إضافات ثورية تعزز الوسم بالليزر على البلاستيك: تباين فائق وتفاصيل حواف الخطوط وسرعة

إضافات ثورية تعزز الوسم بالليزر على البلاستيك: تباين فائق وتفاصيل حواف الخطوط وسرعة

يمثل أحدث جيل من إضافات الوسم بالليزر المدمجة في البوليمرات تقدمًا تقنيًا كبيرًا أثبت أنه ممكِّن وموفر للتكلفة. فقد حققت تركيبات علم المواد المتقدمة تباين وسم وتفاصيل حواف خطوط وسرعة فائقة على أنواع بلاستيك كان وسمها بالليزر صعبًا تقليديًا إن لم يكن مستحيلًا. وهذه التركيبات مصممة لليزرات الألياف والفاناديت وYAG ميسورة التكلفة، وتعمل في طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة عند 1060-1070 nm. ويناقش هذا المقال تطبيقات تباين الوسم بالليزر الداكن والفاتح المصممة من أجل «الكربنة السطحية الكيميائية الحرارية». وهذا هو التفاعل السطحي الأكثر شيوعًا في البوليمرات، وهو مسار كيميائي يختلف تمامًا عن آليتي «التكوّن الرغوي» و«تغير اللون».

تُصاغ الآن البوليمرات الشفافة وشبه الشفافة، ومنها PVC والبولي كربونات والبولي أوليفينات، بتركيبات فريدة باستخدام إضافات خالية من المعادن الثقيلة ومعتمدة من FDA. ولا تتأثر شفافية البوليمر ولا خصائص النفاذ الطيفي له. ويحقق هذا الإنجاز تباينًا أسود قاتمًا في الوسم بالليزر مع أدنى قدر من مخلفات الكربنة السطحية على منتجات الأنابيب/المواسير المبثوقة «أثناء الحركة» وفي العمليات الثانوية. ويحل الوسم بالليزر الخطي دون حبر الآن محل الطباعة بالحفر الدوار والطباعة بالبطانة. (انظر الصورة A.)

أبرز النقاط

• مصممة لنطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة 1060–1070 nm، وتشمل ليزرات الألياف والفاناديت وYAG ميسورة التكلفة.
• الكربنة السطحية الكيميائية الحرارية هي التفاعل السطحي الأكثر شيوعًا في البوليمرات، وهي محور هذه التركيبات.
• لا توجد إضافة واحدة تحل جميع مشكلات الوسم، فالكيمياء وإعداد الليزر يختلفان باختلاف التباين المستهدف.
• تتراوح نسبة التحميل من 0.01% إلى 4.0% بالوزن في القطعة النهائية، مع ضبط اللون باستخدام الصبغات والأصباغ.
• وسم أسرع بنسبة تصل إلى 25% مقارنة بالمواد غير المُحسَّنة، بتراكيز منخفضة تصل إلى 0.01% حتى 2.0%.

الأسئلة الشائعة

ما مدى تسريع الإضافات المصاغة بشكل مثالي للوسم؟

تُظهر دراسات مستقلة مكاسب ذات دلالة إحصائية، غالبًا بنسبة 25% أو أسرع مقارنة بالمادة غير المُحسَّنة، وتتحقق بتراكيز منخفضة جدًا تبلغ نحو 0.01% إلى 2.0%. ولأن زمن الوسم تكلفة مباشرة في زمن الدورة، فإن ذلك يعوّض سريعًا الفرق في سعر الإضافة.

ما الذي يحدد المدة اللازمة لتطبيق الوسم؟

الركيزة البوليمرية، وعدد الخطوط المتجهة المرسومة، وسرعة رسم الشعاع ورأس المسح الجلفانومتري لهذه الخطوط. كما يؤثر في زمن الوسم برنامج الليزر ونوع تعبئة المتجهات: أحادية الاتجاه أو ثنائية الاتجاه أو متعرجة.

لماذا تبدو الركيزة الطبيعية رمادية أحيانًا بعد إضافة الإضافة؟

تحتوي بعض الإضافات على خليط من أكسيد القصدير المطعّم بالأنتيمون وثالث أكسيد الأنتيمون، وهو يضفي صبغة رمادية على عتامة الركيزة الطبيعية غير الملوّنة. وتعيد تعديلات اللون باستخدام الصبغات والأصباغ القطعة إلى مطابقة اللون المستهدفة.

