การปรับสภาพพื้นผิวและหมึกสูตรพิเศษช่วยพัฒนาการพิมพ์อิงก์เจ็ทบนพลาสติกและฟิล์ม

การปรับสภาพพื้นผิวและหมึกสูตรพิเศษช่วยพัฒนาการพิมพ์อิงก์เจ็ทบนพลาสติกและฟิล์ม

เทคโนโลยีการพิมพ์ดิจิทัล เช่น อิงก์เจ็ทและ เลเซอร์บนพลาสติก ให้ข้อได้เปรียบอย่างมากแก่ผู้ผลิตเมื่อเทียบกับวิธีแอนะล็อกแบบดั้งเดิม เช่น การพิมพ์แพด การปั๊มฟอยล์ร้อน และการพิมพ์สกรีน การพิมพ์ดิจิทัลรองรับการปรับแต่งผลิตภัณฑ์ได้เต็มรูปแบบ การระบุชิ้นส่วนด้วยตัวอักษรและตัวเลขที่ไม่ซ้ำกัน ความปลอดภัยของผลิตภัณฑ์ การกำหนดหมายเลขลำดับ บาร์โค้ด/รหัส 2D โลโก้ กราฟิก และอื่น ๆ ขีดความสามารถเหล่านี้จำเป็นต่อโลกดิจิทัลเชิงโต้ตอบในปัจจุบัน ประโยชน์พลอยได้คือสามารถพิมพ์ผลิตภัณฑ์ที่ประกอบแล้วได้ในขั้นตอนสุดท้ายของการผลิต ซึ่งช่วยลดต้นทุนและบริหารสินค้าคงคลังได้ดีขึ้น บทความนี้พิจารณากระบวนการพิมพ์/มาร์กดิจิทัลสองประเภท ได้แก่ การพิมพ์อิงก์เจ็ทแบบพีโซอิเล็กทริกชนิดหยดตามสั่ง (drop-on-demand) ที่พิมพ์สีเต็มรูปแบบ และการมาร์กด้วยไฟเบอร์เลเซอร์แบบควบคุมลำแสง อิงก์เจ็ทพีโซอิเล็กทริกแบบหยดตามสั่ง (DOD) และไฟเบอร์เลเซอร์เป็นเทคโนโลยีสมัยใหม่ที่ให้ข้อได้เปรียบมากมายสำหรับการปรับแต่งผลิตภัณฑ์ (และการผลิตจำนวนมาก)

การพิมพ์อิงก์เจ็ทพีโซอิเล็กทริกแบบ DOD และการมาร์กด้วยไฟเบอร์เลเซอร์แบบควบคุมลำแสงเป็นกระบวนการดิจิทัลแบบไม่สัมผัสทั้งคู่ ผู้ผลิตจำนวนมากตระหนักแล้วว่าการมีทั้งสองเทคโนโลยีช่วยตอบสนองความต้องการพิมพ์แบบกำหนดเองบนวัสดุรองรับพอลิเมอร์ที่หลากหลาย เนื่องจากความต้องการของแต่ละงานแตกต่างกัน จึงไม่อาจสรุปได้อย่างถูกต้องว่าเทคโนโลยีใดดีกว่าหรือด้อยกว่ากัน การตัดสินใจเลือกกระบวนการที่เหมาะสม (อิงก์เจ็ทหรือเลเซอร์) สำหรับแต่ละงานอาจดูง่าย ตัวอย่างเช่น หากต้องการพิมพ์สีตามกำหนดตั้งแต่หนึ่งสีขึ้นไปบนไนลอนสีขาวผสมใยแก้ว ให้เลือกอิงก์เจ็ท หรือหากต้องการความเปรียบต่างสีดำสนิทที่คงทนถาวรบนไนลอนสีขาว ให้เลือกการมาร์กด้วยเลเซอร์ แต่ในความเป็นจริง หมึกอิงก์เจ็ทยึดเกาะกับไนลอน (หรือพอลิเมอร์ส่วนใหญ่ที่มีพลังงานพื้นผิวต่ำ) ได้ไม่ดี หากไม่ใช้หมึกพิเศษและการปรับสภาพพื้นผิว ส่วนการสร้างความเปรียบต่างสีดำบนไนลอนสีขาว (และพอลิเมอร์สีอ่อนอื่น ๆ อีกมาก) ต้องใช้สารเติมแต่งที่ช่วยเพิ่มการตอบสนองต่อเลเซอร์

โซลูชันการมาร์ก/พิมพ์ที่เชื่อถือได้ต้องอาศัยการออกแบบทางวิศวกรรมที่แม่นยำในด้านเคมีของหมึก/เลเซอร์ วิทยาศาสตร์พื้นผิวพอลิเมอร์ การออกแบบกระบวนการ และอุปกรณ์ บริษัทจำนวนมากเลือกซื้ออุปกรณ์ทั่วไปแบบสำเร็จรูปซึ่งไม่สามารถให้ผลลัพธ์ตามที่ต้องการ ด้วยเหตุนี้ มุมมอง "โซลูชันแบบครบวงจร" ของเทคโนโลยีการพิมพ์อิงก์เจ็ทและการมาร์กด้วยเลเซอร์จึงมีความสำคัญมากในฐานะแนวทางสำหรับการจัดหาระบบและการปรับกระบวนการให้เหมาะสมที่สุด

