Hàn nhựa bằng laser

Giải pháp toàn diện cho hàn laser và ghép nối polymer

Hàn nhựa bằng laser để ghép nối các loại nhựa nhiệt dẻo có thể thực hiện bằng hai phương pháp gia nhiệt khác nhau: gia nhiệt bề mặt và gia nhiệt truyền qua. Gia nhiệt truyền qua đôi khi được gọi là “hàn laser truyền qua” (Through Transmission Laser Welding – TTLW) hoặc “hàn hồng ngoại truyền qua” (Through Transmission Infrared Welding – TTIr). Hàn laser là một trong những quy trình tốt nhất để tạo ra mối hàn kín khí, kín hoàn toàn. Gia nhiệt bề mặt có thể thực hiện bằng cách mở rộng chùm tia laser và đồng thời gia nhiệt bề mặt của cả hai chi tiết bằng gương phản xạ. Ngoài ra, có thể sử dụng chùm tia laser dạng đường hoặc điểm kết hợp với gương quét để quét và gia nhiệt nhanh bề mặt các chi tiết.

Đối với gia nhiệt laser truyền qua, một chi tiết trong suốt với tia laser, trong khi chi tiết còn lại chứa phụ gia, chẳng hạn như carbon black, để hấp thụ bức xạ laser và chuyển hóa thành nhiệt. Vật liệu có tỷ lệ hấp thụ cao là lựa chọn lý tưởng cho chi tiết phía dưới trong hàn laser truyền qua vì chúng hấp thụ phần lớn năng lượng tại bề mặt tiếp xúc mối hàn, tạo ra một lớp bề mặt mỏng được gia nhiệt, rất phù hợp để hàn. Một số loại nhựa và màng trong suốt về quang học có thể được hàn bằng bước sóng dài hơn, trong khoảng 1500nm đến khoảng 2000nm (2 micron), để tạo hiệu ứng gia nhiệt toàn khối.

Tìm hiểu thêm về cách lựa chọn Carbon Black cho hàn laser

Lựa chọn Carbon Black

Để hàn và ghép nối bằng laser truyền qua thành công

Hàn laser được ứng dụng rộng rãi để ghép nối nhựa nhiệt dẻo vì đây là phương pháp gia nhiệt không tiếp xúc, thời gian chu kỳ ngắn và chi phí thấp hơn. Đối với cả gia nhiệt bề mặt và gia nhiệt truyền qua, carbon black là chất tạo màu được sử dụng phổ biến nhất. Các loại carbon black có mức độ kết tụ hạt thấp và phân tán tốt được chứng minh là hiệu quả nhất đối với gia nhiệt laser.

Các thử nghiệm quét chùm tia laser dạng đường cho thấy độ nghiêng nhẹ của đầu laser có thể tạo ra mức gia nhiệt khác nhau khi di chuyển tới so với lùi. Đối với ghép nối các loại polymer khác nhau, tạo kết cấu bề mặt được chứng minh giúp tăng diện tích mối liên kết bám dính và mức độ khóa cơ học, tạo ra mối ghép chất lượng vượt trội.

Dịch vụ hàn nhựa bằng laser – Giải pháp SABREEN

Kiến thức chuyên môn của SABREEN đảm bảo chất lượng vượt trội cho hàn nhựa bằng laser. Hơn 40 năm kinh nghiệm trong các lĩnh vực phụ gia khắc laser, polymer và chất tạo màu, nguồn laser, thiết kế hệ thống, chế tạo và tích hợp, tuân thủ quy định, cũng như quy trình ép phun.

