الوسم بليزر الألياف على بلاستيك النايلون (بولي أميد)

الوسم بليزر الألياف على بلاستيك النايلون (بولي أميد)

يتزايد بسرعة الطلب على الوسم بالليزر عالي التباين على منتجات النايلون (بولي أميد) البلاستيكية بفضل نطاق تطبيقاتها الصناعية الواسع. وتشمل العلامات الوظيفية والزخرفية التعريف بالأحرف والأرقام ورموز الرؤية Data Matrix/QR والمخططات والبنى الدقيقة.

تُعد البولي أميدات، ومنها البولي فثالاميدات (PPA)، من أصعب البوليمرات من حيث الوسم بالليزر بسبب تنوع خصائص موادها وظروف قولبتها وتهيئات الليزر. وتحل الإضافات الذكية لليزرات الأشعة تحت الحمراء القريبة مشكلات تباين الوسم وتزيد سرعته (زمن دورة أقصر) دون التأثير في خصائص المادة.

يقدم هذا المقال فهمًا للنايلون والإضافات الكيميائية وليزرات الألياف لتحقيق ألوان عالية التباين وعمليات وسم بالليزر اقتصادية.

أبرز النقاط

• تُعد البولي أميدات، ومنها PPA، من أصعب البوليمرات وسمًا، نظرًا إلى تنوع خصائصها وظروف قولبتها وتهيئات الليزر.
• التباين ليس تغير اللون فقط، فحيود الضوء المتغير يسهم فيه أيضًا، إلى جانب دقة الخطوط الدقيقة والحدة.
• لون الركيزة متغير قائم بذاته، لأن أسود الكربون وTiO2 ومثبطات اللهب تمتص ضوء الليزر بدرجات مختلفة.
• تركّز ليزرات الألياف أقل من 20 ميكرون، مما يعطي كثافة الطاقة العالية التي يتطلبها الوسم الدقيق على النايلون.
• يُعد MOPA عند 20–50 ns النافذة الفعّالة للحصول على لون بتباين فائق على معظم البوليمرات.

من المعاملات الأساسية لوصف جودة الوسم تباين اللون بين السطح الموسوم والركيزة. وهناك ثلاث آليات سطحية لتغير اللون باستخدام ليزرات الأشعة تحت الحمراء القريبة، ومنها ليزر ألياف الإتربيوم والفاناديت (Nd:YVO4) وNd:YAG: 1) الوسم الأسود بالكربنة، 2) الوسم الأبيض بتكوين الرغوة، 3) تغيرات اللون بالتفاعلات الكيميائية الحرارية التي يحفزها الليزر في البوليمرات الملوّنة¹. ومن أكثر ألوان التباين طلبًا الأبيض المعتم على الأسود والأسود القاتم على الأبيض والأبيض المعتم على الأزرق المتوسط. وغالبًا ما تتطلب هذه التوليفات اللونية إضافات كيميائية. وتحسّن الإضافات درجة تباين اللون (امتصاص ضوء الليزر)، ويتعزز ذلك أكثر عبر الاختيار الأمثل لليزر ومعاملات الوسم.

الأسئلة الشائعة

ما الذي يجعل الوسم بالليزر على النايلون صعبًا؟

للبولي أميدات، ومنها البولي فثالاميدات، خصائص مواد وظروف قولبة وتهيئات ليزر متنوعة، ومثل معظم البوليمرات لا تمتص ضوء الليزر بطبيعتها، مما يمنع تغير اللون الذي يكوّن العلامة. والإضافات المعززة لليزر هي التي تحل مشكلات التباين والسرعة والمتانة.

كيف تُقيَّم جودة الوسم بخلاف التباين؟

بالدقة، أي دقة الخطوط الدقيقة والحدة. فالتباين نفسه لا يتحقق دائمًا بتغير اللون وحده، إذ يسهم فيه أيضًا حيود الضوء المتغير، ولذلك يجب تقييم الجانبين معًا.

هل يؤثر لون النايلون في الوسم؟

نعم. فلون الركيزة عامل حقيقي لأن مركبات مثل أسود الكربون وثاني أكسيد التيتانيوم ومثبطات اللهب تمتلك كل منها درجات متفاوتة من امتصاص ضوء الليزر، مما يغير استجابة المادة.

لماذا حلت ليزرات ألياف الإتربيوم محل YAG في هذا العمل؟

دخلت سوق الوسم الصناعي نحو عام 2010 بجودة شعاع فائقة وسطوع عالٍ، وتتركز في بقعة أقل من 20 ميكرون لكثافة طاقة عالية. وهي أيضًا متعددة الاستخدامات وفعّالة من حيث التكلفة وجاهزة للتشغيل الفوري عمليًا مع صيانة تكاد تكون معدومة.