ประเด็นสำคัญ

• อิงก์เจ็ทและเลเซอร์เป็นเทคโนโลยีที่เสริมกัน ไม่ใช่คู่แข่งกัน ไม่มีเทคโนโลยีใดดีกว่าในทุกกรณี การใช้งานเป็นตัวกำหนด
• การยึดเกาะของหมึกเป็นปัญหาด้านพลังงานพื้นผิว ควรให้พลังงานพื้นผิวของวัสดุรองรับสูงกว่าแรงตึงผิวของหมึกประมาณ 10 dynes/cm
• การบ่มด้วย UV LED เข้ามาแทนที่หลอดปรอท ทั้งเปิด-ปิดได้ทันที อายุการใช้งานมากกว่า 20,000 ชั่วโมง ไม่มีความร้อนจาก IR และสร้างโอโซนน้อยลงมาก
• การมาร์กด้วยเลเซอร์ต้องใช้สารเติมแต่ง เพราะพอลิเมอร์ส่วนใหญ่ไม่มีคุณสมบัติดูดกลืนแสงใกล้อินฟราเรดในตัวเอง
• อุปกรณ์สำเร็จรูปทั่วไปเป็นจุดล้มเหลวที่พบบ่อย โดยเฉพาะอิงก์เจ็ทซึ่งต้องผสานการทำงานของหัวพิมพ์ หมึก การบ่ม การปรับสภาพพื้นผิว และการจัดการชิ้นงานเข้าด้วยกัน

คำถามที่พบบ่อย

ควรเลือกการพิมพ์อิงก์เจ็ทหรือการมาร์กด้วยเลเซอร์สำหรับชิ้นส่วนพลาสติก

เลือกอิงก์เจ็ทเมื่อต้องการสีตั้งแต่หนึ่งสีขึ้นไป และเลือกเลเซอร์เมื่อต้องการรอยมาร์กสีเดียวที่คงทนถาวร ความเปรียบต่างสูง และไม่มีวัสดุสิ้นเปลือง ในทางปฏิบัติ การตัดสินใจนี้แทบไม่เคยง่ายเช่นนั้น เพราะหมึกอิงก์เจ็ทไม่ยึดเกาะกับไนลอนและพอลิเมอร์พลังงานพื้นผิวต่ำอื่น ๆ หากไม่ใช้หมึกพิเศษและการปรับสภาพพื้นผิว และการมาร์กด้วยเลเซอร์ต้องใช้สารเติมแต่งเพื่อให้เกิดความเปรียบต่างบนพอลิเมอร์สีอ่อน

เหตุใดหมึกอิงก์เจ็ท UV จึงไม่ติดบนชิ้นส่วนพลาสติก

สาเหตุคือพลังงานพื้นผิว หมึก UV มีแรงตึงผิวต่ำ ประมาณ 25 dynes/cm ขณะที่พลาสติกวิศวกรรมส่วนใหญ่เป็นวัสดุเฉื่อยทางเคมี ไม่มีรูพรุน และมีพลังงานพื้นผิวต่ำ โดยทั่วไปการยึดเกาะที่ยอมรับได้ต้องให้วัสดุรองรับมีพลังงานพื้นผิวสูงกว่าหมึกประมาณ 10 dynes/cm การปรับสภาพพื้นผิวช่วยลดช่องว่างนี้

การบ่มด้วย UV LED มีข้อดีอย่างไรเมื่อเทียบกับหลอดปรอท

UV LED ปล่อยแสงในแถบแคบที่มีจุดศูนย์กลางใกล้ 395 nm จึงทำให้พลังงานเกือบทั้งหมดใช้ประโยชน์ในการกระตุ้นโฟโตอินิเชียเตอร์ได้ เปิดและปิดได้ทันที มีอายุการใช้งานเกิน 20,000 ชั่วโมง หรือนานกว่าหลอด UV ประมาณสิบเท่า ไม่ปล่อยอินฟราเรดจึงเหมาะกับพลาสติกที่ไวต่อความร้อน และสร้างโอโซนน้อยลงมาก

อิงก์เจ็ทแบบเกรย์สเกลคืออะไร และสำคัญอย่างไร

อิงก์เจ็ทมาตรฐานทำงานแบบไบนารี คือแต่ละพิกเซลได้รับหยดหมึกหรือไม่ได้รับ ส่วนหัวพิมพ์เกรย์สเกลจะปล่อยหยดเล็ก ๆ หลายหยดอย่างรวดเร็วจนพิมพ์รวมเป็นจุดเดียว โดยหัวพิมพ์ขั้นสูงมีให้เลือกแปดระดับ ผลที่ได้คือความละเอียดปรากฏที่สูงขึ้นอย่างเห็นได้ชัดจากความละเอียดเนทีฟของหัวพิมพ์เท่าเดิม

เหตุใดระบบอิงก์เจ็ทสำเร็จรูปทั่วไปจึงมักล้มเหลวบนพลาสติก

เพราะไม่มีผู้ผลิตรายเดียวที่จัดหาส่วนประกอบได้ครบทุกชิ้น ระบบที่ใช้งานได้จริงต้องผสานหัวพิมพ์ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขับเคลื่อน หมึก ระบบจัดการชิ้นงาน การควบคุมการเคลื่อนที่ ตัวฉายรังสีสำหรับบ่ม และซอฟต์แวร์โปรโตคอลไฟล์ ต่างจากการพิมพ์แพดหรือสกรีน ตรงที่ไม่มีชุดสำเร็จรูปแบบครบวงจร จึงต้องออกแบบทางวิศวกรรมให้ส่วนประกอบทำงานเข้ากันได้

เทคโนโลยีอิงก์เจ็ท UV LED แบบพีโซอิเล็กทริกชนิด "หยดตามสั่ง"

