وسم PPS بالليزر باستخدام ليزر الألياف

وسم كبريتيد البولي فينيلين (PPS) بالليزر باستخدام ليزر الألياف

ملخص

يُعد الوسم والنقش على PPS (كبريتيد البولي فينيلين) بالغ الصعوبة لأنه يتحمل درجات الحرارة العالية عند تسخينه بالليزر. وقد أتاحت التطورات الحديثة في تقنية الملونات، وأنواع أسود الكربون المخصصة للليزر، وليزر الألياف، إنتاج علامات فاتحة اللون وعالية التباين ومقاومة للخدش على PPS الأسود المقوى بالألياف الزجاجية، ومعتمدة ببطاقة Yellow Card. ويُمكّن هذا التقدم المهم من الوسم والوسم الدقيق لمصفوفات البيانات (data matrix) والباركود ورموز QR والتعريف الفريد للقطع في قطاعات متعددة، منها السيارات، والطيران والفضاء وإلكترونيات NASA MIL، والمضخات والصمامات، والأجهزة المنزلية، وغيرها. ويتطلب إعداد ليزر الألياف الإيتربيوم (ytterbium) وبصرياته دقة عالية للحصول على علامات متينة ومقاومة للخدش.

النقاط الرئيسية

• يقاوم PPS الوسم لأنه يقاوم الحرارة؛ فاستقراره عند درجات الحرارة العالية يعني أن التفاعلات السطحية التي تُنتج التباين يصعب إحداثها.
• ليزر الألياف الإيتربيوم من نوع MOPA هو الخيار الصحيح، بمدة نبضة تتراوح بين 20 و40 نانوثانية وتردد نبضات يتجاوز 100 كيلوهرتز.
• التحكم في درجة حرارة السطح هو ما يحدد مقاومة الخدش؛ فالخطأ في زمني الصعود والهبوط يجعل العلامة تُزال بالفرك.
• الأسطح الغنية بالراتنج شرط إلزامي؛ إذ يؤدي بروز الزجاج على PPS المقوى بالزجاج بنسبة 30–40% إلى علامات أدنى جودة.
• يجب القولبة عند 275–300°F أو أعلى لتحقيق التبلور الكامل، وإلا تغيرت أبعاد القطعة أثناء الخدمة.

الوسم الأمثل بالليزر. لإنتاج علامات مقاومة للخدش وعالية التباين وفاتحة اللون على PPS الأسود المقوى بالألياف الزجاجية، يُعد ليزر الألياف الإيتربيوم من نوع MOPA الخيار الأفضل لأنه يتيح تحكماً دقيقاً في عرض النبضة وكثافة القدرة المركزة. وتسمح هذه الدقة بتحكم أفضل في عملية الرغوة الكيميائية السطحية عند طول موجي قريب من الأشعة تحت الحمراء يبلغ 1060-1070 نانومتر. وأفضل مدة نبضة تتراوح بين 20 و40 نانوثانية، مع تردد نبضات يتجاوز 100 كيلوهرتز. ولا بد من إعداد دقيق للليزر للتحكم في درجة حرارة السطح (زمني الصعود والهبوط)؛ وإلا أمكن خدش العلامة وإزالتها بسهولة.

يتطلب تحقيق وسم عالي الجودة بالليزر على البوليمرات المقوّاة بالألياف الزجاجية، ومنها PPS، قولبة بالحقن متينة وتشتيتاً وتوزيعاً جيدين للملونات المُحسّنة للليزر والمواد المخلوطة مسبقاً. وقد تؤثر إضافة الألياف الزجاجية سلباً في عمليات القولبة، مما يؤثر بدوره في جودة الوسم بالليزر. والأسطح الغنية بالراتنج ضرورية للحصول على وسم متين، أما الأسطح الغنية بالألياف الزجاجية فتُنتج نتائج وسم أدنى جودة.