ما أفضل نطاق لعرض النبضة؟

ليزرات ألياف MOPA ذات النبضة القصيرة المتغيرة في نطاق 20 إلى 50 ns فعّالة للغاية في الحصول على لون بتباين فائق على معظم البوليمرات، ومنها النايلون. أما ليزرات الألياف بمفتاح Q عند 100 إلى 150 ns فمحدودة بمعدل تكرار يبلغ نحو 80 kHz.

ما هو النايلون (بولي أميد)؟

البولي أميدات، أو النايلون، هي فئة رئيسية من اللدائن الحرارية الهندسية عالية الأداء التي تحتوي على روابط أميد متكررة، أي –CO-NH–. وتتكون بتكثيف وحدات متطابقة، أو بوليمرات مشتركة لوحدات مختلفة. ويُصنع النايلون بالتكثيف المتعدد لحمض ثنائي مع أمين ثنائي أو بالبلمرة بفتح الحلقة للاكتامات ذات ستة أو 11 أو 12 ذرة كربون². ويمكن أن تكون مونومرات النايلون أليفاتية أو شبه عطرية أو عطرية (أراميدات)، وتتراوح بنيتها بين غير متبلورة وشبه بلورية ذات درجة تبلور أكبر أو أقل.

تُنتج البولي أميدات الأليفاتية على نطاق أكبر بكثير من البولي أميدات العطرية بالكامل، وهي من أهم فئات اللدائن الحرارية الهندسية. وتكون بولي أميدات النايلون المحتوية على 20% ألياف زجاجية ذات ملمس السطح غير اللامع (تباين لون الوسم بالليزر على النايلون) غير متبلورة أو متوسطة التبلور فقط عند القولبة بالحقن، ولكن يمكن زيادة درجة التبلور.

وهناك اثنان من أهم البولي أميدات هما بولي (هكساميثيلين أديبأميد) (نايلون 6,6) وبولي كابرولاكتام (نايلون 6). وتشمل البولي أميدات الأليفاتية الأخرى النايلون 12 و69 و6-10 و6-12 و46 و1212. والنايلون 11 بلاستيك هندسي حيوي المصدر مستخلص من موارد متجددة (نباتات الخروع).

وتشمل البولي أميدات شبه العطرية شبه البلورية المصنوعة بتكثيف الأميدات الأليفاتية PA 6T وPA 6I. وغالبًا ما تكون البولي أميدات شبه العطرية بديلًا فعّالًا من حيث التكلفة للأراميدات العطرية بالكامل الأعلى كلفة. وللبولي أميدات العطرية، المسماة أراميدات، قوة أعلى ومقاومة أفضل للمذيبات واللهب والحرارة وثبات أبعاد أكبر مقارنة بالأميدات الأليفاتية. ومن الأميدات العطرية المعروفة Kevlar، وهو بولي (p-فينيلين تيريفثالاميد).

تُعد البولي أميدات، ومنها البولي فثالاميدات (PPA)، من أصعب البوليمرات من حيث الوسم بالليزر بسبب تنوع خصائص موادها وظروف قولبتها وتهيئات الليزر.

البولي فثالاميد (PPA) مجموعة فرعية من الراتنجات الصناعية اللدائنية الحرارية ضمن عائلة البولي أميد (النايلون)، ويُعرَّف بأن 55% أو أكثر من مولات جزء حمض الكربوكسيل في الوحدة المتكررة في سلسلة البوليمر مكوَّنة منه. وPPA شبه عطري وشبه بلوري. ويسد PPA فجوة الأداء بين النايلونات الأليفاتية، مثل PA6,6 وPA6، والبولي أراميدات الأعلى كلفة بكثير.

الإضافات «الذكية»

من المعاملات الأساسية لوصف جودة الوسم تباين اللون بين السطح الموسوم والخلفية. ولا يتحقق التباين دائمًا بتغير اللون نفسه، إذ يمكن الحصول عليه أيضًا بحيود الضوء المتغير.

وبالأهمية نفسها جودة الوسم و/أو دقته، أي دقة الخطوط الدقيقة أو حدتها. فكثير من البوليمرات، ومنها النايلون، لا تمتص ضوء الليزر بطبيعتها، مما يمنع تغير اللون. وتحسّن الإضافات الكيميائية المعززة لليزر تباين الوسم وسرعته ومتانته بشكل كبير (انظروا الصورة 1). ولون الركيزة عامل مؤثر لأن مركبات مثل أسود الكربون وTiO2 ومثبطات اللهب تمتلك درجات متفاوتة من امتصاص ضوء الليزر.

تُورَّد إضافات الليزر على شكل حبيبات ومسحوق. وتُخلط المنتجات الحبيبية مباشرة مع راتنج البوليمر، بينما تُحوَّل صيغ المسحوق إلى ماستر باتش. وتتراوح نسبة التحميل بالوزن (في القطعة النهائية) عادةً بين 0.01 و3.0%. ومن الضروري تحقيق توزيع/تشتيت متجانس لإضافات الليزر في كل قطعة للحصول على أفضل تباين للون.

