ไฟเบอร์เลเซอร์: การเลือกและสารเติมแต่ง

ไฟเบอร์เลเซอร์: การเลือกและสารเติมแต่ง

หมายเหตุจากบรรณาธิการ: ในบทความเทคโนโลยีนี้ Scott Sabreen กล่าวถึงสองหัวข้อที่เกี่ยวกับไฟเบอร์เลเซอร์ ได้แก่ การเลือกประเภทไฟเบอร์เลเซอร์เมื่อมาร์กพลาสติก และการปรับปรุงความคมชัดของรอยมาร์กด้วยสารเติมแต่ง

ประเด็นสำคัญ

• ไฟเบอร์เลเซอร์แตกต่างจากเลเซอร์ DPSS อื่นโดยพื้นฐาน เพราะตัวกลางเลเซอร์กระจายอยู่ภายในสายเคเบิลใยแก้วนำแสงเอง
• โครงสร้างแบบออลไฟเบอร์อธิบายความน่าเชื่อถือและความทนทานของเลเซอร์ชนิดนี้ จึงเติบโตอย่างรวดเร็ว
• เลเซอร์แบบ Q-switch มีขีดจำกัดที่ประมาณ 80 kHz ซึ่งเป็นข้อจำกัดโดยธรรมชาติของเทคโนโลยี ที่ความกว้างพัลส์ 100–120 ns
• DM-MOPA ทำได้ถึง 500 kHz ที่ความกว้างพัลส์ระดับนาโนวินาที ซึ่งโดยทั่วไปหมายถึงการมาร์กที่เร็วขึ้น
• ไม่มีโซลูชันเลเซอร์แบบสากล การพัฒนาการใช้งานมีความเฉพาะเจาะจงกับวัสดุสูง

คำถามที่พบบ่อย

อะไรทำให้ไฟเบอร์เลเซอร์แตกต่างจากเลเซอร์โซลิดสเตตชนิดอื่น

ตัวกลางเลเซอร์ที่สร้างลำแสงกระจายอยู่ภายในสายเคเบิลใยแก้วนำแสงชนิดพิเศษ และต่างจากเลเซอร์ที่ส่งลำแสงผ่านใยแก้ว เส้นทางของลำแสงทั้งหมดอยู่ภายในสายเคเบิลนั้นตลอดจนถึงชุดออปติกส่งลำแสง โครงสร้างแบบออลไฟเบอร์นี้เป็นสาเหตุสำคัญของความน่าเชื่อถือและความทนทานของเลเซอร์เหล่านี้

ควรเลือกแบบพัลส์คงที่หรือ MOPA

ขึ้นอยู่กับวัสดุ เลเซอร์พัลส์คงที่แบบ Q-switch ที่ 100 ถึง 120 ns ใช้ในงานมาร์กบางประเภท แต่ถูกจำกัดที่อัตราการเกิดพัลส์ซ้ำประมาณ 80 kHz โดยเทคโนโลยีเอง ส่วนเลเซอร์ MOPA แบบมอดูเลตโดยตรงทำได้ถึง 500 kHz ที่ความกว้างพัลส์ระดับนาโนวินาที ซึ่งโดยทั่วไปหมายถึงการมาร์กที่เร็วขึ้น

อัตราการเกิดพัลส์ซ้ำที่สูงขึ้นหมายถึงการมาร์กที่เร็วขึ้นเสมอหรือไม่

โดยทั่วไปใช่ แต่ต้องพิจารณาร่วมกับพารามิเตอร์อื่นของเลเซอร์และท่อนำคลื่น อัตราการเกิดพัลส์ซ้ำเพียงอย่างเดียวไม่ได้กำหนดอัตราการผลิต พลังงานพัลส์ กำลังสูงสุด ความเร็วลำแสง และการตอบสนองของวัสดุล้วนมีส่วนเกี่ยวข้อง

