จะมาร์กพลาสติกด้วยเลเซอร์ได้อย่างไร การมาร์กพลาสติกด้วยเลเซอร์ด้วยสารเติมแต่งสำหรับเลเซอร์

จะมาร์กพลาสติกด้วยเลเซอร์ได้อย่างไร การมาร์กพลาสติกด้วยเลเซอร์ด้วยสารเติมแต่งสำหรับเลเซอร์

ประเด็นสำคัญ

• พอลิเอไมด์เป็นพอลิเมอร์ที่มาร์กได้ยากที่สุดกลุ่มหนึ่ง เพราะมีสมบัติวัสดุ สภาวะการขึ้นรูป และการตั้งค่าเลเซอร์ที่หลากหลาย
• กลไกบนพื้นผิวสามแบบทำให้เกิดความคมชัด ได้แก่ สีดำจากการเกิดคาร์บอน สีขาวจากการเกิดฟอง และการเปลี่ยนสีในพอลิเมอร์ที่มีเม็ดสี
• ความคมชัดที่มีความต้องการสูงสุดคือ สีขาวทึบบนพื้นดำ สีดำสนิทบนพื้นขาว และสีขาวทึบบนพื้นน้ำเงินระดับกลาง
• 20 ns ถึง 50 ns คือช่วงที่เหมาะสมที่สุดของความกว้างพัลส์ MOPA สำหรับพอลิเมอร์หลายชนิด รวมถึงไนลอน
• ผลิตภัณฑ์ทางทหาร อากาศยาน ยานยนต์ และเภสัชกรรมมักกำหนดให้ต้องผ่านการตรวจสอบระดับเกรด A

SABREEN นำเสนอโซลูชันการมาร์กพลาสติกด้วยเลเซอร์ดังต่อไปนี้

• สูตรสีสำหรับเลเซอร์ตามความต้องการ การปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านกฎระเบียบ ตัวอย่างต้นแบบ
• การปรับกระบวนการฉีดขึ้นรูปให้เหมาะสม การกระจายตัว/การกระจายสม่ำเสมอ การทดสอบเชิงวิเคราะห์
• การออกแบบและผสานระบบอุปกรณ์เลเซอร์ ระบบตรวจสอบด้วยภาพอัตโนมัติ
• การแก้ปัญหาหน้างาน การปรับกระบวนการเลเซอร์ให้เหมาะสม งานอาร์ตเวิร์ก/กราฟิกแบบเวกเตอร์
• การรับรองความปลอดภัยด้านเลเซอร์ เจ้าหน้าที่ความปลอดภัยด้านเลเซอร์ (LSO)

ทีมผู้เชี่ยวชาญพร้อมดูแลงานมาร์กพลาสติกด้วยเลเซอร์สำหรับโครงการถัดไป เราสร้างความไว้วางใจและความเชื่อมั่นจากลูกค้าทุกรายในทุกสถานการณ์ วัฒนธรรมองค์กรของเรามุ่งสู่โซลูชันการผลิตที่เหนือชั้นและขับเคลื่อนความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีด้วยความมุ่งมั่นอย่างไม่เปลี่ยนแปลงต่อความเป็นเลิศ ผู้เชี่ยวชาญทุกคนของ SABREEN Group เป็นที่ยอมรับในสาขาของตน ความล้มเหลวไม่ใช่ทางเลือก!

คำถามที่พบบ่อย

จะมาร์กพลาสติกด้วยเลเซอร์ได้อย่างไร

เลเซอร์อินฟราเรดใกล้ ไม่ว่าจะเป็นอิตเทอร์เบียมไฟเบอร์ แวนาเดต หรือ Nd:YAG ส่งพลังงานที่พอลิเมอร์ดูดกลืนและแปลงเป็นความร้อน ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงบนพื้นผิวหนึ่งในสามแบบ ได้แก่ การมาร์กสีดำด้วยการเกิดคาร์บอน การมาร์กสีขาวด้วยการเกิดฟอง หรือการเปลี่ยนสีผ่านปฏิกิริยาเคมีเชิงความร้อนของพอลิเมอร์ที่มีเม็ดสี พอลิเมอร์ส่วนใหญ่ต้องใช้สารเติมแต่งเพิ่มประสิทธิภาพเลเซอร์จึงจะดูดกลืนพลังงานได้

