การมาร์กพลาสติกไนลอน (พอลิเอไมด์) ด้วยไฟเบอร์เลเซอร์

การมาร์กพลาสติกไนลอน (พอลิเอไมด์) ด้วยไฟเบอร์เลเซอร์

ความต้องการการมาร์กด้วยเลเซอร์ที่มีความคมชัดสูงบนผลิตภัณฑ์พลาสติกไนลอน (พอลิเอไมด์) เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว เนื่องจากมีการใช้งานในอุตสาหกรรมหลากหลาย การมาร์กเชิงหน้าที่และเพื่อการตกแต่งครอบคลุมการระบุด้วยตัวอักษรและตัวเลข รหัสภาพ data matrix/QR แผนภาพ และโครงสร้างจุลภาค

พอลิเอไมด์ รวมถึงพอลิพทาลาไมด์ (PPA) เป็นพอลิเมอร์ที่มาร์กด้วยเลเซอร์ได้ยากที่สุดกลุ่มหนึ่ง เนื่องจากสมบัติของวัสดุ สภาวะการขึ้นรูป และการกำหนดค่าเลเซอร์ที่หลากหลาย สมาร์ทแอดดิทีฟสำหรับเลเซอร์ช่วงใกล้อินฟราเรดแก้ปัญหาความคมชัดของรอยมาร์กและเพิ่มความเร็วในการมาร์ก (รอบเวลาที่เร็วขึ้น) โดยไม่ส่งผลต่อสมบัติของวัสดุ

บทความนี้ให้ความเข้าใจเกี่ยวกับไนลอน สารเติมแต่งเคมี และไฟเบอร์เลเซอร์ เพื่อให้ได้สีที่มีความคมชัดสูงและการดำเนินงานมาร์กด้วยเลเซอร์ที่ประหยัด

ประเด็นสำคัญ

• พอลิเอไมด์ รวมถึง PPA เป็นพอลิเมอร์ที่มาร์กได้ยากที่สุดกลุ่มหนึ่ง เนื่องจากสมบัติ สภาวะการขึ้นรูป และการกำหนดค่าเลเซอร์ที่หลากหลาย
• ความคมชัดไม่ได้เกิดจากการเปลี่ยนสีเพียงอย่างเดียว การเลี้ยวเบนของแสงที่แปรผันก็มีส่วนเกี่ยวข้อง ควบคู่กับความละเอียดของเส้นละเอียดและความคมชัดของขอบ
• สีของวัสดุรองรับเป็นตัวแปรในตัวเอง เพราะคาร์บอนแบล็ก TiO2 และสารหน่วงการติดไฟดูดกลืนแสงเลเซอร์ต่างกัน
• ไฟเบอร์เลเซอร์โฟกัสได้ต่ำกว่า 20 ไมครอน ให้ความหนาแน่นพลังงานสูงที่การมาร์กไนลอนละเอียดต้องการ
• MOPA ที่ 20–50 ns เป็นช่วงที่ได้ผลสำหรับสีที่มีความคมชัดเหนือกว่าบนพอลิเมอร์ส่วนใหญ่

พารามิเตอร์พื้นฐานที่ใช้อธิบายคุณภาพของการมาร์กคือความคมชัดของสีระหว่างพื้นผิวที่มาร์กกับวัสดุรองรับ มีกลไกพื้นผิวสามแบบสำหรับการเปลี่ยนสีด้วยเลเซอร์ NIR รวมถึงไฟเบอร์เลเซอร์อิตเทอร์เบียม เลเซอร์แวนาเดต (Nd:YVO4) และ Nd:YAG ได้แก่ 1) การมาร์กสีดำด้วยการเกิดคาร์บอน 2) การมาร์กสีขาวด้วยการเกิดฟอง และ 3) การเปลี่ยนสีด้วยปฏิกิริยาเคมีเชิงความร้อนที่เหนี่ยวนำด้วยเลเซอร์ของพอลิเมอร์ที่มีสี¹ สีที่มีความคมชัดซึ่งเป็นที่ต้องการมากที่สุด ได้แก่ สีขาวทึบบนพื้นดำ สีดำสนิทบนพื้นขาว และสีขาวทึบบนพื้นสีน้ำเงินระดับกลาง การผสมสีเหล่านี้มักต้องใช้สารเติมแต่งเคมี สารเติมแต่งช่วยเพิ่มระดับความคมชัดของสี (การดูดกลืนแสงเลเซอร์) ซึ่งเสริมให้เข้มขึ้นได้อีกด้วยการเลือกเลเซอร์และพารามิเตอร์การมาร์กที่เหมาะสมที่สุด

