การสลักเลเซอร์ไฟเบอร์บนโลหะที่ท้าทาย: อลูมิเนียมและทองแดง

เหตุใดอลูมิเนียมและทองแดงจึงเป็นอุปสรรคต่อการสลากแบบมาตรฐาน เครื่องทำเครื่องหมายเลเซอร์ไฟเบอร์ การตั้งค่า

การสะท้อนแสงและความนำความร้อนสูง: อุปสรรคจากหลักฟิสิกส์ที่ขัดขวางการสลากอย่างสม่ำเสมอ

การใช้งานอลูมิเนียมและทองแดงด้วยเครื่องทำเครื่องหมายไฟเบอร์เลเซอร์ทั่วไปนั้นก่อให้เกิดความท้าทายจริง ๆ เนื่องจากคุณสมบัติทางกายภาพพื้นฐานสองประการที่วัสดุทั้งสองมีร่วมกัน ข้อแรก วัสดุทั้งสองมีอัตราการสะท้อนแสงใกล้อินฟราเรดสูงมาก อยู่ที่ประมาณ 90% สำหรับทองแดง และระหว่าง 65% ถึง 95% สำหรับโลหะผสมอลูมิเนียมต่าง ๆ ขึ้นอยู่กับความสะอาดของผิวหน้า ส่วนข้อที่สอง ความสามารถในการนำความร้อนของทั้งสองวัสดุมีค่าสูงมาก โดยทองแดงบริสุทธิ์สามารถนำความร้อนได้สูงถึง 400 วัตต์/เมตรเคลวิน (W/mK) และโลหะผสมอลูมิเนียมทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 200-250 วัตต์/เมตรเคลวิน ลักษณะเหล่านี้ทำให้พลังงานเลเซอร์ส่วนใหญ่ไม่ถูกดูดซับ แต่กลับสะท้อนออกไป และแม้แต่พลังงานที่ถูกดูดซับไปแล้วก็จะกระจายตัวออกไปทั่ววัสดุอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้ยากต่อการสร้างรอยทำเครื่องหมายที่ชัดเจนและทำซ้ำได้ตามต้องการ เนื่องจากการหลอมละลายเฉพาะจุดหรือการเปลี่ยนสีไม่เพียงพอ ค่าตั้งต้นทั่วไปมักนำไปสู่ทางเลือกที่น่าหงุดหงิด เช่น การใช้กำลังต่ำจะทำให้รอยทำเครื่องหมายแทบมองไม่เห็น แต่หากใช้กำลังสูงก็จะก่อให้เกิดความเสียหายจากความร้อนในรูปแบบต่าง ๆ ที่ไม่ต้องการ นี่จึงเป็นเหตุผลว่าทำไมการใช้งานกับโลหะที่ไม่ใช่เหล็กจึงจำเป็นต้องใช้วิธีการที่แตกต่างโดยสิ้นเชิงเมื่อเทียบกับเหล็กหรือไทเทเนียม ซึ่งต้องคำนึงถึงการโต้ตอบของแสงกับวัสดุอย่างละเอียด และความเร็วของการถ่ายเทความร้อนภายในโครงสร้างของวัสดุ

รูปแบบความล้มเหลวทั่วไป: คราบไหม้ ความคมชัดต่ำ และการเกิดออกไซด์บนพื้นผิวของโลหะสะท้อนแสง

หากไม่มีการปรับแต่งพารามิเตอร์ เครื่องทำเครื่องหมายด้วยเลเซอร์ไฟเบอร์มาตรฐานจะก่อให้เกิดความล้มเหลวซ้ำๆ สามประการบนอลูมิเนียมและทองแดง:

• ภาวะความร้อนเกินควบคุม ซึ่งการดูดซับพลังงานที่ไม่สม่ำเสมอทำให้เกิดการร้อนเกินท้องถิ่น การคาร์บอไนเซชัน และขอบที่ไหม้;
• เครื่องหมายจางหรือตื้น ไม่ผ่านการตรวจสอบด้วยระบบภาพอัตโนมัติ และข้อกำหนดความสามารถในการอ่านค่าในอุตสาหกรรม เช่น ISO/IEC 15415;
• การเกิดออกไซด์บนพื้นผิวที่ควบคุมไม่ได้ โดยเฉพาะปัญหาที่พบบ่อยบนอลูมิเนียมอะโนไดซ์ ซึ่งการเปลี่ยนสีผิวขัดแย้งกับข้อกำหนดด้านความสวยงามหรือการทำงาน

