ليزر الألياف يتيح وسم البلاستيك المتقدم

ليزر الألياف يتيح وسم البلاستيك المتقدم

تعمل إضافات رائدة معتمدة من FDA، تُمزج في البوليمرات أثناء المعالجة الأولية، على تحسين وسم البلاستيك بالليزر. ومن أبرز فوائدها السرعة العالية وتباين متفوق وتوفير التكاليف. ويمكن للإضافات الكيميائية المبتكرة إنتاج تباين أسود فاحم وفاتح اللون وبألوان مخصصة، سواء في الوسم «أثناء الحركة» أو في العمليات الثانوية. وقد صُممت لاستخدام ليزر الألياف بالإيتربيوم ميسور التكلفة، ويحل الآن الوسم بالليزر المدمج في خط الإنتاج والخالي من الأحبار محل الطباعة الغرافيورية الدوارة والطباعة بالوسادة التقليدية.

أبرز النقاط

• ليس لمعظم البوليمرات امتصاص في الأشعة تحت الحمراء القريبة، لذا فالإضافات هي ما يجعل الوسم عند 1060–1080 nm ممكنًا أصلًا.
• تحقق الإضافات الخالية من المعادن الثقيلة والمعتمدة من FDA وEFSA تباينًا عاليًا دون تغيير الشفافية أو النفاذ الطيفي أو الخصائص الفيزيائية.
• تخفض الإضافات زمن الوسم بنسبة 20% أو أكثر مقارنةً بالتركيبات غير المحسّنة، مما يعوّض كلفتها سريعًا.
• يتفوق MOPA على Q-switched في معدل التكرار، إذ يصل إلى 500 kHz مقابل نحو 80 kHz، وتناسب النبضات القصيرة دون 40 ns البوليمرات الحساسة.
• تصل سرعات الوسم أثناء الحركة إلى 2,000 قطعة/دقيقة على الأغطية، و500 ft/min فأكثر على المنتجات الخطية المبثوقة.

الأسئلة الشائعة

ما مستوى تحميل إضافة الليزر المطلوب؟

بين 0.01% و4.0% بالوزن في القطعة النهائية، بحسب الإضافة والبوليمر. وتُمزج الحبيبات مباشرة مع الراتنج، أما المسحوق فيُحوَّل أولًا إلى ماستر باتش. وتعطي المادة الملوّنة المخلوطة مسبقًا تجانسًا أفضل من مركّز الألوان في البثق والقولبة بالحقن والتشكيل الحراري.

هل تؤثر إضافات الليزر في الشفافية أو الخصائص الفيزيائية؟

لا تؤثر الإضافات المصاغة بشكل صحيح. فشفافية البوليمر والنفاذ الطيفي والخصائص الفيزيائية الأساسية لا تتغير، وهذا ما يجعل وسم البوليمرات الشفافة وشبه الشفافة عمليًا دون المساس بالمنتج.

ما مدى سرعة الوسم بالليزر أثناء الحركة فعليًا؟

تصل سرعات الوسم لسدادات النبيذ الصناعية من البولي أوليفين والعروض الترويجية تحت الغطاء على أغطية المشروبات الخالية من البطانة إلى 2,000 قطعة في الدقيقة للنصوص الأبجدية الرقمية والرسومات. ويحقق الوسم الخطي للنصوص ورموز الرؤية الآلية 500 ft/min وأسرع.

ما الفرق بين ليزر الألياف Q-switched وMOPA؟

تعمل ليزرات الألياف Q-switched عادةً بعرض نبضة 100–120 ns، ويقتصر معدل تكرارها على نحو 80 kHz بسبب تقنية Q-switching نفسها. أما ليزرات MOPA ذات التعديل المباشر فتعمل حتى 500 kHz بعرض نبضات بالنانوثانية، وتعني معدلات التكرار الأعلى عمومًا وسمًا أسرع.

هل هذه الإضافات معتمدة للتلامس مع الأغذية والأجهزة الطبية؟

تحمل إضافات محددة اعتماد FDA للتلامس مع الأغذية وتغليف الأغذية وفق الشروط A–H من 21 CFR 178.3297 (الملوّنات للبوليمرات)، مع بيانات امتثال معادلة في الاتحاد الأوروبي. ويمكن لمزيد من التأهيل للقطعة النهائية تحقيق التوافق الحيوي للأجهزة الطبية. والاعتماد خاص بنوع البوليمر وحد التحميل وبالتلامس المباشر أو غير المباشر.