คำถามที่พบบ่อย

อะไรทำให้ไนลอนมาร์กด้วยเลเซอร์ได้ยาก

พอลิเอไมด์ รวมถึงพอลิพทาลาไมด์ มีสมบัติของวัสดุ สภาวะการขึ้นรูป และการกำหนดค่าเลเซอร์ที่หลากหลาย และเช่นเดียวกับพอลิเมอร์ส่วนใหญ่ ไม่ดูดกลืนแสงเลเซอร์โดยธรรมชาติ ซึ่งขัดขวางการเปลี่ยนสีที่ก่อให้เกิดรอยมาร์ก สารเติมแต่งที่ช่วยเสริมการตอบสนองต่อเลเซอร์คือสิ่งที่แก้ปัญหาด้านความคมชัด ความเร็ว และความคงทน

นอกเหนือจากความคมชัดแล้ว ตัดสินคุณภาพการมาร์กอย่างไร

ตัดสินจากความเที่ยงตรง ได้แก่ ความละเอียดของเส้นละเอียดและความคมชัด ความคมชัดเองไม่ได้เกิดจากการเปลี่ยนสีเพียงอย่างเดียวเสมอไป เพราะการเลี้ยวเบนของแสงที่แปรผันก็มีส่วนเกี่ยวข้อง จึงต้องประเมินทั้งสองด้านร่วมกัน

สีของไนลอนส่งผลต่อการมาร์กหรือไม่

ส่งผล สีของวัสดุรองรับเป็นปัจจัยจริง เพราะสารประกอบ เช่น คาร์บอนแบล็ก ไทเทเนียมไดออกไซด์ และสารหน่วงการติดไฟ มีระดับการดูดกลืนแสงเลเซอร์ต่างกัน ซึ่งเปลี่ยนวิธีที่วัสดุตอบสนอง

เหตุใดไฟเบอร์เลเซอร์อิตเทอร์เบียมจึงเข้ามาแทนที่ YAG สำหรับงานนี้

เลเซอร์ชนิดนี้เข้าสู่ตลาดการมาร์กอุตสาหกรรมราวปี 2010 โดยให้คุณภาพลำแสงที่เหนือกว่าและความสว่างสูง โฟกัสเป็นจุดที่เล็กกว่า 20 ไมครอนเพื่อให้ความหนาแน่นพลังงานสูง นอกจากนี้ยังใช้งานได้หลากหลาย คุ้มค่า และใช้งานแบบเสียบแล้วใช้ได้ทันที โดยแทบไม่ต้องบำรุงรักษา

ช่วงความกว้างพัลส์ใดให้ผลดีที่สุด

ไฟเบอร์เลเซอร์ MOPA แบบพัลส์สั้นปรับค่าได้ในช่วง 20 ถึง 50 ns ได้ผลเป็นพิเศษในการให้สีที่มีความคมชัดเหนือกว่าบนพอลิเมอร์ส่วนใหญ่ รวมถึงไนลอน ส่วนไฟเบอร์เลเซอร์แบบ Q-switch ที่ 100 ถึง 150 ns ถูกจำกัดที่อัตราการเกิดพัลส์ซ้ำประมาณ 80 kHz