• Công thức và hợp chất phối màu laser theo yêu cầu, tuân thủ quy định, mẫu thử nghiệm–masterbatch, vật liệu phối trộn sẵn (pre-color), tấm laminate laser.
• Tối ưu hóa nguồn laser, đặc tính dẫn sóng, quang học và hệ truyền tia phù hợp với từng tổ hợp polymer-chất tạo màu cụ thể. Bước sóng NIR 1060-1080nm của laser sợi quang Ytterbium, Vanadate, laser xanh lục nhân đôi tần số 532nm hoặc UV 355nm.
• Thiết kế hệ thống thiết bị laser, tích hợp hệ thống chìa khóa trao tay & đào tạo, thị giác máy, giao diện HMI tùy chỉnh, tài liệu quy trình.
• Xử lý sự cố tại chỗ (tại bất kỳ địa điểm nào trên thế giới), phân tích quy trình laser và tối ưu hóa hệ thống, thiết kế đồ họa vector tùy chỉnh.
• Chứng nhận an toàn laser, ứng dụng trọn gói bao gồm thiết kế và vỏ bọc an toàn CDRH Class 1, cán bộ an toàn laser (LSO) phục vụ kiểm tra nội bộ.
• Ép phun nhựa và phân tích chuyên sâu, dòng chảy khuôn, phân tán/phân bố phụ gia-chất tạo màu.

Giải pháp toàn diện

Khoa học vật liệu polymer-chất tạo màu, ép phun, công nghệ laser, tích hợp hệ thống và đào tạo. Các công thức độc quyền được thiết kế để đáp ứng nhiều loại công nghệ laser khác nhau. Danh mục nguồn laser của chúng tôi còn cho phép khách hàng khắc/khắc chìm trên kim loại khi cần thiết.

Phụ gia khắc laser

Các loại phụ gia đột phá tạo ra độ tương phản màu đen tuyền, màu sáng và màu tùy chỉnh. Phụ gia được trộn với polymer trong quá trình ép phun dưới dạng masterbatch cô đặc màu hoặc vật liệu phối trộn sẵn. Liều lượng thấp không ảnh hưởng đến các đặc tính của polymer. Có sẵn phiên bản được FDA/EFSA chấp thuận.

Công nghệ đột phá mới

Phụ gia đơn công thức mới tạo ra đồng thời độ tương phản khắc laser màu đen tuyền và trắng đục. Công nghệ lý tưởng để thay thế nhãn dán và in mực trên chai thổi và sản phẩm ép phun.

Cần gạt nội thất ô tô

Thẻ nhân viên thông minh RFID đoạt giải thưởng

Cổ bình nhiên liệu ô tô không nắp

Ống y tế, đạt chuẩn FDA cho các thủ thuật phẫu thuật xâm lấn. Khắc laser trực tuyến (on-the-fly) thay thế in mực.

Độ tương phản khắc laser màu đen tuyền. Phụ gia mới đạt chuẩn FDA. Không chứa kim loại nặng antimony-tin oxide/trioxide. Lý tưởng cho các sản phẩm dùng cho động vật.

Khắc laser trực tuyến (on-the-fly) cho nắp chai đồ uống không lớp lót. Phụ gia đạt chuẩn FDA. Tốc độ khắc 2.000 nắp/phút. HDPE, PE, Polypropylene và nhiều loại khác.

Ống tiêm y tế polyolefin, phụ gia khắc laser được FDA chấp thuận, thay thế in tampon

Khắc laser ngày/đêm, lớp phủ gốc nước

Phản ứng bề mặt trong khắc laser

Phụ gia khắc laser đặc biệt tích hợp vào thẻ ảnh/thẻ ID để bảo mật sản phẩm

Đột phá về phụ gia khắc laser

Phát minh của SABREEN

Thuật ngữ khắc laser

“Khắc laser” trên nhựa là một quy trình kỹ thuật số không tiếp xúc, trong đó thông tin không thể xóa được khắc lên bề mặt vật liệu nền với độ xuyên sâu tối thiểu vào vật liệu. Thông tin thường ở dạng chữ và số, ký hiệu, hình ảnh đồ họa, logo, sơ đồ, mã vạch, mã thị giác máy, v.v. Laser sợi quang Ytterbium điều hướng chùm tia (và loại tiền nhiệm là laser Nd:YAG bơm bằng đèn hồ quang và diode) hoạt động ở bước sóng 1060-1080nm (cận hồng ngoại) có đặc tính dẫn sóng lý tưởng phù hợp với bước sóng phát xạ và hiệu suất công suất (công suất đỉnh & công suất trung bình) của chúng. Quang học bay (flying optics) là phương pháp thay thế để khắc chi tiết. Một số màu nhất định trên các vật liệu polymer cụ thể cũng có thể được khắc bằng bước sóng ngắn hơn 532nm (nhân đôi tần số) và UV 355nm.