تطبيقات المنتجات

تُصاغ البوليمرات الملوّنة الشفافة وشبه الشفافة والمعتمة، ومنها النايلون وبولي إيثيلين تيريفثاليت (PET) والبولي كربونات والبولي أوليفينات وبولي فينيل كلوريد (PVC) والستايرينات والمرنات الحرارية (TPUs) والبولي يوريثان الحراري (TPEs)، بشكل فريد باستخدام إضافات خالية من المعادن الثقيلة ومعتمدة من FDA/الهيئة الأوروبية لسلامة الأغذية (EFSA) لتحقيق جودة وسم عالية التباين (انظروا الشكل 1). ولا تتأثر شفافية البوليمر ولا نفاذه الطيفي ولا خصائصه الفيزيائية الأساسية. ويحل الوسم الرقمي بالليزر دون تلامس محل الملصقات اللاصقة الباهظة وعمليات الطباعة بالأحبار الكيميائية. والنتيجة تطبيق فعّال من حيث التكلفة وصديق للبيئة وذو مظهر جمالي متفوق.

آلية تفاعل الوسم بالليزر في البوليمرات

يتمثل التقدم المحرز في صياغة إضافات الليزر الكيميائية للاستخدام مع ليزرات الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) (الطول الموجي 1060–1080nm) في توافقها مع ليزر الألياف بالإيتربيوم وليزر الفاناديت وليزر Nd:YAG السابق لها. ولا تمتلك معظم البوليمرات خصائص امتصاص NIR دون إضافات كيميائية¹. والبوليمرات التي يمكن وسمها بالليزر هي التي تمتص ضوء الليزر وتحوّله من طاقة ضوئية إلى طاقة حرارية. ويستخدم الخبراء الإضافات والحشوات والصبغات والأصباغ لتعزيز امتصاص طاقة الليزر من أجل تغييرات لونية موضعية. وتُستخدم كيمياء صياغة وبصريات/معاملات إعداد ليزر مختلفة تمامًا بحسب تباين الوسم والوظيفة المطلوبين.

وآلية تفاعل السطح الأكثر شيوعًا تُسمى «الكربنة» أو «التفحّم» الكيميائي الحراري، حيث ترفع الطاقة الممتصة في الركيزة درجة الحرارة الموضعية للمادة المحيطة بموقع الامتصاص إلى حد يكفي لإحداث تحلل حراري للبوليمر. ويعتمد قتام الوسم أو فتوته على الطاقة الممتصة وعلى مسار التحلل الحراري الخاص بالمادة. وبتحسين إعداد الليزر تقل رواسب كربنة السطح إلى الحد الأدنى.

إضافات الليزر

تحسّن إضافات الليزر في الأشعة تحت الحمراء القريبة درجة التباين، ويمكن تعزيزه أكثر بتغيير معاملات إعداد الليزر. وللبوليمرات خصائص كامنة تعطي تباين وسم «داكن اللون» أو «فاتح اللون». وقد تمتص بعض مركبات الصبغات المحتوية على كميات قليلة من ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) وأسود الكربون ضوء الليزر أيضًا، وفي بعض الحالات تحسّن تباين الوسم. وقد تعطي كل درجة بوليمر، حتى ضمن العائلة البوليمرية نفسها، نتائج مختلفة. ولا يجوز أن تكون تركيبات الإضافات سامة أو أن تؤثر سلبًا في مظهر المنتجات أو خصائصها الفيزيائية أو الوظيفية.

وبالمقارنة مع عمليات الطباعة بالحبر (الطباعة بالوسادة/الشاشة والطباعة النفاثة للحبر)، توفر إضافات الليزر التكاليف ويمكن أن تُظهر سرعات وسم أعلى بنسبة 20% وأكثر مقارنةً بالمواد غير المحسّنة. وتُورَّد إضافات الليزر على شكل حبيبات وأقراص ومسحوق. ويمكن مزج المنتجات الحبيبية مباشرة مع راتنج البوليمر، بينما تُحوَّل صيغ المسحوق إلى ماستر باتش. ومعظمها يتشتت بسهولة في البوليمرات. وبحسب الإضافة والبوليمر، يتراوح تركيز التحميل بالوزن (في القطعة النهائية) بين 0.01 و4.0%.