ไนลอน (พอลิเอไมด์) คืออะไร

พอลิเอไมด์หรือไนลอนเป็นกลุ่มเทอร์โมพลาสติกวิศวกรรมและสมรรถนะสูงหลักที่มีหมู่เอไมด์ซ้ำ คือ –CO-NH– เกิดจากการควบแน่นของหน่วยที่เหมือนกัน หรือเป็นโคพอลิเมอร์สำหรับหน่วยที่ต่างกัน ไนลอนผลิตจากพอลิคอนเดนเซชันของกรดไดเบสิกกับไดเอมีน หรือจากพอลิเมอไรเซชันแบบเปิดวงของแลกแทมที่มีคาร์บอนหกตัว 11 ตัว หรือ 12 ตัว² มอนอเมอร์ของไนลอนเป็นได้ทั้งแบบอะลิฟาติก กึ่งอะโรมาติก หรืออะโรมาติก (อะรามิด) และมีโครงสร้างได้ตั้งแต่อสัณฐาน กึ่งผลึก และมีความเป็นผลึกมากน้อยต่างกัน

พอลิเอไมด์แบบอะลิฟาติกผลิตในสเกลที่ใหญ่กว่าพอลิเอไมด์แบบอะโรมาติกเต็มรูปแบบมาก และเป็นหนึ่งในกลุ่มเทอร์โมพลาสติกวิศวกรรมที่สำคัญที่สุด ความคมชัดสีของการมาร์กไนลอนด้วยเลเซอร์บนวัสดุเสริมใยแก้ว 20% ที่มีพื้นผิวด้านเป็นแบบอสัณฐานหรือมีความเป็นผลึกปานกลางเมื่อฉีดขึ้นรูป แต่สามารถเพิ่มระดับความเป็นผลึกได้

พอลิเอไมด์สำคัญสองชนิดคือ 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)

พอลิเอไมด์แบบกึ่งอะโรมาติกและกึ่งผลึกที่ผลิตจากการควบแน่นของเอไมด์แบบอะลิฟาติก ได้แก่ PA 6T และ PA 6I พอลิเอไมด์แบบกึ่งอะโรมาติกมักเป็นทางเลือกที่คุ้มค่าแทนอะรามิดแบบอะโรมาติกเต็มรูปแบบที่มีราคาสูงกว่า พอลิเอไมด์แบบอะโรมาติกที่เรียกว่าอะรามิดมีความแข็งแรงสูงกว่า ทนตัวทำละลาย ทนไฟ และทนความร้อนดีกว่า และมีเสถียรภาพด้านมิติมากกว่าเอไมด์แบบอะลิฟาติก อะโรมาติกเอไมด์ที่รู้จักกันทั่วไปคือ Kevlar หรือพอลิ(พี-ฟีนิลีนเทเรฟทาลาไมด์)

พอลิเอไมด์ รวมถึงพอลิพทาลาไมด์ (PPA) เป็นพอลิเมอร์ที่มาร์กด้วยเลเซอร์ได้ยากที่สุดกลุ่มหนึ่ง เนื่องจากสมบัติของวัสดุ สภาวะการขึ้นรูป และการกำหนดค่าเลเซอร์ที่หลากหลาย

พอลิพทาลาไมด์ (PPA) เป็นกลุ่มย่อยของเรซินสังเคราะห์เทอร์โมพลาสติกในตระกูลพอลิเอไมด์ (ไนลอน) ซึ่งกำหนดเมื่อส่วนกรดคาร์บอกซิลิกของหน่วยซ้ำในสายโซ่พอลิเมอร์ประกอบด้วยโมลตั้งแต่ 55% ขึ้นไป PPA เป็นแบบกึ่งอะโรมาติกและกึ่งผลึก PPA เติมเต็มช่องว่างด้านสมรรถนะระหว่างไนลอนแบบอะลิฟาติก เช่น PA6,6 และ PA6 กับพอลิอะรามิดที่มีราคาสูงกว่ามาก

สารเติมแต่ง “สมาร์ท”

พารามิเตอร์หนึ่งที่ใช้อธิบายคุณภาพของการมาร์กคือความคมชัดของสีระหว่างพื้นผิวที่มาร์กกับพื้นหลัง ความคมชัดไม่ได้เกิดจากการเปลี่ยนสีเพียงอย่างเดียวเสมอไป เพราะสามารถเกิดจากการเลี้ยวเบนของแสงที่แปรผันได้เช่นกัน

