Khắc Laser Trên Nhựa, Phụ Gia Khắc Laser

Khắc laser trực tiếp lên chi tiết nhựa bằng laser công nghiệp

Khắc laser trên chi tiết nhựa, khắc chìm bằng laser và khắc ăn mòn bằng laser sử dụng chất tạo màu và phụ gia nhạy laser được phối trộn vào hợp chất nhựa giúp tạo ra độ tương phản, chất lượng vượt trội, tốc độ khắc nhanh hơn và chi phí thấp hơn. Phụ gia khắc laser có hiệu quả cao với nhiều loại nhựa, bao gồm ABS, Acetal, Nylon, Polycarbonate, PET/PETG, Polyethylene, Polypropylene, Polyester, PVC, PPS, Polyurethane, cao su/vật liệu đàn hồi, Styrene và nhiều loại khác. Cơ chế khắc laser bao gồm carbon hóa, biến đổi hóa học, đổi màu và bào mòn (ablation) ở các bước sóng NIR 1060-1080nm, Green 532nm và UV 355nm.

Khắc laser trên chi tiết nhựa

Cơ chế khắc laser

The Sabreen Group là đơn vị đầu tiên phát triển phụ gia hóa học khắc laser “thông minh” (Smart) và tích hợp hệ thống thiết bị laser để khắc trên linh kiện điện tử Hàng không vũ trụ, Quân đội Mỹ/NASA từ năm 1992. Chuyên môn của SABREEN đảm bảo quy trình khắc laser đạt chất lượng vượt trội, với hơn 45 năm kinh nghiệm thực tế trong lĩnh vực phụ gia khắc laser, polymer & chất tạo màu, nguồn laser, thiết kế hệ thống, chế tạo & tích hợp, tuân thủ quy định và quy trình ép phun.

Phụ Gia Khắc Laser Cho Nhựa

Cách Khắc Laser Trên Nhựa Nylon

Laser Sợi Quang Để Khắc Nhựa

Khắc Laser Trên Nhựa Gia Cường Sợi Thủy Tinh

Phụ Gia Laser Nâng Cao Hiệu Quả Khắc Laser

Khắc Laser Trên Dây Chuyền Sản Xuất Nhựa

Công Nghệ Khắc Laser Trên PPS

Chất Tạo Màu Và Phụ Gia Khắc Laser

Không Phải Loại Nhựa Nào Cũng Khắc Giống Nhau!

Khắc laser trên nhựa có độ tương phản cao phụ thuộc vào chất tạo màu, bột màu/thuốc nhuộm, cường độ màu, chất chống trầy xước và đôi khi cả phụ gia đặc biệt để hấp thụ năng lượng laser hồng ngoại nhằm tạo ra biến đổi vật lý và hóa học trong polymer. Chất tạo màu và phụ gia được cung cấp dưới dạng masterbatch, hạt phối trộn sẵn hoặc dạng bột để bổ sung trong quá trình ép phun ban đầu. Sự phân tán và phân bố đồng đều của chất tạo màu và vật liệu tối ưu cho laser có vai trò then chốt để đạt kết quả khắc ổn định.

Khắc laser trên nhựa có độ tương phản cao

SABREEN sử dụng carbon black và titanium dioxide chuyên dụng cho laser để tạo ra chất lượng tương phản và chi tiết đường nét vượt trội so với các hợp chất tạo màu thông thường. Nhựa chứa sai loại hoặc sai hàm lượng carbon black hay titanium dioxide sẽ cho kết quả khắc kém chất lượng và khó đọc. Chúng tôi có nhiều giải pháp thay thế cho oxit thiếc pha antimon dành cho các ứng dụng yêu cầu tuân thủ FDA và quy định liên quan.

Chuyên Gia Khắc Laser Công Nghiệp

Giải Pháp Toàn Diện Một Đầu Mối Cho Khắc Laser Trên Nhựa – Từ Khoa Học Vật Liệu Đến Tích Hợp Hệ Thống Theo Yêu Cầu.

Dịch Vụ Kỹ Thuật

• 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.
• Thiết kế hệ thống thiết bị laser, tích hợp hệ thống chìa khóa trao tay & đào tạo, thị giác máy, giao diện HMI theo yêu cầu, tài liệu quy trình.
• Xử lý sự cố tại hiện trường (mọi địa điểm trên toàn cầu), phân tích quy trình laser & tối ưu hóa hệ thống, thiết kế đồ họa vector theo yêu cầu.
• Chứng nhận an toàn laser, ứng dụng trọn gói bao gồm thiết kế & vỏ bọc an toàn CDRH Class 1, cán bộ an toàn laser (LSO) phục vụ kiểm tra nội bộ.
• Ép phun nhựa & phân tích kỹ thuật, dòng chảy khuôn, phân tán/phân bố phụ gia-chất tạo màu.
• Dịch vụ khắc gia công theo đơn hàng