Cơ chế cơ bản của khắc laser điều hướng chùm tia, sử dụng bước sóng 1060-1080nm, là chiếu xạ polymer bằng nguồn bức xạ năng lượng cao. Năng lượng bức xạ được vật liệu hấp thụ cục bộ và chuyển hóa thành nhiệt năng. Đến lượt mình, nhiệt năng gây ra các phản ứng trong vật liệu nền. Nhiều loại phản ứng có thể xảy ra trong vùng bước sóng cận hồng ngoại, bao gồm than hóa, bào mòn (ablation) và biến đổi hóa học. Tùy theo kết quả tương phản khắc mong muốn, có thể lựa chọn các thành phần hóa học và thông số hệ thống laser rất khác nhau để đạt được loại phản ứng mong muốn.

Phản ứng than hóa xảy ra khi năng lượng hấp thụ làm tăng nhiệt độ cục bộ của vật liệu xung quanh điểm hấp thụ lên mức đủ cao để gây phân hủy nhiệt cho polymer. Khi có oxy, quá trình này dẫn đến hiện tượng cháy polymer; tuy nhiên, bên trong chi tiết, lượng oxy hạn chế khiến polymer bị than hóa và tạo thành vết khắc màu đen. Độ đậm của vết khắc phụ thuộc vào năng lượng hấp thụ cũng như cơ chế phân hủy nhiệt của vật liệu.

Ví dụ – Phím bàn phím máy tính bằng ABS

Khắc ăn mòn bằng laser trên nhựa (còn gọi là “bào mòn” – ablation) là một quy trình kỹ thuật số không tiếp xúc, trong đó chùm tia laser loại bỏ vật liệu khỏi bề mặt nền bằng cách hóa hơi hoặc làm chảy, với độ xuyên sâu tối thiểu. Độ sâu của vết khắc ăn mòn bằng laser thường không quá 0,001”.

Ví dụ – Nút bấm ô tô ngày/đêm

Ứng dụng quy trình ngày/đêm nhằm loại bỏ các lớp vật liệu để lộ ra một lớp màu cụ thể. Ví dụ minh họa một lớp phủ nền màu trắng được phủ thêm một hoặc nhiều lớp phủ màu đen bên trên. Polymer nền thường là Polycarbonate hoặc ABS trong suốt, đều là polymer vô định hình có khả năng truyền (ngược) ánh sáng từ nguồn LED. Các vết khắc sâu hơn vào vật liệu nền sẽ được coi là “khắc chìm” vào vật liệu, chứ không chỉ đơn thuần là khắc ăn mòn bề mặt.

Nút bấm ô tô “ngày/đêm” chiếu sáng nền – Sơn và bào mòn bằng laser

Khắc chìm bằng laser là quy trình sâu hơn so với khắc ăn mòn và khắc laser thông thường. Laser CO₂ sóng liên tục (CW) hoạt động ở bước sóng 10,6 µm thường được sử dụng để khắc chìm trực tiếp, không màu trên polymer. Một ứng dụng khắc chìm khác là khắc chìm nhiều lớp trên các lớp màu được chọn lọc (màu lõi và màu bề mặt), ví dụ như bảng tên, nhãn và biển hiệu.

Mật độ công suất là hàm số của kích thước điểm hội tụ của tia laser (công suất laser trên một đơn vị diện tích, watt/cm²). Đại lượng này khác với công suất đầu ra thô của laser. Kích thước điểm hội tụ của laser, với một tiêu cự thấu kính và bước sóng laser nhất định, là hàm số của độ phân kỳ chùm tia laser, được kiểm soát bởi cấu hình laser, kích thước khẩu độ chọn mode và độ phóng đại của bộ chuẩn trực (bộ mở rộng chùm tia).

