“สมาร์ทแอดดิทีฟ” ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการมาร์กพลาสติกด้วยเลเซอร์

“สมาร์ทแอดดิทีฟ” ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการมาร์กพลาสติกด้วยเลเซอร์

ความคมชัด รายละเอียดขอบเส้น และความเร็วที่ดียิ่งขึ้น

“สมาร์ทแอดดิทีฟ” สำหรับการมาร์กด้วยเลเซอร์รุ่นใหม่ล่าสุดที่ผสมในพอลิเมอร์เป็นก้าวกระโดดทางเทคโนโลยี ซึ่งทั้งเปิดโอกาสใหม่และประหยัดต้นทุน สูตรวัสดุศาสตร์ขั้นสูงเหล่านี้ให้ความคมชัดของรอยมาร์ก รายละเอียดขอบเส้น และความเร็วที่ไม่เคยมีมาก่อนบนพลาสติกที่ในอดีตมาร์กด้วยเลเซอร์ได้ยาก หรือเป็นไปไม่ได้ ออกแบบสำหรับปฏิกิริยาเคมีเชิงความร้อนที่พื้นผิว สูตรเหล่านี้เหมาะอย่างยิ่งกับไฟเบอร์เลเซอร์ เลเซอร์ YAG และเลเซอร์แวนาเดตที่ทำงานที่ความยาวคลื่น 1060 ถึง 1070 nm (ช่วงอินฟราเรดใกล้)

พอลิเมอร์ที่มาร์กด้วยเลเซอร์ได้คือพอลิเมอร์ที่ดูดกลืนแสงเลเซอร์และเปลี่ยนจากพลังงานแสงเป็นพลังงานความร้อน เนื่องจากพอลิเมอร์ส่วนใหญ่ไม่มีสมบัติการดูดกลืนที่ 1060 ถึง 1070 nm ผู้เชี่ยวชาญจึงใช้สารเติมแต่ง สารตัวเติม เม็ดสี และสีย้อมที่ช่วยเพิ่มการดูดกลืนพลังงานเลเซอร์เพื่อให้เกิดการเปลี่ยนสีเฉพาะจุด เคมีทางวัสดุศาสตร์เพื่อให้ได้การมาร์กด้วยเลเซอร์ที่มีความคมชัดสูงและมีสีเป็นทั้งศิลปะและวิทยาศาสตร์ ตรงข้ามกับความเชื่อทั่วไป ไม่มีสารเติมแต่งสำหรับเลเซอร์ตัวเดียวที่แก้ปัญหาการมาร์กได้ทุกกรณี ใช้เคมีของสูตร ชนิดเลเซอร์ (ไฟเบอร์ YAG แวนาเดต) และออปติกส์/พารามิเตอร์การตั้งค่าเลเซอร์ที่แตกต่างกันมาก ขึ้นอยู่กับความคมชัดและหน้าที่การใช้งานที่ต้องการ

รูปที่ 1 แสดง “รอยมาร์กสีเข้ม” บนพอลิเอทิลีน (ซ้าย) “รอยมาร์กสีขาว” บนไนลอน (กลาง) และสีเหลืองทองตามต้องการบน ABS (ขวา) พร้อมทั้งแสดงกลไกปฏิกิริยาพื้นผิวสามแบบที่แตกต่างกัน แบบแรกคือกระบวนการเกิดถ่าน ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อพลังงานที่ดูดกลืนเพิ่มอุณหภูมิเฉพาะที่ของวัสดุรอบจุดดูดกลืนสูงพอที่จะทำให้พอลิเมอร์เสื่อมสลายด้วยความร้อน แม้อาจทำให้พอลิเมอร์ไหม้เมื่อมีออกซิเจน แต่ปริมาณออกซิเจนที่จำกัดภายในวัสดุรองรับทำให้พอลิเมอร์กลายเป็นถ่านและเกิดรอยมาร์กสีดำหรือสีเข้ม ความเข้มของรอยมาร์กขึ้นกับพลังงานที่ดูดกลืน รวมถึงเส้นทางการเสื่อมสลายด้วยความร้อนเฉพาะตัวของวัสดุ เมื่อผสมลงในเมทริกซ์สารให้สีของเรซิน สารเติมแต่งที่ให้รอยมาร์กสีเข้มมักมีส่วนผสมของทินออกไซด์ที่เจือด้วยพลวง พลวงไตรออกไซด์ หรืออนุภาคอะลูมิเนียม ทั้งหมดกระจายตัวในพอลิเมอร์ได้ง่าย ระดับความเข้มข้นที่ใช้โดยน้ำหนักโดยทั่วไปคือ 0.01% ถึง 3.0% สูตรสำเร็จจำนวนมากได้รับการอนุมัติจาก FDA สำหรับการใช้ภายใต้เงื่อนไข A-H ของ 21 CFR 178.3297 Colorant for Polymers

