การมาร์กสีบนพลาสติกด้วยเลเซอร์: วิธีได้ความคมชัดและสีด้วยสารเติมแต่ง

การมาร์กสีบนพลาสติกด้วยเลเซอร์: วิธีได้ความคมชัดและสีด้วยสารเติมแต่ง

ประเด็นสำคัญ

• รอยมาร์กสีเข้มมาจากการเกิดคาร์บอน รอยมาร์กสีอ่อนมาจากการเกิดโฟม ซึ่งเป็นสองกลไกพื้นฐานบนพอลิเมอร์
• เคมีของสารเติมแต่งเป็นตัวกำหนดว่าได้สีใดบ้าง มากกว่าเลเซอร์อย่างมาก
• ความกว้างพัลส์เป็นตัวบังคับกลไก จึงเป็นเหตุที่แหล่งกำเนิด MOPA ให้ช่วงสีและความคมชัดกว้างที่สุด
• ต้องวัดสี ไม่ใช่ตัดสินด้วยตา CIELAB และ ΔE ให้ข้อกำหนดเดียวที่ป้องกันได้

คนส่วนใหญ่นึกถึงการมาร์กด้วยเลเซอร์ว่าเป็นรอยเข้มหรือรอยอ่อนธรรมดาบนผิวพลาสติก แต่เคมีของสารเติมแต่งขั้นสูงได้ขยายสิ่งที่ทำได้ ปัจจุบันผู้ผลิตสามารถได้รอยมาร์กสีดำความคมชัดสูงบนวัสดุรองรับสีขาว รอยมาร์กสีขาวสว่างบนชิ้นส่วนสีเข้ม และในบางระบบมีการตอบสนองของสีที่ควบคุมได้ การเข้าใจว่าผลเหล่านี้เกิดขึ้นอย่างไร และอะไรกำหนดคุณภาพ เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับวิศวกรที่ระบุกระบวนการมาร์กด้วยเลเซอร์สำหรับงานที่รูปลักษณ์สำคัญ

รอยมาร์กพื้นฐานสองชนิด: สีเข้มและสีอ่อน

รอยมาร์กด้วยเลเซอร์บนพลาสติกส่วนใหญ่แบ่งเป็นสองประเภท รอยสีเข้ม (การเกิดคาร์บอน) เกิดขึ้นเมื่อพลังงานเลเซอร์ทำให้เมทริกซ์พอลิเมอร์หรือสารเติมแต่งในนั้นสลายตัวด้วยความร้อน เกิดกากที่มีคาร์บอนสูงซึ่งดูเป็นสีดำหรือน้ำตาลเข้มมาก กลไกนี้เป็นพื้นฐานของการมาร์กพลาสติกที่มีเม็ดสีเข้มหรือผสมสารเติมแต่งส่วนใหญ่ด้วยไฟเบอร์เลเซอร์

รอยสีอ่อน (การเกิดโฟม) เกิดขึ้นเมื่อพลังงานเลเซอร์ให้ความร้อนอย่างรวดเร็วแก่ปริมาตรพลาสติกเฉพาะที่ ทำให้พอลิเมอร์ส่วนหนึ่งระเหยและเกิดโครงข่ายฟองแก๊สขนาดเล็กในของหลอม ผิวโฟมที่ได้กระเจิงแสงแบบกระจายและดูเป็นสีขาวหรือเทาอ่อน แม้บนวัสดุรองรับสีเข้ม นี่คือกลไกเบื้องหลังรอยมาร์กสีขาวความคมชัดสูงที่เห็นบนชิ้นส่วน ABS, PC และ PA สีเข้มในภายในรถยนต์และอิเล็กทรอนิกส์

สารเติมแต่งที่ไวต่อเลเซอร์สร้างความคมชัดอย่างไร

ในพอลิเมอร์สีธรรมชาติหรือมีเม็ดสีน้อยที่ดูดกลืนพลังงานอินฟราเรดใกล้ได้น้อย (ไฟเบอร์เลเซอร์ที่ 1064 nm) การได้รอยมาร์กที่เชื่อถือได้ต้องใช้สารเติมแต่งที่ไวต่อเลเซอร์ ซึ่งเป็นสารที่ออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อดูดกลืนพลังงานเลเซอร์และเริ่มปฏิกิริยาสร้างสี

