وسم النايلون (بولي أميد) بالليزر بليزر الألياف

كيفية وسم ونقش بلاستيك النايلون (بولي أميد) بالليزر باستخدام ليزر الألياف

الملخص

يواجه مستخدمو ليزر الألياف صعوبة في وسم النايلون أو نقشه. ومفتاح الحصول على تباين وسم عالي الجودة هو دمج إضافات معززة لليزر في مادة النايلون أثناء عملية القولبة، سواء باستخدام مركّز الألوان أو المواد المركّبة مسبقاً. وقد أدّت فوائد وسم النايلون بالليزر إلى تحويل العديد من القطاعات، بما فيها قطاع الأسلحة النارية، إذ أتاحت التعريف الفريد للقطع، ورموز data matrix ورموز QR، والتخصيص.

أهم النقاط

• النايلون غير المعدّل يعطي وسماً ضعيفاً؛ فبولي أميد يمتص طاقة قليلة عند 1060–1070 nm، ولذلك يعتمد التباين على إضافات الوسم بالليزر.
• أفضل توليفات التباين هي الأبيض المعتم على الأسود، والأسود الحبري على الأبيض، والأبيض المعتم على الأزرق المتوسط.
• ليزر الألياف من الإيتربيوم بتقنية MOPA هو الأداة المناسبة؛ وعروض النبضة الأقل من نحو 90 ns تلائم البلاستيك.
• تتراوح نسبة التحميل بين 0.01 و3.0% من الوزن، والتوزيع المتجانس في كل أجزاء القطعة هو ما يجعل التباين قابلاً للتكرار.
• النايلون المعبأ بالألياف الزجاجية أصعب من ذلك؛ فالأسطح الغنية بالألياف تعطي وسماً سيئاً، ولذلك فإن الأسطح الغنية بالراتنج ضرورية.

لبلاستيك النايلون نطاق واسع من التطبيقات يشمل الأسلحة النارية، والسيارات، والكهربائيات والإلكترونيات، والمنتجات الصناعية، والمواد الاستهلاكية، والنفط والغاز. غير أن تباين الخصائص الفيزيائية والكيميائية وخصائص السطح في النايلون (بولي أميد)، وخاصة أنواع النايلون المعبأة بالألياف الزجاجية، يجعل الوسم والنقش بالليزر أمراً صعباً. وأكثر ألوان التباين شيوعاً هي الأبيض المعتم على الأسود، والأسود الحبري على الأبيض، والأبيض المعتم على الأزرق المتوسط. وعندما تُدمج إضافات الوسم بالليزر مع الصبغات والملوّنات المناسبة، فإنها تنتج جودة وسم متميزة بتكلفة منخفضة. وتُستخدم إضافات الوسم بالليزر في أنواع متعددة من البلاستيك، منها ABS، والأسيتال (POM)، وPET، وPVC، والبولي كربونات، والبولي بروبيلين، والبولي إيثيلين.

بوليمرات النايلون (بولي أميد)

بولي أميد، المعروف أيضاً بالنايلون، فئة بارزة من اللدائن الحرارية تُستخدم في التطبيقات عالية الأداء، وتتكوّن من روابط أميدية، وتحديداً –CO-NH–. ويُصنَّع النايلون عبر عملية التكاثف التضاعفي، حيث يتفاعل ثنائي أمين مع حمض ثنائي الكربوكسيل، أو عبر بلمرة فتح الحلقة للاكتامات التي تحتوي على ست أو إحدى عشرة أو اثنتي عشرة ذرة كربون. ويمكن أن تكون مونومرات النايلون أليفاتية أو شبه عطرية أو عطرية (الأراميدات)، وقد تتراوح بنيتها بين اللابلورية وشبه البلورية بدرجات تبلور أعلى أو أقل. وهناك نوعان رئيسيان من بولي أميد هما بولي (هكساميثيلين أديباميد) (نايلون 6,6) وبولي كابرولاكتام (نايلون 6). وتشمل أنواع بولي أميد الأليفاتية النايلون 12 و69 و6-10 و6-12 و46 و1212. أما البلاستيك الهندسي الحيوي المعروف بالنايلون 11 فيُستخرج من مصادر متجددة، وتحديداً من نبات الخروع.