อิงก์เจ็ทเป็นกระบวนการแบบไม่สัมผัสที่สั่งพิมพ์จากคอมพิวเตอร์โดยตรง โดยหยดหมึกถูกพ่นไปยังวัสดุรองรับเป็นลวดลายพิกเซลแนว x-y สม่ำเสมอตามไฟล์ดิจิทัล ส่วนประกอบหลักของระบบประกอบด้วยชุดหัวพิมพ์ ตัวควบคุมอิเล็กทรอนิกส์สำหรับขับเคลื่อนหัวพิมพ์ หมึก UV ตัวฉายรังสีสำหรับบ่ม และระบบจัดการชิ้นงานแบบควบคุมการเคลื่อนที่

ส่วนประกอบพื้นฐานคือหัวพิมพ์ (รูปที่ 2) ซึ่งมีแหล่งจ่ายหมึกและห้องหมึกปริมาตรน้อยจำนวนมาก แต่ละห้องมีหัวฉีดทรงกลมสำหรับพ่นหยดหมึกออกมา หัวฉีดเรียงเป็นแนวตรงตั้งฉากกับทิศทางการเคลื่อนที่ หัวพิมพ์แต่ละหัวอาจมีหัวฉีดตั้งแต่หนึ่งถึงห้าแถว โดยแต่ละแถวมี 128, 256, 512 หรือ 768 หัวฉีด แต่ละสีมีแหล่งจ่ายหมึกและหัวพิมพ์ของตนเอง ในเครื่องพิมพ์ที่ออกแบบไว้ หัวพิมพ์จะสแกนไปมา (ทิศทาง x) ขณะที่ชิ้นงานเคลื่อนเป็นขั้น (ทิศทาง y) ในแต่ละรอบ ระยะก้าวและระยะห่างของหัวฉีดถูกกำหนดให้สัมพันธ์กัน (รูปที่ 1) เมื่อยิงถี่ขึ้นและก้าวสั้นลง ระยะห่างพิกเซลที่เทียบเท่าจะแคบกว่าระยะห่างของหัวฉีดได้มาก เช่น หัวพิมพ์ 300 dpi สามารถพิมพ์ที่ 300×300, 300×600 และต่อไปจนสูงสุด 2400×2400 จุดต่อนิ้ว การพิมพ์ปกติเป็นแบบไบนารี คือทุกตำแหน่งมีหยดหมึกหรือไม่มีหยดหมึก เทคโนโลยีระดับสูงมีเกรย์สเกล ซึ่งหมายถึงปริมาตรหมึกของแต่ละจุดปรับเปลี่ยนได้โดยตั้งใจ

การออกแบบหัวพิมพ์ DOD แบบพีโซอิเล็กทริก

ในอิงก์เจ็ทพีโซอิเล็กทริกแบบหยดตามสั่ง การเปลี่ยนรูปของวัสดุพีโซเซรามิกทำให้ปริมาตรหมึกในห้องแรงดันเปลี่ยนไป และเกิดคลื่นความดันที่แผ่ไปทางหัวฉีด คลื่นความดันเชิงเสียงนี้ต้องเอาชนะการสูญเสียความดันจากความหนืดในหัวฉีดขนาดเล็ก และแรงตึงผิวจากเมนิสคัสของหมึก เพื่อให้หยดหมึกเริ่มก่อตัวที่หัวฉีดได้ เมื่อหยดหมึกก่อตัวแล้ว ความดันต้องเพียงพอที่จะขับหยดไปยังวัสดุที่บันทึกภาพ (รูปที่ 2) ความหนืดระหว่าง 10 ถึง 20 mPa-s ช่วยให้ของเหลวเคลื่อนที่ได้เร็ว โดยทั่วไปการเปลี่ยนรูปของตัวขับพีโซอิเล็กทริกอยู่ในระดับต่ำกว่าไมครอน เพื่อให้ได้ปริมาตรหมึกที่เคลื่อนที่มากพอสำหรับการก่อตัวของหยด ตัวขับพีโซอิเล็กทริกจึงมักมีขนาดทางกายภาพใหญ่กว่ารูหมึกมาก แต่ละพิกเซลบนวัสดุรองรับมีหมึกปกคลุมหรือไม่มีเลย ซึ่งเป็นทางเลือกแบบไบนารี อิงก์เจ็ทเกรย์สเกลต่างออกไปตรงที่หัวพิมพ์สามารถปล่อยหยดเล็ก ๆ หลายหยดเร็วมาก เร็วพอที่จะพิมพ์รวมเป็นจุดเดียว หัวพิมพ์ขั้นสูงมีแปดระดับ คือตั้งแต่ศูนย์ถึงเจ็ดหยด ผลที่ได้คือความละเอียดปรากฏสูงขึ้นอย่างมากจากความละเอียดเนทีฟระดับเดียวกับแบบไบนารี

หมึกที่บ่มด้วย UV

หมึกและสารเคลือบที่บ่มด้วยรังสีอัลตราไวโอเลต (UV) เป็นที่นิยมสำหรับงานอุตสาหกรรมและงานกลางแจ้ง เพราะเมื่อบ่มแล้วมีความเหนียวและทนทาน ให้ช่วงสีครบถ้วน และเมื่อรวมกับความละเอียดสูงจะให้คุณภาพงานพิมพ์ที่โดดเด่น สูตรที่บ่มด้วย UV ประกอบด้วยโฟโตอินิเชียเตอร์ มอนอเมอร์ โอลิโกเมอร์ สารให้สี และสารเติมแต่ง โดยมอนอเมอร์และโอลิโกเมอร์คิดเป็นประมาณ 85 เปอร์เซ็นต์ของสูตร สารให้สีอาจอยู่ที่ 10 เปอร์เซ็นต์ โฟโตอินิเชียเตอร์ประมาณห้าเปอร์เซ็นต์ และสารลดแรงตึงผิวกับสารเสถียรภาพหนึ่งถึงสองเปอร์เซ็นต์

