ليزر الألياف: الاختيار والإضافات

ليزر الألياف: الاختيار والإضافات

ملاحظة المحرر: في هذا المقال التقني يتناول Scott Sabreen موضوعين يتعلقان بليزر الألياف: اختيار نوع ليزر الألياف عند وسم البلاستيك، وتحسين تباين الوسم باستخدام الإضافات.

أبرز النقاط

• يختلف ليزر الألياف جوهريًا عن سائر ليزرات DPSS، إذ يتوزع الوسط الفعّال داخل كبل الألياف الضوئية نفسه.
• تفسر البنية الليفية الكاملة موثوقيته ومتانته، ومن ثم نموه السريع.
• تبلغ حدود الليزر ذي مفتاح Q نحو 80 kHz، وهو قيد ملازم للتقنية، بعرض نبضة 100-120 ns.
• يصل DM-MOPA إلى 500 kHz بعرض نبضات بالنانو ثانية، وهذا يعني عمومًا وسمًا أسرع.
• لا يوجد حل ليزري شامل. فتطوير التطبيقات شديد الخصوصية بالنسبة إلى المادة.

الأسئلة الشائعة

ما الذي يميز ليزر الألياف عن الليزرات الصلبة الأخرى؟

يتوزع الوسط الفعّال المولّد للشعاع داخل كبل ألياف ضوئية متخصص، وعلى خلاف الليزرات الموصولة بالألياف يظل مسار الشعاع بأكمله داخل هذا الكبل حتى بصريات التوصيل. وهذه البنية الليفية الكاملة مسؤولة إلى حد كبير عن موثوقيتها ومتانتها.

ليزر النبضة الثابتة أم MOPA: أيهما أختار؟

يعتمد ذلك على المادة. تُستخدم ليزرات النبضة الثابتة بمفتاح Q عند 100 إلى 120 ns في بعض تطبيقات الوسم، لكنها محدودة بمعدل تكرار يبلغ نحو 80 kHz بسبب التقنية نفسها. أما ليزرات MOPA المُعدَّلة مباشرة فتصل إلى 500 kHz بعرض نبضات بالنانو ثانية، وهذا يعني عمومًا وسمًا أسرع.

هل يعني ارتفاع معدل التكرار وسمًا أسرع دائمًا؟

عمومًا نعم، ولكن بالاقتران مع معاملات الليزر والدليل الموجي الأخرى فقط. فمعدل التكرار وحده لا يحدد الإنتاجية، إذ تسهم أيضًا طاقة النبضة والقدرة الذروية وسرعة الشعاع واستجابة المادة.

هل يوجد ليزر واحد هو الأفضل للبلاستيك؟

لا. فتطوير التطبيقات شديد الخصوصية، ويتحدد نوع الليزر الواجب دمجه بكيفية تفاعل خصائص خرج الليزر مع مادة البوليمر المُحسَّنة. ويجب اختيار المادة والليزر معًا.

كيف تغيّر الإضافات ما يستطيع ليزر الألياف وسمه؟

تحسّن درجة التباين، ويمكن تعزيزها أكثر عبر معاملات إعداد الليزر. فللبوليمرات ميول ذاتية نحو التباين الداكن أو الفاتح، وحتى الدرجات ضمن العائلة نفسها تعطي نتائج مختلفة، ولذلك تُطابَق الإضافة مع الدرجة المحددة.

اختيار ليزر الألياف لوسم البلاستيك: أي ليزر هو الأفضل؟

تُعد 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 ذات الضخ بالصمامات الثنائية (DPSS). 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. وهذه البنية الليفية الكاملة مسؤولة إلى حد كبير عن موثوقية هذه الليزرات ومتانتها، مما يفسر نموها السريع.

أي نوع من ليزر الألياف، النبضة الثابتة أم MOPA، هو الأفضل لوسم البلاستيك؟

تقدم IPG Photonics، الرائدة في تطوير ليزرات الألياف عالية الأداء وتصنيعها، كلًا من ليزرات النبضة الثابتة من السلسلة YLP (يُشار إليها أحيانًا بـ«مفتاح Q») وليزرات YLPN (MOPA) ذات النبضة القصيرة المتغيرة. وتُستخدم ليزرات الألياف بمفتاح Q، بعرض نبضة يتراوح عادةً بين 100 و120ns، في بعض تطبيقات الوسم، لكن معدل تكرارها محدود بنحو 80kHz بسبب القيد الملازم لتقنية مفتاح Q. أما ليزرات الألياف MOPA المُعدَّلة مباشرة (DM-MOPA) فيمكنها العمل بمعدلات تكرار تصل إلى 500kHz بعرض نبضات بالنانو ثانية. وتعني معدلات التكرار العالية عمومًا سرعة وسم أعلى (بالاقتران مع معاملات الليزر/الدليل الموجي الأخرى).

تطوير التطبيقات شديد الخصوصية، ولا يوجد حل ليزري شامل. ويمكن لليزرات MOPA ذات النبضات القصيرة أن تستثمر بالكامل أداء الإضافات الكيميائية الحساسة المدمجة في البوليمرات. ويتيح التحكم المكاني والزمني الموضعي في المدخل الحراري لليزر ومعدله تحقيق أقصى أداء.

يتحدد اختيار نوع الليزر الواجب دمجه بخصائص خرج الليزر المتفاعلة مع مادة البوليمر المُحسَّنة. ويمثل الشكل 2 أشكال النبضات الزمنية لليزرات ألياف الإتربيوم ذات طول النبضة الثابت والمتغير (MOPA).

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

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

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

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

• مدة النبضة (يُشار إليها غالبًا بطول النبضة)،
• ومعدل تكرار النبضات (تردد النبضات)، و
• قدرة الضخ بالنسبة المئوية، كما هو موضح أعلاه.

إضافات الليزر لوسم البلاستيك باستخدام ليزر الألياف

تحسّن إضافات الليزر العاملة في الأشعة تحت الحمراء القريبة 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 ويمكن أن تحقق سرعة وسم أعلى بنسبة 20 بالمئة مقارنة بالمواد 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. وتتراوح نسبة التحميل بالوزن (في القطعة النهائية) بين 0.01 و4.0 بالمئة بحسب الإضافة والبوليمر.

يمكن خلط الصيغتين، الحبيبات والمسحوق، في مادة ملوّنة مسبقة التركيب أو في مركّز ألوان. ويعتمد اختيار الإضافة المناسبة على تركيب البوليمر ولون الركيزة ولون تباين الوسم المطلوب ومتطلبات الاعتماد للاستخدام النهائي. وفي عمليات البثق والقولبة بالحقن والتشكيل الحراري، تعطي المواد الملوّنة مسبقة التركيب تجانسًا أفضل مقارنةً بمركّز الألوان.

ينبغي تجنب الخلط اليدوي. ويُعد تدفق القالب ونوع البوابة وموقعها من العوامل المهمة. ومن الضروري تحقيق توزيع/تشتيت متجانس لإضافات الليزر في كل قطعة للحصول على أفضل أداء للوسم.

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.

حصلت إضافات محددة متوفرة تجاريًا (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.

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.

---