Làm thế nào để khắc laser trên nhựa? Khắc laser nhựa bằng phụ gia laser

Làm thế nào để khắc laser trên nhựa? Khắc laser nhựa bằng phụ gia laser

Điểm chính cần nhớ

• Polyamide là một trong những polymer khó khắc nhất, do đặc tính vật liệu, điều kiện ép phun và cấu hình laser rất đa dạng.
• Ba cơ chế bề mặt tạo ra độ tương phản — màu đen do carbon hóa, màu trắng do tạo bọt, và đổi màu ở polymer có bột màu.
• Các độ tương phản được yêu cầu nhiều nhất là trắng đục trên nền đen, đen bóng trên nền trắng và trắng đục trên nền xanh dương trung bình.
• Độ rộng xung 20 ns đến 50 ns là khoảng tối ưu cho laser MOPA trên nhiều loại polymer, kể cả nylon.
• Kiểm định Grade A thường được yêu cầu đối với sản phẩm quân sự, hàng không vũ trụ, ô tô và dược phẩm.

SABREEN cung cấp các giải pháp khắc laser nhựa sau:

• Công thức phối màu laser theo yêu cầu, tuân thủ quy định, mẫu thử nghiệm
• Tối ưu hóa quy trình ép phun, phân tán/phân bố, thử nghiệm phân tích
• Thiết kế và tích hợp hệ thống thiết bị laser, thị giác máy
• Giải quyết sự cố tại chỗ, tối ưu hóa quy trình laser, thiết kế đồ họa vector
• Chứng nhận an toàn laser, cán bộ an toàn laser (LSO)

Hãy để đội ngũ chuyên gia của chúng tôi đảm nhận nhu cầu khắc laser nhựa cho dự án tiếp theo của quý khách. Chúng tôi giành được sự tin cậy và tín nhiệm của mọi khách hàng, trong mọi hoàn cảnh. Văn hóa của chúng tôi tập trung vào việc đạt được các giải pháp sản xuất vượt trội và thúc đẩy tiến bộ công nghệ nhờ cam kết kiên định với sự xuất sắc. Mỗi chuyên gia của SABREEN Group đều nổi tiếng trong lĩnh vực của mình. THẤT BẠI KHÔNG PHẢI LÀ MỘT LỰA CHỌN!

Câu hỏi thường gặp

Làm thế nào để khắc laser trên nhựa?

Laser hồng ngoại gần — laser sợi quang ytterbium, vanadate hoặc Nd:YAG — truyền năng lượng mà polymer hấp thụ và chuyển thành nhiệt, tạo ra một trong ba thay đổi bề mặt: khắc đen do carbon hóa, khắc trắng do tạo bọt, hoặc đổi màu qua phản ứng hóa nhiệt của polymer có bột màu. Hầu hết polymer cần phụ gia tăng cường laser mới có thể hấp thụ được.

Vì sao nylon khó khắc laser đến vậy?

Polyamide, kể cả polyphthalamide, có đặc tính vật liệu, điều kiện ép phun và cấu hình laser rất đa dạng, và giống hầu hết polymer, chúng vốn không hấp thụ ánh sáng laser nên không đổi màu. Phụ gia hóa học tăng cường laser cải thiện đáng kể độ tương phản, tốc độ và độ bền.

Độ rộng xung nào phù hợp nhất với nylon?

Laser MOPA tạo độ rộng xung từ 1 ns đến 250 ns trở lên. The Sabreen Group nhận thấy 20 ns đến 50 ns là khoảng lý tưởng để có độ tương phản màu tối ưu trong nhiều ứng dụng polymer, kể cả nylon. Laser MOPA xung ngắn thay đổi được đặc biệt hiệu quả với các polymer nhạy nhiệt cần tránh carbon hóa quá mức.

Hàm lượng phụ gia điển hình là bao nhiêu?

Từ 0,01% đến 3,0% theo khối lượng trong chi tiết cuối cùng. Dạng hạt được trộn trực tiếp với nhựa, dạng bột được chuyển thành masterbatch. Sự phân bố và phân tán đồng nhất trong từng chi tiết quyết định độ tương phản có ổn định hay không.

Vì sao chất lượng vết khắc quan trọng đối với mã data matrix?

Bởi chuỗi dữ liệu càng dài thì các ô dữ liệu càng nhỏ và dày đặc. Chất lượng biên nét độ phân giải cao giúp các ô nhỏ dễ đọc khi khắc trực tiếp lên chi tiết. Kiểm định Grade A thường được yêu cầu trong các ứng dụng quân sự, hàng không vũ trụ, ô tô và dược phẩm, và các mã có độ tương phản cao cũng khắc nhanh hơn và có thể đọc bằng đầu đọc cầm tay giá rẻ.