Tần số lặp xung (qua bộ Q-switch âm-quang) và mật độ công suất đỉnh là các thông số quan trọng trong việc tạo vết khắc cũng như đạt được độ tương phản và tốc độ tối ưu. Công suất đỉnh cao ở tần số thấp làm tăng nhanh nhiệt độ bề mặt, hóa hơi vật liệu trong khi truyền nhiệt tối thiểu vào vật liệu nền. Khi tần số lặp xung tăng, công suất đỉnh thấp hơn tạo ra sự hóa hơi tối thiểu nhưng sinh nhiệt nhiều hơn. Vận tốc chùm tia (tốc độ di chuyển của chùm tia laser trên bề mặt gia công) cũng là một yếu tố quan trọng.

Phụ gia khắc laser giúp cải thiện mức độ tương phản, và có thể được tăng cường hơn nữa bằng cách thay đổi các thông số cài đặt laser. Bản thân polymer có những đặc tính vốn có tạo ra độ tương phản khắc “màu tối” hoặc “màu sáng”. Một số hợp chất tạo màu chứa hàm lượng thấp Titanium dioxide (TiO2) và carbon black cũng có thể hấp thụ ánh sáng laser và trong một số trường hợp, cải thiện độ tương phản khắc. Mỗi loại polymer, ngay cả trong cùng một họ polymer, có thể cho kết quả khác nhau. Công thức phụ gia không được gây độc hoặc ảnh hưởng xấu đến hình thức bên ngoài cũng như các đặc tính vật lý hoặc chức năng của sản phẩm.

So với các quy trình in mực (in tampon/in lưới và in phun), phụ gia khắc laser giúp tiết kiệm chi phí và cho tốc độ khắc nhanh hơn 15% (hoặc hơn) so với công thức vật liệu chưa được tối ưu hóa. Phụ gia khắc laser được cung cấp ở dạng hạt granulate và dạng bột. Sản phẩm dạng hạt có thể được trộn trực tiếp với nhựa nền polymer, trong khi dạng bột được chuyển thành masterbatch, dễ phân tán trong polymer nhất. Tùy theo phụ gia và polymer, hàm lượng nạp tính theo trọng lượng (trong chi tiết cuối cùng) dao động từ 0,01% đến 4,0%.

Cả dạng hạt và dạng bột đều có thể được phối trộn thành vật liệu màu phối sẵn hoặc màu cô đặc. Việc lựa chọn phụ gia phù hợp phụ thuộc vào thành phần polymer, màu nền, màu tương phản khắc mong muốn và yêu cầu chứng nhận cho mục đích sử dụng cuối cùng. Một số phụ gia chứa hỗn hợp tin oxide pha tạp antimony và antimony trioxide, có thể tạo ánh màu “xám” trên độ đục tự nhiên (không màu) của vật liệu nền. Các phụ gia khác có thể chứa hạt nhôm, oxit kim loại hỗn hợp và các hợp chất độc quyền. Việc điều chỉnh màu được thực hiện bằng bột màu và thuốc nhuộm để đạt được diện mạo phối màu cuối cùng.

Ở dạng cung cấp thương mại, một số phụ gia cụ thể (cũng được sử dụng cho hàn laser) đã được FDA chấp thuận cho tiếp xúc thực phẩm và bao bì thực phẩm theo các điều kiện A-H của 21 CFR 178.3297 Colorant for Polymers. Đối với Liên minh Châu Âu, có các tuyên bố tuân thủ tương tự. Điều kiện chứng nhận cụ thể theo loại polymer, ngưỡng hàm lượng nạp, và tiếp xúc trực tiếp hay gián tiếp. Việc thẩm định thêm đối với các phụ gia được FDA chấp thuận khi phối trộn vào “chi tiết cuối cùng” có thể đạt được khả năng tương thích sinh học cho thiết bị y tế (tham chiếu Tiêu chuẩn Quốc tế ISO-10993).