การได้รับรังสี UV ทำให้ พันธะของโฟโตอินิเชียเตอร์ แตกออก ให้อนุมูลอิสระสองตัว ซึ่งเริ่มปฏิกิริยาลูกโซ่ผ่านมอนอเมอร์และโอลิโกเมอร์ ส่งผลให้เรซินเกิดการเชื่อมขวาง (การบ่ม) อย่างกว้างขวางแต่ไม่สมบูรณ์ ปฏิกิริยานี้คายความร้อน และแหล่งกำเนิด UV ก็ปล่อยความร้อนด้วย อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นช่วยได้ทั้งการยึดเกาะและระดับการบ่ม ซึ่งส่งผลต่อความทนต่อการขัดถู รอยขีดข่วน และรอยครูดของของเหลวที่บ่มแล้ว1 ความท้าทายในการกำหนดสูตรหมึกบ่มด้วย UV คือต้องได้ความหนืดต่ำมากพร้อมกับเกิดพอลิเมอร์ที่ใช้งานได้ อย่างไรก็ตาม การให้ความร้อนแก่หมึก หัวพิมพ์ และระบบจ่ายหมึกที่ประมาณ 50ºC จะได้ความหนืดที่เหมาะกับหัวพิมพ์พีโซอิเล็กทริก แม้ต้นทุนจะสูงกว่าระบบที่ทำงานที่อุณหภูมิห้องอย่างมาก

ความเข้ากันได้ระหว่างหมึกกับวัสดุรองรับพลาสติก

กระบวนการพิมพ์ด้วยหมึกทุกประเภทต้องให้เคมีของหมึกเหลว (UV ของแข็ง ความร้อน ฯลฯ) เข้ากันได้กับวัสดุรองรับพลาสติก เพื่อให้เกิดการเปียกผิวที่เหมาะสม หมึก UV มักมีความหนืดต่ำกว่าหมึกสำหรับการพิมพ์แพดหรือสกรีน (แรงตึงผิวประมาณ 25 dynes/cm) ปัจจัยสำคัญประการหนึ่งของความเข้ากันได้ระหว่างหมึกกับวัสดุรองรับคือพลาสติกจำนวนมากเป็นพื้นผิวเฉื่อยทางเคมี ไม่มีรูพรุน และมีพลังงานพื้นผิวต่ำ การปรับสภาพพื้นผิวของเรซินวิศวกรรมสมรรถนะสูงในปัจจุบันช่วยแก้ปัญหาการยึดเกาะของหมึกได้เกือบทั้งหมด โดยหลักการ จะได้การยึดเกาะของหมึกที่ยอมรับได้เมื่อพลังงานพื้นผิวของวัสดุรองรับ (วัดเป็น dynes/cm) สูงกว่าแรงตึงผิวของของเหลวประมาณ 10 dynes/cm ในสภาวะนี้ ของเหลวจะ "เปียกผิว" หรือยึดเกาะกับพื้นผิว

แรงตึงผิวซึ่งเป็นการวัดพลังงานพื้นผิว คือคุณสมบัติ (อันเนื่องมาจากแรงระหว่างโมเลกุล) ที่ทำให้ของเหลวทุกชนิดหดผิวเพื่อให้ปริมาตรที่บรรจุอยู่มีรูปทรงที่มีพื้นที่ผิวน้อยที่สุด ดังนั้น ยิ่งพลังงานพื้นผิวของวัสดุรองรับที่เป็นของแข็งสูงกว่าแรงตึงผิวของของเหลวมากเท่าใด ความสามารถในการเปียกผิวก็ยิ่งดีขึ้นและมุมสัมผัสก็ยิ่งเล็กลง (รายละเอียดเกี่ยวกับการปรับสภาพพื้นผิว ดู "Plasma Surface Pretreatment of Polymers for Improved Adhesion" หน้า 44-51 ของนิตยสาร Plastics Decorating ฉบับเมษายน/พฤษภาคม 2018)

การปรับสภาพพื้นผิวใช้เพิ่มพลังงานพื้นผิวและปรับปรุงคุณสมบัติการเปียกผิวและการยึดเกาะของวัสดุพอลิเมอร์ อุตสาหกรรมใช้กระบวนการปรับสภาพด้วยการออกซิเดชันพื้นผิวในสถานะแก๊สหลายแบบ ได้แก่ พลาสมาแก๊สเย็นความดันต่ำ (ไมโครเวฟ/RF) การปล่อยประจุไฟฟ้า (โคโรนา) เฟลมพลาสมา และพลาสมาความดันบรรยากาศอุณหภูมิต่ำแบบไม่ใช้แรงดันไฟฟ้า แต่ละวิธีเหมาะกับงานเฉพาะและมีข้อดีและข้อจำกัดที่แตกต่างกัน ทุกกระบวนการมีลักษณะร่วมกันคือสามารถสร้าง "พลาสมาแก๊ส" ซึ่งเป็นแก๊สที่ว่องไวสูงมาก ประกอบด้วยอิเล็กตรอนอิสระ ไอออนบวก และสปีชีส์ทางเคมีอื่น ๆ ในทางฟิสิกส์ กลไกการสร้างพลาสมาเหล่านี้แตกต่างกัน แต่ผลต่อความสามารถในการเปียกผิวคล้ายกัน บางครั้งอาจใช้ไพรเมอร์เคมีแทนกระบวนการพลาสมาแก๊สได้

