Công nghệ laser đang ngày càng khẳng định vai trò không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực kinh tế - xã hội, đặc biệt là công nghiệp, nơi nó được ứng dụng rộng rãi trong gia công vật liệu như khắc, cắt và hàn. Trong số đó, khắc laser đã trở thành công nghệ chủ chốt, chiếm lĩnh thị phần lớn trên thị trường toàn cầu. Với chi phí thấp, khả năng tùy biến cao, độ chính xác tuyệt đối, cùng khả năng xử lý các chi tiết nhỏ tinh xảo và dễ dàng tích hợp vào dây chuyền tự động, khắc laser đã vượt trội hơn các phương pháp truyền thống. Đây là quy trình công nghiệp hàng đầu cho việc ghi nhãn thông tin sản phẩm, từ số sê-ri, mã vạch đến logo công ty. Tuy nhiên, nhu cầu thị trường đang cấp thiết chuyển đổi từ khắc đơn sắc sang khắc laser tạo màu để tạo ra các sản phẩm hấp dẫn và thẩm mỹ hơn, đáp ứng đòi hỏi ngày càng cao về nhận diện thương hiệu và trang trí. Các công nghệ laser hiện có gặp hạn chế trong việc tạo màu, chỉ dừng lại ở vết khắc đen trắng. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển công nghệ laser sợi quang có khuếch đại dao động chủ (MOPA) trở nên vô cùng cấp bách. Laser MOPA, với khả năng tạo chùm tia có tần số lặp lại xung lớn và điều chỉnh linh hoạt các thông số đầu ra, là công cụ lý tưởng để khắc tạo màu trên kim loại.

Với mục tiêu mở rộng lĩnh vực ứng dụng của laser và chiếm lĩnh thị trường khắc laser, nhóm nghiên cứu của TS. Trần Thị Vân Anh và các cộng sự tại Trung Tâm Công Nghệ Laser - Bộ Khoa học và Công nghệ đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu chế tạo hệ laser sợi quang có khuếch đại dao động chủ (MOPA)”. Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu, giải mã công nghệ chế tạo hệ laser sợi quang MOPA, và trên cơ sở đó, xây dựng, chế tạo một hệ thiết bị cho phép khắc tạo màu trên bề mặt vật liệu kim loại. Việc lựa chọn và tích hợp các module, linh kiện bán thành phần có sẵn trên thị trường sẽ giúp đảm bảo chất lượng, độ ổn định của hệ thống và dễ dàng triển khai thiết bị trong các ứng dụng thực tế.  Việc chế tạo thành công hệ thiết bị khắc laser tạo màu góp phần mở ra nhiều hướng ứng dụng mới của công nghệ laser trong việc tạo ra các hình ảnh khắc laser có nhiều màu sắc đa dạng hơn rất nhiều so với các máy khắc laser đen trắng thông thường, từ đó tạo nên những sản phẩm khắc chất lượng cao, thẩm mỹ, nghệ thuật và có giá trị.

Sau thời gian triển khai, nhóm nghiên cứu đã hoàn thành các mục tiêu và nội dung đề ra của đề tài. Các kết quả cụ thể như sau:

Nghiên cứu và phát triển hệ laser sợi quang MOPA: Nhóm đã phân tích, giải mã cấu trúc hoạt động, cùng với việc nghiên cứu và luận giải các đặc trưng nổi bật của hệ laser sợi quang MOPA. Đặc biệt, khả năng thay đổi linh hoạt các thông số laser như tần số lặp lại xung, độ rộng xung và công suất trong một khoảng giá trị rộng đã được chứng minh.

Chế tạo thành công thiết bị khắc laser tạo màu: Chúng tôi đã thực hiện thiết kế kỹ thuật, tính toán và lựa chọn các khối bộ phận, linh kiện chất lượng cao từ các nhà sản xuất uy tín trên thế giới. Kết quả là 01 mẫu thiết bị khắc laser tạo màu đã được chế tạo thành công, đáp ứng đầy đủ các thông số yêu cầu theo đăng ký.

