Khắc hình ảnh 3D bên trong khối thủy tinh bằng công nghệ laser

Về cấu tạo, thủy tinh được tạo thành từ silic oxit nóng chảy và kết tinh dưới dạng cấu trúc vô định hình. Thủy tinh được sử dụng rất phổ biến trong đời sống hàng ngày dưới nhiều hình thái khác nhau: chai, lọ, ly đựng chất lỏng, kính ô tô, vách ngăn, kính cách âm… Thủy tinh còn được ứng dụng nhiều trong các ngành nghề thủ công mỹ nghệ, trang trí, quà tặng… Do vậy, nhu cầu về gia công và chế tác thủy tinh cũng chiếm một thị phần đáng kể trên thị trường.

Hình 1. Cấu trúc phân tử của thủy tinh
 

Thủy tinh là một trong những vật liệu có độ cứng cơ học cao nên rất khó khắc. Có thể kể đến một số phương pháp truyền thống khắc trên thủy tinh như: khắc bằng dao kim cương, dùng axit ăn mòn... Tuy nhiên, hiện nay công nghệ khắc laser trên thủy tinh đã trở nên thông dụng nhờ khả năng lựa chọn loại laser có bước sóng, chất lượng chùm tia phù hợp, tối ưu hóa thời gian khắc; cho phép khắc được nhiều chi tiết phức tạp với độ chính xác rất cao, thậm chí, có thể nói khắc bằng laser là công nghệ duy nhất hiện nay cho phép khắc được hình ảnh 3D nằm bên trong khối thủy tinh.

Quá trình khắc laser trên thủy tinh diễn ra như sau: khi chùm tia laser hội tụ được chiếu tới khối thủy tinh, mật độ năng lượng rất cao tại điểm hội tụ có thể làm nóng chảy silic oxit trong thủy tinh, từ đó tạo ra các cấu trúc bất trật tự và hình thành nên vết khắc. Kích thước của vết khắc phụ thuộc vào bước sóng, công suất laser, chất lượng chùm tia, hệ quang hội tụ,… Tập hợp các vết khắc này sẽ tạo thành đối tượng hình ảnh 3D bên trong khối thủy tinh. Đây chính là nguyên lý của kỹ thuật khắc laser 3D trong khối thủy tinh trong suốt.

Hình 2. Nguyên lý khắc laser bên trong khối thủy tinh
 

Thiết kế, chế tạo thiết bị khắc laser bên trong khối thủy tinh

Hiện nay, có nhiều loại laser được sử dụng để khắc trong thủy tinh như: laser khí CO₂, laser excimer, laser rắn,… trong đó laser rắn Nd:YAG Q-switched phát bức xạ tại bước sóng hòa ba bậc hai (532 nm) đã chứng tỏ nhiều ưu điểm: vết khắc sắc nét, độ ổn định cao, giá thành hợp lý... Nhờ đó, khi kết hợp với hệ quét tia laser galvo và bàn máy 3D, thiết bị cho phép khắc được hình ảnh 3D bên trong các khối thủy tinh rất chi tiết với tốc độ khắc rất cao.   

Thiết bị khắc laser 3D bên trong khối thủy tinh đã được các cán bộ nghiên cứu tại Trung tâm Công nghệ Laser chế tạo dựa trên tích hợp các module và linh kiện bán thành phần sẵn có trên thị trường. Cấu hình hệ laser khắc 3D gồm các khối chính: nguồn phát laser Nd: YAG Q-switched 532 nm (CP400, Canlas), đầu quét tia laser Galvo (SinoLaser), thấu kính lái tia  f-theta, bàn máy dịch chuyển 3 trục XYZ, card điều khiển DMC1000B, LMC-1 và phần mềm khắc laser 3D.

