إضافات معتمدة من FDA تعزز الوسم بالليزر الخطي على البلاستيك

إضافات معتمدة من FDA تعزز الوسم بالليزر الخطي على البلاستيك

السرعة العالية والتباين الفائق وتوفير التكلفة من أبرز فوائد دمج إضافات جديدة معتمدة من FDA في البوليمرات للوسم بالليزر. فقد حققت الإنجازات في الإضافات الكيميائية تباينًا أسود قاتمًا وتباينًا فاتح اللون على المنتجات المقولبة والمبثوقة، سواء «أثناء الحركة» أو خلال العمليات الثانوية. وهي مصممة لليزرات الألياف ميسورة التكلفة، ويحل الوسم بالليزر الخطي دون حبر الآن محل الطباعة بالحفر الدوار والطباعة بالبطانة.

تطبيقات المنتجات: صُيغت كثير من البوليمرات الشفافة وشبه الشفافة والملوّنة المعتمة، ومنها النايلون وPET والبولي كربونات والبولي أوليفينات وPVC والستايرينات وTPU/TPE (للأجهزة القابلة للارتداء)، بتركيبات فريدة باستخدام إضافات خالية من المعادن الثقيلة ومعتمدة من FDA/EFSA (هيئة سلامة الغذاء الأوروبية) لتحقيق جودة وسم عالية التباين. ولا تتأثر شفافية البوليمر ولا نفاذيته الطيفية ولا خصائصه الفيزيائية الأساسية. ويحل الوسم الرقمي بالليزر دون تلامس محل الملصقات اللاصقة الباهظة وعمليات الطباعة بالحبر الكيميائي. والنتيجة تطبيق فعّال من حيث التكلفة وصديق للبيئة وذو جاذبية جمالية فائقة.

يُنفَّذ الوسم بالليزر «أثناء الحركة» على المنتجات المقولبة والمبثوقة، مثل الأسلاك/الكابلات والأنابيب والمواسير.

أبرز النقاط

• ثلاثة تفاعلات سطحية تصنع العلامة: الكربنة (التفحّم) وتكوّن الرغوة وتغير لون الملوّن.
• تتراوح نسبة التحميل بين 0.01 و4.0% بالوزن في القطعة النهائية، وتُحدَّد بحسب البوليمر ولون الركيزة والتباين المستهدف ومتطلبات الاعتماد.
• الإضافات أسرع بنسبة 15% أو أكثر من التركيبات غير المُحسَّنة، وتحل محل الطباعة بالحفر الدوار والطباعة بالبطانة تمامًا.
• مشكلات التشتيت، لا أخطاء الجرعات، هي السبب المعتاد لانخفاض محتوى الإضافة في القطع النهائية، فارفعوا الضغط الخلفي وسرعة اللولب.
• تغطي الشروط A–H من 21 CFR 178.3297 موافقة FDA لملامسة الأغذية، ويمتد التأهيل وفق ISO 10993 إلى التوافق الحيوي للأجهزة الطبية.

تبلغ سرعات الوسم لسدادات النبيذ الصناعية من البولي أوليفين والعروض الترويجية تحت الغطاء على أغطية المشروبات بلا بطانة نحو 2,000 قطعة في الدقيقة للنصوص الأبجدية الرقمية والرسومات. وتتوقف سرعة الوسم على متغيرات كثيرة، منها نوع البوليمر ولون الركيزة ونوع إضافة الليزر ومستوى التحميل وحجم الكبل (الوزن) ونوع الليزر وقدرته والبرمجيات وعدد الأحرف الأبجدية الرقمية وارتفاع النص وطول سلسلة النص والمسافة بين الأحرف والباركود/Data Matrix والشعارات/الرسومات والخطوط ذات الخط الواحد أو TrueType المعبأة واتجاه التعبئة والنص المستمر أو المتكرر. ويضمن استخدام الإضافة-الملوّن المصاغة بشكل سليم ألا تكون «كثافة القدرة» عند سطح الوسم هي العامل المحدِّد. بل ستعمل المقاييس الجلفانومترية الموجَّهة بالحزمة بأقصى سرعة.

نظرًا لتعقيد العوامل المؤثرة في قدرة الوسم في الإنتاج «أثناء الحركة»، يجب فحص كل تطبيق بدقة. وهناك قواعد قليلة، إن وجدت، يمكن تعميمها. ولكن لأغراض عامة، تأملوا المثال التالي على بوليمر النايلون: ليزر ألياف بقدرة 50 واط، وعدسة مجال مسطح 254mm، و100 حرف أبجدي رقمي بارتفاع 2mm، تشكل سلسلة نص متكررة بطول 14.68 بوصة بزمن وسم 0.232 ثانية. وتبلغ السرعة المحسوبة نحو 315 قدمًا خطية في الدقيقة.

