การมาร์กพอลิเมอร์เสริมใยแก้วด้วยเลเซอร์ – ความสำคัญของกระบวนการฉีดขึ้นรูป

การมาร์กพอลิเมอร์เสริมใยแก้วด้วยเลเซอร์ – ความสำคัญของกระบวนการฉีดขึ้นรูป

การมาร์กพลาสติกด้วยเลเซอร์มีข้อดีมากมายในงานอุตสาหกรรมที่หลากหลาย รอยมาร์กเพื่อการตกแต่งและเพื่อการใช้งานที่ผลิตด้วยเลเซอร์ต้องอ่านได้ชัดเจนสมบูรณ์ เช่น การระบุชิ้นส่วน แผนภาพ ดาต้าเมทริกซ์ และบาร์โค้ด คุณภาพของรอยมาร์กขึ้นอยู่กับพอลิเมอร์ สารเติมแต่งและสารให้สี กระบวนการฉีดขึ้นรูป และแหล่งกำเนิดเลเซอร์ ปัญหาบนพื้นผิวพอลิเมอร์ที่ขึ้นรูปแล้วซึ่งขัดขวางการอ่านออกอาจส่งผลต่อความปลอดภัย สมรรถนะ และการทำงานของผลิตภัณฑ์ ตัวอย่างหนึ่งคือใยแก้วที่เติมเป็นสารเติมแต่ง การเติมใยแก้วอาจส่งผลเสียต่อกระบวนการขึ้นรูป ซึ่งส่งผลต่อคุณภาพการมาร์กด้วยเลเซอร์ต่อไป พื้นผิวชิ้นงานที่อุดมด้วยเรซินจำเป็นต่อการมาร์กที่มีคุณภาพสูง ส่วนพื้นผิวที่มีใยแก้วมากจะให้ผลด้อยกว่า

ประเด็นสำคัญ

• ปริมาณใยแก้วโดยทั่วไปอยู่ที่ 10–60% ในวัสดุ ABS ไนลอน อะซีทัล พอลิคาร์บอเนต LCP PBT PET PPS PEEK และ PEI
• ใยแก้วไม่ใช่ตัวดูดกลืนรังสีอินฟราเรดใกล้ที่ดี พื้นผิวที่อุดมด้วยแก้วจึงมาร์กได้ไม่ดีโดยธรรมชาติ
• พื้นผิวที่อุดมด้วยเรซินคือข้อกำหนดสำคัญ เพราะพลังงานเลเซอร์ต้องทำอันตรกิริยากับเมทริกซ์พอลิเมอร์
• การโผล่ของแก้ว (glass emergence) ปรากฏเป็นรอยขาวบนพื้นผิวหลังการควบแน่นและการขึ้นรูป
• การขึ้นรูปเป็นตัวกำหนดความสามารถในการมาร์ก — ข้อบกพร่องเกิดขึ้นก่อนถึงขั้นตอนเลเซอร์ จึงต้องแก้ไขที่ต้นทาง

คำถามที่พบบ่อย

การโผล่ของแก้ว (glass emergence) คืออะไร

ข้อบกพร่องบนพื้นผิวที่ร้ายแรงซึ่งเกิดกับผลิตภัณฑ์ฉีดขึ้นรูปที่เติมใยแก้ว โดยมีแก้วส่วนเกินก่อตัวขึ้นที่พื้นผิวระหว่างการเติมเต็มพลาสติกหลอมเหลวและการขึ้นรูป หลังการควบแน่นและการขึ้นรูปจะเกิดรอยขาวบนพื้นผิว และใยที่โผล่ออกมาทำให้พื้นผิวอุดมด้วยใยแก้วซึ่งมาร์กได้ไม่ดี

เหตุใดพื้นผิวที่อุดมด้วยแก้วจึงมาร์กได้ไม่ดี

เพราะใยแก้วไม่ใช่ตัวดูดกลืนแสงเลเซอร์อินฟราเรดใกล้ที่ดี การมาร์กต้องอาศัยพลังงานเลเซอร์ทำอันตรกิริยากับเมทริกซ์พอลิเมอร์ พื้นผิวจึงต้องอุดมด้วยเรซิน และปัญหาจะรุนแรงขึ้นเมื่อปริมาณเส้นใยเพิ่มขึ้น