هل تُورَّد الإضافات على شكل حبيبات أم مسحوق؟

كلاهما. فالمنتجات الحبيبية تُخلط مباشرة مع راتنج البوليمر، بينما تُحوَّل صيغ المسحوق إلى ماستر باتش. ويمكن توريد أي منهما على شكل مادة مسبقة التركيب أو مركّز ألوان.

ما الخبرة التي تتطلبها تركيبة الوسم بالليزر فعليًا؟

معرفة البوليمرات ودرجات الخصائص ضمن كل عائلة، إضافة إلى الملوّنات والصبغات والأصباغ من حيث الذوبانية وحجم الجسيمات وحدود تركيز العتبة ومطابقة اللون، والاعتمادات التنظيمية ومنها GRAS وملامسة الأغذية المباشرة وغير المباشرة وفق FDA.

آلية تفاعل الوسم بالليزر في البوليمرات

البوليمرات القابلة للوسم بالليزر هي التي تمتص ضوء الليزر وتحوّله من طاقة ضوئية إلى طاقة حرارية. ولأن معظم البوليمرات لا تمتلك خصائص امتصاص عند 1060-1070nm، 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 وبصريات/معاملات إعداد ليزر مختلفة تمامًا بحسب تباين الوسم المطلوب ووظيفته.

يُسمى آلية التفاعل السطحي الأكثر شيوعًا «الكربنة» أو «التفحّم» الكيميائي الحراري، (انظر الصورة B.) حيث ترفع الطاقة الممتصة في الركيزة 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 أو فتوحها على الطاقة الممتصة وكذلك على مسار التحلل الحراري الفريد للمادة.

تحسّن إضافات الليزر درجة التباين، ويمكن تعزيزها أكثر بتغيير معاملات إعداد الليزر. وتمتلك البوليمرات خصائص ذاتية تعطي تباين وسم «داكن اللون» أو «فاتح اللون». (انظر الصورة B.) وقد تعطي كل درجة ملوّن للبوليمر، حتى ضمن العائلة البوليمرية نفسها، نتائج مختلفة. كما أن مركبات الملوّنات التي تحتوي على كميات قليلة من TiO2 وأسود الكربون وأكاسيد فلزية مختلطة تمتص ضوء الليزر أيضًا، وفي بعض الحالات تحسّن تباين الوسم.

المعالجة الأولية وإضافات الليزر ومطابقة اللون

تُورَّد إضافات الليزر المتوفرة تجاريًا على شكل حبيبات ومسحوق. ويمكن خلط المنتجات الحبيبية مباشرة مع راتنج البوليمر، بينما تُحوَّل صيغ المسحوق إلى ماستر باتش.

تحتوي بعض هذه الإضافات على خليط من أكسيد القصدير المطعّم بالأنتيمون و/أو ثالث أكسيد الأنتيمون، وهو يضفي صبغة «رمادية» على عتامة الركيزة الطبيعية (غير الملوّنة). وتُجرى تعديلات اللون باستخدام الصبغات والأصباغ للوصول إلى مظهر مطابقة اللون النهائي. وبحسب الإضافة والبوليمر المحددين، يمكن أن تتراوح نسبة التحميل بالوزن (في القطعة النهائية) من 0.01 بالمئة إلى 4.0 بالمئة. ويمكن توريد الصيغتين، الحبيبات والمسحوق، على شكل مادة ملوّنة مسبقة التركيب أو مركّز ألوان.

أثناء تحميل إضافة الليزر وكيمياء مطابقة اللون، ليس من غير المألوف أن يحتوي المنتج النهائي على كمية من إضافة الليزر أقل من الكمية المحسوبة. وترتبط هذه المشكلة في الغالب دائمًا بعدم انتظام التوزيع أثناء البثق أو القولبة. وتحل التعديلات البسيطة على آلة القولبة، مثل زيادة الضغط الخلفي وسرعة دوران اللولب، معظم المشكلات. ومن الضروري تحقيق توزيع/تشتيت متجانس لإضافات الليزر في كل قطعة للحصول على أفضل أداء للوسم. وفي عمليات البثق والقولبة بالحقن والتشكيل الحراري، تعطي المواد الملوّنة مسبقة التركيب تجانسًا أفضل مقارنةً بمركّز الألوان. وينبغي تجنب الخلط اليدوي. ويُعد تدفق القالب ونوع البوابة وموقعها من العوامل المهمة.

