การให้สีด้วยเลเซอร์บนสแตนเลส: เทคโนโลยีการระบุตำแหน่งด้วยสีแบบไม่ใช้หมึกที่มีนวัตกรรม

ในการประมวลผลโลหะ การออกแบบเชิงตกแต่ง และการติดตามที่มาของผลิตภัณฑ์ การทำเครื่องหมายด้วยสีเป็นวิธีสำคัญในการถ่ายทอดข้อมูลและยกระดับความสวยงาม วิธีการให้สีโลหะแบบดั้งเดิม เช่น การพิมพ์และการชุบด้วยกระบวนการอิเล็กโทรเคมี มีข้อเสียหลายประการ ได้แก่ ก่อให้เกิดมลพิษต่อสิ่งแวดล้อม ต้องใช้วัสดุสิ้นเปลืองเพิ่มเติม และสีไม่คงที่ ในทางกลับกัน เทคโนโลยีการให้สีสแตนเลสโดยใช้เลเซอร์ได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นในอุตสาหกรรมเลเซอร์ เนื่องจากมีข้อได้เปรียบหลายประการ ได้แก่ ไม่ต้องใช้วัสดุสิ้นเปลือง ความแม่นยำสูง และสีคงทนนาน โดยเทคโนโลยีนี้อาศัยพลังงานเลเซอร์กระตุ้นปฏิกิริยาออกซิเดชันบนผิวสแตนเลส เพื่อสร้างฟิล์มออกไซด์ที่มีสี จึงไม่จำเป็นต้องใช้หมึกหรือสารเคมีใดๆ นอกจากจะสามารถสร้างสีสันที่หลากหลายแล้ว ยังรับประกันความทนทานต่อการขีดข่วนและความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมของการทำเครื่องหมายอีกด้วย ซึ่งเปิดโอกาสใหม่สำหรับการแปรรูปผลิตภัณฑ์สแตนเลสแบบเฉพาะบุคคล

 

หลักการสำคัญของการให้สีด้วยเลเซอร์บนเหล็กกล้าไร้สนิม คือ การใช้พลังงานเลเซอร์กระตุ้นให้เกิดฟิล์มออกไซด์ที่มีความหนาเฉพาะเจาะจงขึ้นบนพื้นผิวโลหะ จากนั้น ผ่านสีโดยธรรมชาติของฟิล์มออกไซด์และปรากฏการณ์การแทรกสอดของแสง จะทำให้เกิดสีต่าง ๆ มากมาย เลเซอร์ไฟเบอร์แบบ MOPA ซึ่งมักใช้ในการทดลอง จะปล่อยลำแสงเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่น 1064 นาโนเมตร เมื่อฉายลงบนวัสดุ เช่น เหล็กกล้าไร้สนิมเกรด 304 จะทำให้อุณหภูมิบริเวณที่ถูกฉายเพิ่มสูงขึ้น ส่งผลให้เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันกับออกซิเจนในอากาศ และก่อตัวเป็นฟิล์มออกไซด์สองเฟสที่ประกอบด้วยออกไซด์ของโครเมียมและเหล็ก

 

ความหนาและรูปร่างผิวของฟิล์มออกไซด์มีผลโดยตรงต่อสีสุดท้าย—ฟิล์มออกไซด์ที่มีความหนาต่างกันจะมีผลการสะท้อนและการหักเหที่แตกต่างกันต่อแสงที่ตามองเห็น จึงทำให้ปรากฏสีต่างๆ เช่น สีน้ำเงิน สีม่วง สีชมพู และสีเหลือง ตัวอย่างเช่น ฟิล์มออกไซด์ที่บางกว่าอาจแสดงสีม่วง และเมื่อความหนาเพิ่มขึ้น สีจะค่อยๆ เปลี่ยนผ่านไปเป็นสีชมพูและสีเหลือง ที่น่าสนใจยิ่งกว่านั้น กระบวนการย้อมสีด้วยเลเซอร์ไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ที่ซับซ้อน ด้วยการสแกนด้วยแกลวาโนมิเตอร์และการโฟกัสด้วยเลนส์ F-theta เราสามารถควบคุมการเกิดฟิล์มออกไซด์บนพื้นผิวสแตนเลสได้อย่างแม่นยำ ทำให้สามารถประยุกต์ใช้งานได้อย่างยืดหยุ่น ตั้งแต่การลงเครื่องหมายเฉพาะจุดไปจนถึงการย้อมสีในพื้นที่ขนาดใหญ่