Khắc laser nhựa – Giải pháp trọn gói cho khắc laser nhựa độ tương phản cao

Nhu cầu khắc laser độ tương phản cao trên các sản phẩm nhựa nylon (polyamide) đang tăng nhanh nhờ phạm vi ứng dụng công nghiệp rộng. Các dấu khắc chức năng và trang trí gồm nhận dạng chữ-số, mã thị giác data matrix/QR, sơ đồ và vi cấu trúc.

Polyamide, kể cả Polyphthalamide (PPA), là một trong những polymer khó khắc laser nhất do đặc tính vật liệu, điều kiện ép phun và cấu hình laser đa dạng. Phụ gia thông minh cho laser hồng ngoại gần giải quyết các vấn đề về độ tương phản vết khắc và tăng tốc độ khắc (rút ngắn chu kỳ) mà không ảnh hưởng đến đặc tính vật liệu.

Bài viết này giúp hiểu rõ về nylon, phụ gia hóa học và laser sợi quang để đạt màu sắc tương phản cao và vận hành khắc laser kinh tế.

Một thông số cơ bản để mô tả chất lượng vết khắc là độ tương phản màu giữa bề mặt được khắc và vật liệu nền. Có ba cơ chế bề mặt gây đổi màu khi dùng laser NIR, gồm laser sợi quang Ytterbium, Vanadate (Nd:YVO4) và Nd:YAG: 1) khắc đen do carbon hóa, 2) khắc trắng do tạo bọt và 3) đổi màu nhờ các phản ứng hóa nhiệt do laser cảm ứng trong polymer có bột màu1. Trong số các màu tương phản được yêu cầu nhiều nhất là trắng đục trên nền đen, đen bóng trên nền trắng và trắng đục trên nền xanh dương trung bình. Các tổ hợp màu này thường đòi hỏi phụ gia hóa học. Phụ gia cải thiện mức độ tương phản màu (khả năng hấp thụ ánh sáng laser), và hiệu quả còn được tăng thêm nhờ chọn laser và thông số khắc tối ưu.

Nylon (polyamide) là gì?

Polyamide, hay nylon, là nhóm nhựa nhiệt dẻo kỹ thuật và hiệu năng cao chính, chứa các liên kết amide lặp lại, tức là –CO-NH–. Chúng được tạo thành bằng cách ngưng tụ các đơn vị giống nhau, hoặc copolymer đối với các đơn vị khác nhau.

Nylon được tạo ra bằng phản ứng trùng ngưng giữa diacid với diamine hoặc bằng trùng hợp mở vòng của lactam có sáu, 11 hoặc 12 nguyên tử carbon2. Monomer nylon có thể là mạch thẳng (aliphatic), bán thơm hoặc thơm (aramid) và có cấu trúc từ vô định hình, bán tinh thể đến mức độ tinh thể hóa cao hay thấp hơn.

Các polyamide aliphatic được sản xuất với quy mô lớn hơn nhiều so với polyamide thơm hoàn toàn và là một trong những nhóm nhựa nhiệt dẻo kỹ thuật quan trọng nhất.

Hai polyamide quan trọng là poly(hexamethylene adipamide) (nylon 6,6) và polycaprolactam (nylon 6). Các polyamide aliphatic khác gồm nylon 12, 69, 6-10, 6-12, 46 và 1212. Nylon 11 là nhựa kỹ thuật gốc sinh học có nguồn gốc từ nguyên liệu tái tạo (cây thầu dầu).

Các polyamide bán thơm, bán tinh thể được tạo từ phản ứng ngưng tụ của các amide aliphatic gồm PA 6T & PA 6I. Polyamide bán thơm thường là giải pháp thay thế tiết kiệm chi phí cho aramid thơm hoàn toàn đắt đỏ hơn. Polyamide thơm, gọi là aramid, có độ bền cao hơn, khả năng kháng dung môi, chống cháy và chịu nhiệt tốt hơn, và độ ổn định kích thước lớn hơn so với amide aliphatic. Một amide thơm được biết đến rộng rãi là Kevlar, poly(p-phenylene terephthalamide).

Polyamide, kể cả Polyphthalamide (PPA), là một trong những polymer khó khắc laser nhất do đặc tính vật liệu, điều kiện ép phun và cấu hình laser đa dạng.

Polyphthalamide (PPA) là một nhóm con của nhựa tổng hợp nhiệt dẻo thuộc họ polyamide (nylon), được định nghĩa khi từ 55% mol trở lên của phần acid carboxylic trong đơn vị lặp lại của chuỗi polymer được cấu thành như vậy. PPA là bán thơm, bán tinh thể. PPA lấp đầy khoảng trống hiệu năng giữa các nylon aliphatic, như PA6,6 và PA6, và polyaramid đắt hơn nhiều.