เคมีของสารเติมแต่งที่ใช้กันแพร่หลายที่สุดอิงกับแอนติโมนีทินออกไซด์ (ATO) สารประกอบที่มีบิสมัทเป็นฐาน และเม็ดสีโลหะออกไซด์เฉพาะสูตร เมื่อถูกฉายรังสีด้วยไฟเบอร์เลเซอร์ สารเติมแต่งเหล่านี้ดูดกลืนพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพและกระตุ้นการเกิดคาร์บอนเฉพาะที่ในเมทริกซ์พอลิเมอร์โดยรอบ ให้รอยมาร์กสีเข้มที่มีความคมชัดสูง แม้บนวัสดุรองรับสีขาวหรือโปร่งใส

สำหรับรอยมาร์กสีอ่อนบนพื้นหลังสีเข้ม ระบบสารเติมแต่งที่ต่างออกไปทำงานโดยขจัดสารให้สีเข้มออกจากชั้นผิว หรือสร้างโครงสร้างโฟมที่กระเจิงแสง Society of Plastics Engineersได้เผยแพร่งานวิจัยเกี่ยวกับเกณฑ์การเลือกสารเติมแต่งในกลุ่มพอลิเมอร์ทั่วไป

การมาร์กสีจริงด้วยเลเซอร์

นอกเหนือจากสีดำและสีขาว ระบบสารเติมแต่งและการจัดวางเลเซอร์บางแบบสามารถให้รอยมาร์กสีบนพลาสติกได้ กลไกที่เกี่ยวข้องมีสองแบบ เอฟเฟกต์สีแทรกสอดบนโลหะเป็นที่ยอมรับแล้ว การออกซิเดชันที่ควบคุมบนผิวสเตนเลสและไทเทเนียมสร้างชั้นออกไซด์บางที่ให้สีเชิงโครงสร้างจากการแทรกสอดของแสง ให้โทนสีทอง น้ำเงิน ม่วง และแดงที่การตั้งค่ากำลัง/ความเร็วต่างกัน บนพลาสติก กลไกนี้ใช้ไม่ได้โดยตรง

สำหรับพลาสติก การมาร์กสีมักอาศัยเทคนิคหลายชั้นหรือหลายรอบ โดยขจัดหรือกระตุ้นชั้นที่มีสารเติมแต่งต่างกันแบบเลือกเพื่อเผยสีด้านล่าง เทคนิคนี้พัฒนามากที่สุดในกลุ่มเอกสารความปลอดภัยและแบรนด์ระดับพรีเมียม งานวิจัยที่เผยแพร่ในJournal of Applied Polymer Scienceได้ศึกษาระบบสารเติมแต่งโฟโตโครมิกและเทอร์โมโครมิกสำหรับพลาสติกที่เปลี่ยนสีเมื่อได้รับเลเซอร์

สารเติมแต่งหลักและบทบาท

• แอนติโมนีทินออกไซด์ (ATO): ให้รอยมาร์กสีเข้มบนวัสดุรองรับสีอ่อน ใช้กันแพร่หลายใน PA, PP, PC และ ABS ให้ความคมชัดดีเยี่ยม และบางเกรดได้รับการรับรองการสัมผัสอาหารของ FDA
• บิสมัทออกซีคลอไรด์: ให้รอยมาร์กสีอ่อนบนวัสดุรองรับสีเข้ม พบทั่วไปในชิ้นส่วนภายในรถยนต์ที่ต้องการหมายเลขซีเรียลหรือโลโก้สีขาวบนตัวเรือนสีดำ
• คาร์บอนแบล็กที่ดูดกลืนเลเซอร์: ใช้ที่ความเข้มข้นต่ำเพื่อเพิ่มการดูดกลืนอินฟราเรดใกล้โดยไม่ทำให้สีของวัสดุฐานเข้มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ
• เม็ดสีมุกที่มีไมกาเป็นฐาน: อาจให้เอฟเฟกต์รอยมาร์กแบบโลหะหรือแวววาวบนระบบพอลิเมอร์บางชนิด เมื่อใช้ร่วมกับพารามิเตอร์เลเซอร์ที่เหมาะสม

ตัวแปรของกระบวนการที่ควบคุมสีและความคมชัดของรอยมาร์ก

แม้ใช้สารเติมแต่งที่ถูกต้อง คุณภาพรอยมาร์กยังขึ้นอย่างมากกับพารามิเตอร์เลเซอร์

• ความหนาแน่นกำลัง (ฟลูเอนซ์): ต่ำเกินไปสารเติมแต่งไม่ถูกกระตุ้นเต็มที่ สูงเกินไปวัสดุโดยรอบเปลี่ยนสีหรือเกิดถ่าน
• ความเร็วสแกน: ความเร็วต่ำเพิ่มการถ่ายเทพลังงานต่อหน่วยพื้นที่ ช่วยให้รอยเข้มขึ้นแต่อาจทำให้ความร้อนแผ่กระจาย
• ความถี่พัลส์: ส่งผลต่อการซ้อนทับของพัลส์และเท็กซ์เจอร์ของรอยมาร์ก ความถี่ที่สูงกว่าให้รอยมาร์กเรียบและสม่ำเสมอกว่า
• จำนวนรอบ: หลายรอบที่กำลังต่ำกว่าสร้างความลึกและความหนาแน่นของรอยมาร์กได้โดยไม่ทำให้วัสดุรองรับร้อนเกินไป