เหตุใดไนลอนจึงมาร์กด้วยเลเซอร์ได้ยากนัก

พอลิเอไมด์ รวมถึงพอลิพทาลาไมด์ มีสมบัติวัสดุ สภาวะการขึ้นรูป และการตั้งค่าเลเซอร์ที่หลากหลาย และเช่นเดียวกับพอลิเมอร์ส่วนใหญ่ ไม่ดูดกลืนแสงเลเซอร์ได้เองตามธรรมชาติ จึงไม่เกิดการเปลี่ยนสี สารเติมแต่งทางเคมีที่เพิ่มประสิทธิภาพเลเซอร์ช่วยเพิ่มความคมชัด ความเร็ว และความทนทานได้อย่างมีนัยสำคัญ

ความกว้างพัลส์เท่าใดเหมาะที่สุดสำหรับไนลอน

เลเซอร์ MOPA สร้างความกว้างพัลส์ได้ตั้งแต่ 1 ns ถึง 250 ns ขึ้นไป The Sabreen Group พบว่า 20 ns ถึง 50 ns เป็นช่วงที่เหมาะสมที่สุดสำหรับความคมชัดของสีในการใช้งานพอลิเมอร์หลายชนิด รวมถึงไนลอน เลเซอร์ MOPA พัลส์สั้นแบบปรับค่าได้มีประสิทธิภาพเป็นพิเศษกับพอลิเมอร์ที่ไวต่ออุณหภูมิ ซึ่งต้องหลีกเลี่ยงการเกิดคาร์บอนมากเกินไป

ปริมาณสารเติมแต่งที่ใช้โดยทั่วไปเป็นเท่าใด

ระหว่าง 0.01% ถึง 3.0% โดยน้ำหนักในชิ้นงานสุดท้าย รูปแบบเม็ดผสมกับเรซินได้โดยตรง ส่วนรูปแบบผงต้องแปลงเป็นมาสเตอร์แบตช์ การกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอตลอดทั้งชิ้นงานเป็นตัวกำหนดว่าความคมชัดจะสม่ำเสมอหรือไม่

เหตุใดคุณภาพรอยมาร์กจึงสำคัญต่อรหัสดาต้าเมทริกซ์

เพราะยิ่งสายข้อมูลยาว เซลล์ข้อมูลก็ยิ่งอัดแน่นขึ้น คุณภาพขอบเส้นที่ความละเอียดสูงคือสิ่งที่ทำให้เซลล์ขนาดเล็กอ่านได้ในการมาร์กบนชิ้นงานโดยตรง งานทางทหาร อากาศยาน ยานยนต์ และเภสัชกรรมมักกำหนดให้ตรวจสอบระดับเกรด A และรหัสที่มีความคมชัดสูงยังมาร์กได้เร็วกว่าและอ่านได้ด้วยเครื่องอ่านแบบมือถือราคาประหยัด

การมาร์กพลาสติกด้วยเลเซอร์ – โซลูชันครบวงจรสำหรับการมาร์กพลาสติกด้วยเลเซอร์ที่มีความคมชัดสูง

ความต้องการการมาร์กด้วยเลเซอร์ที่มีความคมชัดสูงบนผลิตภัณฑ์พลาสติกไนลอน (พอลิเอไมด์) เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว เนื่องจากมีการใช้งานในอุตสาหกรรมที่หลากหลาย รอยมาร์กเพื่อการใช้งานและการตกแต่ง ได้แก่ การระบุด้วยตัวอักษรและตัวเลข รหัสดาต้าเมทริกซ์/QR สำหรับระบบตรวจสอบด้วยภาพ แผนภาพ และโครงสร้างระดับไมโคร

พอลิเอไมด์ รวมถึงพอลิพทาลาไมด์ (PPA) เป็นพอลิเมอร์ที่ท้าทายที่สุดกลุ่มหนึ่งในการมาร์กด้วยเลเซอร์ เนื่องจากสมบัติวัสดุ สภาวะการขึ้นรูป และการตั้งค่าเลเซอร์ที่หลากหลาย สารเติมแต่งอัจฉริยะสำหรับเลเซอร์อินฟราเรดใกล้แก้ปัญหาความคมชัดของรอยมาร์กและเพิ่มความเร็วในการมาร์ก (รอบเวลาสั้นลง) โดยไม่กระทบสมบัติของวัสดุ

บทความนี้ให้ความเข้าใจเกี่ยวกับไนลอน สารเติมแต่งทางเคมี และไฟเบอร์เลเซอร์ เพื่อให้ได้สีที่คมชัดสูงและการมาร์กด้วยเลเซอร์ที่คุ้มค่า

