«الإضافات الذكية» تعزز الوسم بالليزر على البلاستيك

«الإضافات الذكية» تعزز الوسم بالليزر على البلاستيك

تباين أفضل وتفاصيل حواف خطوط وسرعة أعلى

يمثل أحدث جيل من «الإضافات الذكية» للوسم بالليزر المدمجة في البوليمرات قفزة نوعية في التقنية، فهو ممكِّن وموفر للتكلفة في آن واحد. وتحقق تركيبات علم المواد المتقدمة هذه تباين وسم وتفاصيل حواف خطوط وسرعة غير مسبوقة على أنواع بلاستيك كان الوسم بالليزر عليها صعبًا تقليديًا إن لم يكن مستحيلًا. وهذه التركيبات مصممة للتفاعلات السطحية الكيميائية الحرارية، وهي مثالية لليزرات الألياف وYAG والفاناديت العاملة بطول موجي من 1060 إلى 1070 nm (طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة).

البوليمرات القابلة للوسم بالليزر هي التي تمتص ضوء الليزر وتحوّله من طاقة ضوئية إلى طاقة حرارية. ولأن معظم البوليمرات لا تمتلك خصائص امتصاص عند 1060 إلى 1070 nm، يستخدم الخبراء إضافات وحشوات وصبغات وأصباغًا تعزز امتصاص طاقة الليزر لإحداث تغيرات لونية موضعية. وتُعد كيمياء علم المواد لتحقيق وسم بالليزر عالي التباين وملوّن فنًا وعلمًا في آن واحد. وخلافًا للاعتقاد الشائع، لا توجد إضافة ليزر واحدة تحل جميع مشكلات الوسم. إذ تُستخدم كيميائيات تركيب مختلفة تمامًا ونوع ليزر (ألياف أو YAG أو فاناديت) وبصريات/معاملات إعداد ليزر بحسب تباين الوسم المطلوب ووظيفته.

يبين الشكل 1 «تباين الوسم الداكن» على البولي إيثيلين (يسارًا) و«تباين الوسم الأبيض» على النايلون (في الوسط) ولونًا مخصصًا أصفر ذهبيًا على ABS (يمينًا). كما يوضح ثلاث آليات فريدة للتفاعل السطحي. أولًا، تحدث عملية التفحّم عندما ترفع الطاقة الممتصة درجة الحرارة الموضعية للمادة المحيطة بموضع الامتصاص إلى مستوى مرتفع يكفي لإحداث التحلل الحراري للبوليمر. ورغم أن ذلك قد يؤدي إلى احتراق البوليمر في وجود الأكسجين، فإن محدودية إمداد الأكسجين في داخل الركيزة تؤدي إلى تفحّم البوليمر فيتكون تباين وسم أسود أو داكن. ويعتمد اسوداد العلامة على الطاقة الممتصة وكذلك على مسار التحلل الحراري الفريد للمادة. وعند خلط الإضافات التي تعطي تباين وسم داكنًا في مصفوفة ملوّن الراتنج، فإنها غالبًا ما تحتوي على خليط من أكسيد القصدير المطعّم بالأنتيمون أو ثالث أكسيد الأنتيمون أو جسيمات الألمنيوم. وجميعها يسهل تشتيته في البوليمرات. وتتراوح مستويات التحميل النموذجية بالوزن بين 0.01% و3.0%. وقد حصل كثير من التركيبات النهائية على موافقة FDA للاستخدام وفق الشروط A-H من 21 CFR 178.3297 الملوّنات للبوليمرات.

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 أمثلة عوامل الرغوة هيدروكسيد الألمنيوم أو الكربونات المختلفة. ولمنع التفحّم، تتطلب هذه الآلية أن يتحلل البوليمر عند درجة حرارة أعلى من درجة حرارة الإضافة المُرغية. 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.

يجب ألا تكون تركيبات الليزر سامة أو مؤثرة سلبًا في مظهر المنتجات أو خصائصها الفيزيائية أو الوظيفية. ويجب أن تمتص طاقة ليزر كافية لرفع درجة الحرارة الموضعية للبوليمر إلى مستوى مرتفع بما يكفي لإحداث تفحّم البوليمر أو تكوّن الرغوة فيه، ومن ثم تكوين العلامة. وتختلف درجة الحرارة هذه باختلاف البوليمرات، حتى ضمن العائلة البوليمرية الواحدة.

أبرز النقاط

• لا توجد إضافة شاملة. وخلافًا للاعتقاد الشائع، يجب مطابقة الكيمياء مع البوليمر واللون والليزر.
• ثلاث آليات، هي التفحّم وتكوّن الرغوة وتغير لون الملوّن، تغطي العلامات الداكنة والبيضاء وذات اللون المخصص.
• التحميل منخفض، وعادةً من 0.01% إلى 3.0% بالوزن، مع حصول كثير من التركيبات على موافقة FDA وفق 21 CFR 178.3297.
• تأتي مكاسب السرعة البالغة 15% أو أكثر من الإضافات بتراكيز منخفضة تصل إلى 0.01% حتى 2.0%.
• تتنبأ درجة حرارة التحلل الحراري بقابلية الوسم. ويمكن لدرجتين من HDPE أن تُوسما بشكل مختلف جدًا لهذا السبب وحده.

الأسئلة الشائعة

هل توجد إضافة ليزر واحدة تحل جميع مشكلات الوسم؟

لا. فخلافًا للاعتقاد الشائع، لا توجد إضافة شاملة. إذ يلزم استخدام كيميائيات تركيب مختلفة تمامًا وأنواع ليزر مختلفة، ألياف أو YAG أو فاناديت، وبصريات ومعاملات إعداد بحسب التباين والوظيفة المطلوبين.

