Phụ gia được FDA chấp thuận thúc đẩy khắc laser trực tuyến trên nhựa

Phụ gia được FDA chấp thuận thúc đẩy khắc laser trực tuyến trên nhựa

Tốc độ nhanh, độ tương phản vượt trội và tiết kiệm chi phí là những lợi ích đáng kể khi đưa các phụ gia mới được FDA chấp thuận vào polymer để khắc laser. Những đột phá về phụ gia hóa học tạo ra độ tương phản đen tuyền và màu sáng trên các sản phẩm ép khuôn và đùn, cả khi khắc “trực tuyến” (on-the-fly) lẫn trong các công đoạn thứ cấp. Được thiết kế cho laser sợi quang giá hợp lý, khắc laser trực tuyến không dùng mực nay thay thế in ống đồng quay và in tampon.

Ứng dụng sản phẩm: Nhiều loại polymer màu trong suốt, bán trong suốt và đục, gồm nylon, PET, polycarbonate, polyolefin, PVC, styrenic, TPU/TPE (cho thiết bị đeo), được pha chế riêng bằng phụ gia không chứa kim loại nặng, được FDA/EFSA (Cơ quan An toàn Thực phẩm châu Âu) chấp thuận để đạt chất lượng vết khắc có độ tương phản cao. Độ trong, khả năng truyền phổ và các tính chất vật lý cơ bản của polymer không bị ảnh hưởng. Khắc laser kỹ thuật số không tiếp xúc thay thế nhãn dán đắt tiền và các quy trình in mực hóa chất. Kết quả là ứng dụng hiệu quả về chi phí, thân thiện với môi trường và có tính thẩm mỹ vượt trội.

Khắc laser “trực tuyến” (on-the-fly) được thực hiện trên các sản phẩm ép khuôn và đùn, như dây/cáp, ống và đường ống.

Những điểm chính

• Ba phản ứng bề mặt tạo ra vết khắc — cacbon hóa (than hóa), tạo bọt và đổi màu chất tạo màu.
• Nồng độ từ 0,01–4,0% theo khối lượng trong chi tiết cuối, được chọn theo polymer, màu vật liệu nền, độ tương phản mục tiêu và yêu cầu chứng nhận.
• Phụ gia giúp khắc nhanh hơn 15% trở lên so với công thức chưa được tối ưu, và thay thế hoàn toàn in ống đồng quay và in tampon.
• Nguyên nhân thường gặp khiến chi tiết thành phẩm có hàm lượng phụ gia thấp là vấn đề phân tán, không phải sai sót định lượng — hãy tăng áp suất ngược và tốc độ trục vít.
• Các điều kiện A–H của 21 CFR 178.3297 bao quát phê duyệt tiếp xúc thực phẩm của FDA; đánh giá theo ISO 10993 mở rộng đến tính tương thích sinh học của thiết bị y tế.

Tốc độ khắc nút chai rượu vang tổng hợp polyolefin và khuyến mãi dưới nắp trên nắp chai đồ uống không lót có thể đạt 2.000 chi tiết mỗi phút đối với văn bản chữ số và đồ họa. Tốc độ khắc phụ thuộc vào nhiều biến số, gồm loại polymer, màu vật liệu nền, loại phụ gia laser và nồng độ, kích thước (khối lượng) cáp, loại laser và công suất, phần mềm, số ký tự chữ số, chiều cao chữ, độ dài chuỗi văn bản, khoảng cách giữa các ký tự, mã vạch/data matrix, logo/đồ họa, phông nét đơn hoặc true-type tô đầy, hướng tô và văn bản liên tục hoặc lặp lại. Sử dụng đúng phụ gia-chất tạo màu được pha chế sẽ đảm bảo “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 sự phức tạp của các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng khắc trong sản xuất trực tuyến, mỗi ứng dụng phải được xem xét kỹ lưỡng. Có rất ít quy tắc, nếu có, có thể ngoại suy. Tuy nhiên, để tham khảo chung, hãy xét ví dụ với polymer nylon sau: laser sợi quang 50 watt, thấu kính trường phẳng 254mm, 100 ký tự chữ số, chiều cao 2mm, gồm chuỗi văn bản lặp lại dài 14,68 inch với thời gian khắc 0,232 giây. Tốc độ tính toán xấp xỉ 315 feet dài mỗi phút.