ปฏิกิริยาพื้นผิวแบบที่สองคือการเปลี่ยนแปลงทางเคมี โดยใช้สารเติมแต่งที่ปล่อยไอน้ำระหว่างการเสื่อมสลายทำให้พอลิเมอร์เกิดฟอง ในกระบวนการเกิดฟอง พลังงานเลเซอร์จะถูกดูดกลืนโดยสารเติมแต่งที่อยู่ใกล้กับสารก่อฟอง ความร้อนจากตัวดูดกลืนทำให้สารก่อฟองเสื่อมสลายและปล่อยไอน้ำ ตัวอย่างของสารก่อฟองคืออะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์หรือคาร์บอเนตชนิดต่าง ๆ เพื่อป้องกันการเกิดถ่าน กลไกนี้ต้องให้พอลิเมอร์เสื่อมสลายที่อุณหภูมิสูงกว่าสารเติมแต่งที่ก่อฟอง ด้วยการควบคุมพารามิเตอร์การทำงานของเลเซอร์อย่างเข้มงวด จึงสร้างรอยมาร์กสีอ่อนที่มีคุณภาพสูงและคงทนบนวัสดุรองรับสีเข้มได้ การควบคุมเลเซอร์ที่ไม่ดีอาจทำให้เกิดรอยมาร์กที่เปราะหลุดง่ายหรือมีความคมชัดต่ำ ซึ่งขีดข่วนได้ง่าย (ความคงทนต่ำ)

แบบที่สามคือการใช้พลังงานเลเซอร์ให้ความร้อน/ทำให้สารให้สีตัวหนึ่งในสารให้สีผสมเสื่อมสลาย ส่งผลให้สีเปลี่ยน ตัวอย่างคือส่วนผสมของคาร์บอนแบล็กกับสารให้สีอนินทรีย์ที่เสถียร เมื่อได้รับความร้อน คาร์บอนแบล็กจะถูกกำจัดออก เหลือสารให้สีอนินทรีย์ไว้ ระบบสารให้สีผสมเหล่านี้ขึ้นกับความเสถียรของสารให้สีแต่ละชนิด และไม่สามารถเปลี่ยนสีได้ทุกแบบ

สูตรสำหรับเลเซอร์ต้องไม่เป็นพิษและไม่ส่งผลเสียต่อรูปลักษณ์ สมบัติทางกายภาพ หรือสมบัติการใช้งานของผลิตภัณฑ์ และต้องดูดกลืนพลังงานเลเซอร์มากพอที่จะยกอุณหภูมิเฉพาะที่ของพอลิเมอร์ให้สูงพอที่จะเกิดถ่านหรือฟองในพอลิเมอร์ จึงเกิดเป็นรอยมาร์ก อุณหภูมินี้จะต่างกันไปตามพอลิเมอร์แต่ละชนิด แม้อยู่ในตระกูลพอลิเมอร์เดียวกัน

ประเด็นสำคัญ

• ไม่มีสารเติมแต่งสากล ตรงข้ามกับความเชื่อทั่วไป ต้องจับคู่เคมีให้เหมาะกับพอลิเมอร์ สี และเลเซอร์
• สามกลไก ได้แก่ การเกิดถ่าน การเกิดฟอง และการเปลี่ยนสีของสารให้สี ครอบคลุมรอยมาร์กสีเข้ม สีขาว และสีตามต้องการ
• ปริมาณการเติมต่ำ โดยทั่วไป 0.01% ถึง 3.0% โดยน้ำหนัก และสูตรจำนวนมากได้รับการอนุมัติจาก FDA ภายใต้ 21 CFR 178.3297
• ความเร็วเพิ่มขึ้น 15% ขึ้นไปจากสารเติมแต่งที่ความเข้มข้นต่ำเพียง 0.01% ถึง 2.0%
• อุณหภูมิการเสื่อมสลายด้วยความร้อนบ่งบอกความสามารถในการมาร์ก HDPE สองเกรดอาจมาร์กได้ต่างกันมากด้วยเหตุผลนี้เพียงอย่างเดียว