كبريتيد البولي فينيلين (PPS)

كبريتيد البولي فينيلين (PPS) هو من اللدائن الحرارية الهندسية شبه المتبلورة العاملة عند درجات الحرارة العالية. ويُعرف PPS في القطاع بأنه البلاستيك الذي يؤدي أداء المعدن. وتعتمد خصائص PPS، مثل غيره من أنواع البلاستيك عالية الأداء الحراري بما فيها PEEK وبوليمر الكريستال السائل، على سلوك تبلوره. ويُطرح PPS في السوق بشكلين متمايزين: بنية جزيئية «متفرعة» وبنية «خطية». ومن أبرز العلامات التجارية Celanese Fortron® وSolvay Ryton® وSABIC Supec وToray Torelina وDIC PPS. وتنزع النسخة المتفرعة إلى أن تكون أكثر صلابة، أما النسخة الخطية فتقدم عادةً قوة ميكانيكية وقوة انثناء أفضل، فضلاً عن استقرار أعلى في المصهور. كما تحتوي PPS الخطية على شوائب أيونية أقل. وتتيح إضافة الألياف الزجاجية (30 بالمئة و40 بالمئة) وخلائط الألياف الزجاجية والمعادن إلى PPS القياسي تطبيقات متخصصة وشديدة المتطلبات. ويختار مصنعو الإلكترونيات عادةً PPS المقوى بالزجاج بنسبة 40 بالمئة لمنتجات العزل والموصلات.

وللوصول إلى حالة تبلور كاملة، يلزم أن تكون درجات حرارة القالب 275 إلى 300 درجة فهرنهايت على الأقل. وعندما يُقولب PPS تحت 275 درجة فهرنهايت، تكون المقولبات غير متبلورة أو شبه متبلورة، وتبقى على هذه الحالة حتى تتعرض لدرجات حرارة خدمة أعلى. وإذا تجاوزت درجة حرارة الخدمة درجة حرارة القولبة، فستصبح القطع أكثر تبلوراً، مما يؤدي إلى تغيرات في الأبعاد والخصائص.

المواد المستخدمة في صناعة الألياف الزجاجية هي السيليكا والحجر الجيري ورماد الصودا. فالسيليكا هي المادة الأساسية لتشكيل الزجاج، أما رماد الصودا والحجر الجيري فيُستخدمان لخفض درجة حرارة الانصهار. ويُعد «بروز الزجاج» (glass emergence) عيباً سطحياً خطيراً يصيب عادةً المنتجات المقولبة بالحقن والمقوّاة بالألياف الزجاجية. فتعرّض الألياف الزجاجية يُنتج سطحاً غنياً بالألياف الزجاجية، إذ يتكون فائض الزجاج على السطح أثناء ملء المصهور البلاستيكي والقولبة. وبعد التكثف والقولبة، تظهر علامات بيضاء على السطح. ويجب أن تكون أسطح القطع المقولبة «غنية بالراتنج» لإنتاج وسم عالي الجودة، بحيث تتفاعل طاقة الليزر مع مصفوفة البوليمر. وعلى العكس، تُوسم الأسطح الغنية بالألياف الزجاجية بصورة سيئة، وتزداد المشكلة سوءاً مع ارتفاع نسبة الألياف. كما أن الألياف الزجاجية نفسها ليست ماصة جيدة لضوء الليزر القريب من الأشعة تحت الحمراء (NIR).

ليزر الألياف الصناعي

يُعد ليزر الألياف الإيتربيوم العامل بالنبضات النانوثانوية (بنوعيه MOPA والنبضة الثابتة) مثالياً لوسم البلاستيك ونقشه وحفره، نظراً لجودة شعاعه الفائقة (M2) وسطوعه العالي أو ما يسمى «الإشعاعية». فهو قادر على التركيز إلى حجم بقعة صغير (أقل من 20 ميكروناً)، مما يُنتج كثافة طاقة عالية. ومن المزايا المهمة لاستخدام ليزر MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) القدرة على الضبط الدقيق لعرض النبضة. وتُعد شدة الإشعاع الليزري (W/cm2) والجرعة الإشعاعية (J/cm2) معاملين مهمين في وسم البلاستيك. فشدة الإشعاع هي في جوهرها شدة شعاع الليزر، وهي دالة لحجم البقعة المركزة، أما الجرعة الإشعاعية فتحدد مقدار الطاقة المنقولة إلى سطح المادة. وإذا كانت الجرعة منخفضة جداً، فقد لا تتأثر المادة على الإطلاق، وإذا كانت مرتفعة جداً، فقد تتضرر المادة بإفراط يتجاوز تأثير الوسم المطلوب.