สำหรับงานที่รูปลักษณ์สำคัญ เช่น ผลิตภัณฑ์อุปโภคบริโภค สินค้าหรูหรา และภายในรถยนต์ การพัฒนารอยมาร์กควรรวมเมทริกซ์พารามิเตอร์ครบชุดทั้งกำลัง ความเร็ว และความถี่ พร้อมการวัดสี (โดยใช้ปริภูมิสี CIE L*a*b*) เพื่อระบุปริมาณความคมชัดและการเปลี่ยนสี ทีมวิศวกรรมการประยุกต์ใช้งานของ Sabreen ให้คำแนะนำการเลือกสารเติมแต่งและการพัฒนาพารามิเตอร์สำหรับโครงการมาร์กด้วยเลเซอร์ที่สำคัญด้านสี

บทความที่เกี่ยวข้อง

• สารเติมแต่งสำหรับการมาร์กด้วยเลเซอร์
• การจับคู่สีด้วยเลเซอร์
• มาสเตอร์แบตช์สำหรับการมาร์กด้วยเลเซอร์
• การเกิดคาร์บอน

ต้องการความช่วยเหลือในเรื่องนี้หรือไม่

The Sabreen Group ให้การสนับสนุนด้านวิศวกรรมอย่างเป็นอิสระสำหรับการพัฒนาสีและความคมชัดผ่านสูตรสารเติมแต่ง ทีมบริการด้านวิศวกรรมของเราทำงานร่วมกับผู้ผลิตในการพัฒนากระบวนการ การรับรองวัสดุ และการแก้ปัญหาในสายการผลิต ติดต่อเราเพื่อหารือเกี่ยวกับการใช้งาน

คำถามที่พบบ่อย

รอยมาร์กสีอ่อนบนพลาสติกสีเข้มทำได้อย่างไร

ด้วยการเกิดโฟม พัลส์สั้นสร้างแก๊สในของหลอมที่ถูกกักไว้เป็นฟองจิ๋ว และฟองเหล่านั้นกระเจิงแสงให้รอยมาร์กสีขาวหรือเทาอ่อน นี่คือวิธีมาตรฐานในการสร้างรอยมาร์กที่อ่านได้บนชิ้นส่วนสีดำ

เลเซอร์สร้างรอยมาร์กสีจริงบนพลาสติกได้หรือไม่

ได้ในบางระบบ สารเติมแต่งที่ไวต่อเลเซอร์บางชนิดเกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่ให้สีเฉพาะ และเม็ดสีบางชนิดฟอกสีแบบเลือกได้ ชุดสีที่ทำได้ถูกกำหนดโดยชุดสารเติมแต่ง ไม่ใช่โดยเลเซอร์

ใช้สารเติมแต่งใดบ้าง

ทินออกไซด์ที่เจือแอนติโมนี สารประกอบที่มีบิสมัทเป็นฐาน เม็ดสีที่มีไมกาเป็นฐาน และคาร์บอนแบล็ก พบทั่วไปทั้งหมด โดยแต่ละชนิดให้พฤติกรรมความคมชัดที่ต่างกัน การเลือกขึ้นกับเรซินฐาน สีเป้าหมาย และข้อจำกัดทางกฎระเบียบ

ตัวแปรกระบวนการใดควบคุมสีของรอยมาร์ก

ความกว้างพัลส์เหนือสิ่งอื่นใด ตามด้วยอัตราการซ้ำ ความเร็วการมาร์ก กำลัง และโฟกัส ความกว้างพัลส์กำหนดว่าพลังงานสะสมเป็นความร้อน ซึ่งขับเคลื่อนการเกิดคาร์บอน หรือถูกถ่ายเทอย่างรวดเร็ว ซึ่งเอื้อต่อการเกิดโฟม

ควรระบุสีของรอยมาร์กอย่างไร

ใช้พิกัด CIELAB พร้อมค่าความคลาดเคลื่อน ΔE ตรวจสอบด้วยสเปกโทรโฟโตมิเตอร์เทียบกับมาตรฐานทางกายภาพที่เก็บรักษาไว้ สำหรับรหัสที่เครื่องอ่านได้ ให้ระบุความคมชัดและเกรดการตรวจสอบ แทนการระบุสี

---