Đạt tốc độ khắc nhanh hơn

Thời gian cần thiết để khắc một chi tiết phụ thuộc vào vật liệu nền polymer, số lượng đường vector được vẽ, và tốc độ đầu quét chùm tia laser/galvanometer vẽ toàn bộ các đường đó. Phần mềm laser và kiểu tô vector — một chiều, hai chiều hoặc dạng rắn (serpentine) — cũng có thể ảnh hưởng đến thời gian khắc.

Các nghiên cứu độc lập gần đây cho thấy có thể đạt được tốc độ khắc nhanh hơn một cách có ý nghĩa thống kê bằng cách bổ sung công thức phụ gia khắc laser ở nồng độ rất thấp, thường từ 0,01% đến 2,0%.

Biểu đồ bên phải thể hiện kết quả phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) của hai loại polyethylene mật độ cao. Hai loại polymer này có nhiệt độ phân hủy nhiệt khác nhau – đây chính là quá trình tạo ra vết khắc laser. Polymer có nhiệt độ phân hủy cao hơn sẽ cần nhiều năng lượng laser hơn, tốc độ khắc thấp hơn, hoặc nhiều phụ gia hấp thụ hơn để đạt được vết khắc có diện mạo tương tự.

Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) từ nhiệt độ môi trường đến 1000°C của hai mẫu HDPE, cho thấy sự khác biệt về nhiệt độ phân hủy nhiệt. HDPE B sẽ khắc dễ dàng và nhanh hơn HDPE A.

Các công đoạn ép phun ban đầu

Sau khi hoàn tất công tác khoa học vật liệu “tối ưu hóa cho laser” (bao gồm việc xác lập độ tương phản tối ưu, màu sắc chroma và thông số cài đặt laser), bước tiếp theo là tiến hành thử nghiệm ép phun bằng khuôn sản xuất thực tế với tỷ lệ pha loãng phù hợp. Bước này rất quan trọng để đảm bảo sự phân tán và phân bố đồng đều của tổ hợp màu đã được tối ưu hóa cho laser. Sau khi ép phun, các chi tiết sản phẩm thực tế sẽ được khắc laser để xác nhận lại kết quả ban đầu.

Một kỹ thuật là lập trình cho laser điều hướng chùm tia khắc (quét) liên tục trên toàn bộ bề mặt sản phẩm. Hình bên trái (từ trái sang phải) là bút viết ép phun cho thấy vết khắc laser màu vàng trên nền đen (bên trái), hai hình ở giữa cho thấy sự phân bố màu kém, và hình ngoài cùng bên phải cho thấy sự phân bố đồng đều xuất sắc.

Các lưu ý về gia công

Trong quá trình phối hàm lượng phụ gia khắc laser/công thức phối màu, sản phẩm hoàn thiện chứa ít phụ gia khắc laser hơn lượng tính toán là điều không hiếm gặp. Vấn đề này hầu như luôn liên quan đến việc phân bố không đồng đều trong quá trình đùn hoặc ép phun. Các điều chỉnh đơn giản đối với máy ép phun, chẳng hạn như tăng áp suất ngược (back pressure) và tốc độ quay trục vít, sẽ giải quyết được hầu hết các vấn đề. Sự phân bố/phân tán đồng nhất của phụ gia khắc laser trong toàn bộ chi tiết là yếu tố then chốt để đạt hiệu suất khắc tối ưu. Đối với các quy trình đùn, ép phun và tạo hình nhiệt, vật liệu phối màu sẵn (precolor compounded) cho độ đồng nhất tốt hơn so với màu cô đặc. Nên tránh trộn thủ công. Dòng chảy khuôn và loại/vị trí cổng phun là những yếu tố quan trọng.

Không phải mọi loại laser đều như nhau! Các thành phần phần cứng và phần mềm mà nhà sản xuất laser tích hợp vào hệ thống tạo ra sự khác biệt đáng kể về chất lượng khắc, tốc độ và tính linh hoạt. Khi mua sắm hệ thống laser, cần lưu ý rằng không có một giải pháp vạn năng duy nhất. Mỗi ứng dụng đều có tính riêng biệt tùy theo thành phần và màu sắc của vật liệu nền nhựa, chất lượng khắc, tốc độ, hiệu suất laser, độ tương phản (tối trên nền sáng, sáng trên nền tối, hoặc màu), và tổng chi phí hệ thống.