ปัญหาเหล่านี้เกิดขึ้นโดยตรงจากพลังงานพัลส์ ระยะเวลา และเรขาคณิตลำแสงที่ไม่เหมาะสม ไม่ใช่ความผิดของผู้ปฏิบัติงาน และมักก่อให้เกิดการปฏิเสธชิ้นส่วนและการหยุดการผลิตในกระบวนการผลิตจำนวนมาก

การปรับแต่งพารามิเตอร์เครื่องทำเครื่องหมายด้วยเลเซอร์ไฟเบอร์เพื่อการทำเครื่องหมายอลูมิเนียมและทองแดงที่เชื่อถือได้

ค่าตั้งค่าสำคัญ: ระยะเวลาพัลส์ พลังงานสูงสุด ความถี่ และโฟกัสออฟเซ็ตสำหรับโลหะสะท้อนแสง

การมาร์คที่เชื่อถือได้ต้องอาศัยการปรับแต่งพารามิเตอร์หลักสี่ตัวอย่างแม่นยำและสัมพันธ์กัน

• ระยะเวลาของชั้นพัลส์ : พัลส์ขนาด 100 นาโนวินาทีจะจำกัดพลังงานก่อนที่ความร้อนจะกระจายตัว ช่วยลดความเสี่ยงของการไหม้และรักษาความสมบูรณ์ของผิววัสดุ
• พลังงานสูงสุด : ความเข้มข้นที่มากกว่าหรือเท่ากับ 80 กิโลวัตต์ สามารถเอาชนะการสะท้อนเริ่มต้นเพื่อเริ่มต้นปฏิกิริยาบนผิวอย่างควบคุมได้ — สิ่งสำคัญสำหรับการสร้างคอนทราสต์ที่มองเห็นได้โดยไม่ทำให้วัสดุสลายตัว
• ความถี่ : อัตราการเกิดพัลส์ซ้ำที่ 20–50 กิโลเฮิรตซ์ ช่วยถ่วงดุลระหว่างความเร็วในการมาร์คกับช่วงเวลาพักเพื่อระบายความร้อนระหว่างพัลส์ ป้องกันการสะสมความร้อน
• โฟกัสออฟเซ็ต : การเบลอโฟกัสด้วยระยะ 0.5–2 มิลลิเมตร จะทำให้จุดลำแสงกว้างขึ้น ลดความหนาแน่นของพลังงาน เพื่อลดการเกิดออกซิเดชัน แต่ยังคงความเข้มของพลังงานพอเพียงเพื่อให้มาร์คได้อย่างสม่ำเสมอ

การปรับแต่งเหล่านี้ต้องตอบสนองต่อคุณสมบัติทางแสงและการนำความร้อนของวัสดุ โดยเฉพาะการสะท้อนแสงของทองแดงที่มากกว่า 65% ที่ความยาวคลื่น 1064 นาโนเมตร และการกระจายความร้อนอย่างรวดเร็วของอลูมิเนียม ซึ่งจำเป็นต้องมีการตรวจสอบและยืนยันผลแยกตามเกรดของโลหะผสม (เช่น อลูมิเนียม 6061 เทียบกับ 7075) และสภาพผิว (ผิวจากกระบวนการรีด, ผิวอะโนไดซ์, ผิวเคลือบ)

แหล่งกำเนิดเลเซอร์ไฟเบอร์ MOBA เทียบกับ CW: เมื่อการใช้งานแบบพัลส์ช่วยป้องกันความเสียหายจากแสงสะท้อน