Câu hỏi thường gặp

Những polymer nào có thể khắc bằng phụ gia laser được FDA chấp thuận?

Các polymer màu trong suốt, bán trong suốt và đục, gồm nylon, PET, polycarbonate, polyolefin, PVC, styrenic và TPU/TPE cho thiết bị đeo. Độ trong, khả năng truyền phổ và các tính chất vật lý cơ bản của polymer không bị ảnh hưởng.

Chi tiết thành phẩm của tôi chứa lượng phụ gia thấp hơn tính toán. Vì sao?

Hầu như luôn do phân bố không đồng đều trong quá trình đùn hoặc ép khuôn, chứ không phải sai sót định lượng. Tăng áp suất ngược và tốc độ quay trục vít giải quyết được hầu hết các trường hợp. Vật liệu phối trộn sẵn cho độ đồng đều tốt hơn masterbatch màu, và tuyệt đối nên tránh trộn thủ công.

Ba cơ chế phản ứng khi khắc laser là gì?

Cacbon hóa hay than hóa, trong đó năng lượng hấp thụ làm polymer phân hủy nhiệt để tạo vết khắc tối. Tạo bọt, trong đó phụ gia giải phóng hơi nước khi phân hủy để tạo vết khắc sáng bền trên vật liệu nền tối. Và đổi màu, trong đó năng lượng laser làm phân hủy một chất tạo màu trong hỗn hợp — ví dụ loại bỏ muội than để lại chất tạo màu vô cơ ổn định.

Khắc trực tuyến có thể chạy nhanh đến mức nào trong thực tế?

Tốc độ khắc nút chai rượu vang tổng hợp polyolefin và khuyến mãi dưới nắp trên nắp chai đồ uống không lót đạt 2.000 chi tiết mỗi phút. Một ví dụ tính toán với nylon — laser sợi quang 50 W, thấu kính trường phẳng 254 mm, 100 ký tự cao 2 mm, chuỗi lặp lại 14,68 inch, thời gian khắc 0,232 giây — cho tốc độ xấp xỉ 315 feet dài mỗi phút.

Vì sao vết khắc sáng dạng tạo bọt đôi khi bị trầy xước?

Do kiểm soát laser kém. Cơ chế tạo bọt đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ các thông số để polymer phân hủy ở nhiệt độ cao hơn phụ gia tạo bọt. Nếu không, vết khắc sẽ giòn, dễ vỡ hoặc có độ tương phản thấp và độ bền kém.

Cơ chế phản ứng khắc laser trên polymer

Những tiến bộ trong việc pha chế phụ gia laser dùng với laser cận hồng ngoại (bước sóng 1060-1080nm) là khả năng tương thích của chúng với laser sợi quang Ytterbium, Vanadate và laser Nd:YAG tiền nhiệm. Hầu hết polymer không có đặc tính hấp thụ cận hồng ngoại nếu không có phụ gia hóa học. Các polymer có thể khắc bằng laser là những polymer hấp thụ ánh sáng laser và chuyển năng lượng ánh sáng thành nhiệt năng. 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. 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, 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. 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. Bằng cách tối ưu cài đặt laser, lượng cặn cacbon hóa bề mặt sẽ ở mức tối thiểu.

Phản ứng bề mặt thứ hai là biến đổi hóa học thông qua các phụ gia giải phóng hơi nước khi phân hủy, gây ra hiện tượng tạo bọt trong polymer. Trong quá trình tạo bọt, năng lượng laser được hấp thụ bởi một phụ gia nằm sát chất tạo bọt. Nhiệt từ chất hấp thụ làm chất tạo bọt phân hủy và giải phóng hơi nước. Nhờ kiểm soát chặt chẽ các thông số vận hành laser, có thể tạo ra vết khắc sáng chất lượng cao và bền trên vật liệu nền tối. Kiểm soát laser kém có thể tạo ra vết khắc giòn, dễ vỡ hoặc có độ tương phản thấp, dễ bị trầy xước (độ bền kém).

Thứ ba, năng lượng laser được dùng để gia nhiệt/phân hủy một chất tạo màu trong hỗn hợp chất tạo màu, dẫn đến sự đổi màu. Ví dụ là hỗn hợp muội than và một chất tạo màu vô cơ ổn định. Khi được gia nhiệt, muội than bị loại bỏ, để lại chất tạo màu vô cơ. Các hệ chất tạo màu hỗn hợp này phụ thuộc vào độ ổn định của từng chất tạo màu và không phải mọi sự đổi màu đều khả thi.

