Phụ gia đột phá nâng cao khả năng khắc laser trên nhựa: độ tương phản, chi tiết cạnh nét khắc và tốc độ vượt trội

Phụ gia đột phá nâng cao khả năng khắc laser trên nhựa: độ tương phản, chi tiết cạnh nét khắc và tốc độ vượt trội

Thế hệ phụ gia khắc laser mới nhất được pha chế vào polymer là một bước tiến đáng kể về công nghệ, đã được chứng minh là vừa tạo điều kiện khả thi vừa tiết kiệm chi phí. Các công thức khoa học vật liệu tiên tiến đạt được độ tương phản vết khắc, chi tiết cạnh nét khắc và tốc độ vượt trội trên những loại nhựa mà theo truyền thống rất khó, thậm chí không thể khắc laser. Được thiết kế cho laser sợi quang, Vanadate và YAG giá hợp lý, các công thức này hoạt động trong vùng cận hồng ngoại 1060-1070 nm. Bài viết này thảo luận các ứng dụng khắc laser có độ tương phản màu tối và màu sáng, được thiết kế theo cơ chế “cacbon hóa bề mặt hóa nhiệt”. Đây là phản ứng bề mặt polymer phổ biến nhất và là con đường hóa học khác biệt rõ rệt so với cơ chế “tạo bọt” và “đổi màu”.

Các polymer trong suốt và bán trong suốt, gồm PVC, polycarbonate và polyolefin, nay được pha chế riêng biệt bằng phụ gia không chứa kim loại nặng, được FDA chấp thuận. Độ trong và đặc tính truyền phổ của polymer không bị ảnh hưởng. Bước đột phá này tạo ra vết khắc laser đen tuyền với lượng cặn cacbon hóa bề mặt tối thiểu trên các sản phẩm ống đùn “khắc trực tuyến” (on-the-fly) và trong các công đoạn thứ cấp. Khắc laser trực tuyến không dùng mực nay thay thế in ống đồng quay và in tampon. (Xem Ảnh A.)

Những điểm chính

• Được thiết kế cho dải cận hồng ngoại 1060–1070 nm, phù hợp với laser sợi quang, vanadate và YAG giá hợp lý.
• Cacbon hóa bề mặt hóa nhiệt là phản ứng bề mặt polymer phổ biến nhất và là trọng tâm của các công thức này.
• Không có phụ gia đơn lẻ nào giải quyết mọi vấn đề khắc — hóa học và cài đặt laser thay đổi theo độ tương phản mục tiêu.
• Nồng độ dao động từ 0,01% đến 4,0% theo khối lượng trong chi tiết cuối, với màu được điều chỉnh bằng bột màu và thuốc nhuộm.
• Khắc nhanh hơn đến 25% so với vật liệu chưa được tối ưu, ở nồng độ thấp chỉ từ 0,01% đến 2,0%.

Câu hỏi thường gặp

Phụ gia được pha chế tối ưu có thể giúp khắc nhanh hơn bao nhiêu?

Các nghiên cứu độc lập cho thấy mức cải thiện có ý nghĩa thống kê, thường nhanh hơn 25% so với vật liệu chưa được tối ưu, đạt được ở nồng độ rất thấp, khoảng 0,01% đến 2,0%. Vì thời gian khắc là chi phí chu kỳ trực tiếp, mức tăng tốc này nhanh chóng bù đắp phần chi phí phụ gia tăng thêm.

Yếu tố nào quyết định thời gian khắc một vết khắc?

Vật liệu nền polymer, số đường vector được vẽ, và tốc độ chùm tia cùng đầu quét galvanometer vẽ các đường đó. Phần mềm laser và kiểu tô vector — một chiều, hai chiều hoặc ngoằn ngoèo (serpentine) — cũng ảnh hưởng đến thời gian khắc.

Vì sao vật liệu nền tự nhiên đôi khi có màu xám sau khi thêm phụ gia?

Một số phụ gia chứa hỗn hợp oxit thiếc pha tạp antimon và antimon trioxit, tạo sắc hơi xám cho độ mờ đục của vật liệu nền tự nhiên không màu. Việc điều chỉnh màu bằng bột màu và thuốc nhuộm giúp đưa chi tiết trở lại màu mục tiêu.