การบ่มด้วย UV LED

จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ การบ่มทั้งหมดเริ่มต้นด้วยหลอดปรอทแบบปล่อยประจุ ปรอทมีสเปกตรัมการแผ่รังสีกว้างมาก โดยพลังงานส่วนใหญ่ปล่อยออกมาเป็นความร้อนมากกว่า UV ประสิทธิภาพต่ำจึงเป็นข้อเสียประการหนึ่ง อีกประการหนึ่งคือความร้อนที่ทำให้หมึกและวัสดุรองรับร้อนขึ้น ทำให้ใช้การบ่มด้วย UV ไม่ได้ในงานจำนวนมาก (หลอดปรอทยังสร้างโอโซนในระดับที่เป็นอันตรายต่อสุขภาพ ซึ่งเป็นอีกปัญหาหนึ่ง) ปัจจุบันหลอด UV LED (รูปที่ 3) กำลังเข้ามาแทนที่หลอดปรอท การบ่มด้วย UV LED ใช้ไดโอดเปล่งแสงที่ปล่อย UV ในแถบแคบ ให้พลังงาน UV สูงสุดซึ่งโดยทั่วไปมีจุดศูนย์กลางที่ 400nm ทำให้พลังงานส่วนใหญ่ใช้ประโยชน์ในการกระตุ้นโฟโตอินิเชียเตอร์ได้ มีแสงที่มองเห็นได้เล็กน้อย แต่อินฟราเรด (IR) น้อยมาก

ข้อได้เปรียบอีกประการคือเปิด-ปิดได้เกือบทันที ช่วยลดเวลาหยุดทำงานรวมทั้งลดการสูญเสียพลังงานและวัสดุ เช่นเดียวกับช่วงที่หลอดปรอทกำลังเพิ่มกำลังจนเต็มที่ การบ่มด้วย UV LED ยังมีข้อได้เปรียบเหนือหลอดไอปรอท (Hg) แบบดั้งเดิมอีกหลายประการ อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ขนาดเล็กได้รับการออกแบบให้ใช้งานได้นานกว่า 20,000 ชั่วโมง หรือนานกว่าหลอด UV ประมาณ 10 เท่า กำลังส่งออกสม่ำเสมออย่างยิ่งเป็นเวลานาน UV LED ปล่อย UV บริสุทธิ์โดยไม่มี IR จึงเป็นมิตรต่อกระบวนการที่ใช้กับวัสดุรองรับพลาสติกที่ไวต่อความร้อน และเมื่อไม่มีแสงความยาวคลื่นสั้นมาก โอโซนก็เกิดขึ้นน้อยลงมาก

ระบบอุปกรณ์อิงก์เจ็ท

กระบวนการพิมพ์อิงก์เจ็ทแตกต่างจากเทคนิคการพิมพ์หมึกแบบดั้งเดิม เพราะต้องใช้งานวิศวกรรมจากหลายสาขาวิชาเพื่อการผสานระบบแบบครบวงจร ในทางตรงกันข้าม ผู้ผลิตอุปกรณ์การพิมพ์แพดและสกรีนแทบทุกรายสามารถจัดหาระบบแบบครบวงจรได้ ทั้งหมึก วัสดุสิ้นเปลืองสำหรับการพิมพ์ อุปกรณ์บ่ม ระบบอัตโนมัติ และอุปกรณ์ล้างทำความสะอาดด้วยสารเคมี ส่วนประกอบของระบบอิงก์เจ็ทประกอบด้วยหัวพิมพ์ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขับเคลื่อน หมึก ฮาร์ดแวร์จัดการชิ้นงานและควบคุมการเคลื่อนที่ และตัวฉายรังสีสำหรับบ่ม นอกจากนี้ ข้อมูลดิจิทัลต้องส่งไปยังหัวพิมพ์ผ่านโปรโตคอลไฟล์ทั้งด้านฮาร์ดแวร์/ซอฟต์แวร์ รวมถึงซอฟต์แวร์ขับเคลื่อนตัวควบคุมหลัก ไม่มีผู้ผลิตรายเดียวที่จัดหาส่วนประกอบข้างต้นได้ครบทุกชิ้นสำหรับทุกงานแบบกำหนดเอง ความรู้ทางวิศวกรรมระดับสูงเกี่ยวกับส่วนประกอบอิงก์เจ็ททั้งหมดและความเข้ากันได้ของแต่ละชิ้นส่วนจึงมีความสำคัญยิ่งต่อการดำเนินงานผลิตที่เชื่อถือได้

เทคโนโลยีการมาร์กด้วยไฟเบอร์เลเซอร์อิตเทอร์เบียม

เครื่องมาร์กเลเซอร์แบบควบคุมลำแสงใช้กระจกที่ติดตั้งบนกัลวานอมิเตอร์ความเร็วสูงที่ควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ เพื่อนำลำแสงเลเซอร์ข้ามพื้นผิวที่จะมาร์ก คล้ายกับการเขียนด้วยดินสอบนกระดาษ กัลวานอมิเตอร์แต่ละตัว ตัวหนึ่งสำหรับแกน Y และอีกตัวสำหรับแกน X ทำให้ลำแสงเคลื่อนที่ภายในพื้นที่มาร์ก ชุดเลนส์แบบฟีลด์แบนราบรวมแสงเลเซอร์เพื่อให้ได้ความหนาแน่นกำลังสูงบนพื้นผิวของวัสดุรองรับ รูปที่ 4 แสดงระบบส่งลำแสงเชิงแสงที่ใช้กัลวานอมิเตอร์ควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์

กลไกปฏิกิริยาการมาร์กด้วยเลเซอร์บนพอลิเมอร์

พอลิเมอร์ส่วนใหญ่ไม่มีคุณสมบัติการดูดกลืนแสง NIR หากไม่มีสารเติมแต่งทางเคมี จึงมาร์กด้วยเลเซอร์ได้ยากหรือทำไม่ได้ สารเติมแต่งทางเคมีแบบใหม่สามารถสร้างความเปรียบต่างสีดำสนิท สีอ่อน และสีตามกำหนด ทั้งในการมาร์กขณะเคลื่อนที่ (on-the-fly) และในขั้นตอนรอง ความใส การส่งผ่านสเปกตรัม และคุณสมบัติทางกายภาพพื้นฐานของพอลิเมอร์ไม่ได้รับผลกระทบ