เมื่อพูดถึงการทำงานกับโลหะที่สะท้อนแสง MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) เลเซอร์ไฟเบอร์จะเหนือกว่าเลเซอร์แบบคลื่นต่อเนื่อง (CW) อย่างชัดเจน ปัญหาของเลเซอร์แบบ CW คือมันปล่อยพลังงานอยู่ตลอดเวลา ซึ่งก่อให้เกิดปัญหารุนแรงจากแสงสะท้อนกลับ ที่อาจทำให้เลนส์หรืออุปกรณ์ออปติกเสียหาย และรบกวนการทำงานของระบบโดยรวม ในทางตรงกันข้าม เลเซอร์แบบ MOPA จะทำงานด้วยการปล่อยพลังงานในรูปแบบช่วงสั้นๆ ที่มีความเข้มสูง ในจังหวะที่เหมาะสม ทำให้พลังงานแทรกซึมเข้าสู่วัสดุได้ก่อนที่แสงสะท้อนจะเกิดปัญหา ตามรายงานความปลอดภัยในอุตสาหกรรมหลายฉบับ การใช้วิธีนี้สามารถลดปัญหาจากการสะท้อนกลับได้ประมาณสามในสี่ และเมื่อทำงานกับทองแดงโดยเฉพาะ การควบคุมพัลส์ของ MOPA ทำให้สามารถสร้างเครื่องหมายแบบเกรย์สเกลได้ โดยไม่จำเป็นต้องขจัดวัสดุออกไปเหมือนวิธีดั้งเดิม แต่จะสร้างเครื่องหมายที่คมชัดและคอนทราสต์สูง โดยการสร้างชั้นออกไซด์ที่ควบคุมได้บนผิววัสดุ ซึ่งหมายความว่าสามารถทำเครื่องหมายที่มีคุณภาพดีขึ้น โดยไม่ทำให้โลหะสึกกร่อน

เทคนิคขั้นสูงเพื่อยกระดับประสิทธิภาพของเครื่องหมายเลเซอร์ไฟเบอร์บนโลหะสะท้อนแสง

กลยุทธ์การเตรียมผิวก่อนกระบวนการ (อะโนไดซ์, การเคลือบ) และการผ่านกระบวนการหลังผลิตภัณฑ์

การเตรียมพื้นผิวล่วงหน้าที่เหมาะสมมีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อทำงานกับโลหะสะท้อนแสง การอะโนไดซ์อลูมิเนียมจะสร้างชั้นที่มีรูพรุนพิเศษ ซึ่งสามารถดูดซับแสงได้แทนที่จะสะท้อนกลับ ส่งผลให้ประสิทธิภาพของเลเซอร์ในการทำงานกับโลหะเพิ่มขึ้นประมาณ 70% ในหลายกรณี หมายความว่าเราสามารถทำเครื่องหมายได้ดีขึ้นโดยไม่จำเป็นต้องใช้กำลังไฟสูงเกินไป สำหรับโลหะอื่นๆ เช่น ทองแดง การเคลือบชั่วคราวที่ทำจากเซรามิกหรือโพลิเมอร์ก็ทำหน้าที่คล้ายกันในกระบวนการการทำเครื่องหมาย ช่วยลดการสะท้อนแสงในขณะที่ทำเครื่องหมาย และสามารถล้างออกได้อย่างหมดจดหลังจากงานเสร็จสิ้น สิ่งที่ตามมาหลังการทำเครื่องหมายก็สำคัญเช่นกัน หลังจากการทำเครื่องหมายแล้ว การพาสซิเวท (passivation) ที่เหมาะสมถือเป็นสิ่งจำเป็น โดยจะใช้สารเคมีต่างกันขึ้นอยู่กับชนิดของโลหะที่ใช้ อลูมิเนียมมักจะได้รับการรักษาด้วยสารเช่น โครเมต หรือสารละลายโครเมียมไตรวาเลนต์ ขณะที่ทองแดงมักต้องใช้เบนโซไตรอาโซล (benzotriazole) การรักษานี้จะสร้างชั้นป้องกันที่ช่วยป้องกันปัญหาต่างๆ เช่น สนิมขาวที่เกิดกับอลูมิเนียม หรือการหมองของพื้นผิวทองแดง โดยเฉพาะในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้นหรือเกลือในอากาศ ขั้นตอนทั้งหมดเหล่านี้ร่วมกันช่วยให้เครื่องหมายที่ได้อ่านง่าย มีความทนทาน และเป็นไปตามมาตรฐานที่เข้มงวดในอุตสาหกรรมต่างๆ ตั้งแต่อุตสาหกรรมชิ้นส่วนการบินและอวกาศ อุปกรณ์ทางการแพทย์ ไปจนถึงชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์

การตรวจสอบลำรังสีแบบเรียลไทม์และระบบป้อนกลับแบบปรับตัวเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่เสถียรจากเครื่องหมายเลเซอร์ไฟเบอร์