Chế độ đầu ra chất lượng chùm tia đề cập đến sự phân bố năng lượng trong chùm tia laser và có vai trò then chốt đối với hiệu suất khắc. Laser có thể được nhà sản xuất cung cấp ở chế độ đa mode (MM), TEM00 (Transverse Electromagnetic Mode), hoặc bất kỳ mức trung gian nào, bao gồm cả chế độ bậc thấp (Low-Order Mode – LOM). Các chế độ đầu ra này liên quan đến các yếu tố như độ phân kỳ chùm tia và sự phân bố công suất trên toàn bộ đường kính chùm tia laser. Chùm tia laser TEM00 có thể được hội tụ thành điểm nhỏ nhất mà quang học hội tụ cho phép, và sự phân bố năng lượng trong chùm tia TEM00 tập trung mạnh nhất ở tâm rồi giảm dần đều từ tâm ra mép. Đầu ra laser TEM00 cho chất lượng chùm tia cao nhất. Đầu ra laser đa mode (MM) cho chất lượng chùm tia kém nhất.

Tham khảo hình bên dưới. Laser chế độ bậc thấp và TEM00 đặc biệt phù hợp cho khắc vector tốc độ cao đối với chữ và số nét đơn, phông chữ true-type được tô đặc, và hình đồ họa phức tạp, nhờ khả năng tạo điểm hội tụ nhỏ với mật độ công suất rất cao, cho ra đường nét rất mảnh với các cạnh sắc nét có thể vẽ nhanh chóng. Hầu hết các ứng dụng nhựa đạt hiệu quả tối ưu khi sử dụng chùm tia laser gần TEM00 hoặc TEM00.

Mật độ công suất là hàm số của kích thước điểm hội tụ của tia laser (công suất laser trên một đơn vị diện tích, watt/cm²). Đại lượng này khác với công suất đầu ra thô của laser. Kích thước điểm hội tụ của laser, với một tiêu cự thấu kính và bước sóng laser nhất định, là hàm số của độ phân kỳ chùm tia laser, được kiểm soát bởi cấu hình laser, kích thước khẩu độ chọn mode và độ phóng đại của bộ chuẩn trực (bộ mở rộng chùm tia). Tần số lặp xung (qua bộ Q-switch âm-quang) và mật độ công suất đỉnh là các thông số quan trọng trong việc tạo vết khắc cũng như đạt được độ tương phản và tốc độ tối ưu.

Công suất đỉnh cao ở tần số thấp làm tăng nhanh nhiệt độ bề mặt, hóa hơi vật liệu trong khi truyền nhiệt tối thiểu vào vật liệu nền. Khi tần số lặp xung tăng, công suất đỉnh thấp hơn tạo ra sự hóa hơi tối thiểu nhưng sinh nhiệt nhiều hơn. Vận tốc chùm tia (tốc độ di chuyển của chùm tia laser trên bề mặt gia công) cũng là một yếu tố quan trọng.

Phần mềm điều khiển laser quan trọng không kém bất kỳ thành phần phần cứng nào trong hệ thống khắc. Các thuật toán phần mềm tiên tiến mang lại tốc độ chưa từng có. Máy khắc laser điều hướng chùm tia đôi khi bị hiểu nhầm là máy in (để bàn). Trên thực tế, đây là các thiết bị vẽ (plotter). Thay vì đặt từng điểm ảnh riêng lẻ để tạo chữ, số hoặc hình đồ họa, laser vẽ các đường nét giống như viết bằng bút chì trên giấy. Bất kể định dạng tệp đầu vào ban đầu được dùng để tạo đối tượng khắc laser là gì, mọi thao tác khắc cuối cùng đều được quy về dạng đơn giản nhất — một danh sách các đường vector để đầu quét vẽ và laser khắc. Các định dạng tệp đầu vào phức tạp mà kỹ sư thiết kế thường sử dụng chưa chắc đã cho kết quả khắc vector tốt nhất (hoặc nhanh nhất). Hệ thống thiết bị khắc laser phải đảm bảo an toàn và tuân thủ tiêu chuẩn ANSI Z136.

