الوسم بالليزر للبوليمرات المحشوة بالزجاج: أهمية عمليات القولبة بالحقن

الوسم بالليزر للبوليمرات المحشوة بالزجاج: أهمية عمليات القولبة بالحقن

يوفر وسم البلاستيك بالليزر مزايا عديدة في طيف واسع من التطبيقات الصناعية. ويجب أن تكون العلامات الزخرفية والوظيفية التي ينتجها الليزر مقروءة بالكامل، مثل تعريف المكونات والمخططات ورموز Data Matrix والباركود. وتعتمد جودة الوسم على البوليمر والإضافات والملونات، وعمليات القولبة بالحقن، ومصدر الليزر. ويمكن أن تؤثر مشكلات سطح البوليمر المقولب التي تعيق القراءة في سلامة المنتج وأدائه ووظيفته. ومن الأمثلة على ذلك إضافة الألياف الزجاجية، إذ قد تؤثر سلبًا في عمليات القولبة، وهو ما ينعكس بدوره على جودة الوسم بالليزر. ويلزم أن تكون أسطح القطع غنية بالراتنج للحصول على وسم متين، أما الأسطح الغنية بالألياف الزجاجية فتعطي نتائج أدنى جودة.

أبرز النقاط

• تتراوح نسبة الحشو الزجاجي عادة بين 10 و60% في ABS والنايلون والأسيتال والبولي كربونات وLCP وPBT وPET وPPS وPEEK وPEI.
• الألياف الزجاجية ليست ماصًا جيدًا للأشعة تحت الحمراء القريبة، لذا فإن الأسطح الغنية بالزجاج تُوسم بجودة ضعيفة بطبيعتها.
• الأسطح الغنية بالراتنج شرط أساسي، لأن طاقة الليزر يجب أن تتفاعل مع المصفوفة البوليمرية.
• يظهر بروز الزجاج على شكل علامات بيضاء على السطح بعد التكثف والقولبة.
• القولبة هي التي تحدد قابلية الوسم: فمصدر العيب يسبق الليزر، ولذلك يجب معالجته في المراحل السابقة.

الأسئلة الشائعة

ما المقصود ببروز الزجاج؟

هو عيب سطحي خطير يصيب المنتجات المقولبة بالحقن المحشوة بالألياف الزجاجية، حيث يتكون زجاج زائد على السطح أثناء ملء المصهور والقولبة. وبعد التكثف والقولبة تظهر علامات بيضاء على السطح، وتُنتج الألياف المكشوفة سطحًا غنيًا بالألياف الزجاجية يُوسم بجودة سيئة.

لماذا تُوسم الأسطح الغنية بالزجاج بجودة ضعيفة؟

لأن الألياف الزجاجية ليست ماصًا جيدًا لضوء الليزر في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة. ويتطلب الوسم أن تتفاعل طاقة الليزر مع المصفوفة البوليمرية، ولذلك يجب أن تكون الأسطح غنية بالراتنج. وتزداد المشكلة سوءًا كلما ارتفع محتوى الألياف.

ما البوليمرات التي تحتوي عادة على ألياف زجاجية؟

ABS والنايلون والأسيتال والبولي كربونات وبوليمر الكريستال السائل وPBT وPET وPPS وPEEK وPEI. وتختلف نسب الحشو لكنها تتراوح عادة بين 10 و60%.

مم تُصنع الألياف الزجاجية فعليًا؟

من السيليكا والحجر الجيري ورماد الصودا. تشكّل السيليكا الزجاج نفسه، بينما يخفض رماد الصودا والحجر الجيري درجة حرارة الانصهار أثناء التصنيع.

ما آليات السطح التي تنتج العلامة؟

ثلاث آليات: الوسم الأسود بالكربنة، والوسم الأبيض بتوليد الرغوة، وتغير اللون عبر تفاعلات كيميائية حرارية يحفزها الليزر في البوليمرات الملونة. ويعتمد ما يحدث على الطاقة الممتصة ومسار التحلل الحراري الفريد للمادة.