พารามิเตอร์พื้นฐานที่ใช้อธิบายคุณภาพของรอยมาร์กคือความคมชัดของสีระหว่างพื้นผิวที่มาร์กกับวัสดุรองรับ มีกลไกบนพื้นผิวสามแบบที่ทำให้สีเปลี่ยนเมื่อใช้เลเซอร์ NIR ซึ่งรวมถึงอิตเทอร์เบียมไฟเบอร์ แวนาเดต (Nd:YVO4) และ Nd:YAG ได้แก่ 1) การมาร์กสีดำด้วยการเกิดคาร์บอน 2) การมาร์กสีขาวด้วยการเกิดฟอง และ 3) การเปลี่ยนสีจากปฏิกิริยาเคมีเชิงความร้อนที่เลเซอร์เหนี่ยวนำในพอลิเมอร์ที่มีเม็ดสี1 สีที่ต้องการความคมชัดมากที่สุด ได้แก่ สีขาวทึบบนพื้นดำ สีดำสนิทบนพื้นขาว และสีขาวทึบบนพื้นน้ำเงินระดับกลาง สีเหล่านี้มักต้องใช้สารเติมแต่งทางเคมี สารเติมแต่งช่วยเพิ่มระดับความคมชัดของสี (การดูดกลืนแสงเลเซอร์) ซึ่งเสริมให้ดียิ่งขึ้นด้วยการเลือกเลเซอร์และพารามิเตอร์การมาร์กที่เหมาะสม

ไนลอน (พอลิเอไมด์) คืออะไร

พอลิเอไมด์หรือไนลอนเป็นกลุ่มเทอร์โมพลาสติกวิศวกรรมและสมรรถนะสูงที่สำคัญ ซึ่งมีพันธะเอไมด์ซ้ำ คือ –CO-NH– เกิดจากการควบแน่นของหน่วยที่เหมือนกัน และเป็นโคพอลิเมอร์สำหรับหน่วยที่แตกต่างกัน

ไนลอนผลิตจากพอลิคอนเดนเซชันของไดแอซิดกับไดเอมีน หรือจากการเกิดพอลิเมอร์แบบเปิดวงของแล็กแทมที่มีอะตอมคาร์บอนหก 11 หรือ 12 อะตอม2 มอนอเมอร์ของไนลอนอาจเป็นแบบอะลิฟาติก กึ่งอะโรมาติก หรืออะโรมาติก (อะรามิด) และมีโครงสร้างได้ตั้งแต่อสัณฐาน กึ่งผลึก และมีความเป็นผลึกมากน้อยต่างกัน

พอลิเอไมด์แบบอะลิฟาติกผลิตในสเกลที่ใหญ่กว่าพอลิเอไมด์แบบอะโรมาติกเต็มรูปแบบมาก และเป็นหนึ่งในกลุ่มเทอร์โมพลาสติกวิศวกรรมที่สำคัญที่สุด

พอลิเอไมด์ที่สำคัญสองชนิดคือ พอลิ(เฮกซะเมทิลีนอะดิพาไมด์) (ไนลอน 6,6) และพอลิคาโพรแลกแทม (ไนลอน 6) พอลิเอไมด์แบบอะลิฟาติกอื่น ๆ ได้แก่ ไนลอน 12, 69, 6-10, 6-12, 46 และ 1212 ไนลอน 11 เป็นพลาสติกวิศวกรรมชีวภาพที่ได้จากทรัพยากรหมุนเวียน (ต้นละหุ่ง)

พอลิเอไมด์แบบกึ่งอะโรมาติก กึ่งผลึก ที่ผลิตจากการควบแน่นของเอไมด์แบบอะลิฟาติก ได้แก่ PA 6T และ PA 6I พอลิเอไมด์กึ่งอะโรมาติกมักเป็นทางเลือกที่คุ้มค่าแทนอะรามิดแบบอะโรมาติกเต็มรูปแบบที่ราคาสูงกว่า พอลิเอไมด์แบบอะโรมาติกที่เรียกว่าอะรามิดมีความแข็งแรงสูงกว่า ทนตัวทำละลาย เปลวไฟ และความร้อนได้ดีกว่า และมีเสถียรภาพเชิงมิติมากกว่าเอไมด์แบบอะลิฟาติก เอไมด์แบบอะโรมาติกที่รู้จักกันทั่วไปคือ Kevlar หรือพอลิ(พารา-ฟีนิลีนเทเรฟทาลาไมด์)

พอลิเอไมด์ รวมถึงพอลิพทาลาไมด์ (PPA) เป็นพอลิเมอร์ที่ท้าทายที่สุดกลุ่มหนึ่งในการมาร์กด้วยเลเซอร์ เนื่องจากสมบัติวัสดุ สภาวะการขึ้นรูป และการตั้งค่าเลเซอร์ที่หลากหลาย

