật chính xác về hóa học mực/laser, khoa học bề mặt polymer, thiết kế quy trình và thiết bị. Các công ty chọn mua thiết bị rẻ tiền, phổ thông có sẵn thường không tích hợp được hệ thống bền vững do thiếu hiểu biết về quy trình. Mỗi quy trình có ưu điểm và hạn chế tiềm ẩn riêng. Nhiều nhà sản xuất đã nhận ra giá trị của việc cung cấp cả hai công nghệ. Một lợi ích đi kèm là có thể in lên sản phẩm đã lắp ráp hoàn chỉnh ở cuối công đoạn sản xuất, giúp tiết kiệm chi phí và quản lý tồn kho tốt hơn.

The Sabreen Group cung cấp chương trình đào tạo toàn diện tại chỗ về quy trình liên kết bám dính, tiền xử lý plasma và các kỹ thuật sản xuất tiên tiến. Việc trình diễn thiết bị tiền xử lý được thực hiện ngay tại xưởng, dùng chi tiết sản xuất thực tế và thử nghiệm theo thời gian thực. Cam kết kết quả.

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, in phun, 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 hơn 30 năm. Quý khách có thể liên hệ ông theo số 972.820.6777 hoặc truy cập www.sabreen.com hay www.plasticslasermarking.com.

Tài liệu tham khảo

• S. Sabreen, “Innovating inkjet technologies for plastics products,” Plastics Decorating magazine (Aug. 2013).
• M. Gailey, “Plastics additives allow inkless marking,” Photonics Spectra (Sept. 2013).
• S. Sabreen, “Fiber laser enables marking of advanced plastics,” Industrial Laser Solutions (Feb. 2013).

---