มีเลเซอร์ที่ดีที่สุดเพียงชนิดเดียวสำหรับพลาสติกหรือไม่

ไม่มี การพัฒนาการใช้งานมีความเฉพาะเจาะจงสูง และประเภทเลเซอร์ที่จะนำมาผสานระบบถูกกำหนดโดยปฏิสัมพันธ์ระหว่างคุณลักษณะเอาต์พุตของเลเซอร์กับวัสดุพอลิเมอร์ที่ปรับให้เหมาะสม จึงต้องเลือกวัสดุและเลเซอร์ไปพร้อมกัน

สารเติมแต่งเปลี่ยนสิ่งที่ไฟเบอร์เลเซอร์มาร์กได้อย่างไร

สารเติมแต่งช่วยเพิ่มระดับความคมชัด ซึ่งสามารถเสริมให้เข้มขึ้นได้อีกด้วยพารามิเตอร์การตั้งค่าเลเซอร์ พอลิเมอร์มีแนวโน้มโดยธรรมชาติให้รอยมาร์กสีเข้มหรือสีอ่อน และแม้แต่เกรดในตระกูลเดียวกันก็ให้ผลต่างกัน จึงต้องเลือกสารเติมแต่งให้เหมาะกับเกรดเฉพาะ

การเลือกไฟเบอร์เลเซอร์สำหรับการมาร์กพลาสติก – เลเซอร์แบบใดดีที่สุด

ไฟเบอร์เลเซอร์อิตเทอร์เบียมระดับนาโนวินาทีเป็นหนึ่งในความก้าวหน้าที่สำคัญที่สุดสำหรับการมาร์ก การเชื่อม และการตัด โดยพื้นฐานแล้ว ไฟเบอร์เลเซอร์แตกต่างจากเลเซอร์มาร์กแบบโซลิดสเตตที่ปั๊มด้วยไดโอด (DPSS) อื่น ในไฟเบอร์เลเซอร์ ตัวกลางเลเซอร์ที่สร้างลำแสงกระจายอยู่ภายในสายเคเบิลใยแก้วนำแสงชนิดพิเศษ ต่างจากเลเซอร์ที่ส่งลำแสงผ่านใยแก้ว เส้นทางของลำแสงทั้งหมดอยู่ภายในสายเคเบิลใยแก้วนำแสงตลอดจนถึงชุดออปติกส่งลำแสง โครงสร้างแบบออลไฟเบอร์นี้เป็นสาเหตุสำคัญของความน่าเชื่อถือและความทนทานของเลเซอร์เหล่านี้ ซึ่งทำให้เติบโตอย่างรวดเร็ว

ไฟเบอร์เลเซอร์ชนิดใด – พัลส์คงที่หรือ MOPA – ดีที่สุดสำหรับการมาร์กพลาสติก

IPG Photonics ผู้พัฒนาและผู้ผลิตไฟเบอร์เลเซอร์สมรรถนะสูงชั้นนำ มีทั้งเลเซอร์ YLP Series แบบพัลส์คงที่ (บางครั้งเรียกว่า “Q-switch”) และเลเซอร์ YLPN (MOPA) แบบพัลส์สั้นปรับค่าได้ ไฟเบอร์เลเซอร์แบบ Q-switch ซึ่งโดยทั่วไปมีความกว้างพัลส์ 100 ถึง 120ns ใช้ในงานมาร์กบางประเภท แต่อัตราการเกิดพัลส์ซ้ำถูกจำกัดที่ประมาณ 80kHz เนื่องจากข้อจำกัดโดยธรรมชาติของเทคโนโลยี Q-switching ไฟเบอร์เลเซอร์ MOPA แบบมอดูเลตโดยตรง (DM-MOPA) ทำงานที่อัตราการเกิดพัลส์ซ้ำสูงถึง 500kHz ที่ความกว้างพัลส์ระดับนาโนวินาที อัตราการเกิดพัลส์ซ้ำที่สูงโดยทั่วไปหมายถึงความเร็วในการมาร์กที่เร็วขึ้น (ร่วมกับพารามิเตอร์เลเซอร์/ท่อนำคลื่นอื่น)