الأسئلة الشائعة

ما البوليمرات التي يمكن وسمها بإضافات الليزر المعتمدة من FDA؟

البوليمرات الشفافة وشبه الشفافة والملوّنة المعتمة، ومنها النايلون وPET والبولي كربونات والبولي أوليفينات وPVC والستايرينات وTPU/TPE للأجهزة القابلة للارتداء. ولا تتأثر شفافية البوليمر ولا نفاذيته الطيفية ولا خصائصه الفيزيائية الأساسية.

تحتوي القطع النهائية لدي على إضافة أقل من المحسوب. لماذا؟

يكون السبب في الغالب دائمًا عدم انتظام التوزيع أثناء البثق أو القولبة، لا خطأ في الجرعات. وتحل زيادة الضغط الخلفي وسرعة دوران اللولب معظم الحالات. وتتفوق المادة مسبقة التركيب على مركّز الألوان في التجانس، وينبغي تجنب الخلط اليدوي تمامًا.

ما آليات تفاعل الوسم بالليزر الثلاث؟

الكربنة أو التفحّم، حيث تحلل الطاقة الممتصة البوليمر حراريًا لإنتاج علامات داكنة. وتكوّن الرغوة، حيث تُطلق الإضافة بخارًا أثناء التحلل لإنشاء علامات فاتحة متينة على ركائز داكنة. وتغير اللون، حيث تحلل طاقة الليزر أحد الملوّنات في الخليط، مثل إزالة أسود الكربون لترك ملوّن غير عضوي مستقر.

ما مدى سرعة الوسم الخطي عمليًا؟

تصل سرعات الوسم لسدادات النبيذ الصناعية من البولي أوليفين والعروض الترويجية تحت الغطاء على أغطية المشروبات بلا بطانة إلى 2,000 قطعة في الدقيقة. وفي مثال عملي على النايلون، وهو ليزر ألياف 50 W وعدسة مجال مسطح 254 mm و100 حرف بارتفاع 2 mm وسلسلة متكررة بطول 14.68 بوصة وزمن وسم 0.232 ثانية، تُحسب السرعة بنحو 315 قدمًا خطية في الدقيقة.

لماذا تُخدش العلامات الفاتحة المتكوّنة بالرغوة أحيانًا بسهولة؟

بسبب ضعف التحكم في الليزر. فتتطلب آلية تكوّن الرغوة ضبطًا دقيقًا للمعاملات حتى يتحلل البوليمر عند درجة حرارة أعلى من الإضافة المُرغية. ومن دونه تكون العلامة هشة أو منخفضة التباين وضعيفة المتانة.

آليات تفاعل الوسم بالليزر في البوليمرات

تتمثل الإنجازات المحققة في تركيب إضافات الليزر المستخدمة مع ليزرات الأشعة تحت الحمراء القريبة (طول موجي 1060-1080nm) في توافقها مع ليزرات ألياف الإتربيوم والفاناديت وليزر Nd:YAG السابق لها. ولا تمتلك معظم البوليمرات خصائص امتصاص في الأشعة تحت الحمراء القريبة من دون إضافات كيميائية. والبوليمرات القابلة للوسم بالليزر هي التي تمتص ضوء الليزر وتحوّله من طاقة ضوئية إلى طاقة حرارية. ويستخدم الخبراء إضافات وحشوات وصبغات وأصباغًا لتعزيز امتصاص طاقة الليزر لإحداث تغيرات لونية موضعية. وتُستخدم كيميائيات تركيب وبصريات/معاملات إعداد ليزر مختلفة تمامًا بحسب تباين الوسم المطلوب ووظيفته.

يُسمى آلية التفاعل السطحي الأكثر شيوعًا «الكربنة» أو «التفحّم» الكيميائي الحراري، حيث ترفع الطاقة الممتصة في الركيزة درجة الحرارة الموضعية للمادة المحيطة بموضع الامتصاص إلى مستوى مرتفع يكفي لإحداث التحلل الحراري للبوليمر. ويعتمد اسوداد العلامة أو فتوحها على الطاقة الممتصة وكذلك على مسار التحلل الحراري الفريد للمادة. ومن خلال تحسين إعداد الليزر، تتكون أدنى مخلفات للكربنة السطحية.