آليات التفاعل السطحي في الوسم بالليزر

يتميّز البلاستيك القابل للوسم بالليزر بقدرته على امتصاص ضوء الليزر ثم تحويله إلى طاقة حرارية في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) عند أطوال موجية بين 1060nm و1070nm. وثلاثة أنواع شائعة من الليزر هي ليزر الألياف من الإيتربيوم (MOPA والنبضة الثابتة)، والفاناديت (Nd:YVO4)، وNd:YAG. وتبعاً لنوع الليزر وتباين الوسم المطلوب، يمكن استخدام تركيبات كيميائية متنوعة لإحداث تفاعلات سطحية مثل التفحّم بالكربنة، والتغيّر الكيميائي بالإرغاء، وتغيّر اللون. ويستطيع الليزر نفسه تنفيذ جميع التفاعلات السطحية عن طريق ضبط الإعدادات في برنامج الوسم (القدرة، ومعدل تكرار النبضات، وسرعة الوسم). أما ليزر CO₂ ذو الموجة المستمرة (CW) فطوله الموجي 10.6 ميكرون (طيف الأشعة تحت الحمراء البعيدة)، وهو يمتلك قدرة ذروة أقل ولا يمكنه إنتاج وسم عالي التباين على البلاستيك.

إضافات الوسم بالليزر

بما أن معظم البوليمرات تمتلك خصائص امتصاص محدودة عند هذا الطول الموجي (NIR) ولا يمكنها إنتاج تباين ملحوظ، يستخدم الخبراء مجموعة متنوعة من الإضافات والحشوات والصبغات والملوّنات لزيادة الامتصاص وتحقيق جودة تباين عالية. وتزيد الإضافات درجة التباين اللوني (امتصاص ضوء الليزر)، ويتعزّز ذلك أكثر باختيار الليزر الأمثل ومعاملات الوسم المثالية. وخلافاً للاعتقاد السائد، لا توجد إضافة واحدة عالمية تصلح لكل الحالات.

تحتوي بعض الإضافات على أكسيد القصدير المشوب بالأنتيمون وخلائط ثالث أكسيد الأنتيمون، وهي قد تجعل عتامة الركيزة الطبيعية (غير الملوّنة) تبدو «رمادية». وقد تحتوي إضافات أخرى على جزيئات الألومنيوم أو أكاسيد معدنية مختلطة أو مركّبات خاصة بالمورّد. وتُجرى تعديلات اللون بالصبغات والملوّنات للوصول إلى مطابقة اللون المطلوبة. وقد اعتمدت إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) إضافات محددة للاستخدام في التلامس مع الغذاء وتغليف الأغذية وفق الشروط A-H من 21 CFR 178.3297 Colorants for Polymers.

تتوفّر مركّبات إضافات الليزر في صورة حبيبات (بيليت) وفي صورة مسحوق. وتُخلط المنتجات الحبيبية مباشرة مع راتنج البوليمر، أما الصور المسحوقة فتُحوَّل إلى ماستر باتش. ويتراوح مستوى تركيز التحميل بالوزن (في القطعة النهائية) عادةً بين 0.01 و3.0%. ولتحقيق أفضل تباين لوني، يجب توزيع إضافات الوسم بالليزر وتشتيتها بانتظام في كل أجزاء القطعة.

ليزر الألياف

يُعدّ ليزر الألياف من الإيتربيوم بنبضات النانوثانية (MOPA والنبضة الثابتة) مثالياً لوسم البلاستيك ونقشه وحفره، نظراً لجودة الحزمة المتميزة (M2) والسطوع العالي «الإشعاعية». وبإمكانه التركيز على حجم بقعة صغير (أقل من 20 ميكرون)، مما ينتج كثافة طاقة عالية. ومن أهم مزايا استخدام ليزر MOPA (مذبذب رئيسي ومكبّر قدرة) القدرة على الضبط الدقيق لعرض النبضة. وعرض النبضة المنخفض، وهو عادةً أقل من 90 نانوثانية، مثالي لوسم المواد البلاستيكية.