การพัฒนาการใช้งานมีความเฉพาะเจาะจงสูง และไม่มีโซลูชันเลเซอร์แบบสากล เลเซอร์ MOPA ที่มีระยะเวลาพัลส์สั้นสามารถใช้สมรรถนะของสารเติมแต่งเคมีที่ไวต่อเลเซอร์ซึ่งผสมในพอลิเมอร์ได้อย่างเต็มที่ การควบคุมปริมาณและอัตราการป้อนความร้อนจากเลเซอร์ตามตำแหน่งและเวลาเฉพาะจุดช่วยให้ได้สมรรถนะสูงสุด

การเลือกประเภทเลเซอร์ที่จะผสานระบบถูกกำหนดโดยคุณลักษณะเอาต์พุตของเลเซอร์ที่ทำปฏิกิริยากับวัสดุพอลิเมอร์ที่ปรับให้เหมาะสม รูปที่ 2 แสดงรูปร่างพัลส์ตามเวลาของไฟเบอร์เลเซอร์อิตเทอร์เบียมที่มีความยาวพัลส์คงที่และปรับค่าได้ (MOPA)

ในกราฟทั้งสอง การรวมกันของพารามิเตอร์อินพุตเฉพาะเป็นตัวควบคุมคุณสมบัติเอาต์พุตของลำแสงเลเซอร์ ได้แก่ พลังงานพัลส์ กำลังสูงสุด (ค่าสูงสุดชั่วขณะของพลังงานพัลส์ จูล/ระยะเวลาพัลส์) และกำลังเฉลี่ย (กำลังเฉลี่ยเป็นวัตต์ = พลังงานพัลส์เป็นจูล × อัตราการเกิดพัลส์ซ้ำเป็นเฮิรตซ์)

เมื่อตั้งค่าไฟเบอร์เลเซอร์ที่มีความยาวพัลส์คงที่เพื่อการมาร์ก ต้องกำหนดอินพุตสองค่า ได้แก่

• อัตราการเกิดพัลส์ซ้ำ (มักเรียกว่าความถี่พัลส์) และ
• กำลังปั๊มเป็นเปอร์เซ็นต์ (100 เปอร์เซ็นต์หมายถึงอินพุตไฟฟ้าสูงสุดที่เป็นไปได้ไปยังไดโอดปั๊ม)

เมื่อตั้งค่าไฟเบอร์เลเซอร์ MOPA แบบพัลส์สั้นปรับค่าได้เพื่อการมาร์ก ต้องกำหนดอินพุตสามค่า ได้แก่

• ระยะเวลาพัลส์ (มักเรียกว่าความยาวพัลส์)
• อัตราการเกิดพัลส์ซ้ำ (ความถี่พัลส์) และ
• กำลังปั๊มเป็นเปอร์เซ็นต์ ตามที่อธิบายข้างต้น

สารเติมแต่งสำหรับเลเซอร์ในการมาร์กพลาสติกด้วยไฟเบอร์เลเซอร์

สารเติมแต่งสำหรับเลเซอร์ช่วงใกล้อินฟราเรดช่วยเพิ่มระดับความคมชัด ซึ่งสามารถเสริมให้เข้มขึ้นได้อีกด้วยการเปลี่ยนพารามิเตอร์การตั้งค่าเลเซอร์ พอลิเมอร์มีคุณลักษณะโดยธรรมชาติที่ให้รอยมาร์ก “สีเข้ม” หรือ “สีอ่อน” สารประกอบสีบางชนิดที่มีไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO2) และคาร์บอนแบล็กในปริมาณน้อยก็อาจดูดกลืนแสงเลเซอร์ และในบางกรณีช่วยปรับปรุงความคมชัดของรอยมาร์ก

พอลิเมอร์แต่ละเกรด แม้อยู่ในตระกูลพอลิเมอร์เดียวกัน ก็อาจให้ผลต่างกัน สูตรสารเติมแต่งต้องไม่เป็นพิษและไม่ส่งผลเสียต่อรูปลักษณ์หรือสมบัติทางกายภาพหรือการใช้งานของผลิตภัณฑ์