คำถามที่พบบ่อย

มีสารเติมแต่งสำหรับเลเซอร์ตัวเดียวที่แก้ปัญหาการมาร์กได้ทุกกรณีหรือไม่

ไม่มี ตรงข้ามกับความเชื่อทั่วไป ไม่มีสารเติมแต่งสากล ต้องใช้เคมีของสูตร ชนิดเลเซอร์ ได้แก่ ไฟเบอร์ YAG หรือแวนาเดต และออปติกส์และพารามิเตอร์การตั้งค่าที่แตกต่างกันมาก ขึ้นอยู่กับความคมชัดและหน้าที่การใช้งานที่ต้องการ

สารเติมแต่งสร้างรอยมาร์กสีขาวบนพลาสติกสีเข้มได้อย่างไร

ผ่านการเกิดฟอง สารเติมแต่งปล่อยไอน้ำขณะเสื่อมสลาย และพลังงานเลเซอร์ถูกดูดกลืนโดยตัวดูดกลืนที่อยู่ใกล้สารก่อฟอง อะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์และคาร์บอเนตชนิดต่าง ๆ เป็นสารก่อฟองทั่วไป พอลิเมอร์ต้องเสื่อมสลายที่อุณหภูมิสูงกว่าสารเติมแต่งที่ก่อฟอง มิฉะนั้นจะเกิดถ่านแทน

เหตุใดพอลิเมอร์ชนิดเดียวกันสองเกรดจึงมาร์กได้ต่างกัน

เพราะอุณหภูมิการเสื่อมสลายด้วยความร้อนต่างกัน การวิเคราะห์ทางความร้อนเชิงน้ำหนักของตัวอย่าง HDPE สองชนิดแสดงจุดเริ่มต้นการเสื่อมสลายที่ต่างกันอย่างวัดได้ และพอลิเมอร์ที่มีอุณหภูมิสูงกว่าต้องใช้พลังงานเลเซอร์มากขึ้น มาร์กช้าลง หรือใช้สารเติมแต่งที่ดูดกลืนมากขึ้น เพื่อให้ได้รอยมาร์กที่ดูเหมือนกัน

การมาร์กด้วยสารเติมแต่งที่ปรับให้เหมาะสมเร็วขึ้นเท่าใด

ได้ผลดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญทางสถิติ 15% ขึ้นไปเมื่อเทียบกับสูตรที่ไม่ได้ปรับให้เหมาะสม ที่ความเข้มข้นต่ำประมาณ 0.01% ถึง 2.0% การมาร์กข้อความส่งเสริมการขายใต้ฝาแบบ on-the-fly บนฝาปิดเครื่องดื่มแบบไม่มีแผ่นรองทำงานได้ที่ความเร็วสูงถึง 1,500 ฝาต่อนาที

อะไรทำให้รอยมาร์กสีอ่อนหลุดลอกจากการขีดข่วนได้ง่าย

การควบคุมเลเซอร์ที่ไม่ดีระหว่างการเกิดฟอง หากไม่ควบคุมพารามิเตอร์อย่างเข้มงวด ผลที่ได้คือรอยมาร์กที่เปราะหลุดง่ายหรือมีความคมชัดต่ำและคงทนต่ำ แทนที่จะเป็นรอยมาร์กสีอ่อนคุณภาพสูงและคงทนที่กลไกนี้สร้างได้

การทำให้มาร์กได้เร็วขึ้น

เวลาที่ใช้ในการมาร์กชิ้นงานเป็นฟังก์ชันของวัสดุรองรับพอลิเมอร์ จำนวนเส้นเวกเตอร์ที่ลาก และความเร็วที่ลำแสงเลเซอร์/หัวสแกนกัลวาโนมิเตอร์ลากเส้นทั้งหมด ซอฟต์แวร์เลเซอร์และประเภทการเติมเวกเตอร์ ได้แก่ แบบทิศทางเดียว สองทิศทาง หรือแบบซิกแซก ก็ส่งผลต่อเวลามาร์กได้เช่นกัน การศึกษาอิสระใหม่แสดงว่าสามารถมาร์กได้เร็วขึ้นอย่างมีนัยสำคัญทางสถิติโดยการเติมสูตรสารเติมแต่งสำหรับเลเซอร์ที่ความเข้มข้นต่ำมาก โดยทั่วไป 0.01% ถึง 2.0%

