أساسيات علم المواد للوسم بالليزر على البلاستيك

أساسيات علم المواد للوسم بالليزر على البلاستيك

تحقق التطورات في الوسم المباشر بالليزر للبلاستيك جودة وتباينًا وسرعة غير مسبوقة. ومع التطبيق السليم، يمكن أن يوفر الوسم بالليزر للبلاستيك مزايا تصنيعية عديدة ويضيف قيمة إلى مظهر المنتج ووظيفته. ويدفع أحدث جيل من علم مواد البلاستيك وأنظمة معدات الليزر طلبًا صناعيًا قويًا على الوسم الدائم بالليزر بديلًا عن الطباعة التقليدية بالحبر. ويعرض هذا المقال مفاهيم ومعلومات أساسية تتعلق بالتفاعلات الكيميائية بين البوليمرات وإضافات الليزر وأطوال موجية محددة من ضوء الليزر (المنبعث من مصادر ليزر مختلفة).

يفترض الممارسون غالبًا أن إضافات مواد الليزر لازمة في جميع تطبيقات الوسم بالليزر على البلاستيك. غير أنه، بحسب نوع البلاستيك المراد وسمه ومتطلبات الاستخدام النهائي من حيث التباين وجودة التفاصيل الحادة/الدقيقة، قد لا يكون استخدام تركيبات مواد محسّنة لليزر ضروريًا دائمًا. بل إن الاختيار السليم للطول الموجي ونوع الليزر يحقق درجة قابلية الوسم المطلوبة. وتتحدد النتائج بعوامل مثل: أ) الدرجة المحددة للراتنج وخصائصه؛ ب) نوع الليزر (الطول الموجي، ونمط خرج جودة الشعاع، والتهيئة البصرية، وكثافة القدرة، والقدرة الذروية/المتوسطة، وسرعة الوسم)؛ ج) مكونات الملوّنات والحشوات؛ د) اللمعان وملمس السطح؛ هـ) محتوى المطحون المعاد تدويره. وتمتلك مركبات الملوّنات مثل TiO2 وأسود الكربون درجة من خصائص الامتصاص عند أطوال موجية معينة. كما يُعد حجم الجسيمات ودرجة سواد هذه المركبات من العوامل المؤثرة. وعلاوة على ذلك، قد تعطي درجات راتنج محددة، حتى ضمن العائلة العامة نفسها، نتائج مختلفة جدًا، كما في الستايرينات مثلًا.

ومن ناحية أخرى، فإن من الفوائد التي كثيرًا ما يتم إغفالها عند النظر في إدخال إضافات الليزر أن التركيبات المحسّنة لليزر يمكنها تحسين سرعة الوسم، لا التباين وجودة الوسم الزخرفي أو الوظيفي فحسب. فاستخدام إضافات الليزر يقلل أزمنة دورة الوسم في الغالب دائمًا، ويتيح استخدام قدرة ليزر أقل. وتوفر هذه العوامل في النهاية المال وتزيد الإنتاج التصنيعي.

يتطلب 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 عند استخدامها مع إضافات الليزر 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 للمنتجات البوليمرية. ولذلك من الضروري تمامًا أن يتمتع الكيميائيون/مصممو التركيبات بمعرفة واسعة بمجموعة متنوعة من تقنيات الليزر لضمان وسم متين بسرعات إنتاج تصنيعي عالية.

يركز هذا المقال على الليزرات الموجَّهة بالحزمة العاملة في النطاق من 1060 إلى 1070 nm. ويشمل ذلك ليزر Nd:YAG (ذو الضخ بالمصباح القوسي وبالصمام الثنائي) وليزر الفاناديت وليزر الألياف. وقد كان ليزر «YAG» التقليدي الأكثر شعبية في صناعة الوسم بالليزر على مدى العقود الماضية بسبب طول موجة انبعاثه وأدائه في القدرة وتنوع استخداماته الواسع. أما ليزر الفاناديت وليزر الألياف فهما تقنيتان أحدث بكثير، وغالبًا ما يكون اختيارهما أكثر ارتباطًا بتطبيق بعينه. غير أنهما يستطيعان تحقيق نتائج ممتازة في التطبيقات الملائمة.

تقوم الآلية الأساسية للوسم بالليزر الموجَّه بالحزمة، عند استخدام طول موجي من 1060 إلى 1070 nm، على تشعيع البوليمر بمصدر إشعاع عالي الطاقة (الليزر). وتمتص المادة الطاقة المشعّة موضعيًا وتحوّلها إلى طاقة حرارية، وتحفّز الطاقة الحرارية بدورها تفاعلات في المادة. ويمكن حدوث عدة أنواع من التفاعلات باستخدام نطاق الطول الموجي هذا في الأشعة تحت الحمراء القريبة (near-IR)، منها على الأقل: 1) التفحّم؛ 2) الاستئصال؛ 3) التغير الكيميائي. وبحسب نتائج التباين المطلوبة للوسم، يمكن اختيار كيميائيات ومعاملات نظام ليزر مختلفة تمامًا لتحقيق نوع التفاعل المفضل. وخلافًا للاعتقاد الشائع، لا توجد إضافة ليزر واحدة تحل جميع مشكلات الوسم!