เมื่อเทียบกับกระบวนการพิมพ์ด้วยหมึก (การพิมพ์แพดและสกรีน และอิงก์เจ็ท) สารเติมแต่งสำหรับเลเซอร์ช่วยประหยัดต้นทุน และแสดงความเร็วในการมาร์กที่เร็วกว่าวัสดุที่ไม่ได้ปรับให้เหมาะสมได้ 20 เปอร์เซ็นต์ขึ้นไป สารเติมแต่งสำหรับเลเซอร์จัดหาในรูปเม็ดแกรนูลและผง ผลิตภัณฑ์แบบแกรนูลผสมกับเรซินพอลิเมอร์ได้โดยตรง ส่วนแบบผงจะแปรรูปเป็นมาสเตอร์แบตช์ ส่วนใหญ่กระจายตัวในพอลิเมอร์ได้ง่าย ขึ้นอยู่กับสารเติมแต่งและพอลิเมอร์ ระดับความเข้มข้นที่ใช้โดยน้ำหนัก (ในชิ้นงานสำเร็จรูป) อยู่ระหว่าง 0.01 ถึง 4.0 เปอร์เซ็นต์

ทั้งแบบแกรนูลและแบบผงสามารถผสมลงในวัสดุคอมพาวด์สีสำเร็จหรือสีเข้มข้นได้ การเลือกสารเติมแต่งที่จะใช้ขึ้นกับองค์ประกอบพอลิเมอร์ สีของวัสดุรองรับ สีของรอยมาร์กที่ต้องการ และข้อกำหนดการรับรองสำหรับการใช้งานปลายทาง สำหรับงานอัดรีด ฉีดขึ้นรูป และเทอร์โมฟอร์มมิง วัสดุคอมพาวด์สีสำเร็จให้ความสม่ำเสมอที่ดีกว่าสีเข้มข้น

ควรหลีกเลี่ยงการผสมด้วยมือ การไหลของแม่พิมพ์และชนิด/ตำแหน่งของเกตเป็นปัจจัยสำคัญ การกระจายตัวของสารเติมแต่งสำหรับเลเซอร์อย่างสม่ำเสมอทั่วทุกชิ้นงานมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการมาร์กที่มีสมรรถนะสูงสุด

สารเติมแต่งบางชนิดมีส่วนผสมของทินออกไซด์ที่เจือด้วยพลวงและพลวงไตรออกไซด์ ซึ่งอาจให้สีเทาอ่อนแก่ความทึบของวัสดุรองรับตามธรรมชาติ (ไม่มีสี) สารเติมแต่งอื่นอาจมีอนุภาคอะลูมิเนียม โลหะออกไซด์ผสม และสารประกอบสูตรเฉพาะ การปรับสีทำโดยใช้เม็ดสีและสีย้อมเพื่อให้ได้รูปลักษณ์สุดท้ายที่ตรงสี

สารเติมแต่งเฉพาะที่จำหน่ายเชิงพาณิชย์ (ซึ่งใช้กับการเชื่อมด้วยเลเซอร์ด้วย) ได้รับการอนุมัติจาก FDA สำหรับการสัมผัสอาหารและการใช้กับบรรจุภัณฑ์อาหารภายใต้เงื่อนไข A-H ของ 21 CFR 178.3297 – Colorants for Polymers สำหรับสหภาพยุโรปมีข้อความรับรองความสอดคล้องในลักษณะเดียวกัน เงื่อนไขการรับรองเฉพาะตามชนิดพอลิเมอร์ เกณฑ์ระดับการเติม และการสัมผัสทางตรงหรือทางอ้อม การรับรองคุณสมบัติเพิ่มเติมของสารเติมแต่งที่ได้รับการอนุมัติจาก FDA ซึ่งผสมใน “ชิ้นงานสำเร็จรูป” สามารถทำให้ได้ความเข้ากันได้ทางชีวภาพของอุปกรณ์ทางการแพทย์

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

---