التفاعل السطحي الثاني هو التغير الكيميائي عبر إضافات تُطلق بخارًا أثناء التحلل، مما ينتج تكوّن رغوة في البوليمر. وأثناء عملية التكوّن الرغوي، تمتص إضافةٌ قريبة من عامل الرغوة طاقةَ الليزر. وتتسبب الحرارة الصادرة عن الماص في تحلل عامل الرغوة وإطلاقه البخار. ومن خلال الضبط الدقيق لمعاملات تشغيل الليزر، يمكن إنتاج علامات فاتحة عالية الجودة ومتينة على ركائز داكنة. أما ضعف التحكم في الليزر فقد يولّد علامة هشة أو منخفضة التباين يسهل خدشها (متانة ضعيفة).

ثالثًا، تُستخدم طاقة الليزر لتسخين/تحليل أحد الملوّنات في خليط من الملوّنات، مما يسبب تغيرًا في اللون. ومثال ذلك خليط من أسود الكربون وملوّن غير عضوي مستقر. وعند التسخين يُزال أسود الكربون ويبقى الملوّن غير العضوي. وتعتمد أنظمة الملوّنات المختلطة هذه على ثبات ملوّنات محددة، ولا يمكن تحقيق جميع تغيرات اللون.

إضافات الليزر

تحسّن إضافات الليزر درجة التباين، ويمكن تعزيزها أكثر بتغيير معاملات إعداد الليزر. وتمتلك البوليمرات خصائص ذاتية تعطي تباين وسم «داكن اللون» أو «فاتح اللون». كما أن بعض مركبات الملوّنات التي تحتوي على كميات قليلة من ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) وأسود الكربون قد تمتص ضوء الليزر، وفي بعض الحالات تحسّن تباين الوسم. وقد تعطي كل درجة بوليمر، حتى ضمن العائلة البوليمرية نفسها، نتائج مختلفة. ويجب ألا تكون تركيبات الإضافات سامة أو مؤثرة سلبًا في مظهر المنتجات أو خصائصها الفيزيائية أو الوظيفية.

وبالمقارنة مع عمليات الطباعة بالحبر (الطباعة بالبطانة/الشاشة والطباعة النفاثة للحبر)، توفر إضافات الليزر التكلفة وتحقق سرعات وسم أعلى بنسبة 15 بالمئة (أو أكثر) مقارنةً بتركيبات المواد غير المُحسَّنة. وتُورَّد إضافات الليزر على شكل حبيبات ومسحوق. ويمكن خلط المنتجات الحبيبية مباشرة مع راتنج البوليمر، بينما تُحوَّل صيغ المسحوق إلى ماستر باتش. ويسهل تشتيت معظمها في البوليمرات. وبحسب الإضافة والبوليمر، تتراوح نسبة التحميل بالوزن (في القطعة النهائية) من 0.01 بالمئة إلى 4.0 بالمئة.

يمكن خلط الصيغتين، الحبيبات والمسحوق، في مادة ملوّنة مسبقة التركيب أو مركّز ألوان. ويعتمد اختيار الإضافة المناسبة على تركيب البوليمر ولون الركيزة ولون تباين الوسم المطلوب ومتطلبات الاعتماد للاستخدام النهائي. وتحتوي بعض الإضافات على خليط من أكسيد القصدير المطعّم بالأنتيمون وثالث أكسيد الأنتيمون، وقد يضفي ذلك صبغة «رمادية» على عتامة الركيزة الطبيعية (غير الملوّنة). وقد تحتوي إضافات أخرى على جسيمات الألمنيوم وأكاسيد فلزية مختلطة ومركّبات خاصة. وتُجرى تعديلات اللون باستخدام الصبغات والأصباغ للوصول إلى مظهر مطابقة اللون النهائي. وكما تُورَّد تجاريًا، حصلت إضافات محددة (تُستخدم أيضًا في اللحام بالليزر) على موافقة FDA للاستخدام في ملامسة الأغذية وتغليفها وفق الشروط A-H من 21 CFR 178.3297 الملوّنات للبوليمرات. وفي الاتحاد الأوروبي توجد بيانات امتثال مماثلة. وشروط الاعتماد خاصة بنوع البوليمر وحد مستوى التحميل والتماس المباشر أو غير المباشر. ويمكن أن يحقق التأهيل الإضافي للإضافات المعتمدة من FDA عند دمجها في «قطعة نهائية» التوافق الحيوي للأجهزة الطبية (راجعوا المعيار الدولي ISO-10993).