Nghiên cứu cơ chế và thử nghiệm khắc tạo màu: Đề tài đã đi sâu vào nghiên cứu cơ chế hình thành màu sắc trong tương tác giữa chùm tia laser và bề mặt kim loại. Các thông số hoạt động của thiết bị đã được đo đạc trong điều kiện phòng thí nghiệm. Chúng tôi cũng đã tiến hành thử nghiệm các thông số khắc laser tạo màu, bao gồm cả thông số nguồn phát laser và hệ quét tia.

Xây dựng bảng thông số và thử nghiệm thực tế: Các thông số về màu sắc khắc laser trên bề mặt một số vật liệu kim loại như inox và titan đã được đo đạc và đánh giá. Từ đó, bảng thông số khắc laser tạo màu trên các vật liệu như inox 304, 316 và hợp kim titan grade 5 đã được xây dựng. Đáng chú ý, thiết bị đã được thử nghiệm thành công khi khắc tạo màu trên 100 tấm thiếp chúc mừng năm mới 2022 của Viện Ứng dụng Công nghệ.

Sản phẩm sở hữu trí tuệ và tài liệu khoa học: Đề tài đã đăng ký thành công 01 Giải pháp hữu ích về "Hệ thống laser khắc tạo màu trên bề mặt kim loại dùng nguồn phát laser sợi quang khuếch đại công suất dao động chủ" và có 01 bài báo khoa học được chấp nhận đăng trong Kỷ yếu Hội nghị quốc tế CAEP-7. Ngoài ra, nhóm đã biên soạn đầy đủ các tài liệu kỹ thuật chi tiết (bản vẽ cơ khí, sơ đồ mạch điện) cùng với tài liệu quy trình khắc laser tạo màu và hướng dẫn vận hành thiết bị.

Nhìn chung, đề tài đã đáp ứng các mục tiêu đề ra, thực hiện đầy đủ và chất lượng các nội dung khoa học công nghệ liên quan. Đề tài thể hiện tính mới trong việc áp dụng lý thuyết tối ưu hóa vào xây dựng công nghệ, tiếp cận trình độ tiên tiến trong khu vực. Tuy nhiên, đề tài nhận thấy một số vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện để tối ưu hóa công nghệ khắc laser tạo màu đó là: cần nghiên cứu đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khắc laser tạo màu như nhiệt độ, độ ẩm, độ bóng bề mặt phôi kim loại, nhằm đạt được chất lượng sản phẩm tốt nhất; tiếp tục thử nghiệm khắc laser tạo màu trên các loại vật liệu kim loại thông dụng với chất lượng bề mặt đa dạng, ví dụ như inox 430, 202 (bề mặt BA, HL, B2) hoặc hợp kim titan grade 2; cần phân tích cấu trúc 3D bề mặt sản phẩm khắc laser tạo màu để đánh giá chi tiết chất lượng và so sánh sự khác biệt ứng với từng màu sắc và đẩy mạnh việc triển khai ứng dụng thiết bị vào thực tế sản xuất ở quy mô lớn hơn.

Với những kết quả đã đạt được, để sản phẩm có thể sớm thương mại hóa, đề tài kiến nghị tiếp tục nghiên cứu, phát triển sâu hơn các sản phẩm của đề tài. Điều này bao gồm việc nâng cao khả năng thích ứng của thiết bị với các ứng dụng chuyên dụng sử dụng laser sợi quang MOPA, cũng như cải thiện độ ổn định và các điều kiện hoạt động của thiết bị. Bên cạnh đó, đề tài mong nhận được sự hỗ trợ trong khâu giới thiệu sản phẩm để thiết bị khắc laser tạo màu nhanh chóng tiếp cận thị trường.

Có thể tìm đọc toàn văn báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 21076/2022) tại Cục Thông tin, Thống kê.

P.T.T (NASTIS)