พอลิพทาลาไมด์ (PPA) เป็นกลุ่มย่อยของเรซินสังเคราะห์เทอร์โมพลาสติกในตระกูลพอลิเอไมด์ (ไนลอน) โดยนิยามคือเมื่อโมล 55% ขึ้นไปของส่วนกรดคาร์บอกซิลิกของหน่วยซ้ำในสายพอลิเมอร์ประกอบขึ้นจากหน่วยอะโรมาติก PPA เป็นแบบกึ่งอะโรมาติก กึ่งผลึก PPA เติมเต็มช่องว่างด้านสมรรถนะระหว่างไนลอนแบบอะลิฟาติก เช่น PA6,6 และ PA6 กับพอลิอะรามิดที่ราคาสูงกว่ามาก

สารเติมแต่ง "อัจฉริยะ"

พารามิเตอร์หนึ่งที่ใช้อธิบายคุณภาพของรอยมาร์กคือความคมชัดของสีระหว่างพื้นผิวที่มาร์กกับพื้นหลัง ความคมชัดไม่ได้เกิดจากการเปลี่ยนสีเท่านั้น แต่ยังเกิดจากการเลี้ยวเบนของแสงที่แปรผันได้ด้วย

สิ่งที่สำคัญไม่แพ้กันคือคุณภาพและ/หรือความเที่ยงตรงของรอยมาร์ก เช่น ความละเอียดหรือความคมของเส้นบาง พอลิเมอร์จำนวนมาก รวมถึงไนลอน ไม่ดูดกลืนแสงเลเซอร์ได้เองตามธรรมชาติ จึงไม่เกิดการเปลี่ยนสี สารเติมแต่งทางเคมีที่เพิ่มประสิทธิภาพเลเซอร์ช่วยเพิ่มความคมชัด ความเร็ว และความทนทานของรอยมาร์กได้อย่างมีนัยสำคัญ (ดูภาพที่ 1) สีของวัสดุรองรับเป็นปัจจัยหนึ่ง เพราะสารประกอบ เช่น เขม่าดำ (คาร์บอนแบล็ก) TiO2 และสารหน่วงการติดไฟ ดูดกลืนแสงเลเซอร์ในระดับที่ต่างกัน

สารเติมแต่งสำหรับการมาร์กด้วยเลเซอร์มีให้ทั้งรูปแบบเม็ดและผง รูปแบบเม็ดผสมกับเรซินพอลิเมอร์ได้โดยตรง ส่วนรูปแบบผงต้องแปลงเป็นมาสเตอร์แบตช์ ความเข้มข้นที่ใช้โดยน้ำหนัก (ในชิ้นงานสุดท้าย) โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 0.01 ถึง 3.0% การกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอของสารเติมแต่งสำหรับเลเซอร์ตลอดทั้งชิ้นงานเป็นสิ่งสำคัญเพื่อให้ได้ความคมชัดของสีที่เหมาะสมที่สุด

การปรับแต่งสีทำได้โดยใช้เม็ดสีและสีย้อมเพื่อให้ได้ลักษณะสีสุดท้ายตามที่กำหนด สารเติมแต่งบางชนิดได้รับการอนุมัติจาก FDA สำหรับการสัมผัสอาหารและบรรจุภัณฑ์อาหารภายใต้เงื่อนไข A-H ของ 21 CFR 178.3297 Colorants for Polymers 1

ไฟเบอร์เลเซอร์อิตเทอร์เบียม

ไฟเบอร์เลเซอร์อิตเทอร์เบียม NIR เข้าสู่ตลาดการมาร์กอุตสาหกรรมในราวปี 2010 โดยเข้ามาแทนที่เลเซอร์ YAG แบบดั้งเดิม ไฟเบอร์เลเซอร์มีคุณภาพลำแสง (M2) ที่เหนือกว่าและมีความสว่างสูง สามารถโฟกัสเป็นจุดขนาดเล็ก (น้อยกว่า 20 ไมครอน) ซึ่งให้ความหนาแน่นพลังงานสูง ไฟเบอร์เลเซอร์ใช้งานได้หลากหลายมาก คุ้มค่า ติดตั้งแล้วใช้งานได้ทันที และแทบไม่ต้องบำรุงรักษา