คุณภาพและ/หรือความเที่ยงตรงของการมาร์ก ได้แก่ ความละเอียดของเส้นละเอียดหรือความคมชัด ก็สำคัญไม่แพ้กัน พอลิเมอร์จำนวนมาก รวมถึงไนลอน ไม่ดูดกลืนแสงเลเซอร์โดยธรรมชาติ ซึ่งขัดขวางการเปลี่ยนสี สารเติมแต่งเคมีที่ช่วยเสริมการตอบสนองต่อเลเซอร์ช่วยปรับปรุงความคมชัด ความเร็ว และความคงทนของการมาร์กอย่างมาก (ดูภาพที่ 1) สีของวัสดุรองรับเป็นปัจจัยหนึ่ง เพราะสารประกอบ เช่น คาร์บอนแบล็ก TiO2 และสารหน่วงการติดไฟ มีระดับการดูดกลืนแสงเลเซอร์ต่างกัน

สารเติมแต่งสำหรับเลเซอร์จัดหาในรูปเม็ดแกรนูลและผง ผลิตภัณฑ์แบบแกรนูลผสมกับเรซินพอลิเมอร์โดยตรง ส่วนแบบผงจะแปรรูปเป็นมาสเตอร์แบตช์ ระดับความเข้มข้นที่ใช้โดยน้ำหนัก (ในชิ้นงานสำเร็จรูป) โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 0.01 ถึง 3.0% การกระจายตัวของสารเติมแต่งสำหรับเลเซอร์อย่างสม่ำเสมอทั่วทุกชิ้นงานมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการได้ความคมชัดของสีที่เหมาะสมที่สุด

สารเติมแต่งบางชนิดมีส่วนผสมของทินออกไซด์ที่เจือด้วยพลวงและพลวงไตรออกไซด์ ซึ่งอาจให้สีเทาอ่อนแก่ความทึบของวัสดุรองรับตามธรรมชาติ (ไม่มีสี) สารเติมแต่งอื่นอาจมีอนุภาคอะลูมิเนียม โลหะออกไซด์ผสม และสารประกอบสูตรเฉพาะ

การปรับสีทำโดยใช้เม็ดสีและสีย้อมเพื่อให้ได้รูปลักษณ์สุดท้ายที่ตรงสี สารเติมแต่งเฉพาะบางชนิดได้รับการอนุมัติจาก FDA สำหรับการสัมผัสอาหารและการใช้กับบรรจุภัณฑ์อาหารภายใต้เงื่อนไข A-H ของ 21 CFR 178.3297 Colorants for Polymers¹

ไฟเบอร์เลเซอร์อิตเทอร์เบียม

ไฟเบอร์เลเซอร์อิตเทอร์เบียม NIR เข้าสู่ตลาดการมาร์กอุตสาหกรรมในช่วงปี 2010 โดยเข้ามาแทนที่เลเซอร์ YAG แบบดั้งเดิม ไฟเบอร์เลเซอร์มีคุณภาพลำแสง (M2) ที่เหนือกว่าและความสว่างสูง และโฟกัสเป็นจุดขนาดเล็กได้ (น้อยกว่า 20 ไมครอน) ซึ่งนำไปสู่ความหนาแน่นพลังงานสูง ไฟเบอร์เลเซอร์ใช้งานได้หลากหลายอย่างยิ่ง คุ้มค่า และใช้งานแบบเสียบแล้วใช้ได้ทันที โดยแทบไม่ต้องบำรุงรักษา

ไฟเบอร์เลเซอร์ระดับนาโนวินาทีแบบพัลส์คงที่ (Q-switch) และแบบพัลส์ปรับค่าได้ (MOPA) จำหน่ายโดยบริษัทเลเซอร์หลายราย รวมถึง IPG Photonics และ SPI Lasers ไฟเบอร์เลเซอร์แบบ Q-switch ซึ่งโดยทั่วไปมีความกว้างพัลส์ 100 ถึง 150 ns ใช้ในงานมาร์กพอลิเมอร์บางประเภท แต่อัตราการเกิดพัลส์ซ้ำถูกจำกัดที่ประมาณ 80 kHz เนื่องจากข้อจำกัดโดยธรรมชาติของเทคโนโลยี Q-switching