Phụ gia được cung cấp dạng hạt hay dạng bột?

Cả hai. Sản phẩm dạng hạt trộn trực tiếp với nhựa polymer, trong khi dạng bột được chuyển thành masterbatch. Cả hai đều có thể được cung cấp dưới dạng vật liệu phối trộn sẵn hoặc masterbatch màu.

Một công thức khắc laser thực sự đòi hỏi chuyên môn gì?

Kiến thức về polymer và các cấp tính chất trong từng họ nhựa, cùng chất tạo màu, bột màu và thuốc nhuộm xét về độ hòa tan, kích thước hạt, giới hạn nồng độ ngưỡng, phối màu và các chứng nhận quy định, bao gồm GRAS và FDA tiếp xúc thực phẩm trực tiếp và gián tiếp.

Cơ chế phản ứng khắc laser trên polymer

Các polymer có thể khắc bằng laser là những polymer hấp thụ ánh sáng laser và chuyển năng lượng ánh sáng thành nhiệt năng. Vì hầu hết polymer không có đặc tính hấp thụ ở 1060-1070nm, các chuyên gia dùng phụ gia, chất độn, bột màu và thuốc nhuộm để tăng cường hấp thụ năng lượng laser nhằm tạo sự đổi màu cục bộ. Hóa học khoa học vật liệu để đạt độ tương phản cao và khắc laser màu vừa là nghệ thuật vừa là khoa học. Trái với quan niệm phổ biến, không tồn tại một loại phụ gia laser đơn lẻ giải quyết được mọi vấn đề khắc. Tùy vào độ tương phản và chức năng mong muốn, người ta sử dụng các hóa học công thức và thông số quang học/cài đặt laser rất khác nhau.

Cơ chế phản ứng bề mặt phổ biến nhất được gọi là “cacbon hóa” hay “than hóa” hóa nhiệt, (Xem Ảnh B.) trong đó năng lượng hấp thụ trong vật liệu nền làm nhiệt độ cục bộ của vật liệu xung quanh vị trí hấp thụ tăng đủ cao để gây phân hủy nhiệt polymer. Mặc dù điều này có thể dẫn đến cháy polymer khi có oxy, nguồn cung oxy hạn chế bên trong vật liệu nền khiến polymer bị than hóa tạo thành vết khắc có độ tương phản đen hoặc tối. Độ đậm hay nhạt của vết khắc phụ thuộc vào năng lượng hấp thụ cũng như con đường phân hủy nhiệt riêng của vật liệu.

Phụ gia laser cải thiện mức độ tương phản, và có thể tăng cường thêm bằng cách thay đổi các thông số cài đặt laser. Polymer vốn có đặc tính cho độ tương phản vết khắc “màu tối” hoặc “màu sáng”. (Xem Ảnh B.) Mỗi cấp chất tạo màu của polymer, ngay cả trong cùng một họ nhựa, có thể cho kết quả khác nhau. Các hợp chất tạo màu chứa lượng thấp TiO2, muội than và hỗn hợp oxit kim loại cũng hấp thụ ánh sáng laser và, trong một số trường hợp, cải thiện độ tương phản vết khắc.

Gia công sơ cấp, phụ gia laser và phối màu

Các phụ gia laser thương mại được cung cấp ở dạng hạt và dạng bột. Sản phẩm dạng hạt có thể trộn trực tiếp với nhựa polymer, trong khi dạng bột được chuyển thành masterbatch.

Một số phụ gia này chứa hỗn hợp oxit thiếc pha tạp antimon và/hoặc antimon trioxit, tạo sắc “hơi xám” cho độ mờ đục của vật liệu nền tự nhiên (không màu). Việc điều chỉnh màu được thực hiện bằng bột màu và thuốc nhuộm để đạt hình thức phối màu cuối cùng. Tùy theo phụ gia và polymer cụ thể, nồng độ theo khối lượng (trong chi tiết cuối) có thể dao động từ 0,01 phần trăm đến 4,0 phần trăm. Cả dạng hạt và dạng bột đều có thể được cung cấp dưới dạng vật liệu màu phối trộn sẵn hoặc masterbatch màu.