سرعات وسم أعلى = توفير في التكلفة

يعتمد الزمن اللازم لوسم قطعة على الركيزة البوليمرية وعدد الخطوط المتجهة المرسومة وسرعة رسم شعاع الليزر/رأس المسح الجلفانومتري لجميع الخطوط. كما يؤثر في زمن الوسم برنامج الليزر ونوع تعبئة المتجهات: أحادية الاتجاه أو ثنائية الاتجاه أو متعرجة.

تُظهر 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 بالمئة و2.0 بالمئة. وتوفر إضافات الليزر المصاغة بشكل مثالي التكلفة، وغالبًا ما تحقق سرعات وسم أعلى بنسبة 25 بالمئة فأكثر مقارنةً بتركيبات المواد غير المُحسَّنة. وتفوق هذه الزيادة في السرعة والجودة كلفة الإضافة المادية الإضافية.

يبين «علم إضافات الليزر» (الشكل 1 في الصفحة 34) مخطط تحليل الوزن الحراري (TGA) لنوعين من البولي إيثيلين عالي الكثافة المستخدمين في أغطية المشروبات 28mm بلا بطانة. 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.

ومن دون إضافات الليزر، لا يمكن تصنيع بعض المنتجات الصناعية المعروفة بتكلفة فعّالة. 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 – 2,000 غطاء في الدقيقة. (انظر الصورة B.)

تقنية الليزر

كانت التطورات في تقنية الليزر عاملًا حاسمًا في التطور السريع لأحدث جيل من إضافات الليزر. ويُعد ظهور ليزرات الألياف بالنانو ثانية من أهم التطورات في الوسم واللحام والقص. فمن حيث المبدأ يختلف ليزر الألياف 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 الألياف ذات النبضة الثابتة والمتغيرة بطاقة نبضة تصل إلى 1 mJ وكثافة قدرة عالية وسم كثير من البوليمرات الصعبة تاريخيًا، ومنها النايلون واليوريثان والأسيتال. وتمتلك ليزرات الفاناديت كذلك قيمة M2 صغيرة مع عرض نبضة أقصر من ليزرات الألياف الثابتة وYAG. وتؤثر مدة النبضة في درجة الحرارة والكربنة داخل المادة. ويمكن أن يكون عرض النبضة القصير مفيدًا في التطبيقات البوليمرية الحساسة.

جميع ليزرات الألياف والفاناديت وYAG 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 (واط/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.

تعتمد 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 (upcollimator).

يُعد معدل تكرار النبضات وكثافة القدرة الذروية من المعاملات الحاسمة في تكوين الوسم وتحقيق التباين والسرعة المثلى. والمنحنيات الحسابية للقدرة مقابل معدل تكرار النبضات متناسبة عكسيًا. 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. ومن العوامل الإضافية المؤثرة في تباين الوسم وجودته، بطبيعة الحال، سرعة الشعاع ومسافة الفصل بين الخطوط المتجهة.

الخلاصة

يحقق أحدث جيل من إضافات الوسم بالليزر المدمجة في البوليمرات تباين وسم وتفاصيل حواف خطوط وسرعة فائقة. ويحل الوسم بالليزر الخطي دون حبر الآن محل الطباعة بالحفر الدوار والطباعة بالبطانة. 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.

شكر وتقدير

• Dr. Tony Hoult, IPG Photonics, “Laser Marking with Fiber Lasers”, Industrial Laser Solutions, September 2012.
• BASF Corporation Mark-it™ Laser Marking Pigment Technical Bulletin 2002, with technical content contributions from The Sabreen Group, Inc. Lasers&Optronics, July 1997.
• 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 and Carl Baasel Lasertechnik GmbH, Feature Article, “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.

---