ไฟเบอร์เลเซอร์ MOPA แบบมอดูเลตโดยตรง (DM-MOPA) ทำงานที่อัตราการเกิดพัลส์ซ้ำสูงถึง 500 kHz ที่ความกว้างพัลส์ระดับนาโนวินาที ความกว้างพัลส์ [ns] เป็นการวัดเวลาระหว่างจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของพัลส์ โดยทั่วไปอิงตามความกว้างเต็มที่ครึ่งค่าสูงสุด (FWHM) ของรูปร่างพัลส์

อัตราการเกิดพัลส์ซ้ำที่สูงโดยทั่วไปหมายถึงความเร็วในการมาร์กที่เร็วขึ้น (ร่วมกับพารามิเตอร์เลเซอร์/รูปคลื่นอื่น) รูปคลื่นและระดับการเกิดคาร์บอนที่พื้นผิวมีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญ³ (ดูภาพที่ 1)

การควบคุมปริมาณและอัตราการป้อนความร้อนจากเลเซอร์ตามตำแหน่งและเวลาเฉพาะจุดช่วยให้ได้สมรรถนะสูงสุด สำหรับพอลิเมอร์ที่ไวต่ออุณหภูมิ ไฟเบอร์เลเซอร์ MOPA แบบพัลส์สั้นปรับค่าได้ให้ผลเป็นพิเศษในการได้ความคมชัดสูงโดยไม่เกิดคาร์บอนมากเกินไป

สามารถมาร์กใต้พื้นผิวบนพลาสติกใสสำหรับการใช้งานทางการแพทย์ได้ โดยทั่วไปเลเซอร์ MOPA สร้างความกว้างพัลส์ (ระยะเวลาพัลส์) ตั้งแต่ 1 ns ถึง 250 ns (และสูงกว่า) The Sabreen Group พบว่า 20 ns ถึง 50 ns เป็นช่วงที่เหมาะสมที่สุดสำหรับความคมชัดของสีในการใช้งานพอลิเมอร์จำนวนมาก รวมถึงไนลอน

ในความคมชัดของการมาร์กเพื่อความสวยงามและเชิงหน้าที่ สารเติมแต่งสำหรับเลเซอร์สร้างความแตกต่างที่สำคัญเมื่อต้องการความละเอียดสูง คุณภาพขอบเส้น และเซลล์ข้อมูลขนาดเล็กสำหรับ data matrix และบาร์โค้ดของการมาร์กบนชิ้นงานโดยตรง (DPM) สายข้อมูลยิ่งยาว เซลล์ข้อมูลยิ่งมีความหนาแน่นมากขึ้น

ผลิตภัณฑ์ทางทหาร อากาศยาน ยานยนต์ และยา มักต้องผ่านการตรวจสอบระดับเกรด “A” ความสามารถในการอ่านรหัสที่มีความคมชัดสูงให้ประโยชน์เพิ่มเติม คือความเร็วการมาร์กที่เร็วขึ้น และใช้เครื่องอ่านแบบมือถือราคาประหยัดได้ทั่วโรงงาน

บทสรุป

พอลิเอไมด์เป็นพอลิเมอร์ที่มาร์กด้วยเลเซอร์ได้ยากที่สุดกลุ่มหนึ่ง สมาร์ทแอดดิทีฟสำหรับเลเซอร์แก้ปัญหาความคมชัด เพิ่มความเร็วการมาร์ก และช่วยประหยัดต้นทุน สำหรับ data matrix และบาร์โค้ดของการมาร์กบนชิ้นงานโดยตรง (DPM) สารเติมแต่งสำหรับเลเซอร์ช่วยปรับปรุงที่สำคัญ ไฟเบอร์เลเซอร์ MOPA แบบพัลส์สั้นปรับค่าได้ในช่วง 20 ns ถึง 50 ns ให้ผลเป็นพิเศษในการได้สีที่มีความคมชัดเหนือกว่าบนพอลิเมอร์ส่วนใหญ่

เอกสารอ้างอิง

1. Sabreen, S. Fiber Lasers: Selection and Additives, Plastics Decorating, November 2017. 2. Polyamide (PA) Nylon Complete Guide, SpecialChem 2019. 3. Brodsky, M. Wave Forms: A New Laser Tool, Optics & Photonics, March 2012.

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

---