كيف تنتج الإضافات علامات بيضاء على البلاستيك الداكن؟

عبر تكوّن الرغوة. فالإضافة تُطلق بخارًا أثناء تحللها، ويمتص ماصٌّ قريب من عامل الرغوة طاقة الليزر. وتُعد هيدروكسيد الألمنيوم والكربونات المختلفة من عوامل الرغوة النموذجية. ويجب أن يتحلل البوليمر عند درجة حرارة أعلى من الإضافة المُرغية، وإلا حدث التفحّم بدلًا من ذلك.

لماذا تُوسم درجتان من البوليمر نفسه بشكل مختلف؟

بسبب اختلاف درجات حرارة التحلل الحراري. فيُظهر التحليل الحراري الوزني لعينتين من HDPE اختلافًا قابلًا للقياس في بدء التحلل، ويحتاج البوليمر ذو درجة الحرارة الأعلى إلى طاقة ليزر أكبر أو وسم أبطأ أو إضافة أكثر امتصاصًا للوصول إلى مظهر الوسم نفسه.

ما مدى سرعة الوسم مع الإضافات المُحسَّنة؟

مكاسب ذات دلالة إحصائية تبلغ 15% أو أكثر مقارنة بالتركيبات غير المُحسَّنة، وتتحقق بتراكيز منخفضة تبلغ نحو 0.01% إلى 2.0%. ويعمل وسم العروض الترويجية تحت الغطاء «أثناء الحركة» على أغطية المشروبات بلا بطانة بسرعات تصل إلى 1,500 غطاء في الدقيقة.

ما الذي يجعل العلامة الفاتحة تُخدش بسهولة؟

ضعف التحكم في الليزر أثناء تكوّن الرغوة. فمن دون ضبط دقيق للمعاملات تكون النتيجة علامة هشة أو منخفضة التباين ذات متانة ضعيفة، بدلًا من العلامة الفاتحة عالية الجودة والمتينة التي تستطيع هذه الآلية إنتاجها.

تحقيق سرعات وسم أعلى

يعتمد الزمن اللازم لوسم قطعة على الركيزة البوليمرية وعدد الخطوط المتجهة المرسومة وسرعة رسم شعاع الليزر/رأس المسح الجلفانومتري لجميع الخطوط. كما يمكن أن يؤثر في زمن الوسم برنامج الليزر ونوع تعبئة المتجهات: أحادية الاتجاه أو ثنائية الاتجاه أو متعرجة. وتُظهر دراسات مستقلة جديدة أنه يمكن تحقيق سرعات وسم أعلى بدلالة إحصائية عبر دمج تركيبات إضافات الليزر بمستويات تركيز منخفضة جدًا، تتراوح عادةً بين 0.01% و2.0%.

يبين الشكل 2 مخطط تحليل الوزن الحراري (TGA) لنوعين من البولي إيثيلين عالي الكثافة. ويُظهر البوليمران درجتي حرارة مختلفتين للتحلل الحراري، وهي العملية التي تصنع علامة الليزر. وسيتطلب البوليمر ذو درجة الحرارة الأعلى طاقة ليزر أكبر أو سرعات وسم أقل أو إضافة أكثر امتصاصًا للحصول على مظهر الوسم نفسه. وتوفر الإضافات الذكية التكلفة وتحقق سرعات وسم أعلى بنسبة 15% فأكثر مقارنةً بتركيبات المواد غير المُحسَّنة. ومن التطبيقات المثيرة للاهتمام الوسم بالليزر «أثناء الحركة» للعروض الترويجية تحت الغطاء على أغطية المشروبات بلا بطانة. وتستطيع الأنظمة الجاهزة للتشغيل وسم رسومات فريدة ونصوص أبجدية رقمية بسرعات تصل إلى 1,500 غطاء في الدقيقة. وتظهر أمثلة على ذلك في الشكل 3.

تقنية الليزر

كانت التطورات في تقنية الليزر عاملًا حاسمًا في التطور السريع للإضافات الذكية لليزر. وتُعد تقنية ليزر الألياف بالنانو ثانية مجالًا ناشئًا ومن أهم التطورات في الليزر للوسم واللحام والقص. ويختلف ليزر الألياف جوهريًا 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. ومقياس جودة الشعاع هو 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 ألياف MOPA بطاقة نبضة تصل إلى 1 mJ وكثافة قدرة عالية وسم كثير من البوليمرات الصعبة تاريخيًا، ومنها النايلون واليوريثان والأسيتال.

جميع ليزرات الألياف وYAG والفاناديت 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 (W/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. وتعتمد 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 (up collimator). ويُعد معدل تكرار النبضات وكثافة القدرة الذروية من المعاملات الحاسمة في تكوين الوسم وتحقيق التباين والسرعة المثلى. 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.

الخلاصة

يحقق أحدث جيل من «الإضافات الذكية» للوسم بالليزر المدمجة في البوليمرات تباين وسم وتفاصيل حواف خطوط وسرعة غير مسبوقة. وتعوّض هذه المزايا سريعًا الفرق في سعر الإضافة المادية. ويتطلب الوصول إلى تركيبة كيميائية مثلى في علم المواد للوسم بالليزر على البلاستيك خبرة في البوليمرات ودرجات الخصائص ضمن العائلات البوليمرية والملوّنات والصبغات والأصباغ من حيث الذوبانية وأحجام الجسيمات وحدود تركيز العتبة ومطابقة اللون والاعتمادات التنظيمية (GRAS وملامسة الأغذية المباشرة/غير المباشرة وفق FDA). ويجب أن تكون حلول علم المواد فعّالة من حيث التكلفة وسهلة الاستخدام وألا تترك آثارًا ضارة على الخصائص الفيزيائية والكيميائية للبوليمر.

المراجع

• Engelhard 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, “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.

---