تُعدّ شدة إشعاع الليزر (W/cm2) والجرعة الإشعاعية (J/cm2) من المعاملات المهمة في وسم البلاستيك. وتتأثر الشدة بتردد النبضات، وقدرة الليزر، وحجم البقعة المحرقية، وعرض النبضة. أما الجرعة الإشعاعية فتتأثر بشدة الحزمة، وسرعة المسح، وتداخل النبضات، وقطر الحزمة المركّزة. ويُعدّ معدل تكرار النبضات وكثافة قدرة الذروة من المعاملات الحاسمة في تكوين الوسم وتحقيق التباين والسرعة المثاليين. فقدرة الذروة العالية عند تردد منخفض ترفع درجة حرارة السطح بسرعة، فتبخّر المادة مع توصيل أقل قدر من الحرارة إلى الركيزة. وبزيادة معدل تكرار النبضات، تنتج قدرة الذروة الأقل تبخّراً ضئيلاً لكنها توصّل حرارة أكبر. ومنحنيات القدرة مقابل معدل تكرار النبضات متناسبة تناسباً عكسياً.

الأسئلة الشائعة

لماذا لا يعطي ليزر الألياف لدينا وسماً واضحاً على النايلون؟

يمتلك بولي أميد امتصاصاً محدوداً في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة الذي يعمل فيه ليزر الألياف من الإيتربيوم، ولذلك لا تتحوّل معظم الطاقة إلى التفاعل الحراري الذي يُكوّن الوسم. والحل هو إضافة معززة لليزر تُركَّب داخل المادة، وليس زيادة قدرة الليزر.

ما الإضافات المستخدمة في وسم النايلون بالليزر؟

أكسيد القصدير المشوب بالأنتيمون وخلائط ثالث أكسيد الأنتيمون هي الأكثر شيوعاً، مع أنها قد تمنح الركائز غير الملوّنة مسحة رمادية. وتستخدم إضافات أخرى جزيئات الألومنيوم أو أكاسيد معدنية مختلطة أو مركّبات خاصة بالمورّد، مع إضافة الصبغات والملوّنات للوصول إلى مطابقة اللون النهائية.

هل يمكن استخدام النايلون الموسوم بالليزر في القطع الملامسة للغذاء؟

نعم، مع الإضافة المناسبة. فهناك إضافات محددة معتمدة من إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) للتلامس مع الغذاء وتغليف الأغذية وفق الشروط A–H من 21 CFR 178.3297, Colorants for Polymers. وتحقّقوا من أن الاعتماد يشمل درجة المادة ونسبة التحميل التي تستخدمونها.

ما عرض النبضة المناسب للنايلون؟

نبضات قصيرة. فعلى ليزر MOPA، تلائم عروض النبضة الأقل من نحو 90 نانوثانية البلاستيك، إذ توفّر قدرة ذروة عالية ترفع درجة حرارة السطح بسرعة مع توصيل أقل قدر من الحرارة إلى الركيزة.

لماذا يصعب وسم النايلون المعبأ بالألياف الزجاجية أكثر من غير المعبأ؟

لا تمتص الألياف الزجاجية الأشعة تحت الحمراء القريبة، بل تشتّت الحزمة، ولذلك تعطي الأسطح الغنية بالألياف وسماً ضعيفاً وغير متسق. ويجب ضبط عملية القولبة لإنتاج أسطح غنية بالراتنج. راجعوا موضوع بروز الألياف الزجاجية والوسم بالليزر.

Scott R. Sabreen هو مؤسس ورئيس The Sabreen Group, Inc.، وهي شركة هندسية متخصصة في المعالجة الثانوية للبلاستيك — المعالجة الأولية للسطح، واللصق والتزيين والتشطيب، والوسم بالليزر وأمن المنتج. وهو يعمل على تطوير تقنيات جديدة وحل مشكلات التصنيع منذ أكثر من 30 عاماً. ويمكن التواصل مع Sabreen على الرقم 972.820.6777 أو بزيارة www.sabreen.com أو www.adhesionbonding.com.

---