รูปที่ 2 แสดงกราฟการวิเคราะห์ทางความร้อนเชิงน้ำหนัก (TGA) ของพอลิเอทิลีนความหนาแน่นสูงสองชนิด พอลิเมอร์ทั้งสองมีอุณหภูมิการเสื่อมสลายด้วยความร้อนต่างกัน ซึ่งเป็นกระบวนการที่สร้างรอยมาร์กด้วยเลเซอร์ พอลิเมอร์ที่มีอุณหภูมิสูงกว่าจะต้องใช้พลังงานเลเซอร์มากขึ้น ความเร็วการมาร์กต่ำลง หรือสารเติมแต่งที่ดูดกลืนมากขึ้น เพื่อให้ได้รอยมาร์กที่ดูเหมือนกัน สมาร์ทแอดดิทีฟช่วยประหยัดต้นทุนและแสดงความเร็วการมาร์กเร็วกว่าสูตรวัสดุที่ไม่ได้ปรับให้เหมาะสม 15% ขึ้นไป การใช้งานที่น่าสนใจอย่างหนึ่งคือการมาร์กด้วยเลเซอร์แบบ “on-the-fly” สำหรับข้อความส่งเสริมการขายใต้ฝาบนฝาปิดเครื่องดื่มแบบไม่มีแผ่นรอง ระบบครบวงจรสามารถมาร์กกราฟิกและข้อความตัวอักษรและตัวเลขที่ไม่ซ้ำกันได้ที่ความเร็วสูงถึง 1,500 ฝาต่อนาที ตัวอย่างแสดงในรูปที่ 3

เทคโนโลยีเลเซอร์

ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีเลเซอร์มีบทบาทสำคัญต่อการพัฒนาอย่างรวดเร็วของสมาร์ทแอดดิทีฟสำหรับเลเซอร์ เทคโนโลยีไฟเบอร์เลเซอร์ระดับนาโนวินาทีเป็นสาขาที่กำลังเกิดขึ้นและเป็นหนึ่งในความก้าวหน้าที่สำคัญที่สุดของเลเซอร์สำหรับการมาร์ก การเชื่อม และการตัด ไฟเบอร์เลเซอร์แตกต่างจากเลเซอร์มาร์กแบบโซลิดสเตตอื่นโดยพื้นฐาน ในไฟเบอร์เลเซอร์ ตัวกลางเลเซอร์ที่สร้างลำแสงกระจายอยู่ภายในสายเคเบิลใยแก้วนำแสงชนิดพิเศษ ต่างจากเลเซอร์ที่ส่งลำแสงผ่านใยแก้ว เส้นทางของลำแสงทั้งหมดอยู่ภายในสายเคเบิลใยแก้วนำแสงตลอดจนถึงชุดออปติกส่งลำแสง

ไฟเบอร์เลเซอร์ให้คุณภาพลำแสงและความสว่างที่เหนือกว่า ตัวชี้วัดคุณภาพลำแสงคือ M2 ค่า M2 ยิ่งน้อย คุณภาพลำแสงยิ่งดี โดย M2 = 1 คือลำแสงเลเซอร์แบบเกาส์เซียนในอุดมคติ เลเซอร์ที่มีคุณภาพลำแสงเหนือกว่าสามารถโฟกัสเป็นจุดขนาดเล็ก ซึ่งนำไปสู่ความหนาแน่นพลังงานสูง ไฟเบอร์เลเซอร์ MOPA ที่มีพลังงานพัลส์สูงถึง 1 mJ และความหนาแน่นกำลังสูงสามารถมาร์กพอลิเมอร์ที่ในอดีตมาร์กได้ยากหลายชนิด รวมถึงไนลอน ยูรีเทน และอะซีทัล

ไฟเบอร์เลเซอร์ เลเซอร์ YAG และเลเซอร์แวนาเดตแบบบังคับลำแสงทุกเครื่องไม่ได้มีคุณภาพเท่ากัน ส่วนประกอบฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ที่ผู้ผลิตเลเซอร์ใช้ในระบบส่งผลอย่างมากต่อความคมชัด คุณภาพ และความเร็วในการมาร์ก คุณสมบัติหลักคือความหนาแน่นกำลัง (W/cm²) ที่พื้นผิวที่มาร์ก (ซึ่งต่างจากกำลังขาออกดิบของเลเซอร์) โหมดเอาต์พุตของลำแสงเลเซอร์มีความสำคัญต่อสมรรถนะการมาร์ก โหมดเอาต์พุตเหล่านี้เกี่ยวข้องกับปัจจัยต่าง ๆ เช่น การลู่ออกของลำแสงและการกระจายกำลังตามเส้นผ่านศูนย์กลางของลำแสง ความหนาแน่นกำลังเป็นฟังก์ชันของขนาดจุดโฟกัสของเลเซอร์