يُعد معدل تكرار نبضات الليزر وكثافة القدرة الذروية عاملين حاسمين في تكوين العلامة وتحقيق التباين والسرعة المثاليين. فمنحنيات القدرة مقابل معدل تكرار النبضات عكسية التناسب حسابياً. فالقدرة الذروية العالية عند تردد منخفض ترفع درجة حرارة السطح سريعاً، فتُبخّر المادة مع توصيل أقل قدر من الحرارة إلى الركيزة. وكلما ارتفع تكرار النبضات، أنتجت القدرة الذروية الأدنى تبخيراً ضئيلاً لكنها توصل حرارة أكبر.

اتصلوا بـ The SABREEN Group لمعرفة المزيد… واعرضوا علينا أصعب تحديات الوسم بالليزر لديكم!

الأسئلة الشائعة

لماذا يصعب وسم PPS بالليزر إلى هذا الحد؟

PPS هو من اللدائن الحرارية شبه المتبلورة العاملة عند درجات الحرارة العالية، وهو يتحمل الحرارة التي يبثها الليزر، ولذلك يصعب كثيراً إحداث تفاعلات التفحّم والرغوة التي تُنتج التباين في أنواع البلاستيك العادية. كما أن التقوية بالألياف الزجاجية، الشائعة في قطع PPS، تُفاقم المشكلة.

ما إعدادات الليزر التي تُنتج علامات مقاومة للخدش على PPS الأسود المقوى بالزجاج؟

ليزر ألياف إيتربيوم من نوع MOPA بمدة نبضة تتراوح بين 20 و40 نانوثانية وتردد نبضات يتجاوز 100 كيلوهرتز. والإعداد الدقيق هو ما يتحكم في زمني صعود وهبوط درجة حرارة السطح؛ وبدون هذا التحكم تُخدش العلامة وتُزال بسهولة.

هل يؤثر محتوى الزجاج في جودة الوسم على PPS؟

يؤثر بدرجة كبيرة. فالألياف الزجاجية لا تمتص الأشعة القريبة من تحت الحمراء، ولذلك تُوسم الأسطح الغنية بالزجاج بصورة سيئة، وتزداد المشكلة سوءاً مع ارتفاع نسبة الألياف. وتستخدم موصلات الإلكترونيات عادةً PPS المقوى بالزجاج بنسبة 40%، مما يجعل تكوين سطح غني بالراتنج أولوية في القولبة.

ما درجة حرارة القالب التي يتطلبها PPS؟

275 إلى 300°F على الأقل للوصول إلى حالة تبلور كاملة. وإذا قُولبت القطع تحت هذه الدرجة، فإنها تبقى غير متبلورة أو شبه متبلورة، وستتبلور لاحقاً إذا تجاوزت درجة حرارة الخدمة درجة حرارة القولبة، مما يسبب تغيرات في الأبعاد والخصائص.

ما الفرق بين PPS الخطي وPPS المتفرع؟

ينزع PPS المتفرع إلى أن يكون أكثر صلابة، بينما يقدم PPS الخطي عموماً قوة ميكانيكية وقوة انثناء أفضل، واستقراراً أعلى في المصهور، وشوائب أيونية أقل.

Scott R. Sabreen هو مؤسس ورئيس شركة The Sabreen Group, Inc.، وهي شركة هندسية متخصصة في المعالجة الثانوية للبلاستيك: المعالجة الأولية للسطح، والربط والتزيين والتشطيب، والوسم بالليزر، وأمن المنتج. وقد عمل على تطوير تقنيات جديدة وحل مشكلات التصنيع لأكثر من 30 عاماً. يمكن التواصل مع Sabreen على الرقم 972.820.6777 أو بزيارة www.sabreen.com أو https://sabreen.com/solutions/plastics-laser-marking/

---