كيف يتم وسم البلاستيك بالليزر؟ وسم البلاستيك بالليزر باستخدام إضافات الليزر

كيف يتم وسم البلاستيك بالليزر؟ وسم البلاستيك بالليزر باستخدام إضافات الليزر

أبرز النقاط

• البولي أميدات من أصعب البوليمرات في الوسم، بسبب تنوع خصائص المواد وظروف القولبة وتكوينات الليزر.
• تنتج ثلاث آليات سطحية التباين: الأسود بالكربنة، والأبيض بتوليد الرغوة، وتغير اللون في البوليمرات الملونة.
• أكثر التباينات طلبًا هي الأبيض المعتم على الأسود، والأسود الفاحم على الأبيض، والأبيض المعتم على الأزرق المتوسط.
• يُعد عرض النبضة بين 20 و50 نانوثانية (ns) النطاق الأمثل لليزر MOPA في كثير من البوليمرات، ومنها النايلون.
• كثيرًا ما يُطلب التحقق من الدرجة A في المنتجات العسكرية ومنتجات الطيران والسيارات والأدوية.

تقدم SABREEN حلول وسم البلاستيك بالليزر التالية:

• تركيبات مخصصة لمطابقة ألوان الليزر، والامتثال التنظيمي، وعينات النماذج الأولية
• تحسين عملية القولبة بالحقن، والتشتت/التوزيع، والاختبارات التحليلية
• تصميم أنظمة معدات الليزر وتكاملها، والرؤية الآلية
• حل المشكلات في الموقع، وتحسين عملية الليزر، والرسومات المتجهية
• اعتماد سلامة الليزر، ومسؤول سلامة الليزر (LSO)

دعوا فريق خبرائنا يتولى احتياجات وسم البلاستيك بالليزر في مشروعكم القادم. فنحن نكسب ثقة كل عميل واعتماده علينا في كل الظروف. وتتركز ثقافتنا على تحقيق حلول تصنيع متفوقة ودفع عجلة التقدم التقني عبر التزامنا الراسخ بالتميز. وكل خبير في The SABREEN Group معروف بتميزه في مجاله. الفشل ليس خياراً!

الأسئلة الشائعة

كيف يتم وسم البلاستيك بالليزر؟

يوفر ليزر الأشعة تحت الحمراء القريبة، سواء ليزر الألياف بالإيتربيوم أو الفاناديت أو Nd:YAG، طاقة يمتصها البوليمر ويحولها إلى حرارة، فتنتج واحدًا من ثلاثة تغيرات سطحية: الوسم الأسود بالكربنة، أو الوسم الأبيض بتوليد الرغوة، أو تغير اللون عبر التفاعل الكيميائي الحراري في البوليمرات الملونة. ويحتاج معظم البوليمرات إلى إضافة معززة لليزر كي تمتص الطاقة أصلًا.

لماذا يصعب وسم النايلون بالليزر؟

تتميز البولي أميدات، ومنها البولي فثال أميدات، بتنوع خصائص المواد وظروف القولبة وتكوينات الليزر، وهي كمعظم البوليمرات لا تمتص ضوء الليزر بطبيعتها، مما يمنع تغير اللون. وتحسّن الإضافات الكيميائية المعززة لليزر التباين والسرعة والمتانة تحسينًا كبيرًا.

ما عرض النبضة الأنسب للنايلون؟

تولّد أنظمة ليزر MOPA عروض نبضات من 1 إلى 250 نانوثانية وأكثر. وقد وجدت The Sabreen Group أن النطاق من 20 إلى 50 نانوثانية هو الأمثل لتحقيق أفضل تباين لوني في كثير من تطبيقات البوليمرات، ومنها النايلون. ويُعد ليزر MOPA ذو النبضات القصيرة المتغيرة فعالًا بوجه خاص مع البوليمرات الحساسة للحرارة التي يجب فيها تجنب الكربنة المفرطة.

ما نسبة الإضافة المعتادة؟

بين 0.01% و3.0% بالوزن في القطعة النهائية. تُمزج الحبيبات مباشرة مع الراتنج، بينما يُحوَّل المسحوق إلى ماستر باتش. ويعتمد اتساق التباين على التوزيع والتشتت المتجانسين في كل قطعة.

لماذا تهم جودة الوسم في رموز Data Matrix؟

لأنه كلما طال تسلسل البيانات ازداد تراص خلايا البيانات. وجودة حواف الخطوط عالية الدقة هي ما يجعل الخلايا الصغيرة مقروءة في الوسم المباشر للقطع. وكثيرًا ما يُطلب التحقق من الدرجة A في التطبيقات العسكرية وتطبيقات الطيران والسيارات والأدوية، كما تُوسم الرموز عالية التباين بسرعة أكبر ويمكن قراءتها بقارئات يدوية منخفضة التكلفة.