ขนาดจุดโฟกัสของเลเซอร์สำหรับเลนส์ที่มีความยาวโฟกัสและความยาวคลื่นเลเซอร์ใด ๆ เป็นฟังก์ชันของการลู่ออกของลำแสงเลเซอร์ ซึ่งควบคุมด้วยการกำหนดค่าเลเซอร์ ขนาดช่องรับแสงสำหรับเลือกโหมด และกำลังขยายของอัปคอลลิเมเตอร์ (ตัวขยายลำแสง) อัตราการเกิดพัลส์ซ้ำและความหนาแน่นกำลังสูงสุดเป็นพารามิเตอร์สำคัญในการสร้างรอยมาร์กและให้ได้ความคมชัดและความเร็วที่เหมาะสมที่สุด กำลังสูงสุดที่สูงที่ความถี่ต่ำทำให้อุณหภูมิพื้นผิวเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ระเหยวัสดุโดยนำความร้อนเข้าสู่วัสดุรองรับน้อยที่สุด เมื่ออัตราการเกิดพัลส์ซ้ำเพิ่มขึ้น กำลังสูงสุดที่ต่ำลงจะทำให้เกิดการระเหยน้อยที่สุดแต่นำความร้อนมากขึ้น

บทสรุป

“สมาร์ทแอดดิทีฟ” สำหรับการมาร์กด้วยเลเซอร์รุ่นใหม่ล่าสุดที่ผสมในพอลิเมอร์ให้ความคมชัดของรอยมาร์ก รายละเอียดขอบเส้น และความเร็วที่ไม่เคยมีมาก่อน ประโยชน์เหล่านี้ชดเชยต้นทุนสารเติมแต่งที่เพิ่มขึ้นได้อย่างรวดเร็ว การได้สูตรเคมีทางวัสดุศาสตร์ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการมาร์กพลาสติกด้วยเลเซอร์ต้องอาศัยความเชี่ยวชาญด้านพอลิเมอร์ เกรดสมบัติภายในตระกูลพอลิเมอร์ สารให้สี เม็ดสี และสีย้อม ในด้านความสามารถในการละลาย ขนาดอนุภาค ขีดจำกัดความเข้มข้นวิกฤต การจับคู่สี และการรับรองตามข้อกำหนด (GRAS, FDA สัมผัสอาหารทางตรง/ทางอ้อม) โซลูชันด้านวัสดุศาสตร์ต้องคุ้มค่า ใช้งานง่าย และไม่ส่งผลเสียต่อสมบัติทางกายภาพและเคมีของพอลิเมอร์

เอกสารอ้างอิง

• Engelhard Corporation Mark-it™ Laser Marking Pigment Technical Bulletin 2002, with technical content contributions from The Sabreen Group Inc.
• Bruce Mulholland (Hoechst Technical Polymers) and Scott Sabreen (The Sabreen Group Inc.), “Enlightened Laser Marking,” Lasers&Optronics, July 1997.
• Daniel S. Burgess, Scott R. Sabreen, & Carl Baasel Lasertechnik GmbH, “Laser Marking: A Clean Economical Packaging Solution,” Photonics Spectra, November 2001.

Scott R. Sabreen เป็นผู้ก่อตั้งและประธานของ The Sabreen Group, Inc. บริษัทวิศวกรรมที่เชี่ยวชาญด้านกระบวนการผลิตพลาสติกขั้นที่สอง ได้แก่ การมาร์กด้วยเลเซอร์ การปรับสภาพพื้นผิว การยึดติด การตกแต่งและการเก็บงานผิว และความปลอดภัยของผลิตภัณฑ์ Sabreen พัฒนาเทคโนโลยีบุกเบิกและแก้ปัญหาการผลิตมากว่า 30 ปี สามารถติดต่อได้ที่ 972.820.6777 หรือเยี่ยมชม www.sabreen.com หรือ www.plasticslasermarking.com

---