Hình 3. Sơ đồ khối thiết bị khắc laser 3D trong thủy tinh
 

Diễn biến của quá trình khắc 3D bằng laser cũng tương tự như trong công nghệ in 3D thông thường, trong đó đối tượng vật thể ba chiều được chia thành rất nhiều lát cắt Sn hai chiều và mỗi lát cắt này sẽ được khắc lần lượt bên trong khối thủy tinh bằng chùm tia laser. Tập hợp tất cả các lát khắc này tạo thành hình ảnh ba chiều của vật thể.

Hình 4. Diễn biến quá trình khắc laser 3D trong khối thủy tinh
 

Chất lượng và độ sắc nét của hình khắc 3D trong khối thủy tinh phụ thuộc vào các yếu tố như: mật độ điểm khắc, tốc độ quét tia, khoảng dịch chuyển của bàn máy, công suất laser, kích thước vết laser hội tụ… Khi sử dụng thấu kính quét tia laser f-theta, kích thước điểm hội tụ giới hạn nhỏ nhất d (hay đường kính tại vị trí có cường độ 1/e²) đối với chùm tia laser tới có đường kính D sẽ được tính theo công thức:

d = 13,5*QF/D (mm)

trong đó: Q là hệ số chất lượng chùm tia laser (với mode TEM00, Q = 1), F là chiều dài tiêu cự của thấu kính f-theta.  

Trong thực tế, hiện tượng che lấp chùm tia và các quang sai có thể khiến kích thước điểm hội tụ lớn hơn so với giá trị được tính toán. Kích thước trường quét lớn yêu cầu sử dụng thấu kính hội tụ f-theta có tiêu cự dài hơn. Tuy nhiên, điều này sẽ dẫn đến làm tăng kích thước điểm hội tụ trừ khi đường kính chùm tia tới, kích thước gương và đường kính thấu kính hội tụ đều tăng lên.

Bảng 1. Thông số kỹ thuật của hệ thiết bị khắc laser 3D

Hình 5. Hệ thiết bị khắc laser 3D bên trong khối thủy tinh

Sản phẩm khắc laser 3D bên trong khối thủy tinh

Trong quy trình khắc, hình ảnh đối tượng khắc được thiết kế trên các phần mềm vẽ 3D thông thường như 3DS Max, AutoCAD 3D…, sau đó được xử lý, chuyển thành các file dữ liệu 3D định dạng .obj, .dxf, .3ds, .stl. Khi đó, dữ liệu 3D sẽ được chuyển thành tập hợp các tọa độ điểm khắc laser trong không gian. Trong quá trình khắc laser, phần mềm hệ thống sẽ điều khiển đồng bộ giữa chùm tia laser lối ra với dịch chuyển của đầu quét tia galvo và bàn máy 3 trục XYZ. Dưới đây là một số hình ảnh của sản phẩm được thiết kế bằng phần mềm 3DS Max và khắc laser 3D bên trong khối thủy tinh.

Hình 6. Hình ảnh “Khuê Văn Các”, kích 50x80x50 mm được thiết kế (a) và sản phẩm khắc laser 3D bên trong khối thủy tinh (b)

Hình 7. Một số hình ảnh sản phẩm khắc laser 3D bên trong khối thủy tinh
 

Kỹ thuật khắc laser 3D bên trong khối thủy tinh là một hướng nghiên cứu mới, được Trung tâm Công nghệ Laser triển khai thực hiện trong một vài năm qua. Việc chế tạo thành công hệ thiết bị khắc laser 3D tại Trung tâm Công nghệ Laser – Viện Ứng dụng Công nghệ cho phép khắc được các hình dạng 3D bất kỳ bên trong một số vật liệu trong suốt đối với mắt người như thủy tinh, pha lê, acrylic… với độ sắc nét, độ ổn định cao và thời gian thực hiện rất nhanh.

Thành công này sẽ góp phần mở rộng hướng nghiên cứu, ứng dụng của công nghệ laser trong công nghiệp đối với các sản phẩm có vật liệu từ thủy tinh thuộc các lĩnh vực kiến trúc, xây dựng, trang trí, quà tặng…