Trong quá trình tính toán nồng độ phụ gia laser/hóa học phối màu, không hiếm khi sản phẩm hoàn thiện chứa lượng phụ gia laser thấp hơn lượng đã tính. Vấn đề này hầu như luôn liên quan đến việc phân bố không đồng đều trong quá trình đùn hoặc ép khuôn. Những điều chỉnh đơn giản trên máy ép, như tăng áp suất ngược và tốc độ quay trục vít, sẽ giải quyết hầu hết các vấn đề. Việc phân bố/phân tán đồng nhất phụ gia laser trong toàn bộ chi tiết là then chốt để đạt hiệu suất khắc tối ưu. Đối với các công đoạn đùn, ép phun và tạo hình nhiệt, vật liệu phối màu sẵn cho độ đồng đều tốt hơn so với masterbatch màu. Nên tránh trộn thủ công. Dòng chảy khuôn và loại/vị trí cổng phun là các yếu tố quan trọng.

Tốc độ khắc nhanh hơn = tiết kiệm chi phí

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

Các nghiên cứu độc lập mới cho thấy có thể đạt tốc độ khắc nhanh hơn với ý nghĩa thống kê bằng cách đưa các công thức phụ gia laser vào ở nồng độ rất thấp, thường từ 0,01 phần trăm đến 2,0 phần trăm. Phụ gia laser được pha chế tối ưu giúp tiết kiệm chi phí và thường cho tốc độ khắc nhanh hơn 25 phần trăm so với công thức vật liệu chưa được tối ưu. Mức tăng tốc độ và chất lượng này bù đắp nhiều hơn phần chi phí phụ gia tăng thêm.

Bài “Khoa học về phụ gia laser” (Hình 1 ở trang 34) trình bày đồ thị phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) của hai loại polyethylene mật độ cao dùng cho nắp chai đồ uống không lót 28mm. Hai loại polymer này có nhiệt độ phân hủy nhiệt khác nhau – quá trình tạo ra vết khắc laser. Polymer có nhiệt độ cao hơn sẽ cần nhiều năng lượng laser hơn, tốc độ khắc thấp hơn hoặc nhiều phụ gia hấp thụ hơn để đạt cùng hình thức vết khắc.

Nếu không có phụ gia laser, một số sản phẩm công nghiệp nổi tiếng không thể được sản xuất với chi phí hiệu quả. Một ứng dụng thú vị là khắc laser “trực tuyến” (on-the-fly) cho chương trình khuyến mãi dưới nắp trên nắp chai đồ uống không lót. Các hệ thống chìa khóa trao tay có khả năng khắc đồ họa và ký tự chữ số riêng biệt với tốc độ lên đến 1.500 – 2.000 nắp mỗi phút. (Xem Ảnh B.)

Công nghệ laser

Những tiến bộ trong công nghệ laser đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển nhanh chóng của thế hệ phụ gia laser mới nhất. Sự xuất hiện của laser sợi quang nanô giây là một trong những tiến bộ quan trọng nhất cho khắc, hàn và cắt. Về bản chất, laser sợi quang khác với các laser khắc thể rắn khác. Với laser sợi quang, môi trường hoạt chất tạo ra chùm laser được phân tán bên trong một cáp quang chuyên dụng. Khác với laser truyền dẫn bằng sợi quang, toàn bộ đường đi của chùm tia nằm trong cáp quang cho đến tận quang học phân phối chùm tia.

Laser sợi quang cho chất lượng chùm tia và độ sáng vượt trội. Thước đo chất lượng chùm tia là M2. Giá trị M2 càng nhỏ thì chất lượng chùm tia càng tốt, trong đó M2 = 1 là chùm laser Gauss lý tưởng. Laser có chất lượng chùm tia vượt trội có thể hội tụ thành điểm có kích thước nhỏ, dẫn đến mật độ năng lượng cao. Laser sợi quang xung cố định và xung thay đổi với năng lượng xung lên đến 1 mJ và mật độ công suất cao có thể khắc nhiều loại polymer vốn khó khắc trước đây, gồm nylon, urethane và acetal. Laser Vanadate cũng có giá trị M2 nhỏ với độ rộng xung ngắn hơn laser sợi quang xung cố định và laser YAG. Độ rộng xung ảnh hưởng đến mức độ nhiệt và cacbon hóa vào trong vật liệu. Độ rộng xung ngắn có thể có lợi cho các ứng dụng polymer nhạy cảm.