اعتبارات المعالجة

أثناء تحميل إضافة الليزر وكيمياء مطابقة اللون، ليس من غير المألوف أن يحتوي المنتج النهائي على كمية من إضافة الليزر أقل من الكمية المحسوبة. وترتبط هذه المشكلة في الغالب دائمًا بعدم انتظام التوزيع أثناء البثق أو القولبة. وتحل التعديلات البسيطة على آلة القولبة، مثل زيادة الضغط الخلفي وسرعة دوران اللولب، معظم المشكلات. ومن الضروري تحقيق توزيع/تشتيت متجانس لإضافات الليزر في كل قطعة للحصول على أفضل أداء للوسم. وفي عمليات البثق والقولبة بالحقن والتشكيل الحراري، تعطي المواد الملوّنة مسبقة التركيب تجانسًا أفضل مقارنةً بمركّز الألوان. وينبغي تجنب الخلط اليدوي. ويُعد تدفق القالب ونوع البوابة وموقعها من العوامل المهمة.

تقنية الليزر

كانت التطورات في تقنية الليزر عاملًا حاسمًا في التطور السريع لأحدث جيل من إضافات الليزر المعتمدة من FDA. ويُعد ظهور ليزرات ألياف الإتربيوم بالنانو ثانية من أهم التطورات في الوسم واللحام والقص. فمن حيث المبدأ يختلف ليزر الألياف عن ليزرات الوسم الأخرى ذات الحالة الصلبة. ففي ليزر الألياف يتوزع الوسط الفعّال الذي يولّد شعاع الليزر داخل كبل ألياف ضوئية متخصص. وعلى خلاف الليزرات الموصولة بالألياف، يقع مسار الشعاع بأكمله داخل كبل الألياف الضوئية حتى بصريات توصيل الشعاع.

تعطي ليزرات الألياف جودة شعاع وسطوعًا فائقين مقارنةً بليزر Nd:YAG. ومن مقاييس جودة الشعاع M2. وكلما صغرت قيمة M2 تحسنت جودة الشعاع، ويمثل M2 = 1 شعاع الليزر الغاوسي المثالي. ويمكن تركيز الليزر ذي جودة الشعاع الفائقة في بقعة صغيرة الحجم، مما يؤدي إلى كثافة طاقة عالية. وتستطيع ليزرات الألياف ذات النبضة الثابتة والمتغيرة (MOPA) بطاقة نبضة تصل إلى 1 mJ وكثافة قدرة عالية وسم كثير من البوليمرات الصعبة تاريخيًا. وتمتلك ليزرات الفاناديت كذلك قيمة M2 صغيرة مع عرض نبضة أقصر من ليزرات الألياف الثابتة وYAG. وتؤثر مدة النبضة في درجة الحرارة والكربنة داخل المادة. ويمكن أن يكون عرض النبضة الأقصر مفيدًا في التطبيقات البوليمرية الحساسة.

تقدم IPG Photonics، الرائدة في تطوير ليزرات الألياف عالية الأداء وتصنيعها، كلًا من ليزرات النبضة الثابتة (يُشار إليها أحيانًا بـ«مفتاح Q») وليزرات النبضة القصيرة المتغيرة (MOPA). وتطوير التطبيقات شديد الخصوصية. ويتحدد اختيار نوع الليزر الواجب دمجه بخصائص خرج الليزر المتفاعلة مع مادة البوليمر المُحسَّنة. راجعوا الرسمين البيانيين أدناه، اللذين يمثلان أشكال النبضات الزمنية لليزرات ألياف الإتربيوم ذات طول النبضة الثابت والمتغير (MOPA) – IPG Photonics.

عند إعداد ليزر ألياف ثابت طول النبضة للوسم، يجب ضبط مدخلين.

• معدل تكرار النبضات (يُشار إليه غالبًا بتردد النبضات)
• قدرة الضخ بالنسبة المئوية (تشير 100 بالمئة إلى أقصى مدخل كهربائي ممكن للصمامات الثنائية للضخ)

وعند إعداد ليزر ألياف MOPA ذي نبضة قصيرة متغيرة للوسم، تُضبط ثلاثة مدخلات.

• مدة النبضة (يُشار إليها غالبًا بطول النبضة)
• معدل تكرار النبضات (تردد النبضات)
• قدرة الضخ بالنسبة المئوية (تشير 100 بالمئة إلى أقصى مدخل كهربائي ممكن للصمامات الثنائية للضخ)

وفي كلا الرسمين البيانيين في الصفحة السابقة، تتحكم توليفة معينة من مدخلات المعاملات في خصائص خرج شعاع الليزر، وهي تحديدًا طاقة النبضة والقدرة الذروية (أعلى ذروة لحظية لطاقة النبضة، J/مدة النبضة) والقدرة المتوسطة (القدرة المتوسطة بالواط = طاقة النبضة بالجول × معدل تكرار النبضات بالهرتز).