ไฟเบอร์เลเซอร์นาโนวินาทีแบบพัลส์คงที่ (Q-switched) และแบบพัลส์แปรผัน (MOPA) จำหน่ายโดยบริษัทเลเซอร์หลายราย รวมถึง IPG Photonics และ SPI Lasers ไฟเบอร์เลเซอร์แบบ Q-switched ซึ่งโดยทั่วไปมีความกว้างพัลส์ 100 ถึง 150 ns ใช้ในงานมาร์กพอลิเมอร์บางประเภท แต่อัตราการเกิดพัลส์จำกัดอยู่ที่ประมาณ 80 kHz เนื่องจากข้อจำกัดโดยธรรมชาติของเทคโนโลยี Q-switching

ไฟเบอร์เลเซอร์ MOPA แบบมอดูเลตโดยตรง (DM-MOPA) ทำงานที่อัตราการเกิดพัลส์สูงสุด 500 kHz ที่ความกว้างพัลส์ระดับนาโนวินาที ความกว้างพัลส์ [ns] คือการวัดเวลาระหว่างจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของพัลส์ โดยทั่วไปอิงตามความกว้างเต็มที่ครึ่งหนึ่งของค่าสูงสุด (FWHM) ของรูปร่างพัลส์

อัตราการเกิดพัลส์ที่สูงโดยทั่วไปหมายถึงความเร็วในการมาร์กที่เร็วขึ้น (ร่วมกับพารามิเตอร์เลเซอร์/รูปคลื่นอื่น ๆ) รูปคลื่นและระดับการเกิดคาร์บอนบนพื้นผิวมีความแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ3 (ดูภาพที่ 1)

การควบคุมเชิงพื้นที่และเวลาเฉพาะจุดของความร้อนที่ป้อนจากเลเซอร์และอัตราการป้อนความร้อนช่วยให้ได้สมรรถนะสูงสุด สำหรับพอลิเมอร์ที่ไวต่ออุณหภูมิ ไฟเบอร์เลเซอร์พัลส์สั้นแบบปรับค่าได้ (MOPA) มีประสิทธิภาพเป็นพิเศษในการให้ความคมชัดสูงโดยไม่เกิดคาร์บอนมากเกินไป

สามารถมาร์กใต้พื้นผิวบนพลาสติกใสสำหรับงานทางการแพทย์ได้ โดยทั่วไปเลเซอร์ MOPAสร้างความกว้างพัลส์ (ระยะเวลาพัลส์) ได้ตั้งแต่ 1 ns ถึง 250 ns (และสูงกว่า) The Sabreen Group พบว่า 20 ns ถึง 50 ns เป็นช่วงที่เหมาะสมที่สุดสำหรับความคมชัดของสีในการใช้งานพอลิเมอร์หลายชนิด รวมถึงไนลอน

ในความคมชัดของรอยมาร์กเพื่อความสวยงามและการใช้งาน สารเติมแต่งสำหรับเลเซอร์สร้างความแตกต่างที่สำคัญเมื่อต้องการคุณภาพขอบเส้นที่ความละเอียดสูงและเซลล์ข้อมูลขนาดเล็กสำหรับดาต้าเมทริกซ์และบาร์โค้ดที่มาร์กบนชิ้นงานโดยตรง (DPM) ยิ่งสายข้อมูลยาว เซลล์ข้อมูลก็ยิ่งอัดแน่นขึ้น

ผลิตภัณฑ์ทางทหาร อากาศยาน ยานยนต์ และเภสัชกรรมมักกำหนดให้ต้องตรวจสอบระดับเกรด "A" ความสามารถในการอ่านรหัสที่มีความคมชัดสูงให้ประโยชน์เพิ่มเติม คือความเร็วในการมาร์กที่เร็วขึ้น และใช้เครื่องอ่านแบบมือถือราคาประหยัดได้ทั่วทั้งโรงงาน

บทสรุป

เอกสารอ้างอิง

• 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 เป็นผู้ก่อตั้งและประธานของ The Sabreen Group, Inc. บริษัทวิศวกรรมที่เชี่ยวชาญด้านกระบวนการผลิตพลาสติกขั้นที่สอง ได้แก่ การมาร์กด้วยเลเซอร์ การปรับสภาพพื้นผิว การยึดติด การตกแต่งและการเก็บงานผิว และความปลอดภัยของผลิตภัณฑ์ Sabreen พัฒนาเทคโนโลยีบุกเบิกและแก้ปัญหาด้านการผลิตมานานกว่า 30 ปี ติดต่อได้ที่ 972.820.6777 หรือเยี่ยมชม www.sabreen.com หรือ www.plasticslasermarking.com

---