إضافات الليزر مزدوجة الغرض تدفع الوسم واللحام في البوليمرات

إضافات الليزر مزدوجة الغرض تدفع الوسم واللحام في البوليمرات

تتيح إضافات الليزر مزدوجة الغرض، التي تُمزج بالبوليمرات أثناء المعالجة الأولية، الوسم واللحام بالنفاذ للبوليمرات الشفافة والمعتمة. وتحقق الإضافات الكيميائية المبتكرة، ومنها المتوافقة مع FDA/الاستخدامات الطبية، وصلات لحام محكمة الإغلاق عالية المتانة وتباينًا معتمًا دائمًا للوسم. وعمليتا الوسم بالليزر واللحام بالليزر لا تلامسان المادة، وسهلتا التحكم، وصديقتان للبيئة. وقد صُمم وسم البوليمرات ولحامها للاستفادة من ليزر ومعدات بأسعار معقولة وسرعات عالية، فيلبيان تحديات التطبيقات المعقدة اليوم.

أبرز النقاط

• مركب واحد وعمليتان. تدعم الإضافات مزدوجة الغرض الوسم واللحام بالنفاذ في المادة نفسها.
• يجري اللحام بالليزر عبر النفاذ (TTLW) على ثلاث مراحل — التسخين والاندماج واللحام — وتتراوح أزمنة اللحام النموذجية بين ثانية وثماني ثوانٍ.
• يحتاج الجزآن إلى خصائص بصرية متعاكسة: يجب أن ينفذ الطول الموجي عبر الجزء العلوي، وأن يمتصه الجزء السفلي في طبقة رقيقة.
• الامتصاص المتوسط هو أسوأ الحالات، إذ يسخّن السماكة كلها ويجعل الجزء مرشحًا ضعيفًا لأي من جانبي الوصلة.
• يوفر اللحام بالليزر وصلات محكمة الإغلاق دون زوائد ولا جسيمات، مع أدنى منطقة متأثرة بالحرارة ودون إتلاف سطح الجزء.

الأسئلة الشائعة

ماذا يعني «النفاذ» في اللحام بالليزر؟

ينفذ الليزر عبر الجزء العلوي الشفاف لليزر ويُمتص عند سطح الجزء السفلي الماص لليزر. وتُجمَّع الأجزاء مسبقًا وتُثبَّت بحيث تتلامس أسطح الوصل تلامسًا وثيقًا، ويتكون اللحام عند هذا السطح البيني.

ما مراحل اللحام بالليزر عبر النفاذ؟

ثلاث مراحل. في مرحلة التسخين يسخّن الليزر البوليمر الماص عند السطح البيني فيتمدد ويرفع ضغط اللحام. وفي مرحلة الاندماج يزيد التمدد الإضافي الضغط ويحدث قدر يسير من اللحام. وفي مرحلة اللحام ينهار قدر كافٍ من المادة المنصهرة لتكوين لحام حقيقي، يبلغ عادةً نحو 0.13 mm.

هل يمكن لحام المواد المحشوة بالزجاج بالليزر؟

لُحمت مواد محشوة بنسبة زجاج تصل إلى 50%، ولكن ليس للوصلات محكمة الإغلاق. فالحشوات والإضافات والصبغات كلها تغيّر استجابة البوليمر لشعاع الليزر، ولذلك فإن ملاءمة المادة أكثر حساسية في اللحام بالليزر منها في أي عملية وصل أخرى.

لماذا نختار اللحام بالليزر على اللحام بالموجات فوق الصوتية أو بالصفيحة الساخنة؟

لأنه دون تلامس مع تثبيت خفيف تحت لوح زجاجي أملس، فلا يتلف شيء الجزء ولا تنتقل أي اهتزازات. واللحام تحت سطحي ويكاد لا يُرى، والمنطقة المتأثرة بالحرارة صغيرة جدًا فتنجو المكونات الهشة الموضوعة مسبقًا، ولا توجد زوائد تحتاج إلى قص، ويمكن الحصول على وصلات محكمة الإغلاق ضد الغازات.

هل يمكن لحام بلاستيك مختلف الأنواع معًا بالليزر؟

نعم، بشرط استيفائه المعايير البصرية والحرارية اللازمة. فكل بوليمر ينفذ الأطوال الموجية الرئيسية الثلاثة للحام بصورة مختلفة، ولذلك يجب تقييم المادتين معًا لا كلًا على حدة.