Cơ Chế Khắc Laser

Đối với khắc laser trên nhựa, cơ chế thực hiện là chiếu xạ polymer bằng nguồn bức xạ năng lượng cao, ví dụ laser sợi quang Ytterbium. Năng lượng bức xạ được vật liệu hấp thụ cục bộ và chuyển hóa thành nhiệt năng, từ đó gây ra phản ứng trong vật liệu nền polymer mục tiêu. Đối với khắc laser trên nhựa hoạt động ở dải cận hồng ngoại, có ba loại phản ứng bề mặt: 1) Carbon hóa hoặc cháy xém, 2) Biến đổi hóa học tạo bọt và 3) Đổi màu do phân hủy. Tất cả các phản ứng bề mặt này đều có thể đạt được bằng một loại laser duy nhất bằng cách thay đổi thông số cài đặt (công suất, tần số xung, tốc độ khắc) trong phần mềm khắc laser. Laser CO2 sóng liên tục (CW) hoạt động ở bước sóng 10.6 micron (dải hồng ngoại xa). Laser CO2 CW có công suất đỉnh thấp và không thể tạo ra vết khắc có độ tương phản cao trên nhựa.

Giải Pháp Khắc Laser

Giải pháp khắc laser công nghiệp. Nhựa và chất tạo màu, phụ gia khắc laser, ép phun, laser và quang học, tích hợp hệ thống.

Phụ Gia Và Chất Tạo Màu Khắc Laser

Phụ gia khắc laser giúp tiết kiệm chi phí, tạo độ tương phản vết khắc vượt trội và tốc độ khắc nhanh hơn.

Công Nghệ Mới

Một công thức phụ gia duy nhất có thể tạo ra độ tương phản khắc laser đen tuyền và trắng đục trong cùng một chu kỳ. Giải pháp lý tưởng để thay thế nhãn dán và in mực trên chai nhựa và sản phẩm đúc. Tuân thủ FDA.

Ứng Dụng Khắc Laser Trên Nhựa

Cần Gạt Nội Thất Ô Tô

Thẻ Nhân Viên Thông Minh Đạt Giải Thưởng, RFID.

Cổ Bình Nhiên Liệu Ô Tô Không Nắp Đậy

Ống dẫn y tế, tuân thủ FDA cho các thủ thuật phẫu thuật xâm lấn. Khắc laser tức thời (on-the-fly) thay thế in mực.

Độ tương phản khắc laser đen tuyền. Phụ gia mới tuân thủ FDA. Không chứa kim loại nặng oxit/trioxit thiếc-antimon. Lý tưởng cho vật nuôi.

Khắc laser tức thời (on-the-fly) trên nắp chai đồ uống không lớp lót. Phụ gia tuân thủ FDA. Tốc độ khắc 2,000 nắp/phút. HDPE, PE, Polypropylene và nhiều loại khác.

Khắc Laser Trên Nhựa Bằng Laser Sợi Quang Công Nghiệp

Laser sợi quang Ytterbium, MOPA và xung cố định là lựa chọn lý tưởng để khắc và khắc chìm trên nhựa. Chức năng của laser khắc là chiếu xạ bề mặt chi tiết (polymer) bằng nguồn bức xạ năng lượng cao cục bộ (laser). Năng lượng bức xạ sau đó được vật liệu hấp thụ và chuyển hóa thành nhiệt năng. Nhiệt năng gây ra các phản ứng “nhiệt-hóa học” trong vật liệu. Cường độ bức xạ laser (irradiance) và mật độ năng lượng (fluence) là các thông số then chốt trong khắc nhựa. Cường độ chịu ảnh hưởng bởi tần số xung, công suất laser, kích thước điểm hội tụ và độ rộng xung. Mật độ năng lượng chịu ảnh hưởng bởi cường độ chùm tia, tốc độ quét, độ chồng xung và đường kính chùm tia hội tụ. Các thông số cường độ và mật độ năng lượng laser được cân chỉnh cẩn thận theo loại nhựa để đạt chất lượng tối ưu.