พอลิเมอร์ชนิดใดที่มักมีใยแก้วเป็นส่วนผสม

ABS ไนลอน อะซีทัล พอลิคาร์บอเนต พอลิเมอร์ผลึกเหลว PBT PET PPS PEEK และ PEI ปริมาณที่เติมแตกต่างกันไป แต่โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 10 ถึง 60%

ใยแก้วทำมาจากอะไร

ซิลิกา หินปูน และโซดาแอช โดยซิลิกาเป็นส่วนที่ก่อตัวเป็นแก้ว ส่วนโซดาแอชและหินปูนช่วยลดอุณหภูมิหลอมเหลวในระหว่างการผลิต

กลไกบนพื้นผิวที่ทำให้เกิดรอยมาร์กมีอะไรบ้าง

มีสามแบบ ได้แก่ การมาร์กสีดำด้วยการเกิดคาร์บอน การมาร์กสีขาวด้วยการเกิดฟอง และการเปลี่ยนสีผ่านปฏิกิริยาเคมีเชิงความร้อนที่เลเซอร์เหนี่ยวนำในพอลิเมอร์ที่มีเม็ดสี แบบใดจะเกิดขึ้นขึ้นอยู่กับพลังงานที่ดูดกลืนและเส้นทางการสลายตัวทางความร้อนที่เป็นเอกลักษณ์ของวัสดุ

ใยแก้ว

เมื่อต้องเสริมสมรรถนะเชิงโครงสร้างให้พลาสติกทั่วไป จะเติมใยแก้ว ความแข็งแรงที่เพิ่มขึ้นเกิดจากพอลิเมอร์ที่อ่อนกว่าถ่ายเทความเค้นจากภาระไปยังเส้นใยเสริมแรงที่แข็งแรงกว่า วัตถุดิบที่ใช้ทำใยแก้วคือซิลิกา หินปูน และโซดาแอช ซิลิกาเป็นวัสดุหลักที่ใช้สร้างแก้ว ส่วนโซดาแอชและหินปูนใช้ลดอุณหภูมิหลอมเหลว

โดยทั่วไปมีการเติมใยแก้วใน ABS ไนลอน อะซีทัล พอลิคาร์บอเนต พอลิเมอร์ผลึกเหลว (LCP) PBT PET PPS PEEK และ PEI แม้ปริมาณที่เติมจะแตกต่างกัน แต่โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 10 ถึง 60% วัสดุเสริมแรงจากแก้วมีสองประเภท คือ เส้นใยสั้นและเส้นใยยาว ซึ่งแต่ละประเภทมีทั้งข้อดีและข้อเสีย

ข้อบกพร่องบนพื้นผิวจากการโผล่ของแก้ว

"การโผล่ของแก้ว" (glass emergence) เป็นข้อบกพร่องบนพื้นผิวที่ร้ายแรงซึ่งมักเกิดกับผลิตภัณฑ์ฉีดขึ้นรูปที่เติมใยแก้ว การที่ใยแก้วโผล่ออกมาทำให้พื้นผิวอุดมด้วยใยแก้ว แก้วส่วนเกินก่อตัวที่พื้นผิวระหว่างการเติมเต็มพลาสติกหลอมเหลวและการขึ้นรูป หลังการควบแน่นและการขึ้นรูปจะเกิดรอยขาวบนพื้นผิว (ดูภาพที่ 1)

พื้นผิวชิ้นงานที่ขึ้นรูปต้อง "อุดมด้วยเรซิน" จึงจะได้รอยมาร์กคุณภาพสูง โดยพลังงานจากเลเซอร์ทำอันตรกิริยากับเมทริกซ์พอลิเมอร์ ในทางกลับกัน พื้นผิวที่อุดมด้วยใยแก้วจะมาร์กได้ไม่ดี และปัญหาจะรุนแรงขึ้นเมื่อปริมาณเส้นใยสูงขึ้น ตัวใยแก้วเองไม่ใช่ตัวดูดกลืนแสงเลเซอร์อินฟราเรดใกล้ (NIR) ที่ดี