يمكن مزج الشكلين، الحبيبي والمسحوق، في مادة ملوّنة مخلوطة مسبقًا أو في مركّز ألوان. ويعتمد اختيار الإضافة المراد دمجها على تركيب البوليمر ولون الركيزة ولون تباين الوسم المطلوب ومتطلبات الاعتماد للاستخدام النهائي. وفي عمليات البثق والقولبة بالحقن والتشكيل الحراري، يعطي استخدام المواد الملوّنة المخلوطة مسبقًا تجانسًا أفضل من مركّز الألوان. ويجب تجنب الخلط اليدوي. ويُعدّ انسياب القالب ونوع البوابة وموقعها عاملين مهمين. ومن الحاسم تحقيق توزيع/تشتت متجانس لإضافات الليزر في كل قطعة للحصول على أفضل أداء وسم.

وتحتوي بعض الإضافات على خلائط من أكسيد القصدير المطعّم بالأنتيمون وثالث أكسيد الأنتيمون، وقد تضفي صبغة «رمادية» على عتامة الركيزة الطبيعية (غير الملوّنة). وقد تحتوي إضافات أخرى على جسيمات ألومنيوم وأكاسيد معادن مختلطة ومركبات خاصة. وتُجرى تعديلات اللون باستخدام الصبغات والأصباغ لتحقيق مظهر مطابقة الألوان النهائي. وقد حصلت إضافات محددة متوفرة تجاريًا (تُستخدم أيضًا في اللحام بالليزر) على اعتماد FDA للتلامس مع الأغذية واستخدامات تغليف الأغذية 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 والتلامس المباشر أو غير المباشر. ويمكن لمزيد من التأهيل للإضافات المعتمدة من FDA والممزوجة في «قطعة نهائية» تحقيق التوافق الحيوي للأجهزة الطبية².

تقنية ليزر الألياف بالإيتربيوم بالنانوثانية

كان للتحسينات في تقنية الليزر دور محوري في التطوير السريع لأحدث جيل من إضافات الليزر المعتمدة من FDA. ويُعدّ ظهور ليزر الألياف بالإيتربيوم بالنانوثانية من أهم التطورات في الوسم واللحام والقطع.

وأساسًا، تختلف ليزرات الألياف عن ليزرات الحالة الصلبة المضخوخة بالديود (DPSS) الأخرى المستخدمة في الوسم. ففي ليزرات الألياف يتوزع الوسط الفعال الذي يولّد شعاع الليزر داخل كابل ألياف ضوئية متخصص. وعلى خلاف الليزرات الموصولة بالألياف، يقع مسار الشعاع بأكمله داخل كابل ألياف ضوئية وصولًا إلى بصريات توصيل الشعاع. وهذه البنية الليفية الكاملة مسؤولة إلى حد كبير عن موثوقية هذه الليزرات ومتانتها، وهو ما يفسر نموها السريع.

وتعطي ليزرات الألياف جودة شعاع (M2) وسطوعًا متفوقين مقارنةً بليزر Nd:YAG. ويمكن تركيز الليزر ذي جودة الشعاع المتفوقة على بقعة صغيرة الحجم، مما يؤدي إلى كثافة طاقة عالية. ويمكن لليزرات الألياف MOPA (مذبذب رئيسي ومضخم قدرة) ثابتة ومتغيرة النبضة، بطاقة نبضة حتى 1mJ وكثافة قدرة عالية، وسم كثير من البوليمرات الصعبة تاريخيًا (انظروا الشكل 2)³.

وتمتلك ليزرات الفاناديت كذلك قيمة M2 صغيرة مع عرض نبضة أقصر من ليزرات الألياف الثابتة وليزرات YAG. ويؤثر زمن النبضة في درجة الحرارة والكربنة داخل المادة. وتتيح النبضات القصيرة، عادةً أقل من 40ns، إدخالًا أكثر تحكمًا للطاقة عند معالجة المواد البوليمرية الحساسة. ولا تزال هذه النبضات تملك قدرة الذروة اللازمة لتجاوز عتبات المادة، لكن طاقة نبضتها أقل للحد من الضرر الحراري الموضعي.

وتقدم IPG Photonics، وهي مطوّر وصانع رائد لليزرات الألياف عالية الأداء، ليزرات YLP Series ثابتة النبضة (يُشار إليها أحيانًا بـ «Q-switch») وليزرات YLPN (MOPA) متغيرة النبضة القصيرة. وتُستخدم ليزرات الألياف Q-switched، بعرض نبضة عادةً 100–120ns، في بعض تطبيقات الوسم، لكن معدل تكرارها يقتصر على نحو 80kHz بسبب القيد المتأصل في تقنية Q-switching. ويمكن لليزرات الألياف MOPA ذات التعديل المباشر (DM-MOPA) العمل بمعدلات تكرار تصل إلى 500kHz بعرض نبضات بالنانوثانية. وتعني معدلات التكرار العالية عمومًا سرعة وسم أعلى (بالتزامن مع معاملات الليزر/الموجّه الأخرى).