Tất cả

ABS

Acetal

Nylon

Polycarbonate

Polyphenylene Sulfide

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 mục tiêu với độ xuyên thấu tối thiểu. Thông tin thường ở dạng văn bản chữ-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 (beam-steered) (và thế hệ trước 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 & hiệu suất công suất (công suất đỉnh & công suất trung bình) riêng của chúng. Quang học bay (flying optics) là một phương pháp thay thế để khắc chi tiết. Một số màu nhất định của vật liệu polymer cụ thể cũng có thể được khắc bằng các 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 dải bước sóng cận hồng ngoại, bao gồm cháy xém, 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 carbon hóa hoặc cháy xém 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 ra sự phân hủy nhiệt của polymer. Khi có oxy, điều này dẫn đến sự cháy của polymer, nhưng bên trong chi tiết gia công, lượng oxy hạn chế khiến polymer bị cháy xém 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 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 nóng chảy, với độ xuyên thấu tối thiểu. Độ sâu của vết khắc ăn mòn bằng laser thường không quá 0.001”. Ví dụ: Nút bấm ô tô ban ngày/ban đêm.

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

Khắc chìm bằng laser là quy trình sâu hơn so với khắc ăn mòn bằng laser và khắc laser. 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 chọn lọc màu (màu lõi & 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 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 laser đối với một tiêu cự thấu kính và bước sóng laser cho trước 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 (thông qua Q-switch âm-quang) và mật độ công suất đỉnh là các thông số then chốt trong việc hình thành vết khắc và đạt được độ tương phản cũng như 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 nhiều nhiệt hơn. Vận tốc chùm tia (tốc độ di chuyển của chùm tia laser trên bề mặt gia công) cũng là một yếu tố then chốt.

Phụ gia khắc laser giúp cải thiện mức độ tương phản, có thể tăng cường hơn nữa bằng cách thay đổi thông số cài đặt laser. Polymer có 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 giúp cải thiện độ tương phản khắc. Ngay cả trong cùng một họ polymer, mỗi cấp độ polymer có thể cho kết quả khác nhau. Công thức phụ gia không được gây độc hoặc ảnh hưởng bất lợi đến hình thức bên ngoài hoặc tính chất vật lý, chức năng của sản phẩm.

So với các quy trình in mực (in tampon/in lụa và in phun), phụ gia khắc laser giúp tiết kiệm chi phí và cho tốc độ khắc nhanh hơn 15% (hoặc nhiều hơn) so với công thức vật liệu chưa tối ưu. Phụ gia khắc laser được cung cấp dưới dạng hạt granulate và dạng bột. Sản phẩm dạng hạt có thể phối trộn trực tiếp với nhựa nền (resin), trong khi dạng bột được chuyển thành masterbatch. Hầu hết đều dễ dàng phân tán trong polymer. Tùy theo phụ gia và loại polymer, nồng độ nạp theo trọng lượng (trong chi tiết thành phẩm) dao động từ 0.01% đến 4.0%.

Cả dạng hạt và dạng bột đều có thể được phối trộn vào vật liệu màu phối trộn sẵn hoặc dạng cô đặc màu (color concentrate). Việc lựa chọn phụ gia để đưa vào phụ thuộc vào thành phần polymer, màu vật liệu nền, màu tương phản khắc mong muốn và yêu cầu chứng nhận cho mục đích sử dụng cuối. Một số phụ gia chứa hỗn hợp oxit thiếc pha antimon và antimon trioxide có thể tạo ra sắc “xám” cho độ đục tự nhiên (chưa nhuộm 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 ngoại hình 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 sử dụng trong 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, cũng có các quy định tuân thủ tương tự. Điều kiện chứng nhận được quy định riêng theo loại polymer, ngưỡng nồng độ nạp và tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp. Việc thẩm định thêm đối với các phụ gia được FDA chấp thuận khi phối trộn vào “chi tiết thành phẩm” có thể đạt được khả năng tương thích sinh học cho thiết bị y tế (tham chiếu Tiêu chuẩn Quốc tế ISO-10993).

Đạt Được Tốc Độ Khắc Nhanh Hơn

Thời gian cần thiết để khắc một chi tiết là hàm số của vật liệu nền polymer, số lượng đường vector được vẽ và tốc độ đầu quét chùm tia laser/gương quét (galvanometer) vẽ tất cả các đường đó. Phần mềm laser và kiểu tô vector, một chiều, hai chiều hoặc kiểu rắn bò (serpentine), cũng có thể ảnh hưởng đến thời gian khắc.

Các nghiên cứu độc lập mới cho thấy có thể đạt được tốc độ khắc nhanh hơn đáng kể về mặt 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) cho hai loại polyethylene mật độ cao. Hai loại polymer này thể hiện nhiệt độ phân hủy nhiệt khác nhau – 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 ngoại hình vết khắc tương đương.

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.

Quy Trình Ép Phun Ban Đầu

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

Một kỹ thuật là lập trình laser điều hướng chùm tia để khắc (quét) liên tục toàn bộ bề mặt sản phẩm. Hình bên trái (từ trái sang phải) là bút viết ép phun cho thấy 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 Quy Trình

Trong quá trình nạp phụ gia laser/hóa học 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 sự 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 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 trộn màu sẵn (precolor) cho độ đồng nhất tốt hơn so với dạng cô đặc màu. Nên tránh trộn thủ công. Dòng chảy khuôn và loại/vị trí cổng phun là các yếu tố quan trọng.