Máy khắc laser Nd:YAG điều hướng chùm tia (nguồn sáng đèn hồ quang và diode) sử dụng gương được gắn trên các galvanometer tốc độ cao điều khiển bằng máy tính để dẫn hướng chùm tia laser trên bề mặt cần khắc, giống như viết bằng bút chì trên giấy.

Mỗi galvanometer, một cho trục Y và một cho trục X, tạo ra chuyển động của chùm tia trong trường khắc. Cụm thấu kính trường phẳng (flat-field lens) hội tụ ánh sáng laser để đạt mật độ công suất cao trên bề mặt vật liệu nền. Hình bên phải cho thấy hệ thống truyền chùm tia quang học sử dụng galvanometer điều khiển bằng máy tính.

Về bản chất, laser sợi quang khác với các loại laser khắc thể rắn khác. Với laser sợi quang, môi trường hoạt tính tạo ra chùm tia laser được phân bố trong một cáp quang chuyên dụng. Khác với laser truyền qua sợi quang, toàn bộ đường đi của chùm tia nằm trong cáp quang cho đến tận quang học truyền tia.

Những tiến bộ trong công nghệ laser đã góp phần quan trọng vào sự phát triển nhanh chóng của thế hệ phụ gia khắc laser được FDA chấp thuận mới nhất. Sự xuất hiện của laser sợi quang Ytterbium xung nano giây là một trong những bước tiến quan trọng nhất đối với khắc, hàn và cắt. Về bản chất, laser sợi quang khác với các loại laser khắc thể rắn khác. Với laser sợi quang, môi trường hoạt tính tạo ra chùm tia laser được phân bố trong một cáp quang chuyên dụng. Khác với laser truyền qua sợi quang, toàn bộ đường đi của chùm tia nằm trong cáp quang cho đến tận quang học truyền tia.

Laser sợi quang cho chất lượng chùm tia và độ sáng vượt trội so với laser Nd:YAG. Một chỉ số đo chất lượng chùm tia là M2. Giá trị M2 càng nhỏ, chất lượng chùm tia càng tốt, trong đó M2 = 1 là chùm tia laser Gauss lý tưởng. Laser có chất lượng chùm tia vượt trội có thể được hội tụ thành điểm nhỏ, dẫn đến mật độ năng lượng cao. Laser sợi quang xung cố định và xung biến đổi (MOPA) với năng lượng xung lên đến 1 mJ và mật độ công suất cao có thể khắc được nhiều loại polymer vốn khó khắc trước đây. Laser Vanadate cũng có giá trị M2 nhỏ với độ rộng xung ngắn hơn so với laser sợi quang cố định và laser YAG. Thời lượng xung ảnh hưởng đến mức độ sinh nhiệt và than hóa trong vật liệu. Độ rộng xung ngắn hơn có thể mang lại lợi thế cho các ứng dụng polymer nhạy cảm.

IPG Photonics, nhà phát triển và sản xuất hàng đầu về laser sợi quang hiệu suất cao, cung cấp cả laser xung cố định (đôi khi gọi là “Q-switch”) và laser xung ngắn biến đổi (MOPA). Việc phát triển ứng dụng mang tính đặc thù cao. Việc lựa chọn loại laser để tích hợp được xác định bởi các đặc tính đầu ra của laser khi tương tác với vật liệu polymer đã được tối ưu hóa. Tham khảo các biểu đồ bên dưới, thể hiện Hình dạng xung theo thời gian của Laser sợi quang Ytterbium xung cố định và xung biến đổi (MOPA) – IPG Photonics.

Hình minh họa 1. Hình dạng xung theo thời gian của laser IPG xung cố định với độ rộng xung 100 ns

Khi cài đặt laser sợi quang xung cố định để khắc, cần thiết lập hai thông số đầu vào.