وسم البلاستيك بالليزر: حلول متكاملة للوسم عالي التباين على البلاستيك بالليزر

يتزايد الطلب بسرعة على الوسم بالليزر عالي التباين على منتجات البلاستيك من النايلون (البولي أميد) بفضل تطبيقاته الصناعية الواسعة. وتشمل العلامات الوظيفية والزخرفية التعريف بالأحرف والأرقام، ورموز الرؤية Data Matrix/QR، والمخططات، والبنى الدقيقة.

تُعد البولي أميدات، ومنها البولي فثال أميدات (PPA)، من أصعب البوليمرات في الوسم بالليزر بسبب تنوع خصائص المواد وظروف القولبة وتكوينات الليزر. وتحل الإضافات الذكية لليزر الأشعة تحت الحمراء القريبة مشكلات تباين الوسم وتزيد سرعته (زمن دورة أقصر) دون التأثير في خصائص المادة.

يقدم هذا المقال فهمًا للنايلون والإضافات الكيميائية وليزر الألياف لتحقيق لون عالي التباين وعمليات وسم بالليزر اقتصادية.

من المعايير الأساسية لوصف جودة الوسم التباين اللوني بين السطح الموسوم والركيزة. وهناك ثلاث آليات سطحية لتغير اللون باستخدام ليزر NIR، ومنه ليزر الألياف بالإيتربيوم والفاناديت (Nd:YVO4) وNd:YAG: 1) الوسم الأسود بالكربنة، 2) الوسم الأبيض بتوليد الرغوة، 3) تغيرات اللون عبر التفاعلات الكيميائية الحرارية التي يحفزها الليزر في البوليمرات الملونة1. ومن أكثر ألوان التباين طلبًا الأبيض المعتم على الأسود، والأسود الفاحم على الأبيض، والأبيض المعتم على الأزرق المتوسط. وتتطلب هذه التوليفات اللونية في كثير من الأحيان إضافات كيميائية. وتحسّن الإضافات درجة التباين اللوني (امتصاص ضوء الليزر)، ويزداد ذلك تعزيزًا باختيار الليزر ومعاملات الوسم المثلى.

ما هو النايلون (البولي أميد)؟

البولي أميدات، أو النايلون، هي الفئة الرئيسية من اللدائن الحرارية الهندسية عالية الأداء التي تحتوي على روابط أميد متكررة، أي –CO-NH–. وتتكون بتكثيف وحدات متماثلة، أو بوليمرات مشتركة لوحدات مختلفة.

يُصنع النايلون بالتكثيف البلمري لحمض ثنائي مع ثنائي أمين، أو بالبلمرة بفتح الحلقة للاكتامات ذات ست أو 11 أو 12 ذرة كربون2. ويمكن أن تكون مونومرات النايلون أليفاتية أو شبه عطرية أو عطرية (أراميدات)، وتتراوح بنيتها بين غير المتبلورة وشبه البلورية، بدرجات بلورية متفاوتة.

تُنتج البولي أميدات الأليفاتية على نطاق أوسع بكثير من البولي أميدات العطرية بالكامل، وهي من أهم فئات اللدائن الحرارية الهندسية.

من البولي أميدات المهمة البولي (هيكساميثيلين أديباميد) (نايلون 6,6) والبولي كابرولاكتام (نايلون 6). وتشمل البولي أميدات الأليفاتية الأخرى النايلون 12 و69 و6-10 و6-12 و46 و1212. أما النايلون 11 فهو بلاستيك هندسي حيوي المصدر مشتق من موارد متجددة (نبات الخروع).

تشمل البولي أميدات شبه العطرية شبه البلورية المصنوعة من تكثيف الأميدات الأليفاتية PA 6T وPA 6I. وغالبًا ما تكون البولي أميدات شبه العطرية بديلًا اقتصاديًا للأراميدات العطرية بالكامل الأعلى كلفة. أما البولي أميدات العطرية، المسماة أراميدات، فتتميز بقوة أعلى ومقاومة أفضل للمذيبات واللهب والحرارة وثبات أبعاد أكبر مقارنة بالأميدات الأليفاتية. ومن الأميدات العطرية المعروفة Kevlar، وهو بولي (p-فينيلين تيريفثالاميد).

تُعد البولي أميدات، ومنها البولي فثال أميدات (PPA)، من أصعب البوليمرات في الوسم بالليزر بسبب تنوع خصائص المواد وظروف القولبة وتكوينات الليزر.