Không phải laser nào cũng 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 vật liệu nền nhựa, chất lượng khắc, tốc độ, hiệu suất laser, độ tương phản (tối trên nền sáng, sáng trên nền tối, hoặc theo 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 (Chế Độ Điện Từ Ngang) hoặc bất kỳ chế độ trung gian nào, bao gồm cả Chế Độ Bậc Thấp (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 đường kính chùm tia laser.

Chùm tia laser TEM00 có thể được hội tụ đến kích thước điểm nhỏ nhất mà hệ quang học hội tụ cho phép, và sự phân bố năng lượng trong chùm tia laser TEM00 mạnh nhất ở tâm và 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 ký tự chữ-số nét đơn, phông chữ true-type được tô đặc và hình đồ họa phức tạp, nhờ khả năng đạt được điểm hội tụ nhỏ với mật độ công suất rất cao, tạo ra đường nét rất mảnh với các cạnh sắc nét có thể vẽ nhanh chóng. Hầu hết các ứng dụng trên nhựa đạt tối ưu khi sử dụng chùm tia laser gần TEM00 hoặc TEM00.

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

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

Về cơ bản, laser sợi quang khác với các loại laser khắc thể rắn khác. Với laser sợi quang, môi trường hoạt động tạo ra chùm tia laser được phân tán bên trong một cáp sợi quang chuyên dụng. Khác với laser dẫn sợi quang, toàn bộ đường truyền của chùm tia nằm bên trong cáp sợi quang cho đến tận hệ quang học dẫn chùm tia.

Những tiến bộ trong công nghệ laser đã đóng vai trò then chốt cho sự phát triển nhanh chóng của thế hệ phụ gia khắc laser mới nhất được FDA chấp thuận. Sự xuất hiện của laser sợi quang Ytterbium xung nano giây là một trong những tiến bộ quan trọng nhất cho khắc, hàn và cắt. Về cơ bản, laser sợi quang khác với các loại laser khắc thể rắn khác. Với laser sợi quang, môi trường hoạt động tạo ra chùm tia laser được phân tán bên trong một cáp sợi quang chuyên dụng. Khác với laser dẫn sợi quang, toàn bộ đường truyền của chùm tia nằm bên trong cáp sợi quang cho đến tận hệ quang học dẫn chùm tia.

Laser sợi quang cho chất lượng chùm tia và độ sáng vượt trội so với laser Nd:YAG. Một chỉ số đánh giá 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 gian xung ảnh hưởng đến mức độ nhiệt và carbon hóa vào 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 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 quyết định bởi đặc tính đầu ra của laser khi tương tác với vật liệu polymer đã tối ưu hóa. Tham khảo các biểu đồ bên dưới, thể hiện Dạng Xung Theo Thời Gian Của Laser Sợi Quang Ytterbium Xung Cố Định Và Xung Biến Đổi (MOPA) – IPG Photonics.

Hình minh họa 1. 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. 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 gian 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, sự kết 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 (đỉnh tức thời cao nhất của năng lượng xung, J/thời gian 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 then chốt trong việc hình thành vết khắc và đạt được độ tương phản cũng như tốc độ tối ưu. Đường cong toán học giữa công suất và 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 tất nhiên còn có vận tốc chùm tia và khoảng cách giữa các đường vector.

Khắc laser “tức thời” (on-the-fly) được thực hiện trên các sản phẩm đúc và đùn, chẳng hạn như dây/cáp, ống và ống dẫn. Tốc độ khắc đối với nút chai rượu tổng hợp polyolefin và khuyến mãi dưới nắp trên nắp chai đồ uống không lớp lót có thể đạt 2,000 chi tiết/phút đối với văn bản chữ-số và hình đồ họa. Tốc độ khắc là hàm số của nhiều biến số, bao gồm loại polymer, màu vật liệu 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 “mật độ công suất” tại bề mặt khắc không phải là yếu tố giới hạn. Thay vào đó, các gương quét 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 tức thời trong sản xuất, mỗi ứng dụng cần được xem xét chính xác. Có rất ít, nếu có, quy tắc chung có thể áp dụng suy rộng. Tuy nhiên, để minh họa tổng quát, hãy xem xét ví dụ sau với polymer nylon: laser sợi quang 50 watt, thấu kính trường phẳng 254mm, 100 ký tự chữ-số, chiều cao 2mm, tạo thành chuỗi văn bản lặp lại dài 14.68 inch với thời gian khắc 0.232 giây. Tốc độ tính toán được là khoảng 315 feet dài/phút.

---