พอลิเมอร์ที่มาร์กด้วยเลเซอร์ได้คือพอลิเมอร์ที่ดูดกลืนแสงเลเซอร์และเปลี่ยนจากพลังงานแสงเป็นพลังงานความร้อน ผู้เชี่ยวชาญใช้สารเติมแต่ง สารตัวเติม เม็ดสี และสีย้อมเพื่อเพิ่มการดูดกลืนพลังงานเลเซอร์ให้เกิดการเปลี่ยนสีเฉพาะที่ ตรงข้ามกับความเชื่อทั่วไป ไม่มีสารเติมแต่งเลเซอร์ชนิดเดียวที่แก้ปัญหาการมาร์กได้ทุกกรณี จะใช้เคมีของสูตร ประเภทเลเซอร์ (ไฟเบอร์ YAG แวนาเดต) และพารามิเตอร์ด้านทัศนศาสตร์/การตั้งค่าเลเซอร์ที่แตกต่างกันอย่างมาก ขึ้นอยู่กับความเปรียบต่างและฟังก์ชันการทำงานของรอยมาร์กที่ต้องการ

สารเติมแต่งเลเซอร์ช่วงใกล้อินฟราเรดช่วยเพิ่มระดับความเปรียบต่าง ซึ่งเพิ่มความเข้มได้อีกด้วยการเปลี่ยนพารามิเตอร์การตั้งค่าเลเซอร์ ทั้งรูปแบบเม็ดและผงสามารถผสมลงในวัสดุสีที่ผ่านการคอมพาวด์แล้วหรือมาสเตอร์แบตช์สีได้ การเลือกสารเติมแต่งที่จะใช้ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของพอลิเมอร์ สีของวัสดุรองรับ สีความเปรียบต่างของรอยมาร์กที่ต้องการ และข้อกำหนดการรับรองสำหรับการใช้งานปลายทาง

พอลิเมอร์มีลักษณะเฉพาะตัวที่ให้ความเปรียบต่างของรอยมาร์กเป็นสีเข้มหรือสีอ่อน สารประกอบสีบางชนิดที่มีไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO2) และคาร์บอนแบล็กในปริมาณน้อยอาจดูดกลืนแสงเลเซอร์ได้เช่นกัน และในบางกรณีช่วยปรับปรุงความเปรียบต่างของรอยมาร์ก พอลิเมอร์แต่ละเกรด แม้อยู่ในตระกูลพอลิเมอร์เดียวกัน ก็ให้ผลต่างกันได้ สูตรสารเติมแต่งต้องไม่เป็นพิษ และต้องไม่ส่งผลเสียต่อรูปลักษณ์หรือคุณสมบัติทางกายภาพหรือการใช้งานของผลิตภัณฑ์

กลไกปฏิกิริยาพื้นผิวที่พบบ่อยที่สุดเรียกว่าการเกิดคาร์บอนด้วยความร้อนและปฏิกิริยาเคมี หรือ "การไหม้เป็นถ่าน" (charring) ซึ่งพลังงานที่ถูกดูดกลืนในวัสดุรองรับทำให้อุณหภูมิเฉพาะที่ของวัสดุรอบจุดดูดกลืนสูงพอที่จะทำให้พอลิเมอร์สลายตัวด้วยความร้อน (รูปที่ 5 [b]) ความเข้มหรืออ่อนของรอยมาร์กขึ้นอยู่กับพลังงานที่ดูดกลืน รวมถึงเส้นทางการสลายตัวด้วยความร้อนที่เป็นเอกลักษณ์ของวัสดุ การปรับตั้งค่าเลเซอร์ให้เหมาะสมช่วยให้มีคราบคาร์บอนบนพื้นผิวน้อยที่สุด

สารเติมแต่งที่ให้ความเปรียบต่างของรอยมาร์กสีเข้มเมื่อผสมลงในเมทริกซ์สารให้สีของเรซิน มักประกอบด้วยส่วนผสมของทินออกไซด์เจือแอนติโมนี แอนติโมนีไตรออกไซด์ หรืออนุภาคอะลูมิเนียม ทั้งหมดกระจายตัวในพอลิเมอร์ได้ง่าย ความเข้มข้นที่ใช้โดยทั่วไปอยู่ที่ 0.01 ถึง 3.0 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนัก สูตรสำเร็จจำนวนมากได้รับการอนุมัติจาก FDA ให้ใช้ภายใต้เงื่อนไข A-H ของ 21 CFR 178.3297 ว่าด้วยสารให้สีสำหรับพอลิเมอร์