جميع ليزرات الألياف والفاناديت وYAG الموجَّهة بالحزمة ليست متساوية. فمكونات العتاد والبرمجيات التي تدمجها الشركة المصنعة للليزر في أنظمتها تحدث فرقًا كبيرًا في تباين الوسم وجودته وسرعته. وأهم خاصية هي كثافة القدرة (واط/سم²) عند سطح الوسم، وهي تختلف عن قدرة الخرج الخام لليزر. ويُعد نمط خرج شعاع الليزر عاملًا حاسمًا في أداء الوسم. وترتبط أنماط الخرج هذه بعوامل منها تباعد الشعاع وتوزيع القدرة عبر قطر شعاع الليزر.

تعتمد كثافة القدرة على حجم بقعة الليزر المركّزة. ويعتمد حجم بقعة الليزر المركّزة لأي عدسة ذات بعد بؤري معين وأي طول موجي للليزر على تباعد شعاع الليزر، الذي تتحكم فيه تهيئة الليزر وحجم فتحة اختيار النمط وتكبير موسّع الشعاع (upcollimator).

يُعد معدل تكرار النبضات وكثافة القدرة الذروية من المعاملات الحاسمة في تكوين الوسم وتحقيق التباين والسرعة المثلى. والمنحنيات الحسابية للقدرة مقابل معدل تكرار النبضات متناسبة عكسيًا. فالقدرة الذروية العالية عند تردد منخفض ترفع درجة حرارة السطح بسرعة فتبخّر المادة مع نقل حرارة ضئيلة إلى الركيزة. ومع زيادة تكرار النبضات، تنتج قدرة ذروية أقل تبخيرًا محدودًا لكنها تنقل مزيدًا من الحرارة. ومن العوامل الإضافية المؤثرة في تباين الوسم وجودته، بطبيعة الحال، سرعة الشعاع ومسافة الفصل بين الخطوط المتجهة.

الخلاصة

يحقق أحدث جيل من إضافات الليزر المعتمدة من FDA والمدمجة في البوليمرات تباين وسم وتفاصيل حواف خطوط وسرعة فائقة. ويحل الوسم بالليزر الخطي «أثناء الحركة» الآن محل الطباعة بالحفر الدوار والطباعة بالبطانة. وكانت التطورات في تقنية ليزر الألياف ميسورة التكلفة عاملًا حاسمًا. وتعوّض هذه المزايا سريعًا الفرق في سعر الإضافة المادية. ويتطلب تحسين كيمياء علم المواد للوسم بالليزر على البلاستيك خبرة في البوليمرات والملوّنات والصبغات والأصباغ من حيث الذوبانية وأحجام الجسيمات وحدود تركيز العتبة ومطابقة اللون والاعتمادات التنظيمية (GRAS وملامسة الأغذية المباشرة/غير المباشرة وفق FDA). وليست جميع الليزرات متساوية.

شكر وتقدير

• Dr. Tony Hoult, IPG Photonics, “Laser Marking with Fiber Lasers,” Industrial Laser Solutions, September 2012.
• BASF Corporation Mark-it™ Laser Marking Pigment Technical Bulletin 2002, with technical content contributions from The Sabreen Group, Inc.
• Bruce Mulholland (Hoechst Technical Polymers) and Scott Sabreen (The Sabreen Group, Inc.), “Enlightened Laser Marking,” Lasers&Optronics, July 1997.
• Daniel S. Burgess, Scott R. Sabreen, & Carl Baasel Lasertechnik GmbH, Feature Article, “Laser Marking: A Clean Economical Packaging Solution,” Photonics Spectra, November, 2001.

Scott R. Sabreen هو مؤسس The Sabreen Group, Inc. ورئيسها، وهي شركة هندسية متخصصة في عمليات التصنيع الثانوية للبلاستيك: الوسم بالليزر والمعالجة الأولية للسطح واللصق والتزيين والتشطيب وأمن المنتج. ويطوّر Sabreen تقنيات رائدة ويحل مشكلات التصنيع منذ أكثر من 30 عامًا. ويمكن التواصل معه على الرقم 972.820.6777 أو عبر زيارة www.sabreen.com أو www.plasticslasermarking.com.

---