ความสำคัญของกระบวนการฉีดขึ้นรูปที่เหมาะสมนั้นไม่อาจเน้นย้ำได้มากเกินไป ตารางที่ 1 แสดงข้อบกพร่องบนพื้นผิวที่อาจส่งผลเสียต่อคุณภาพของรอยมาร์กด้วยเลเซอร์ นอกเหนือจากการโผล่ของแก้ว

กลไกการมาร์กพอลิเมอร์ด้วยเลเซอร์

สำหรับเลเซอร์ NIR แบบกวาดลำแสงที่ความยาวคลื่น 1060-1070 nm กลไกการมาร์กด้วยเลเซอร์คือการฉายรังสีพลังงานสูงแบบเฉพาะจุด (เลเซอร์) ลงบนพอลิเมอร์ แหล่งกำเนิดเลเซอร์ได้แก่ อิตเทอร์เบียมไฟเบอร์ แวนาเดต และ YAG วัสดุดูดกลืนพลังงานรังสีแล้วแปลงเป็นพลังงานความร้อน ทำให้เกิดปฏิกิริยาในวัสดุ กลไกบนพื้นผิวที่ทำให้สีเปลี่ยน ได้แก่ 1) การมาร์กสีดำด้วยการเกิดคาร์บอน 2) การมาร์กสีขาวด้วยการเกิดฟอง และ 3) การเปลี่ยนสีจากปฏิกิริยาเคมีเชิงความร้อนที่เลเซอร์เหนี่ยวนำในพอลิเมอร์ที่มีเม็ดสี คุณภาพของรอยมาร์กขึ้นอยู่กับพลังงานที่ดูดกลืนและเส้นทางการสลายตัวทางความร้อนที่เป็นเอกลักษณ์ของวัสดุ พอลิเมอร์แต่ละเกรด แม้อยู่ในตระกูลพอลิเมอร์เดียวกัน ก็อาจให้ผลต่างกัน

เพื่อให้ได้รอยมาร์กคุณภาพสูง การกระจายตัวที่สม่ำเสมอของสารให้สีและสารเติมแต่งสำคัญไม่น้อยไปกว่าพื้นผิวที่อุดมด้วยเรซิน หากต้องการตรวจสอบว่ามีปัญหาการกระจายตัวหรือไม่ แนะนำให้ตั้งเลเซอร์ให้มาร์ก/สแกนต่อเนื่องตลอดพื้นผิวชิ้นงานทั้งชิ้น ดูภาพที่ 2

ผลลัพธ์แสดง (จากซ้ายไปขวา) ปากกาขึ้นรูปที่มีรอยมาร์กสีทองบนพื้นดำโครมาที่ยอดเยี่ยม (ซ้าย) ภาพตรงกลางสองภาพแสดงการกระจายโครมาที่ไม่ดี และภาพขวาสุดแสดงการกระจายที่สม่ำเสมอยอดเยี่ยม

เนื่องจากพอลิเมอร์ส่วนใหญ่ไม่มีคุณสมบัติดูดกลืน NIR หากไม่มีสารเติมแต่งทางเคมี ผู้เชี่ยวชาญจึงใช้สารเติมแต่ง สารตัวเติม เม็ดสี และสีย้อมเพื่อเพิ่มการดูดกลืนพลังงานเลเซอร์ มีการใช้เคมีของสูตรที่แตกต่างกันมากและพารามิเตอร์ระบบเลนส์/การตั้งค่าเลเซอร์ที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับความคมชัดของรอยมาร์กและการใช้งานที่ต้องการ สารเติมแต่งสำหรับเลเซอร์ช่วยเพิ่มระดับความคมชัดและเพิ่มความเร็วในการมาร์กได้อย่างมาก ทั้งรูปแบบเม็ดและผงสามารถผสมลงในวัสดุสีที่คอมพาวด์ล่วงหน้าหรือมาสเตอร์แบตช์สีได้ วัสดุที่คอมพาวด์สีล่วงหน้าให้การมาร์กที่สม่ำเสมอกว่ามาสเตอร์แบตช์สี การเลือกสารเติมแต่งที่จะใช้ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบพอลิเมอร์ สีของวัสดุรองรับ สีของรอยมาร์กที่ต้องการ และข้อกำหนดการรับรองสำหรับการใช้งานขั้นสุดท้าย