Phụ gia laser

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”. Một số hợp chất tạo màu chứa lượng thấp titanium dioxide (TiO2) và muội than cũng có thể hấp thụ ánh sáng laser và, trong một số trường hợp, cải thiện độ tương phản vết khắc. Mỗi cấp polymer, ngay cả trong cùng một họ polymer, có thể cho kết quả khác nhau. Công thức phụ gia không được gây độc hại hoặc ảnh hưởng bất lợi đến hình thức, tính chất vật lý hay chức năng của sản phẩm.

So với các quy trình in mực (in tampon/in lụa và in phun), phụ gia laser giúp tiết kiệm chi phí và cho tốc độ khắc nhanh hơn 15 phần trăm (hoặc hơn) so với công thức vật liệu chưa được tối ưu. Phụ gia laser 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. Hầu hết đều dễ phân tán trong polymer. Tùy theo phụ gia và polymer, nồng độ theo khối lượng (trong chi tiết cuối) dao động từ 0,01 phần trăm đến 4,0 phần trăm.

Cả dạng hạt và dạng bột đều có thể được trộn vào vật liệu màu phối trộn sẵn hoặc masterbatch màu. Việc chọn phụ gia nào phụ thuộc vào thành phần polymer, màu vật liệu nền, màu tương phản vết khắc mong muốn và yêu cầu chứng nhận sử dụng cuối. Một số phụ gia chứa hỗn hợp oxit thiếc pha tạp antimon và antimon trioxit, có thể tạo sắc “hơi xám” cho độ mờ đục của vật liệu nền tự nhiên (không màu). Các phụ gia khác có thể chứa hạt nhôm, hỗn hợp oxit kim loại và các hợp chất độc quyền. Việc điều chỉnh màu được thực hiện bằng bột màu và thuốc nhuộm để đạt hình thức phối màu cuối cùng. Một số phụ gia thương mại chuyên dụng (cũng dùng 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 Chất tạo màu cho polymer. Đối với Liên minh châu Âu, có các tuyên bố tuân thủ tương tự. Điều kiện chứng nhận đặc thù theo loại polymer, ngưỡng nồng độ và kiểu tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp. Việc đánh giá thêm các phụ gia được FDA chấp thuận khi trộn vào “chi tiết cuối” có thể đạt được tính tương thích sinh học của thiết bị y tế (tham chiếu Tiêu chuẩn quốc tế ISO-10993).

Các yếu tố cần cân nhắc khi gia công

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.

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 được FDA chấp thuận mới nhất. Sự xuất hiện của laser sợi quang Ytterbium 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 so với laser Nd:YAG. Một 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 (MOPA) 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. 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 (hơn) có thể có lợi cho các ứng dụng polymer nhạy cảm.

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

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

• Tần số lặp xung (thường gọi là tần số xung)
• Công suất bơm theo phần trăm (100 phần trăm là mức điện năng đầu vào tối đa có thể cấp cho các diode bơm)

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

• Độ rộng xung (thường gọi là độ dài xung)
• Tần số lặp xung (tần số xung)
• Công suất bơm theo phần trăm (100 phần trăm là mức điện năng đầu vào tối đa có thể cấp cho các diode bơm)

Ở cả hai đồ thị ở trang trước, tổ hợp thông số đầu vào cụ thể quyết định các đặc tính đầu ra của chùm laser, cụ thể là năng lượng xung, công suất đỉnh (đỉnh tức thời cao nhất của năng lượng xung, J/độ rộng 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).

Không phải mọi laser sợi quang, Vanadate và YAG điều hướng chùm tia đều giống nhau. Các thành phần phần cứng và phần mềm được tích hợp vào hệ thống của nhà sản xuất laser 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 laser được FDA chấp thuận 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 (on-the-fly) nay thay thế in ống đồng quay và in tampon. Những tiến bộ trong công nghệ laser sợi quang giá hợp lý đóng vai trò quan trọng. Những lợi ích này nhanh chóng bù đắp phần chi phí phụ gia vật liệu tăng thêm. Hóa học khoa học vật liệu tối ưu cho khắc laser trên nhựa đòi hỏi chuyên môn về 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). Không phải mọi laser đều giống nhau.

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.
• 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, & 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.

---