LASER CODING: Cách để chọn laser phù hợp nhất với nhu cầu khắc

Việc lựa chọn laser phù hợp nhất cho công việc khắc quả không dễ dàng khi có hàng ngàn sự lựa chọn về loại laser và các linh kiện liên quan. Việc nắm rõ các thuộc tính laser và đặc tính vật liệu là khá cần thiết để đưa ra lựa chọn tối ưu nhất.

Trong quá trình khắc bằng laser, loại vật liệu, chất lượng code cần có, và tốc độ khắc luôn giữ vai trò quan trọng quyết định việc lựa chọn laser phù hợp. Mặc dù laser rắn bức xạ sóng liên tục (solid-state continuous-wave) và laser khí CO2 thường dùng để để khắc, nhưng chúng không được sử dụng để khắc trên kim loại, bài viết này sẽ tập trung đề cập đến laser rắn bức xạ sung (solid-state pulsed laser). Với loại laser này, có rất nhiều lựa chọn công nghệ để lựa chọn một loại laser rắn bức xạ xung phù hợp. Bao gồm Nd:YAG, Nd:YVO4 (Vanadate), và fiber laser, mỗi loại laser đó có ưu và nhược điểm sẽ được đề cập trong bài viết.

Cách mà vật liệu được khắc hấp thụ tia laser với bước sóng cụ thể như thế nào cũng là một điểm cần lưu ý. Kim loại đen và màu có khả năng hấp thụ tốt với laser có bước sóng 1064nm, trong khi kim loại hiếm chỉ hấp thụ laser với bước sóng 355nm và 532nm. Nhựa cũng có thể hập thụ laser ở bước sóng cao hơn (Hình 1).

Công nghệ laser

Laser Nd:YAG ra đời hơn 25 năm trước và là mũi nhọn chính của ngành. Ban đầu, dùng bóng đèn để làm năng lượng kích hoạt (lamp-pumped), nhưng dần đươc thay thế bằng đi-ốt để kích hoạt và sau này trở nên phổ biến. Hệ thống đi-ốt nền khá linh hoạt với thời gian hoạt động dài (MTBF). Nhiều nhà sản xuất mong muốn đạt được 35000 giờ hoạt động trước khi đi-ốt bị hỏng. Một lợi thế của laser Nd:YAG là chất lượng tia laser vì độ tụ tốt. Vì độ tụ tốt, kèm theo với xung ngắn nên sản sinh ra năng lượng lớn, phù hợp cho việc khắc sâu với các ký tự nhỏ, bền và rõ.

Laser vanadate có thể phóng ra 3 tia có bước sóng khác nhau: 1064nm, 532nm (màu xanh lá) và 355nm (màu xanh dương). Loại laser này cũng sử dụng đi-ốt để làm năng lượng kích hoạt và có chất lượng chùm tia với độ ổn định xung tiếp nối xung (pulse-to-pulse stability), điều này giúp chúng phù hợp với các ứng dụng khắc ăn mòn và khắc vùng nhiệt ảnh hưởng (heat-affected zone, HAZ). Một ứng dụng khác mà laser vanadate đem lại là khắc ngày/đêm – một ứng dụng tự động khắc món lớp phủ trên cùng, để lộ lớp bề mặt vật liệu dưới mà không làm hư hỏng nó.

Khoảng 6 năm về trược, fiber laser được ra đời trong thị trường laser coding và trở thành đề tài được bàn luận gần như mỗi khi laser được đề cập. Fiber laser không có chất lượng chùm tia như Nd:YAG hay laser vanadate, nên không có khả năng sinh ra năng lượng lớn. Fiber laser có thể tôi luyện thép không gỉ nhờ vào độ rộng của xung và điểm tụ lớn. Điều đáng lưu ý là chỉ có một số ít nhà sản xuất fiber laser cho phép một bên thứ ba tiếp cận nguồn laser trong việc tích hợp hệ thống khắc.

Trong việc giá vận hành và tiêu thụ, cả 3 công nghệ laser này gần như là giống nhau, nên người dùng cuối có thể chọn công nghệ laser tối ưu nhất mà không cần quan tâm việc giá cả quá chênh lệch. Nhưng cũng cần lưu ý là năng lượng đầu ra của tất cả các laser rắn giảm đi theo thời gian, nhưng cũng có thể điều chỉnh hệ thống để bảo toàn mức năng lượng của chùm laser như ngày mới xuất xưởng. Việc này giúp laser có thể đảm bảo chất lượng của code và tốc độ làm việc như ngày đầu làm việc.