ระบบมาร์กด้วยเลเซอร์มีความแม่นยำและทำซ้ำได้สูง เมื่อตั้งค่ากระบวนการแล้ว เลเซอร์จะให้พลังงานเอาต์พุตเดิมซ้ำได้อย่างแม่นยำ ดังนั้นข้อบกพร่องบนพื้นผิวใด ๆ จะทำให้รอยมาร์กไม่สม่ำเสมอ

การใช้งานที่ท้าทายคือการได้รอยมาร์กสีขาวที่คมชัดแข็งแกร่งบนพอลิเอไมด์ (ไนลอน) สีน้ำเงินและสีดำที่เสริมใยแก้ว 30% ดูภาพที่ 3

อัตราการเกิดพัลส์เลเซอร์และความหนาแน่นกำลังสูงสุดเป็นพารามิเตอร์สำคัญในการสร้างรอยมาร์กและให้ได้ความคมชัดและความเร็วที่เหมาะสมที่สุด เส้นโค้งเชิงเลขคณิตระหว่างกำลังกับอัตราการเกิดพัลส์แปรผกผันกัน

กำลังสูงสุดที่สูงที่ความถี่ต่ำทำให้อุณหภูมิพื้นผิวเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ทำให้วัสดุกลายเป็นไอ โดยนำความร้อนเข้าสู่วัสดุรองรับน้อยที่สุด เมื่ออัตราพัลส์เพิ่มขึ้น กำลังสูงสุดที่ต่ำลงจะทำให้เกิดการกลายเป็นไอน้อยที่สุด แต่นำความร้อนได้มากขึ้น ปัจจัยที่ส่งผลต่อความคมชัดและคุณภาพของรอยมาร์ก ได้แก่ ความกว้างพัลส์ ระยะโฟกัส ความเร็วลำแสง และระยะห่างระหว่างเส้นเวกเตอร์

บทสรุป

โดยสรุป การมาร์กพลาสติกด้วยเลเซอร์เป็นกระบวนการที่ยอดเยี่ยม คุณภาพของรอยมาร์กขึ้นอยู่กับเมทริกซ์พอลิเมอร์ สารเติมแต่งและสารให้สี กระบวนการฉีดขึ้นรูป และแหล่งกำเนิดเลเซอร์ ปัญหาบนพื้นผิวพอลิเมอร์ที่ขึ้นรูปแล้วซึ่งขัดขวางการอ่านออกอาจส่งผลต่อความปลอดภัย สมรรถนะ และการทำงานของผลิตภัณฑ์ การโผล่ของแก้วเป็นข้อบกพร่องบนพื้นผิวจากการขึ้นรูปประเภทหนึ่งที่ส่งผลเสียต่อคุณภาพของรอยมาร์ก พื้นผิวชิ้นงานที่อุดมด้วยเรซินและการกระจายตัวที่สม่ำเสมอเป็นสิ่งสำคัญต่อการมาร์กด้วยเลเซอร์ที่แข็งแกร่ง

Scott R. Sabreen เป็นผู้ก่อตั้งและประธานของ The Sabreen Group, Inc. บริษัทที่ปรึกษาด้านวิศวกรรมที่เชี่ยวชาญด้านกระบวนการผลิตพลาสติกขั้นที่สอง ได้แก่ การปรับสภาพพื้นผิว การยึดติดด้วยแรงยึดเกาะ การพิมพ์อิงก์เจ็ท การมาร์กด้วยเลเซอร์ สารเคลือบอุตสาหกรรม การตกแต่งและการเก็บงานผิว และความปลอดภัยของผลิตภัณฑ์ พัฒนาเทคโนโลยีบุกเบิกและแก้ปัญหาด้านการผลิตมานานกว่า 30 ปี ติดต่อได้ที่ 972.820.6777 หรือเยี่ยมชม www.sabreen.com

---