تطبيقات المنتجات

تُصاغ البوليمرات الملونة الشفافة وشبه الشفافة والمعتمة، ومنها النايلون وبولي إيثيلين تيرفثالات (PET) والبولي كربونات والبولي أوليفينات وبولي كلوريد الفينيل (PVC) والستايرينيات والمرنات الحرارية (TPUs) والبولي يوريثان الحراري (TPEs)، صياغة فريدة باستخدام إضافات خالية من المعادن الثقيلة ومعتمدة من FDA وهيئة سلامة الأغذية الأوروبية (EFSA)، لتحقيق جودة وسم عالية التباين، بما في ذلك المنتجات الملحومة بالليزر (الشكل 1). ولا تتأثر شفافية البوليمر ولا نفاذه الطيفي ولا خصائصه الفيزيائية الأساسية. ويحل الوسم الرقمي بالليزر دون تلامس محل الملصقات اللاصقة المكلفة وعمليات الطباعة بالحبر والمواد الكيميائية. والنتيجة حل اقتصادي وصديق للبيئة وذو مظهر جمالي متفوق.

آليات التفاعل السطحي في الوسم بالليزر

تشمل التطورات المحققة في صياغة الإضافات الكيميائية لليزر لاستخدامها مع ليزر الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) (الطول الموجي 1,060-1,080nm) توافقها مع ليزر الإيتربيوم الليفي وليزر الفاناديت وليزر Nd:YAG. ولا تمتلك معظم البوليمرات خصائص امتصاص في NIR دون إضافات كيميائية. والبوليمرات التي يمكن وسمها بالليزر هي التي تمتص ضوء الليزر وتحوله من طاقة ضوئية إلى طاقة حرارية. وتُستخدم الإضافات والحشوات والصبغات والأصباغ لتعزيز امتصاص طاقة الليزر لإحداث تغيرات لونية موضعية. وتُهيَّأ كيميائيات صياغة وبصريات ليزر ومعاملات إعداد مختلفة اختلافًا كبيرًا بحسب تباين الوسم والوظيفة المطلوبين.

يوضح الشكل 1 آليتين شائعتين للتفاعل السطحي. الأولى «الكربنة» أو «التفحم» الحراري الكيميائي، حيث ترفع الطاقة الممتصة في الركيزة درجة الحرارة الموضعية للمادة المحيطة بموقع الامتصاص إلى حد يكفي لإحداث تحلل حراري للبوليمر. ويعتمد قتام الوسم أو فتوحه على الطاقة الممتصة وعلى مسار التحلل الحراري الفريد للمادة. ومن خلال تحسين إعداد الليزر، تكون بقايا الكربنة السطحية في حدها الأدنى.

أما التفاعل السطحي الثاني، «التكوين الرغوي»، فهو تغير كيميائي يُحدثه استخدام إضافات تطلق البخار أثناء التحلل، مما ينتج رغوة في البوليمر. وأثناء عملية التكوين الرغوي، تمتص طاقة الليزر إضافة قريبة جدًا من عامل الرغوة. وتؤدي حرارة الماص إلى تحلل عامل الرغوة وإطلاق البخار. ومن خلال الضبط الدقيق لمعاملات تشغيل الليزر، يمكن الحصول على علامات «بيضاء» فاتحة اللون عالية الجودة ومتينة على ركائز داكنة.

وفي تفاعل ثالث (غير مبيّن)، تُستخدم طاقة الليزر لتسخين/تحليل أحد الملونات في خليط ملونات، مما ينتج تغيرًا في اللون. ومثال ذلك خليط من أسود الكربون وملون غير عضوي مستقر. وعند التسخين يُزال أسود الكربون ويبقى الملون غير العضوي. وتعتمد أنظمة الملونات المختلطة هذه على ثبات ملونات محددة، ولا تكون جميع التغيرات اللونية ممكنة. وتُعد تركيبات أسود الكربون جزءًا لا يتجزأ من اللحام بالليزر.

كيميائيات إضافات الليزر للوسم واللحام

تحسّن إضافات الليزر للأشعة تحت الحمراء القريبة درجة التباين، ويمكن تعزيزها أكثر بتغيير معاملات إعداد الليزر. وتمتلك البوليمرات خصائص ذاتية تعطي تباين وسم «داكن اللون» أو «فاتح اللون». كما أن بعض مركبات الملونات المحتوية على كميات قليلة من ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) وأسود الكربون تمتص ضوء الليزر أيضًا ويمكنها تحسين تباين الوسم. ويمكن لكل درجة بوليمر، حتى ضمن العائلة البوليمرية نفسها، أن تعطي نتائج مختلفة. ويجب ألا تكون تركيبات الإضافات سامة أو تؤثر سلبًا في مظهر المنتجات أو خصائصها الفيزيائية أو الوظيفية.