1) Tần số lặp xung (thường gọi là tần số xung)

2) Công suất bơm tính theo phần trăm (100 phần trăm là mức đầu vào điện tối đa có thể cấp cho diode bơm)

Hình minh họa 2. Hình dạng xung theo thời gian của laser IPG MOPA với độ rộng xung 4 ns

Khi cài đặt laser sợi quang MOPA xung ngắn biến đổi để khắc, cần thiết lập ba thông số đầu vào.

1) Thời lượng xung (thường gọi là độ rộng xung)

2) Tần số lặp xung (tần số xung)

3) Công suất bơm tính theo phần trăm (100 phần trăm là mức đầu vào điện tối đa có thể cấp cho diode bơm)

Đối với cả hai biểu đồ ở trang trước, tổ hợp cụ thể của các thông số đầu vào kiểm soát các đặc tính đầu ra của chùm tia laser, cụ thể là năng lượng xung, công suất đỉnh (giá trị đỉnh tức thời cao nhất của năng lượng xung, J/thời lượng xung) và công suất trung bình (công suất trung bình tính bằng Watt = năng lượng xung tính bằng joule x tần số lặp xung tính bằng Hz).

Tần số lặp xung và mật độ công suất đỉnh là các thông số quan trọng trong việc tạo vết khắc cũng như đạt được độ tương phản và tốc độ tối ưu. Các đường cong công suất theo tần số lặp xung tỷ lệ nghịch với nhau. Công suất đỉnh cao ở tần số thấp làm tăng nhanh nhiệt độ bề mặt, hóa hơi vật liệu trong khi truyền nhiệt tối thiểu vào vật liệu nền. Khi tần số lặp xung tăng, công suất đỉnh thấp hơn tạo ra sự hóa hơi tối thiểu nhưng truyền nhiều nhiệt hơn. Các yếu tố khác ảnh hưởng đến độ tương phản và chất lượng khắc dĩ nhiên còn bao gồm vận tốc chùm tia và khoảng cách giữa các đường vector.

Khắc laser “trực tuyến” (on-the-fly) được thực hiện trên các sản phẩm ép phun và đùn, chẳng hạn như dây/cáp, ống. Tốc độ khắc đối với nút chai rượu vang tổng hợp polyolefin và khuyến mãi in dưới nắp trên nắp chai đồ uống không lớp lót có thể đạt 2.000 sản phẩm/phút đối với chữ, số và hình đồ họa. Tốc độ khắc phụ thuộc vào nhiều biến số, bao gồm loại polymer, màu nền, loại và hàm lượng phụ gia khắc laser, kích thước (trọng lượng) cáp, loại và công suất laser, phần mềm, số lượng ký tự chữ số, chiều cao chữ, độ dài chuỗi văn bản, khoảng cách giữa các ký tự, mã vạch/ma trận dữ liệu, logo/hình đồ họa, phông chữ nét đơn hoặc true-type được tô đặc, hướng tô và văn bản liên tục hoặc lặp lại. Việc sử dụng đúng công thức phụ gia-chất tạo màu sẽ đảm bảo rằng “mật độ công suất” tại bề mặt khắc không phải là yếu tố giới hạn. Thay vào đó, các galvanometer điều hướng chùm tia sẽ hoạt động ở tốc độ tối đa.

Do tính phức tạp của các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng khắc trực tuyến trong sản xuất, mỗi ứng dụng cần được xem xét cẩn thận. Có rất ít, nếu có, quy tắc chung có thể áp dụng suy rộng. Tuy nhiên, để tham khảo tổng quát, hãy xem ví dụ sau với polymer nylon: laser sợi quang 50 watt, thấu kính trường phẳng 254mm, 100 ký tự chữ số, chiều cao 2mm, với chuỗi văn bản lặp lại dài 14,68 inch và thời gian khắc 0,232 giây. Tốc độ tính toán đạt xấp xỉ 315 feet dài/phút.

---