الألياف الزجاجية

عندما يلزم تحسين الأداء الإنشائي للبلاستيك القياسي، تُضاف الألياف الزجاجية. ويأتي التحسن في المتانة من انتقال إجهاد الحمل من البوليمر الأضعف إلى ألياف التقوية الأقوى. والمواد المستخدمة في صنع الألياف الزجاجية هي السيليكا والحجر الجيري ورماد الصودا. وتُعد السيليكا المادة الرئيسية لتكوين الزجاج، بينما يُستخدم رماد الصودا والحجر الجيري لخفض درجة حرارة الانصهار.

تُضاف الألياف الزجاجية عادة إلى ABS والنايلون والأسيتال والبولي كربونات وبوليمر الكريستال السائل (LCP) وPBT وPET وPPS وPEEK وPEI. ورغم اختلاف نسب الحشو، فإنها تتراوح عادة بين 10 و60%. وهناك نوعان من تقوية الزجاج، الألياف القصيرة والألياف الطويلة، ولكل منهما مزايا وعيوب.

عيب سطح بروز الزجاج

«بروز الزجاج» عيب سطحي خطير يصيب عادة المنتجات المقولبة بالحقن المحشوة بالألياف الزجاجية. ويؤدي انكشاف الألياف الزجاجية إلى سطح غني بها، إذ يتكون زجاج زائد على السطح أثناء ملء مصهور البلاستيك والقولبة. وبعد التكثف والقولبة تظهر علامات بيضاء على السطح (انظروا الصورة 1).

يجب أن تكون أسطح القطع المقولبة «غنية بالراتنج» لتحقيق وسم عالي الجودة، بحيث تتفاعل طاقة الليزر مع المصفوفة البوليمرية. وبالمقابل، تُوسم الأسطح الغنية بالألياف الزجاجية بجودة ضعيفة، وتزداد المشكلة مع ارتفاع محتوى الألياف. فالألياف الزجاجية نفسها ليست ماصًا جيدًا لضوء الليزر في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR).

لا يمكن المبالغة في أهمية عمليات القولبة بالحقن السليمة. ويسرد الجدول 1 عيوب السطح التي قد تؤثر سلبًا في جودة الوسم بالليزر، إضافة إلى بروز الزجاج.

آليات الوسم بالليزر في البوليمرات

في حالة ليزر NIR الموجَّه بالحزمة بطول موجي 1060-1070 nm، تقوم آلية الوسم بالليزر على تشعيع البوليمر بمصدر إشعاع عالي الطاقة موضعي (الليزر). وتشمل مصادر الليزر ليزر الألياف بالإيتربيوم والفاناديت وYAG. ثم تمتص المادة الطاقة المشعة وتحولها إلى طاقة حرارية تسبب حدوث تفاعلات داخل المادة. وتشمل آليات السطح لتغير اللون: 1) الوسم الأسود بالكربنة، 2) الوسم الأبيض بتوليد الرغوة، 3) تغيرات اللون عبر التفاعلات الكيميائية الحرارية التي يحفزها الليزر في البوليمرات الملونة. وتعتمد جودة الوسم على الطاقة الممتصة ومسار التحلل الحراري الفريد للمادة. ويمكن أن تعطي كل درجة من البوليمر نتائج مختلفة، حتى ضمن العائلة البوليمرية نفسها.

لتحقيق وسم عالي الجودة، لا يقل التوزيع/التشتت المتجانس للملونات والإضافات أهمية عن الأسطح الغنية بالراتنج. وللتحقق من وجود مشكلات في التوزيع/التشتت، يُوصى بإعداد الليزر لوسم/مسح سطح القطعة بأكمله بشكل متواصل. انظروا الصورة 2.