مقارنةً بعمليات الطباعة بالحبر (الطباعة بالوسادة/بالشاشة والطباعة النفاثة للحبر)، توفر إضافات الليزر في التكلفة ويمكن أن تحقق سرعات وسم أعلى بنسبة 20 بالمئة أو أكثر مقارنةً بالمواد غير المحسّنة. وتُورَّد إضافات الليزر في صورة حبيبات وفي صورة مسحوق. ويمكن مزج المنتجات الحبيبية مباشرة مع راتنج البوليمر، بينما تُحوَّل صور المسحوق إلى ماستر باتش. ومعظمها يتشتت بسهولة في البوليمرات. وبحسب الإضافة والبوليمر، يتراوح تركيز التحميل بالوزن (في الجزء النهائي) بين 0.01 و4.0 بالمئة.

يمكن مزج الصورتين الحبيبية والمسحوق في مادة ملونة مخلوطة مسبقًا أو في مركّز ألوان. ويعتمد اختيار الإضافة المراد دمجها على تركيب البوليمر ولون الركيزة ولون تباين الوسم المطلوب ومتطلبات الاعتماد للاستخدام النهائي. وفي عمليات البثق والقولبة بالحقن والتشكيل الحراري، تعطي المواد الملونة المخلوطة مسبقًا تجانسًا أفضل من مركّز الألوان. ويجب تجنب الخلط اليدوي. ويُعد تدفق القالب ونوع البوابة وموقعها عاملين مهمين. ومن الضروري توزيع/تشتيت إضافات الليزر توزيعًا متجانسًا في كل جزء لتحقيق أداء وسم مثالي.

تحتوي بعض الإضافات على خليط من أكسيد القصدير المطعّم بالأنتيمون وثالث أكسيد الأنتيمون، وقد يمنح ذلك لونًا «رماديًا» طفيفًا لعتامة الركيزة الطبيعية (غير الملونة). ويمكن أن تحتوي إضافات أخرى على جسيمات ألومنيوم وأكاسيد فلزية مختلطة ومركبات مسجلة الملكية. وتُجرى تعديلات اللون باستخدام الصبغات والأصباغ لتحقيق مظهر مطابقة اللون النهائي. وقد حصلت إضافات محددة، كما تُورَّد تجاريًا (وتُستخدم أيضًا في اللحام بالليزر)، على موافقة FDA للاستخدام في ملامسة الأغذية وتغليف الأغذية وفق الشروط A-H من 21 CFR 178.3297 — الملونات للبوليمرات. وفي الاتحاد الأوروبي توجد بيانات امتثال مماثلة. وشروط الاعتماد خاصة بنوع البوليمر وحد مستوى التحميل والملامسة المباشرة أو غير المباشرة. ويمكن لمزيد من التأهيل للإضافات المعتمدة من FDA والممزوجة في «جزء نهائي» تحقيق التوافق الحيوي للأجهزة الطبية.

أثناء كيمياء تحميل إضافة الليزر/مطابقة اللون، ليس من غير المألوف أن يحتوي المنتج النهائي على إضافة ليزر أقل من الكمية المحسوبة. وترتبط هذه المشكلة في الغالب بتوزيع غير منتظم أثناء البثق أو القولبة. وتعالج تعديلات بسيطة على آلة القولبة، مثل زيادة الضغط الخلفي وسرعة دوران اللولب، معظم المشكلات. ومن الضروري توزيع/تشتيت إضافات الليزر توزيعًا متجانسًا في كل جزء لتحقيق أداء وسم مثالي. وفي عمليات البثق والقولبة بالحقن والتشكيل الحراري، تعطي المواد الملونة المخلوطة مسبقًا تجانسًا أفضل من مركّز الألوان. ويجب تجنب الخلط اليدوي. ويُعد تدفق القالب ونوع البوابة وموقعها عاملين مهمين.