ความแตกต่างของวัสดุ — เช่น การเกิดออกซิเดชันเล็กน้อยบนพื้นผิว น้ำมันตกค้าง หรือการกระจายตัวของโลหะผสมที่ไม่สม่ำเสมอ — ส่งผลให้ปริมาณแสงที่ถูกสะท้อนหรือดูดซับในกระบวนการลงมาร์กเกิดการเปลี่ยนแปลง เครื่องทำเครื่องหมายด้วยเลเซอร์ไฟเบอร์รุ่นใหม่ในปัจจุบันมาพร้อมกับเซ็นเซอร์ออพติคอลในตัว ที่สามารถติดตามพารามิเตอร์หลักหลายประการได้ รวมถึงความแรงของลำแสง ตำแหน่งโฟกัส และความเข้มของสัญญาณที่สะท้อนกลับ ทั้งหมดนี้ดำเนินการในความเร็วประมาณ 10,000 ครั้งต่อวินาที ระบบวงจรปิดเหล่านี้นำข้อมูลที่ได้มาปรับแต่งค่าต่าง ๆ โดยอัตโนมัติ ไม่ว่าจะเป็นระดับพลังงานของพัลส์ พลังงานสูงสุดที่ส่งออก หรือแม้แต่ตำแหน่งของจุดโฟกัส ภายในเศษส่วนของวินาที หากตรวจพบว่าพลังงานที่สะท้อนกลับเพิ่มสูงขึ้นอย่างฉับพลัน เนื่องจากวัสดุมีการสะท้อนแสงได้ดีขึ้นอย่างกะทันหัน ระบบจะตอบสนองโดยการเพิ่มความเข้มของพัลส์เพียงพอที่จะทำให้เครื่องหมายที่ได้มีลักษณะสม่ำเสมอและชัดเจน การทดสอบจริงในโรงงานผลิตรถยนต์และโรงงานผลิตชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์แสดงให้เห็นว่า ระบบอัจฉริยะเหล่านี้สามารถลดของเสียได้ประมาณร้อยละ 40 นอกจากนี้ยังช่วยให้เป็นไปตามมาตรฐานการติดตามที่บริษัทต้องปฏิบัติตาม อย่างเช่น รหัส UDI สำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์ หรือข้อกำหนด AS9132 ในการผลิตอากาศยาน

คำถามที่พบบ่อย

ทำไมอลูมิเนียมและทองแดงถึงต้องใช้ค่าตั้งเลเซอร์ที่แตกต่างจากเหล็ก

อลูมิเนียมและทองแดงมีคุณสมบัติสะท้อนแสงและความนำความร้อนสูง ทำให้พลังงานเลเซอร์ส่วนใหญ่สะท้อนกลับหรือกระจายตัวอย่างรวดเร็ว จึงทำให้การพิมพ์เครื่องหมายยากกว่าเหล็ก

ปัญหาทั่วไปที่พบเมื่อพิมพ์เครื่องหมายบนอลูมิเนียมและทองแดงด้วยเลเซอร์คืออะไร

หากไม่ตั้งค่าที่เหมาะสม เลเซอร์อาจก่อให้เกิดปัญหาความร้อนสะสมอย่างควบคุมไม่ได้ เครื่องหมายที่มีคอนทราสต่ำ และการเกิดออกไซด์บนผิวอย่างไม่สามารถควบคุมได้ในอลูมิเนียมและทองแดง

ฉันจะปรับแต่งค่าตั้งของเลเซอร์ไฟเบอร์สำหรับอลูมิเนียมและทองแดงอย่างไร

โดยการปรับระยะเวลาพัลส์ พลังงานสูงสุด ความถี่ และค่าโฟกัสออฟเซ็ต ให้เหมาะสมกับชนิดของโลหะผสมและสภาพผิวเฉพาะ

เลเซอร์แบบ MOPA มีข้อดีอย่างไรในการพิมพ์เครื่องหมายบนโลหะที่สะท้อนแสง

เลเซอร์ MOPA ช่วยป้องกันความเสียหายจากการสะท้อน โดยปล่อยพลังงานสั้นๆ อย่างเข้มข้น ทำให้สามารถควบคุมการโต้ตอบกับผิววัสดุได้

การเตรียมพื้นผิวก่อนมีบทบาทอย่างไรในการพิมพ์เครื่องหมายด้วยเลเซอร์บนโลหะสะท้อนแสง

การเตรียมพื้นผิวล่วงหน้า เช่น การออกซิไดซ์แบบอนอโดซิง หรือการเคลือบชั่วคราว สามารถลดการสะท้อนแสงและเพิ่มคุณภาพของการทำเครื่องหมายโดยการเพิ่มการดูดซับเลเซอร์