ปฏิกิริยาพื้นผิวประการที่สองคือการเปลี่ยนแปลงทางเคมี โดยใช้สารเติมแต่งที่ปล่อยไอน้ำระหว่างการสลายตัว ทำให้พอลิเมอร์เกิดฟอง (รูปที่ 5(c)) ในกระบวนการเกิดฟอง พลังงานเลเซอร์ถูกดูดกลืนโดยสารเติมแต่งที่อยู่ใกล้กับสารทำให้เกิดฟอง ความร้อนจากตัวดูดกลืนทำให้สารทำให้เกิดฟองสลายตัวและปล่อยไอน้ำ ตัวอย่างสารทำให้เกิดฟองคืออะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์หรือคาร์บอเนตชนิดต่าง ๆ เพื่อป้องกันการไหม้เป็นถ่าน กลไกนี้กำหนดให้พอลิเมอร์สลายตัวที่อุณหภูมิสูงกว่าสารเติมแต่งที่ทำให้เกิดฟอง การควบคุมพารามิเตอร์การทำงานของเลเซอร์อย่างเข้มงวดช่วยสร้างรอยมาร์กสีอ่อนคุณภาพสูงและคงทนบนวัสดุรองรับสีเข้ม การควบคุมเลเซอร์ที่ไม่ดีอาจทำให้ได้รอยมาร์กที่เปราะหรือมีความเปรียบต่างต่ำ ซึ่งขูดออกได้ง่าย (ความทนทานต่ำ) รูปที่ 5(e) ซึ่งพัฒนาขึ้นล่าสุด แสดงความเปรียบต่างทั้งสีดำสนิทและสีขาวทึบภายในสูตรเดียวกัน (ได้รับการอนุมัติจาก FDA) ความก้าวหน้านี้เหมาะอย่างยิ่งกับพอลิเมอร์โปร่งใส (อสัณฐาน)

ประการที่สาม พลังงานเลเซอร์ใช้ให้ความร้อน/ทำให้สารให้สีหนึ่งชนิดในส่วนผสมสารให้สีสลายตัว ส่งผลให้สีเปลี่ยน (รูปที่ 5 [d]) ตัวอย่างคือส่วนผสมของคาร์บอนแบล็กกับสารให้สีอนินทรีย์ที่เสถียร เมื่อได้รับความร้อน คาร์บอนแบล็กจะถูกกำจัดออก เหลือเพียงสารให้สีอนินทรีย์ ระบบสารให้สีผสมเหล่านี้ขึ้นอยู่กับเสถียรภาพเฉพาะของสารให้สีแต่ละชนิด และไม่ใช่ทุกการเปลี่ยนสีที่เป็นไปได้

ปฏิกิริยาพื้นผิวเฉพาะทางอีกแบบหนึ่งที่แสดงในรูปที่ 5 (a) คือการใส่สารเติมแต่งเลเซอร์ลงในโครงสร้างชั้นลามิเนตหลายชั้นของบัตรระบุตัวตนแบบมีรูปถ่าย คุณสมบัติการมาร์กความละเอียดสูงที่เป็นเอกลักษณ์ ทั้งแบบเปิดเผยและแบบซ่อน รวมถึง RFID ให้ความปลอดภัยในการป้องกันของปลอมอย่างแข็งแกร่ง

เมื่อเทียบกับกระบวนการพิมพ์ด้วยหมึก (การพิมพ์แพด/สกรีนและอิงก์เจ็ท) สารเติมแต่งเลเซอร์ช่วยประหยัดต้นทุนและแสดงความเร็วการมาร์กที่เร็วกว่าวัสดุที่ไม่ได้ปรับแต่งถึง 20 เปอร์เซ็นต์ขึ้นไป สารเติมแต่งเลเซอร์จัดหาในรูปแบบเม็ดและผง ผลิตภัณฑ์แบบเม็ดผสมโดยตรงกับเรซินพอลิเมอร์ได้ ส่วนแบบผงต้องแปลงเป็นมาสเตอร์แบตช์ ส่วนใหญ่กระจายตัวในพอลิเมอร์ได้ง่าย ทั้งนี้ ความเข้มข้นที่ใช้โดยน้ำหนัก (ในชิ้นงานสุดท้าย) อยู่ระหว่าง 0.01 ถึง 4.0 เปอร์เซ็นต์ ขึ้นอยู่กับสารเติมแต่งและพอลิเมอร์

เทคโนโลยีไฟเบอร์เลเซอร์อิตเทอร์เบียมระดับนาโนวินาที

การพัฒนาเทคโนโลยีเลเซอร์มีบทบาทสำคัญต่อการพัฒนาอย่างรวดเร็วของสารเติมแต่งเลเซอร์รุ่นล่าสุดที่ได้รับการอนุมัติจาก FDA การเกิดขึ้นของไฟเบอร์เลเซอร์อิตเทอร์เบียมระดับนาโนวินาทีเป็นหนึ่งในความก้าวหน้าที่สำคัญที่สุดสำหรับการมาร์ก การเชื่อม และการตัด โดยพื้นฐานแล้ว ไฟเบอร์เลเซอร์แตกต่างจากเลเซอร์มาร์กแบบโซลิดสเตตที่สูบด้วยไดโอด (DPSS) อื่น ๆ ในไฟเบอร์เลเซอร์ ตัวกลางที่สร้างลำแสงเลเซอร์กระจายอยู่ภายในสายใยแก้วนำแสงพิเศษ ต่างจากเลเซอร์ที่ส่งผ่านใยแก้วนำแสง ตรงที่เส้นทางของลำแสงทั้งหมดอยู่ภายในสายใยแก้วนำแสงตลอดจนถึงชุดเลนส์ส่งลำแสง โครงสร้างแบบไฟเบอร์ทั้งหมดนี้เป็นเหตุผลสำคัญที่ทำให้เลเซอร์เหล่านี้เชื่อถือได้และทนทาน ซึ่งเป็นสาเหตุให้เติบโตอย่างรวดเร็ว