مبادئ اللحام بالليزر عبر النفاذ

مصطلح «عبر النفاذ» مشتق من أن الليزر ينفذ عبر الجزء العلوي الشفاف لليزر إلى سطح الجزء السفلي الماص لليزر، كما هو مبين في الشكل 2. وتشمل عملية اللحام بالليزر عبر النفاذ (TTLW) للبلاستيك ثلاث مراحل. وفي TTLW تُجمَّع الأجزاء مسبقًا وتُثبَّت معًا لتوفير تلامس وثيق بين أسطح الوصل. وفي هذا المقال تُستخدم ليزرات الصمام الثنائي عالية القدرة (λ = 800-1,000nm) وليزرات الحالة الصلبة (ليزر الإيتربيوم الليفي وليزر Nd:YAG، λ = 1,060-1,080nm).

أثناء مرحلة التسخين، تسخّن طاقة الليزر البوليمر الماص لليزر عند السطح البيني، مما يجعل الجزء يتمدد فيزداد ضغط اللحام. وعند بؤرة الشعاع تبلغ قدرة الليزر حدها الأقصى ويبدأ الجزء بالانصهار عند تلك النقطة، فتتكون منطقة انصهار. وهذه بداية المرحلة الثانية، مرحلة الاندماج. ويستمر تمدد الأجزاء، مما يولّد تمددًا إضافيًا مع زيادة مقابلة في الضغط. وعند هذه النقطة يكون قدر يسير من اللحام قد حدث.

مرحلة اللحام هي المرحلة الأخيرة. يتولد فيها قدر كافٍ من المادة المنصهرة لتكوين لحام حقيقي. ويحدث انهيار للمادة المنصهرة، على غرار اللحام بالصفيحة الساخنة أو اللحام بالانصهار. وفي معظم التطبيقات يبلغ ذلك نحو 0.13mm (0.005 بوصة). وتبلغ أزمنة اللحام النموذجية نحو ثانية إلى ثماني ثوانٍ في معظم التطبيقات، وإن كانت الأجزاء الأكبر قد تستغرق وقتًا أطول. وهناك أربع عمليات رئيسية للحام بالليزر TTLW: اللحام بالمحيط، واللحام بالقناع، واللحام المتزامن، واللحام شبه المتزامن.

يجب أن يكون للجزأين المراد لحمهما خصائص امتصاص بصري مختلفة عند طول موجي معين للحام. فالجزء العلوي الشفاف لليزر يجب أن ينفذ أكبر قدر ممكن من الطول الموجي، بينما الجزء السفلي الماص لليزر يجب أن يمتص أكبر قدر ممكن في طبقة رقيقة. وينتج عن ذلك أكثر التركيبات كفاءة في استخدام الطاقة، لأن قدرًا كبيرًا من الطاقة يُمتص عند السطح البيني وقد يتلف الجزء العلوي قبل أن يلين الجزء السفلي بما يكفي للحام. كما أن الانعكاسية المفرطة تزيد كمية الطاقة اللازمة للحام.

ملاءمة المادة أكثر حساسية في اللحام بالليزر منها في أي عملية وصل أخرى. ومن الناحية النظرية يمكن للحام بالليزر لحام جميع اللدائن الحرارية الشفافة لشعاع الليزر. غير أن قدرة كل بوليمر على تمرير الضوء من ليزرات الأطوال الموجية الرئيسية الثلاثة المستخدمة في اللحام بالليزر مختلفة. علاوة على ذلك، ستتغير استجابة بوليمر معين لأشعة الليزر بوجود الحشوات والإضافات والصبغات.

المواد ذات معدلات الامتصاص العالية مثالية للجزء السفلي في لحام TTLW لأنها تمتص معظم الطاقة عند سطح اللحام البيني وتكوّن طبقة سطحية رقيقة مسخّنة مثالية للحام بالليزر. أما المواد ذات معدلات الامتصاص في النطاقات المتوسطة فقد تشكل مشكلة لأنها تمتص طاقة الليزر عبر سماكة المادة، مما يؤدي إلى تسخين سماكة المادة كلها. وهذه المواد لا تمرر إلا قدرًا ضئيلًا جدًا من الطاقة، ولذلك فهي مرشحة ضعيفة للمادة العلوية في لحام TTLW بالليزر. وعلاوة على ذلك، فهي لا تمتص قدرًا كبيرًا من الطاقة عند حافتها العلوية، ولذلك فهي اختيار ضعيف للمادة السفلية. وقد لُحمت مواد محشوة بنسبة زجاج تصل إلى 50 بالمئة، ولكن ليس للوصلات محكمة الإغلاق.