Không phải mọi laser sợi quang, Vanadate và YAG điều hướng chùm tia đều giống nhau. Các thành phần phần cứng và phần mềm mà nhà sản xuất laser tích hợp vào hệ thống tạo ra khác biệt đáng kể về độ tương phản, chất lượng và tốc độ khắc. Một thông số chính là mật độ công suất (watt/cm²) tại bề mặt khắc (khác với công suất đầu ra thô của laser). Chế độ đầu ra của chùm laser có vai trò quyết định đối với hiệu suất khắc. 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 đường kính chùm laser.

Mật độ công suất phụ thuộc vào kích thước điểm laser hội tụ. Kích thước điểm laser hội tụ với thấu kính có tiêu cự và bước sóng laser nhất định phụ thuộc vào độ phân kỳ chùm tia, vốn được điều khiển bởi cấu hình laser, kích thước khẩu độ chọn mode và độ phóng đại của bộ mở rộng chùm tia (upcollimator).

Tần số lặp xung và mật độ công suất đỉnh là các thông số then chốt để tạo vết khắc và đạt độ tương phản cũng như tốc độ tối ưu. Các đường cong số học của công suất theo tần số lặp xung tỷ lệ nghịch với nhau. Công suất đỉnh cao ở tần số thấp làm nhiệt độ bề mặt tăng nhanh, làm bay hơi vật liệu trong khi truyền rất ít nhiệt vào vật liệu nền. Khi tần số lặp xung tăng, công suất đỉnh thấp hơn chỉ gây bay hơi tối thiểu nhưng truyền nhiều nhiệt hơn. Các yếu tố đóng góp khác ảnh hưởng đến độ tương phản và chất lượng vết khắc dĩ nhiên là vận tốc chùm tia và khoảng cách giữa các đường vector.

Kết luận

Thế hệ phụ gia khắc laser mới nhất được đưa vào polymer mang lại độ tương phản vết khắc, chi tiết cạnh nét khắc và tốc độ vượt trội. Khắc laser trực tuyến không dùng mực nay thay thế in ống đồng quay và in tampon. Những lợi ích này nhanh chóng bù đắp phần chi phí phụ gia vật liệu tăng thêm. Để đạt công thức hóa học khoa học vật liệu tối ưu cho khắc laser trên nhựa, cần có chuyên môn về polymer, các cấp tính chất trong từng họ polymer, chất tạo màu, bột màu và thuốc nhuộm xét về độ hòa tan, kích thước hạt, giới hạn nồng độ ngưỡng, phối màu và các chứng nhận quy định (GRAS, FDA tiếp xúc thực phẩm trực tiếp/gián tiếp). Các giải pháp khoa học vật liệu phải hiệu quả về chi phí, dễ sử dụng và không gây ảnh hưởng bất lợi đến tính chất vật lý và hóa học của polymer.

Lời cảm ơn

• Dr. Tony Hoult, IPG Photonics, “Laser Marking with Fiber Lasers”, Industrial Laser Solutions, September 2012.
• BASF Corporation Mark-it™ Laser Marking Pigment Technical Bulletin 2002, with technical content contributions from The Sabreen Group, Inc. Lasers&Optronics, July 1997.
• Bruce Mulholland (Hoechst Technical Polymers) and Scott Sabreen (The Sabreen Group, Inc.), “Enlightened Laser Marking”, Lasers&Optronics, July 1997.
• Daniel S. Burgess, Scott R. Sabreen and Carl Baasel Lasertechnik GmbH, Feature Article, “Laser Marking: A Clean Economical Packaging Solution”, Photonics Spectra, November 2001.

Scott R. Sabreen là người sáng lập và chủ tịch của The Sabreen Group, Inc., một công ty kỹ thuật chuyên về các quy trình sản xuất nhựa thứ cấp – khắc laser, tiền xử lý bề mặt, dán keo, trang trí và hoàn thiện bề mặt, cùng bảo mật sản phẩm. Sabreen đã phát triển các công nghệ tiên phong và giải quyết các vấn đề sản xuất trong hơn 30 năm. Quý khách có thể liên hệ theo số 972.820.6777 hoặc truy cập www.sabreen.com hoặc www.plasticslasermarking.com.

---