Đặc tính chùm tia—Chất lượng chùm tia được đánh giá với thang M2, được sử dụng bởi nhiều nhà sản xuất. Chùm tia Gaussian có chỉ số M2 là 1 giúp nó có điệm tụ nhỏ nhất so với bước sóng và thấu kính sử dụng. Chùm tia có chất lượng tốt nhất có trong công nghệ laser  Nd:YAG và laser vanadate là với chỉ số M2 là 1.2. Công nghệ fiber laser thường có chỉ số là 1.7, điều này có nghĩa là điểm tụ lớn và mật độ năng lượng ít hơn. Về cơ bản là chất lượng chùm tia tốt hơn sẽ sinh ra tia có độ rộng nhỏ hơn, sắc nét hơn, tốc độ ghi nhanh hơn (vì mật độ năng lượng dày hơn) và khắc sâu hơn. Chất lượng chùm tia tốt có thể mang lại độ sâu tập trung hơn là tia có chất lượng chùm kém. Ví dụ, khắc trên bề mặt cong khi sử dụng laser với chỉ số 1.2, sẽ cho dấu giòn và với độ sâu tập trung thể hiện rõ hơn với laser fiber, với chỉ số M2 cao hơn.

Độ lập xung — Laser YAG và vanadate có điểm khác so với laser fiber khi nhắc đến năng lượng đỉnh và khoảng tần số lăp xung. Thời gian phát xung của hệ thống fiber có thể được điều chỉnh với thiết bị khuyếch đại năng lượng bộ dao động chủ fiber (master oscillator fiber power amplifier, MOFPA), và có ảnh hưởng trực tiếp đến độ lăp xung có sẵn để tối ưu việc khắc (xem bảng).

Giá trị chuẩn của các hệ thống khắc laser
Giá trị chuẩn YAG Vanadate Ytterbium (fiber)
Thời gian xung (ns) 10–150 5–30 10–200
Chất lượng chùm tia (M2) <1.2 <1.2 <2
Năng lượng đỉnh (kW) Cao, 100 kW Trung bình, 80 kW Thấp, 10 kW
Năng lượng trung bình (W) 5–30 5–40 10–50
Khảong tần số lặp xung 5–80 kHz 20–120 kHz 20 kHz–1 MHz

Ứng dụng

Những ứng dụng được sử dụng nhiều nhất trong khắc bằng laser bao gồm: coding, tôi luyện, khắc mòn và đổi màu nhựa. Mỗi loại laser được nêu trên có thể được chọn để tối ưu hóa hoạt động khắc. Khi cần khắc sử dụng ứng dụng ngày/ đêm, laser vanadate hoạt động tốt nhờ vào xung ngắn và độ ổn định giữa xung ở độ lặp xung cao. Việc này cho phép việc xóa đi bề mặt sơn trên cùng mà không ảnh hưởng đến lớp nhựa ở dưới.

Một ứng dụng khá phổ biến khác là tôi luyện thép không gỉ và thành phần titan y tế như các dụng cụ y khoa và mô cấy. Ở đây, việc quan trọng nhất là cần có năng lượng đỉnh tập trung cao và thời gian xung dài hơn một chút để có thể thu hút các-bon lên bề mặt để có được dấu ghi giòn đen, có thể chịu được các yêu cầu của thử nghiệm như sự oxy hóa và vòng chưng (xem hình 3).

Khi khắc trên vật liệu, điều quan trọng là có được các yếu tố tối ưu về tần số và tốc độ để có thể làm bốc hơi vật liệu. Thông thường, laser với xung ngắn và năng lượng đỉnh cao là phù hợp nhất.

3 công nghệ laser trên đều có chỗ đứng nhất định trong sản xuất công nghiệp trong nhiều năm sắp tới. Các công nghệ ấy sẽ tiếp tục phát triển để đáp ứng nhu cầu ngày một phức tạp của môi trường sản xuất. Khi lựa chọn một thiết bị khắc laser, điều quan trọng là hợp tác với một công ty có thể cho thấy điểm mạnh của từng loại công nghệ liên quan đến vật liệu cần khắc. Nhiều nhà sản xuất có những phòng thí nghiệm ứng dụng có thể thử nghiệm vật liệu để tìm ra loại laser phù hợp với tốc độ, chất lượng và tiết kiệm tối ưu.

Tìm hiểu thêm về các dòng laser New Ocean cung cấp:

 + CO2 laser

 + Fiber laser

Nguồn: laserfocus world

Advertisements

About New Ocean - Manufacturing Solutions

We are the solution provider in automation, machine vision. Our system will support your factory work smoothly and maximize the profit.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s