تشمل المزايا الرئيسية للحام TTLW ما يلي:

• لحام دون تلامس. يستخدم اللحام بالليزر لوحًا زجاجيًا أملس لتثبيت الأجزاء المراد لحمها بقوة تثبيت خفيفة تبلغ 100lbs أو أقل، ولا يوجد تلامس مع أداة اللحام. وبالتالي لا شيء يتلف سطح الأجزاء الملحومة، ولا حاجة إلى ضغط لحام قد يضر بالأجزاء الدقيقة.
• لحام تحت سطحي. يحدث اللحام عند السطح البيني بين الجزأين. ويكاد اللحام لا يُرى في الأجزاء الشفافة، ولا يُرى إطلاقًا في الأجزاء المعتمة. ويمكن أن يكون اللحام تحت السطح مباشرةً أو في عمق الأجزاء.
• لحام دقيق. يمكن أن يكون حجم اللحام بالليزر وموقعه دقيقين جدًا، ولا تنتقل أي اهتزازات إلى الجزء المراد لحمه. وفي الإصدارات التي تتطلب حركة نسبية بين الليزر والأجزاء الملحومة، يكون الليزر هو المتحرك. وبالتالي فإن اللحام بالليزر هو أدق عمليات اللحام.
• أدنى منطقة متأثرة بالحرارة. بقعة اللحام صغيرة جدًا والمنطقة المتأثرة بالحرارة محصورة تمامًا. ونتيجة لذلك يمكن اللحام قريبًا جدًا من مكونات أخرى دون التأثير فيها، مما يتيح لحام التجميعات الفرعية التي تحتوي على أجزاء حساسة وهشة موضوعة مسبقًا. علاوة على ذلك، يكون التشوه والتلف الناتج عن الحرارة محدودًا للغاية، ويقل الإجهاد المتبقي.
• القدرة على لحام بلاستيك مختلف الأنواع. يمكن لحام أنواع البلاستيك المختلفة التي تستوفي المعايير اللازمة بعضها ببعض.
• لا زوائد. في اللحام بالليزر يكون اللحام مغلقًا بالكامل ولا تنتج زوائد تحتاج إلى قص. ولا توجد جسيمات سائبة.
• وصلات محكمة الإغلاق. يستطيع اللحام بالليزر إنشاء لحام محكم الإغلاق ضد الغازات.
• كفاءة الطاقة. مقارنةً بعمليات اللحام الأخرى، يتميز اللحام بالليزر بكفاءة عالية في استخدام الطاقة. وهذا يعني أيضًا عدم توليد حرارة زائدة يجب إزالتها من مكان العمل.

الخلاصة

تعطي إضافات الليزر مزدوجة الغرض المدمجة في البوليمرات تباين وسم وتفاصيل حواف خطوط وسرعة متفوقة. وتُحسّن هذه الإضافات اللحام بالليزر للدائن الحرارية المتشابهة والمختلفة. وقد كان للتطورات في تقنية ليزر الألياف بأسعار معقولة دور مهم. وتعوّض هذه المزايا بسرعة التكلفة الإضافية لمادة الإضافة. ويتطلب تحسين كيمياء علم المواد للوسم واللحام بالليزر خبرة في البوليمرات والملونات والصبغات والأصباغ من حيث الذوبانية وأحجام الجسيمات وحدود التركيز الحدّي ومطابقة اللون والاعتمادات التنظيمية (GRAS، وملامسة الأغذية المباشرة/غير المباشرة وفق FDA). ويلبي الوسم بالليزر واللحام TTLW للبوليمرات تحديات تطبيقات اليوم.

المراجع

• Scott R. Sabreen, «FDA-Approved Additives Boost Inline Laser Marking», Plastics Decorating Magazine, April/May 2015
• Jordan Rotheiser, المستشار المتخصص لدى The Sabreen Group Inc. مقتطفات اللحام من Joining of Plastics, Handbook for Designers and Engineers, Third Edition, Jordan Rotheiser, Carl Hanser Verlag, Munich, 2009

Scott R. Sabreen هو مؤسس ورئيس The Sabreen Group, Inc.، وهي شركة هندسية متخصصة في عمليات التصنيع الثانوي للبلاستيك: الوسم بالليزر، والمعالجة الأولية للسطح، واللصق، والتزيين والتشطيب، وأمن المنتج. وقد عمل Sabreen على تطوير تقنيات رائدة وحل مشكلات التصنيع لأكثر من 30 عامًا. ويمكن التواصل معه على الرقم 972.820.6777 أو بزيارة www.sabreen.com أو www.plasticslasermarking.com.

---