وتطوير التطبيقات نوعي جدًا، إذ لا يوجد حل ليزر شامل. وتستطيع ليزرات MOPA قصيرة زمن النبضة استغلال أداء الإضافات الكيميائية الحساسة المعتمدة من FDA استغلالًا كاملًا. ويتيح التحكم المكاني والزماني الموضعي في مدخلات حرارة الليزر ومعدلها أقصى أداء. ويتحدد اختيار نوع الليزر المراد دمجه بخصائص خرج الليزر المتفاعل مع مادة البوليمر المحسّنة. ويمثل الشكل 3 أشكال النبضات الزمنية لليزرات الألياف بالإيتربيوم ذات طول النبضة الثابت والمتغير (MOPA) [3].

عند إعداد ليزر ألياف ثابت طول النبضة للوسم، يجب ضبط مُدخلين:

• معدل تكرار النبضات (يُشار إليه غالبًا بتردد النبضات)، و
• قدرة الضخ بالنسبة المئوية، إذ تشير 100% إلى أقصى مدخل كهربائي ممكن لديودات الضخ.

وعند إعداد ليزر ألياف MOPA متغير النبضة القصيرة للوسم، تُضبط ثلاثة مُدخلات:

• مدة النبضة (يُشار إليها غالبًا بطول النبضة)؛
• معدل تكرار النبضات (تردد النبضات)؛
• وقدرة الضخ بالنسبة المئوية، كما هو موضح أعلاه.

وفي الحالتين، يتحكم الجمع المحدد لمُدخلات المعاملات في خصائص خرج شعاع الليزر، وهي طاقة النبضة، وقدرة الذروة (أعلى ذروة لحظية لطاقة النبضة، جول/مدة النبضة)، والقدرة المتوسطة (القدرة المتوسطة بالواط = طاقة النبضة بالجول × معدل تكرار النبضات بالهرتز).

الوسم بالليزر «أثناء الحركة»

يُعدّ الوسم بالليزر «أثناء الحركة» من أكثر التطبيقات تخصصًا، ويُنفَّذ على المنتجات المقولبة والمبثوقة مثل الأسلاك/الكابلات والأنابيب والمواسير. وتصل سرعات الوسم لسدادات النبيذ الصناعية من البولي أوليفين والعروض الترويجية تحت الغطاء على أغطية المشروبات الخالية من البطانة إلى 2000 قطعة/دقيقة للنصوص الأبجدية الرقمية والرسومات (انظروا الشكل 4). ويمكن أن تبلغ سرعات الوسم الخطي للنصوص ورموز الرؤية الآلية 500 ft/min وأسرع، حيث يحل الوسم بالليزر الخالي من الأحبار الآن محل الطباعة الغرافيورية الدوارة والطباعة بالوسادة.

وسرعة الوسم دالة في متغيرات كثيرة، منها نوع البوليمر ولون الركيزة ونوع إضافة الليزر ومستوى تحميلها وحجم الكابل (وزنه) ونوع الليزر وقدرته والبرمجيات وعدد الأحرف الأبجدية الرقمية وارتفاع النص وطول سلسلة النص والمسافة بين الأحرف والباركود/Data Matrix والشعارات/الرسومات والخطوط أحادية الخط أو المملوءة (true-type) واتجاه التعبئة والنص المستمر أو المتكرر. ويضمن استخدام ملوّن إضافة مصاغ بشكل صحيح ألا تكون «كثافة القدرة» عند سطح الوسم هي العامل المحدِّد. بل ستعمل مرايا الغلفانومتر الموجّهة للشعاع بأقصى سرعة.

ونظرًا إلى تعقيد العوامل المؤثرة في قدرة الوسم في الإنتاج أثناء الحركة، يجب فحص كل تطبيق بدقة. وتوجد قواعد قليلة، إن وُجدت، يمكن تعميمها. ومع ذلك، للأغراض العامة، لنأخذ مثال بوليمر النايلون التالي الذي يشمل ليزر ألياف 50W وعدسة مجال مسطح 254mm و100 حرف أبجدي رقمي بارتفاع 2mm وطول سلسلة نص متكررة 14.68in. وزمن وسم 0.232s. وتبلغ السرعة المحسوبة نحو 315 lin. ft/min.