تُظهر النتيجة (من اليسار إلى اليمين) قلمًا مقولبًا يعرض وسمًا ممتازًا بلون ذهبي على خلفية سوداء (يسارًا)، وصورتين في الوسط تُظهران توزيعًا ضعيفًا للون، والصورة الأقصى يمينًا تُظهر توزيعًا موحدًا ممتازًا.

وبما أن معظم البوليمرات لا تمتلك خصائص امتصاص للأشعة تحت الحمراء القريبة دون إضافات كيميائية، يستخدم الخبراء الإضافات والحشوات والصبغات والأصباغ لتعزيز امتصاص طاقة الليزر. وتُستخدم كيمياء تركيبات مختلفة اختلافًا كبيرًا ومعاملات بصريات/إعداد الليزر بحسب تباين الوسم والوظيفة المطلوبين. وتعمل إضافات الليزر على تحسين درجة التباين وتزيد سرعة الوسم بشكل ملحوظ. ويمكن مزج الإضافات بشكل حبيبات أو مسحوق في مادة ملونة مركبة مسبقًا أو في ماستر باتش الألوان. وتنتج المواد الملونة المركبة مسبقًا وسمًا أكثر اتساقًا مقارنة بماستر باتش الألوان. ويعتمد اختيار الإضافة المناسبة على تركيب البوليمر ولون الركيزة ولون تباين الوسم المطلوب ومتطلبات اعتماد الاستخدام النهائي.

أنظمة الوسم بالليزر عالية الدقة وقابلة للتكرار. فبعد إعداد العملية، يطبق الليزر بدقة طاقة الخرج نفسها ويكررها. ولذلك فإن أي عيوب سطحية ستسبب عدم اتساق في الوسم.

ومن التطبيقات الصعبة تحقيق تباين أبيض متين على البولي أميد (النايلون) الأزرق والأسود المحشو بالزجاج بنسبة 30%. انظروا الصورة 3.

يُعد معدل تكرار نبضات الليزر وكثافة القدرة القصوى من المعاملات الحاسمة في تكوين العلامة وتحقيق التباين والسرعة المثلى. والمنحنيات الحسابية للقدرة مقابل معدل تكرار النبضات تتناسب تناسبًا عكسيًا.

ترفع القدرة القصوى العالية عند التردد المنخفض درجة حرارة السطح بسرعة، فتبخّر المادة مع نقل حرارة ضئيلة إلى الركيزة. ومع زيادة تكرار النبضات، تنتج قدرة قصوى أقل تبخرًا ضئيلًا لكنها تنقل حرارة أكبر. ومن العوامل المؤثرة في تباين الوسم وجودته عرض النبضة والمسافة البؤرية وسرعة الحزمة والمسافة بين خطوط المتجهات.

الخلاصة

في الختام، يُعد وسم البلاستيك بالليزر عملية ممتازة. وتعتمد جودة الوسم على المصفوفة البوليمرية والإضافات والملونات وعملية القولبة بالحقن ومصدر الليزر. ويمكن أن تؤثر مشكلات سطح البوليمر المقولب التي تعيق القراءة في سلامة المنتج وأدائه ووظيفته. ويُعد بروز الزجاج أحد عيوب سطح القولبة التي تؤثر سلبًا في جودة الوسم. وتُعد الأسطح الغنية بالراتنج والتشتت/التوزيع المنتظم عاملين حاسمين لتحقيق وسم بالليزر متين.

Scott R. Sabreen هو مؤسس ورئيس The Sabreen Group, Inc.، وهي شركة استشارات هندسية متخصصة في عمليات التصنيع الثانوي للبلاستيك: المعالجة الأولية للسطح، والربط بالالتصاق، والطباعة النفاثة للحبر، والوسم بالليزر، والطلاءات الصناعية، والتزيين والتشطيب، وأمن المنتج. يعمل على تطوير تقنيات رائدة وحل مشكلات التصنيع منذ أكثر من 30 عامًا. ويمكن التواصل معه على الرقم 972.820.6777 أو بزيارة www.sabreen.com.

---