ความท้าทายหลักของการให้สีสแตนเลสโดยใช้เลเซอร์คือการบรรลุการจำลองสีเป้าหมายอย่างแม่นยำผ่านการปรับพารามิเตอร์ ซึ่งพารามิเตอร์สำคัญที่มีผลต่อสี ได้แก่ กำลังเลเซอร์ ความเร็วในการสแกน และความถี่ในการทำซ้ำ พารามิเตอร์ทั้งสามนี้ไม่ทำงานอย่างอิสระ แต่กลับกำหนดผลลัพธ์ของการให้สีผ่านความสัมพันธ์แบบสัดส่วนคงที่ การวิจัยพบว่า ตราบใดที่พารามิเตอร์ทั้งสามนี้รักษาระดับสัมประสิทธิ์สัดส่วนเดียวกัน (สัมประสิทธิ์สัดส่วนของการกระทำของเลเซอร์) แม้ว่าค่าเฉพาะเจาะจงจะแตกต่างกัน ก็ยังสามารถสร้างสีและฟิล์มออกไซด์ที่คล้ายคลึงกันอย่างมากบนพื้นผิวสแตนเลสได้

 

ตัวอย่างเช่น กำลังเลเซอร์ที่ 20 วัตต์ ความเร็วในการสแกนที่ 100 มม./วินาที และความถี่การซ้ำของพัลส์ที่ 200 กิโลเฮิร์ตซ์ จะให้สีเดียวกันกับกำลังเลเซอร์ที่ 30 วัตต์ ความเร็วในการสแกนที่ 150 มม./วินาที และความถี่การซ้ำของพัลส์ที่ 300 กิโลเฮิร์ตซ์ เนื่องจากอัตราส่วนระหว่างพารามิเตอร์เหล่านี้คงที่ ทั้งนี้ พารามิเตอร์อื่นๆ เช่น ความกว้างของพัลส์ (pulse width) และระยะโฟกัส (focal length) ก็ส่งผลต่อคุณภาพของฟิล์มออกไซด์ด้วย: เมื่อกำหนดความกว้างของพัลส์ไว้ที่ 4 นาโนวินาที และระยะโฟกัสที่ 210 มม. เส้นผ่านศูนย์กลางจุดเลเซอร์ (spot diameter) จะคงที่อยู่ที่ 50 ไมโครเมตร ทำให้การให้สีมีความสม่ำเสมอมากขึ้น กฎความสัมพันธ์แบบสัดส่วนของพารามิเตอร์นี้ช่วยแก้ปัญหาการจำลองสีซ้ำได้ยากในกระบวนการให้สีแบบดั้งเดิม และให้แนวทางพารามิเตอร์ที่เชื่อถือได้สำหรับการผลิตจำนวนมาก

 

เมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการให้สีแบบดั้งเดิม การให้สีสแตนเลสโดยใช้เลเซอร์มีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนหลายประการ ข้อแรก คือ เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม เนื่องจากทั้งกระบวนการไม่จำเป็นต้องใช้สารเคมีหรือหมึกเลย แต่อาศัยเพียงปฏิกิริยาออกซิเดชันระหว่างลำแสงเลเซอร์กับอากาศ จึงไม่ก่อให้เกิดน้ำเสียหรือของเสียตกค้าง และสอดคล้องตามข้อกำหนดด้านการคุ้มครองสิ่งแวดล้อม ข้อที่สอง คือ สีมีความคงทนและยั่งยืน ฟิล์มออกไซด์ที่เกิดขึ้นมีการยึดเกาะแน่นสนิทกับพื้นผิวสแตนเลส จึงมีความต้านทานต่อการสึกกร่อนและการซีดจางได้ดีเยี่ยม และสามารถใช้งานได้ในสภาวะการทำงานที่ซับซ้อน เช่น กลางแจ้งหรืออุณหภูมิสูง ข้อที่สาม คือ มีความแม่นยำและยืดหยุ่นสูง จุดลำแสงเลเซอร์มีขนาดเล็กและควบคุมได้อย่างแม่นยำ ทำให้สามารถแกะสลักข้อความหรือลวดลายที่ละเอียดอ่อนได้ รวมทั้งสามารถให้สีอย่างสม่ำเสมอทั่วพื้นที่ขนาดใหญ่ จึงสามารถปรับใช้ได้กับผลิตภัณฑ์สแตนเลสที่มีข้อกำหนดทางเทคนิคต่าง ๆ กัน

 

นอกจากนี้ การให้สีด้วยเลเซอร์ยังมีลักษณะเด่นคือกระบวนการผลิตที่เรียบง่าย และไม่มีการสูญเสียวัสดุสิ้นเปลือง ซึ่งช่วยลดต้นทุนการผลิตได้ ตัวอย่างเช่น ในการติดตามแหล่งที่มาของผลิตภัณฑ์ (product traceability) การให้สีด้วยเลเซอร์สามารถใช้เพื่อพิมพ์รหัส QR ที่มีสีลงบนชิ้นส่วนโลหะสแตนเลส ซึ่งไม่เพียงแต่ชัดเจนและระบุได้ง่ายเท่านั้น แต่ยังทนต่อการสึกหรอมากกว่าเครื่องหมายที่พิมพ์ด้วยวิธีปกติอีกด้วย ในด้านการตกแต่ง วิธีนี้สามารถสร้างโทนสีแบบไล่ระดับ (gradient colors) และลวดลายที่ซับซ้อนบนแผ่นสแตนเลส จึงช่วยยกระดับคุณค่าเชิงความงามของผลิตภัณฑ์ ข้อได้เปรียบเหล่านี้ทำให้เทคโนโลยีนี้ได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นในอุตสาหกรรมต่าง ๆ เช่น สินค้าฮาร์ดแวร์ อุปกรณ์ทางการแพทย์ และงานตกแต่งอาคาร

 

สถานการณ์การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการให้สีด้วยเลเซอร์บนสแตนเลสกำลังขยายตัวอย่างต่อเนื่อง ในการผลิตเชิงอุตสาหกรรม เทคโนโลยีนี้สามารถใช้สำหรับพิมพ์โลโก้แบรนด์และระบุพารามิเตอร์จำเพาะของผลิตภัณฑ์สแตนเลส โดยการให้สีนั้นมีความโดดเด่นสะดุดตาและช่วยป้องกันการปลอมแปลงได้ ในด้านการออกแบบตกแต่ง เทคโนโลยีนี้สามารถมอบสีสันเฉพาะตัวให้กับประตู หน้าต่าง เฟอร์นิเจอร์ และงานศิลปะที่ทำจากสแตนเลส ซึ่งช่วยหลุดพ้นจากพื้นผิวที่ดูเรียบง่ายและจำเจแบบดั้งเดิมของสแตนเลส ในภาคการผลิตขั้นสูง เช่น อุปกรณ์ทางการแพทย์และชิ้นส่วนยานอวกาศ การให้สีสามารถใช้เพื่อจัดหมวดหมู่ชิ้นส่วนและติดตามแหล่งที่มาได้ ซึ่งส่งผลให้ประสิทธิภาพในการจัดการการผลิตดีขึ้น