تحتوي 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. وقد حصلت إضافات محددة على موافقة FDA للاستخدام في ملامسة الأغذية وتغليفها وفق الشروط A-H من 21 CFR 178.3297 الملوّنات للبوليمرات¹.

ليزرات ألياف الإتربيوم

دخلت ليزرات ألياف الإتربيوم العاملة في الأشعة تحت الحمراء القريبة سوق الوسم الصناعي في الفترة الزمنية حول عام 2010، وحلت محل ليزرات YAG التقليدية. وتمتلك ليزرات الألياف جودة شعاع (M2) فائقة وسطوعًا عاليًا، ويمكنها التركيز في بقعة صغيرة الحجم (أقل من 20 ميكرون)، مما يؤدي إلى كثافة طاقة عالية. وليزرات الألياف شديدة التنوع وفعّالة من حيث التكلفة وجاهزة للتشغيل الفوري مع صيانة تكاد تكون معدومة.

تبيع عدة شركات ليزر، ومنها IPG Photonics وSPI Lasers، ليزرات ألياف بالنانو ثانية ذات نبضة ثابتة (بمفتاح Q) ونبضة متغيرة (MOPA). وتُستخدم ليزرات الألياف بمفتاح Q، بعرض نبضة يتراوح عادةً بين 100 و150 ns، في بعض تطبيقات وسم البوليمرات، لكن معدل تكرارها محدود بنحو 80 kHz بسبب القيد الملازم لتقنية مفتاح Q.

وتعمل ليزرات الألياف MOPA المُعدَّلة مباشرة (DM-MOPA) بمعدلات تكرار تصل إلى 500 kHz بعرض نبضات بالنانو ثانية. ويمثل عرض النبضة [ns] مقياسًا للزمن بين بداية النبضة ونهايتها، ويستند عادةً إلى العرض الكامل عند نصف القيمة القصوى (FWHM) لشكل النبضة.

وتعني معدلات التكرار العالية عمومًا سرعة وسم أعلى (بالاقتران مع معاملات الليزر/شكل الموجة الأخرى). وهناك فروق كبيرة في أشكال الموجات ودرجة الكربنة السطحية³ (انظروا الصورة 1).

ويتيح التحكم المكاني والزمني الموضعي في المدخل الحراري لليزر ومعدله تحقيق أقصى أداء. وفي البوليمرات الحساسة للحرارة، تكون ليزرات الألياف MOPA ذات النبضة القصيرة المتغيرة فعّالة بوجه خاص في تحقيق تباين عالٍ دون كربنة مفرطة.

يمكن تحقيق الوسم تحت السطحي على البلاستيك الشفاف للتطبيقات الطبية. وعمومًا تولّد ليزرات MOPA عروض نبضات (مدة النبضة) من 1 ns إلى 250 ns (وأعلى). ووجدت The Sabreen Group أن النطاق من 20 ns إلى 50 ns نطاق مثالي للحصول على أفضل تباين للون في كثير من تطبيقات البوليمرات، ومنها النايلون.

وفي تباين الوسم التجميلي والوظيفي، تحدث إضافات الليزر فرقًا حاسمًا عند الحاجة إلى دقة عالية وجودة حواف الخطوط وخلايا بيانات صغيرة في الوسم المباشر للقطع (DPM) لرموز Data Matrix والباركود. وكلما طالت سلسلة البيانات، أصبحت خلايا البيانات أكثر تكثيفًا.

غالبًا ما يُطلب التحقق من الدرجة «A» للمنتجات العسكرية ومنتجات الطيران والسيارات والأدوية. ولقابلية قراءة الرموز عالية التباين فوائد إضافية، منها سرعات وسم أعلى، وإمكانية استخدام قارئات محمولة منخفضة التكلفة في أرجاء المصنع.

الخلاصة

تُعد البولي أميدات من أصعب البوليمرات من حيث الوسم بالليزر. وتحل إضافات الليزر الذكية مشكلات التباين وتزيد سرعات الوسم وتوفر التكلفة. وفي الوسم المباشر للقطع (DPM) لرموز Data Matrix والباركود، تقدم إضافات الليزر تحسينات حاسمة. وتُعد ليزرات الألياف MOPA ذات النبضة القصيرة المتغيرة، في نطاق 20 ns إلى 50 ns، فعّالة للغاية في الحصول على لون بتباين فائق على معظم البوليمرات.

المراجع

1. Sabreen, S. Fiber Lasers: Selection and Additives, Plastics Decorating, November 2017. 2. Polyamide (PA) Nylon Complete Guide, SpecialChem 2019. 3. Brodsky, M. Wave Forms: A New Laser Tool, Optics & Photonics, March 2012.

Scott R. Sabreen هو مؤسس The Sabreen Group, Inc. ورئيسها، وهي شركة استشارات هندسية متخصصة في عمليات التصنيع الثانوية للبلاستيك: المعالجة الأولية للسطح والربط بالالتصاق والطباعة النفاثة للحبر والوسم بالليزر 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.

---