Phụ gia “thông minh”

Một thông số để mô tả chất lượng vết khắc là độ tương phản màu giữa bề mặt được khắc và nền. Độ tương phản không phải lúc nào cũng đạt được nhờ chính sự đổi màu, mà cũng có thể đạt được nhờ sự nhiễu xạ ánh sáng thay đổi.

Quan trọng không kém là chất lượng và/hoặc độ trung thực của vết khắc, tức là độ phân giải nét mảnh hay độ sắc nét. Nhiều polymer, kể cả nylon, vốn không hấp thụ ánh sáng laser nên không đổi màu. Phụ gia hóa học tăng cường laser cải thiện đáng kể độ tương phản, tốc độ và độ bền của vết khắc (xem Hình 1). Màu vật liệu nền là một yếu tố vì các hợp chất như muội than, TiO2 và chất chống cháy có mức hấp thụ ánh sáng laser khác nhau.

Phụ gia laser được cung cấp ở dạng hạt và dạng bột. Sản phẩm dạng hạt được trộn trực tiếp với nhựa polymer, còn dạng bột được chuyển thành masterbatch. Nồng độ hàm lượng theo khối lượng (trong chi tiết cuối cùng) thường từ 0,01 đến 3,0%. Sự phân bố/phân tán đồng nhất của phụ gia laser trong từng chi tiết là yếu tố then chốt để đạt độ tương phản màu tối ưu.

Việc điều chỉnh màu được thực hiện bằng bột màu và thuốc nhuộm để đạt diện mạo phối màu cuối cùng. Một số phụ gia cụ thể đã được FDA phê duyệt 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 1.

Laser sợi quang Ytterbium

Laser sợi quang Ytterbium NIR gia nhập thị trường khắc công nghiệp vào khoảng năm 2010, thay thế laser YAG truyền thống. Laser sợi quang có chất lượng chùm tia (M2) vượt trội và độ sáng cao, có thể hội tụ thành điểm rất nhỏ (dưới 20 micron), dẫn đến mật độ năng lượng cao. Laser sợi quang cực kỳ linh hoạt, tiết kiệm chi phí và cắm là chạy với gần như không cần bảo trì.

Laser sợi quang nanosecond xung cố định (Q-switched) và xung thay đổi (MOPA) được nhiều hãng laser bán ra, gồm IPG Photonics và SPI Lasers. Laser sợi quang Q-switched, thường có độ rộng xung 100 đến 150 ns, được dùng cho một số ứng dụng khắc polymer, nhưng tần số lặp bị giới hạn ở khoảng 80 kHz do hạn chế vốn có của công nghệ Q-switching.

Laser sợi quang MOPA điều biến trực tiếp (DM-MOPA) hoạt động ở tần số lặp lên đến 500 kHz với độ rộng xung nanosecond. Độ rộng xung [ns] là thước đo khoảng thời gian giữa đầu và cuối xung, thường dựa trên độ rộng toàn phần ở nửa cực đại (FWHM) của dạng xung.

Tần số lặp cao nhìn chung dẫn đến tốc độ khắc nhanh hơn (kết hợp với các thông số laser/dạng sóng khác). Có sự khác biệt đáng kể về dạng sóng và mức độ carbon hóa bề mặt3 (xem Hình 1).

Việc kiểm soát cục bộ về không gian và thời gian đối với nhiệt đầu vào của laser và tốc độ cấp nhiệt cho phép đạt hiệu suất tối đa. Với các polymer nhạy nhiệt, laser sợi quang xung ngắn thay đổi được (MOPA) đặc biệt hiệu quả trong việc đạt độ tương phản cao mà không carbon hóa quá mức.

Có thể khắc dưới bề mặt trên nhựa trong suốt cho các ứng dụng y tế. Nhìn chung, laser MOPA tạo độ rộng xung (thời lượng xung) từ 1 ns đến 250 ns (và cao hơn). The Sabreen Group nhận thấy 20 ns đến 50 ns là khoảng lý tưởng để có độ tương phản màu tối ưu trong nhiều ứng dụng polymer, kể cả nylon.

Đối với độ tương phản khắc thẩm mỹ và chức năng, phụ gia laser tạo nên sự khác biệt then chốt khi cần độ phân giải cao, chất lượng biên nét và các ô dữ liệu nhỏ cho mã data matrix và mã vạch khắc trực tiếp lên chi tiết (DPM). Chuỗi dữ liệu càng dài thì các ô dữ liệu càng nhỏ và dày đặc.

Kiểm định Grade “A” thường được yêu cầu đối với sản phẩm quân sự, hàng không vũ trụ, ô tô và dược phẩm. Khả năng đọc mã có độ tương phản cao còn mang lại lợi ích bổ sung – tốc độ khắc nhanh hơn và có thể dùng đầu đọc cầm tay giá rẻ trong toàn nhà máy.

Kết luận

Tài liệu tham khảo

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

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

---