ไฟเบอร์เลเซอร์ให้คุณภาพลำแสง (M2) และความสว่างที่เหนือกว่าเลเซอร์ Nd:YAG เลเซอร์ที่มีคุณภาพลำแสงเหนือกว่าสามารถโฟกัสให้เป็นจุดขนาดเล็กได้ ซึ่งให้ความหนาแน่นพลังงานสูง ไฟเบอร์เลเซอร์ชนิดมาสเตอร์ออสซิลเลเตอร์พาวเวอร์แอมพลิฟายเออร์ (MOPA) แบบพัลส์คงที่และแบบปรับพัลส์ได้ ที่มีพลังงานพัลส์สูงสุด 1mJ และความหนาแน่นกำลังสูง สามารถมาร์กพอลิเมอร์ที่เคยมาร์กได้ยากหลายชนิด เลเซอร์แวนาเดตก็มีค่า M2 ต่ำเช่นกัน โดยมีความกว้างพัลส์สั้นกว่าไฟเบอร์แบบคงที่และเลเซอร์ YAG ระยะเวลาพัลส์มีผลต่อระดับความร้อนและการเกิดคาร์บอนเข้าไปในวัสดุ พัลส์สั้น ซึ่งโดยทั่วไปน้อยกว่า 40ns ช่วยให้ควบคุมการป้อนพลังงานได้ดีขึ้นเมื่อแปรรูปวัสดุพอลิเมอร์ที่ไวต่อความร้อน พัลส์เหล่านี้ยังคงมีกำลังสูงสุดพอที่จะเอาชนะเกณฑ์ของวัสดุ แต่มีพลังงานพัลส์ต่ำกว่าเพื่อลดความเสียหายจากความร้อนเฉพาะที่

ไฟเบอร์เลเซอร์แบบควบคุมลำแสงทุกเครื่องไม่ได้มีคุณภาพเท่ากัน ส่วนประกอบฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ที่ผู้ผลิตเลเซอร์ใส่ไว้ในระบบมีผลอย่างมากต่อความเปรียบต่าง คุณภาพ และความเร็วของการมาร์ก คุณลักษณะหลักคือความหนาแน่นกำลัง (วัตต์/ซม.) ที่พื้นผิวมาร์ก ซึ่งต่างจากกำลังขับขาออกดิบของเลเซอร์ โหมดขาออกของลำแสงเลเซอร์มีความสำคัญต่อสมรรถนะการมาร์ก โหมดขาออกเหล่านี้เกี่ยวข้องกับปัจจัยต่าง ๆ รวมถึงมุมการเบี่ยงเบนของลำแสงและการกระจายกำลังตลอดเส้นผ่านศูนย์กลางของลำแสงเลเซอร์

ความหนาแน่นกำลังเป็นฟังก์ชันของขนาดจุดโฟกัสของเลเซอร์ ขนาดจุดโฟกัสของเลเซอร์สำหรับเลนส์ที่มีความยาวโฟกัสและความยาวคลื่นเลเซอร์ที่กำหนดเป็นฟังก์ชันของมุมการเบี่ยงเบนของลำแสง ซึ่งควบคุมโดยการกำหนดค่าเลเซอร์ ขนาดรูรับแสงสำหรับเลือกโหมด และกำลังขยายของอัปคอลลิเมเตอร์ (ตัวขยายลำแสง) อัตราการทำซ้ำของพัลส์และความหนาแน่นกำลังสูงสุดเป็นพารามิเตอร์สำคัญในการสร้างรอยมาร์กและให้ได้ความเปรียบต่างและความเร็วที่เหมาะสมที่สุด กำลังสูงสุดที่สูงที่ความถี่ต่ำทำให้อุณหภูมิพื้นผิวเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและทำให้วัสดุกลายเป็นไอ โดยนำความร้อนเข้าสู่วัสดุรองรับน้อยที่สุด เมื่ออัตราการทำซ้ำของพัลส์เพิ่มขึ้น กำลังสูงสุดที่ต่ำลงจะทำให้เกิดการกลายเป็นไอน้อยที่สุดแต่นำความร้อนได้มากขึ้น

สรุป

เทคโนโลยีอิงก์เจ็ทพีโซอิเล็กทริกแบบ DOD ดิจิทัลและไฟเบอร์เลเซอร์ให้ข้อได้เปรียบมากมายสำหรับการปรับแต่งผลิตภัณฑ์ โซลูชันการมาร์ก/พิมพ์ที่เชื่อถือได้ต้องอาศัยการออกแบบทางวิศวกรรมที่แม่นยำในด้านเคมีของหมึก/เลเซอร์ วิทยาศาสตร์พื้นผิวพอลิเมอร์ การออกแบบกระบวนการ และอุปกรณ์ บริษัทที่เลือกซื้ออุปกรณ์สำเร็จรูปราคาถูกมักไม่สามารถผสานระบบที่เชื่อถือได้ เนื่องจากขาดความเข้าใจในกระบวนการ แต่ละกระบวนการมีข้อได้เปรียบและข้อจำกัดที่อาจเกิดขึ้น ผู้ผลิตจำนวนมากตระหนักแล้วถึงคุณค่าของการมีทั้งสองเทคโนโลยี ประโยชน์พลอยได้คือสามารถพิมพ์ผลิตภัณฑ์ที่ประกอบสมบูรณ์แล้วได้ในขั้นตอนสุดท้ายของการผลิต ซึ่งช่วยลดต้นทุนและบริหารสินค้าคงคลังได้ดีขึ้น

The Sabreen Group จัดการศึกษาและฝึกอบรมแบบครบวงจร ณ สถานที่ของลูกค้า ในหัวข้อกระบวนการยึดติดด้วยแรงยึดเกาะ การปรับสภาพด้วยพลาสมา และเทคนิคการผลิตขั้นสูง การสาธิตอุปกรณ์ปรับสภาพพื้นผิวดำเนินการภายในองค์กรโดยใช้ชิ้นส่วนการผลิตจริงและการทดสอบแบบเรียลไทม์ รับประกันผลลัพธ์

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

เอกสารอ้างอิง

• 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).

---