أنظمة معدات الليزر

تُحدث مكونات الأجهزة والبرمجيات التي تدمجها الشركة المصنّعة لليزر في أنظمتها فرقًا كبيرًا في تباين الوسم وجودته وسرعته. وأحد أهم الخصائص هو كثافة القدرة (W/cm2) عند سطح الوسم (وهي تختلف عن قدرة الخرج الخام لليزر). ويُعدّ نمط خرج شعاع الليزر حاسمًا لأداء الوسم. وترتبط أنماط الخرج هذه بعوامل منها انفراج الشعاع وتوزيع القدرة عبر قطر شعاع الليزر.

وكثافة القدرة دالة في حجم بقعة الليزر المركّزة. وحجم بقعة الليزر المركّزة لأي عدسة ببعد بؤري معين وطول موجي معين دالة في انفراج شعاع الليزر، الذي يتحكم فيه تكوين الليزر وحجم فتحة اختيار النمط وتكبير موسّع الشعاع (upcollimator). ويُعدّ معدل تكرار النبضات وكثافة قدرة الذروة معاملين حاسمين في تكوين الوسم وتحقيق أفضل تباين وسرعة. والمنحنيات الحسابية للقدرة مقابل معدل تكرار النبضات متناسبة عكسيًا. فقدرة الذروة العالية عند التردد المنخفض ترفع درجة حرارة السطح بسرعة فتبخّر المادة مع نقل حرارة ضئيلة إلى الركيزة. ومع زيادة تكرار النبضات، تنتج قدرة ذروة أقل تبخيرًا ضئيلًا لكنها تنقل حرارة أكبر. ومن العوامل الإضافية المؤثرة في تباين الوسم وجودته بالطبع سرعة الشعاع والمسافة الفاصلة بين خطوط المتجهات.

الخلاصة

تعطي إضافات الليزر الرائدة المعتمدة من FDA والمدمجة في البوليمرات تباين وسم وتفاصيل حواف خطوط وسرعة متفوقة. وتحقق المنتجات التي تتضمن إضافات معززة لليزر سرعات وسم أعلى بنسبة 20% وأكثر. وتعوّض الفوائد سريعًا الكلفة الإضافية لمادة الإضافة. وقد كان لتطورات تقنية ليزر الألياف بالإيتربيوم بالنانوثانية ميسورة التكلفة دور محوري. ويحل الوسم بالليزر أثناء الحركة داخل خط الإنتاج الآن محل الطباعة الغرافيورية الدوارة والطباعة بالوسادة. ويتطلب تحسين كيمياء علم المواد للوسم بالليزر على البلاستيك خبرة في البوليمرات والملوّنات والصبغات والأصباغ من حيث الذوبانية وأحجام الجسيمات وحدود التركيز العتبية ومطابقة الألوان والاعتمادات التنظيمية (GRAS، وتلامس الأغذية المباشر/غير المباشر وفق FDA). وليست كل ليزرات الألياف متساوية.

الشكر والمراجع

يشكر المؤلف النشرة الفنية لصبغة الوسم بالليزر Mark-it من BASF Corporation لعام 2002، بمساهمات فنية من The Sabreen Group؛ وBruce Mulholland من Hoechst Technical Polymers وThe Sabreen Group على مقال “Enlightened laser marking”، Lasers & Optronics (يوليو 1997)؛ وDaniel S. Burgess من Baasel Lasertechnik GmbH وThe Sabreen Group على مقال “Laser marking: A clean economical packaging solution”، Photonics Spectra (نوفمبر 2001).

• Sabreen, S. Fiber Lasers: Selection and Additives, Plastics Decorating, November 2017.
• Polyamide (PA) Nylon Complete Guide, SpecialChem 2019.
• Brodsky, M. Wave Forms: A New Laser Tool, Optics & Photonics, March 2012.

Scott R. Sabreen هو مؤسس ورئيس The Sabreen Group, Inc.، وهي شركة استشارات هندسية متخصصة في عمليات التصنيع الثانوية للبلاستيك، ومنها المعالجات الأولية للسطح والربط بالالتصاق والطباعة النفاثة للحبر والوسم بالليزر والتزيين والتشطيب وأمن المنتج. وهو يطوّر تقنيات رائدة ويحل مشكلات التصنيع منذ أكثر من 30 عامًا. يمكنكم التواصل معه على الرقم 972.820.6777 أو عبر زيارة www.sabreen.com.

---