يحدث تفاعل التفحّم عندما ترفع الطاقة الممتصة درجة الحرارة الموضعية للمادة المحيطة بموضع الامتصاص إلى مستوى مرتفع بما يكفي لإحداث التحلل الحراري للبوليمر. وفي وجود الأكسجين يؤدي ذلك إلى احتراق البوليمر، أما داخل القطعة فإن محدودية إمداد الأكسجين تسبب تفحّم البوليمر فتتكون علامة سوداء. ويعتمد اسوداد العلامة على الطاقة الممتصة وكذلك على مسار التحلل الحراري للمادة.

يحدث الاستئصال عندما يُسخَّن البوليمر بما يكفي لإحداث التحلل وتبخر النواتج الثانوية للتحلل، مما ينتج منطقة محفورة. وينتج هذا النوع من الوسم عادةً علامات منخفضة التباين. وللمقارنة، يعمل ليزر CO₂ ذو الموجة المستمرة (CW) بطول موجي 10.6 µm (الطيف تحت الأحمر البعيد). ويولّد ليزر CO₂ ذو الموجة المستمرة قدرة ذروية أقل بكثير نسبيًا، ولا يستطيع عادةً إنتاج علامات عالية التباين على معظم أنواع البلاستيك.

ينتج التغير الكيميائي، عبر إضافات تُطلق بخارًا أثناء التحلل، 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 على ركائز داكنة. أما ضعف التحكم في الليزر فقد يؤدي إلى علامة هشة أو منخفضة التباين.

وثمة طريقة أخرى للوسم بالليزر، وهي استخدام طاقة ليزر الأشعة تحت الحمراء القريبة 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.

وفي الختام، من المهم إدراك أن جميع الليزرات الموجَّهة بالحزمة ليست متساوية. فكيمياء علم المواد وحدها لا تستطيع حل جميع مشكلات جودة الوسم. إذ تحدث مكونات العتاد والبرمجيات التي تدمجها الشركة المصنعة للليزر في معداتها فروقًا كبيرة في جودة الوسم وسرعته وتنوع استخدامه. وعند شراء معدات الليزر، من المهم ملاحظة أنه لا يوجد حل عالمي واحد. فكل تطبيق فريد من حيث تركيب ركيزة راتنج البلاستيك ولونها وتباين الوسم المطلوب («داكن على فاتح» أو «فاتح على داكن» أو «لون مخصص»). وتمثل التطورات الحديثة اليوم في علم مواد البوليمرات والموجّهات الموجية لليزر قفزات نوعية تتجاوز ما لم يكن يُعتقد ممكنًا قبل سنوات قليلة فقط.

أبرز النقاط

• الوسم تفاعل كيميائي بين البوليمر وأي إضافة ليزر والطول الموجي المحدد لمصدر الليزر.
• الإضافات ليست لازمة دائمًا، وهذا افتراض شائع يستحق الاختبار لكل مادة بدلًا من قبوله.
• الوسم بالليزر بديل للطباعة التقليدية بالحبر، وعلم المواد هو ما يجعله عمليًا.
• يجب مطابقة الطول الموجي مع المادة، لا اختياره بحسب توفر المعدات.
• عند تطبيقه بشكل سليم، يضيف الوسم قيمة إلى المظهر والوظيفة، وليس إلى التعريف فقط.

الأسئلة الشائعة

هل تحتاج جميع أنواع البلاستيك إلى إضافة ليزر ليتم وسمها؟

لا، وهذا افتراض شائع يستحق التحقق. فغالبًا ما يفترض الممارسون أن الإضافات لازمة دائمًا، لكن الحاجة إليها تعتمد على البوليمر وملوّناته وحشواته والطول الموجي لمصدر الليزر المستخدم.

ما الذي يصنع الوسم فعليًا؟

تفاعل كيميائي بين البوليمر وأي إضافات ليزر موجودة والطول الموجي المحدد لضوء الليزر المنبعث من المصدر. وفهم هذا التفاعل هو ما يتيح التنبؤ بما إذا كانت توليفة مادة وليزر معينة ستنتج وسمًا صالحًا للاستخدام.

لماذا يحل الوسم بالليزر محل الطباعة التقليدية بالحبر؟

لأن أحدث جيل من علم مواد البلاستيك ومعدات الليزر ينتج جودة وتباينًا وسرعة وسم غير مسبوقة، دون أحبار أو مذيبات مستهلكة. وعند تطبيقه بشكل سليم يوفر مزايا تصنيعية ويضيف قيمة إلى مظهر المنتج ووظيفته.

هل يغير نوع مصدر الليزر النتيجة؟

نعم. فمصادر الليزر المختلفة تنبعث منها أطوال موجية مختلفة، والتفاعلات الكيميائية بين البوليمرات والإضافات وضوء الليزر مرتبطة بالطول الموجي. ولذلك فإن اختيار المصدر قرار في علم المواد، وليس قرارًا متعلقًا بالمعدات فقط.

من أين ينبغي أن يبدأ مشروع الوسم بالليزر؟

من المادة. فتحديد كيفية استجابة درجة البوليمر المحددة وملوّناته وإضافاته للأطوال الموجية المرشحة هو ما يحدد كل ما يليه: هل الإضافات لازمة، وما التباين الممكن تحقيقه، وما السرعة الواقعية.

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.

---