البولي فثال أميد (PPA) فئة فرعية من الراتنجات الاصطناعية اللدنة الحرارية ضمن عائلة البولي أميد (النايلون)، ويُعرَّف بأن 55% أو أكثر من مولات جزء حمض الكربوكسيل في الوحدة المتكررة في سلسلة البوليمر تتكون منه. وهو شبه عطري وشبه بلوري. ويسد PPA فجوة الأداء بين النايلونات الأليفاتية مثل PA6,6 وPA6 والبولي أراميدات الأعلى كلفة بكثير.

الإضافات «الذكية»

أحد معايير وصف جودة الوسم هو التباين اللوني بين السطح الموسوم والخلفية. ولا يتحقق التباين دائمًا بتغير اللون نفسه، إذ يمكن الحصول عليه أيضًا عبر حيود الضوء المتغير.

ولا تقل عن ذلك أهمية جودة الوسم و/أو دقته، أي دقة الخطوط الدقيقة أو حدتها. فكثير من البوليمرات، ومنها النايلون، لا تمتص ضوء الليزر بطبيعتها، مما يمنع تغير اللون. وتحسّن الإضافات الكيميائية المعززة لليزر تباين الوسم وسرعته ومتانته تحسينًا كبيرًا (انظروا الصورة 1). ولون الركيزة عامل مؤثر، إذ تتفاوت درجات امتصاص مركبات مثل أسود الكربون وTiO2 ومثبطات اللهب لضوء الليزر.

تُورَّد إضافات الليزر على شكل حبيبات وبودرة. وتُمزج المنتجات الحبيبية مباشرة مع راتنج البوليمر، بينما تُحوَّل الأشكال المسحوقية إلى ماستر باتش. وتتراوح نسبة التركيز بالوزن (في القطعة النهائية) عادة بين 0.01 و3.0%. والتوزيع/التشتت المتجانس لإضافات الليزر في كل قطعة ضروري لتحقيق أفضل تباين لوني.

تُجرى التعديلات اللونية باستخدام الصبغات والأصباغ للوصول إلى مظهر مطابقة اللون النهائي. وقد حصلت إضافات محددة على موافقة FDA للاستخدام في ملامسة الأغذية وتغليفها ضمن الشروط A-H من 21 CFR 178.3297 (الملونات للبوليمرات) 1.

ليزر الألياف بالإيتربيوم

دخلت أنظمة ليزر الألياف بالإيتربيوم NIR سوق الوسم الصناعي في حدود عام 2010 لتحل محل ليزر YAG التقليدي. ويتميز ليزر الألياف بجودة حزمة متفوقة (M2) وسطوع عالٍ، ويمكنه التركيز على بقعة صغيرة (أقل من 20 ميكرون)، مما يؤدي إلى كثافة طاقة عالية. وهو شديد التنوع وفعال من حيث التكلفة وجاهز للتشغيل الفوري وشبه خالٍ من الصيانة.

تبيع عدة شركات ليزر أنظمة ليزر ألياف نانوثانية بنبضة ثابتة (Q-switched) ونبضة متغيرة (MOPA)، ومنها IPG Photonics وSPI Lasers. ويُستخدم ليزر الألياف Q-switched، بعرض نبضة يتراوح عادة بين 100 و150 ns، في بعض تطبيقات وسم البوليمرات، لكن معدل تكراره محدود بنحو 80 kHz بسبب القيد المتأصل في تقنية Q-switching.

يعمل ليزر الألياف MOPA المُعدَّل مباشرة (DM-MOPA) بمعدلات تكرار تصل إلى 500 kHz عند عروض نبضات نانوثانية. ويقيس عرض النبضة [ns] الزمن بين بداية النبضة ونهايتها، ويستند عادة إلى العرض الكامل عند نصف القيمة القصوى (FWHM) لشكل النبضة.

وتعني معدلات التكرار العالية عمومًا سرعة وسم أكبر (بالاقتران مع معاملات الليزر/شكل الموجة الأخرى). وهناك فروق كبيرة في أشكال الموجات ودرجة كربنة السطح3 (انظروا الصورة 1).

يتيح التحكم المكاني والزمني الموضعي في مدخلات حرارة الليزر ومعدل إدخالها أقصى أداء. وفي البوليمرات الحساسة للحرارة، يُعد ليزر الألياف (MOPA) ذو النبضات القصيرة المتغيرة فعالًا بوجه خاص في تحقيق تباين عالٍ دون كربنة مفرطة.

يمكن تحقيق الوسم تحت السطحي على البلاستيك الشفاف للتطبيقات الطبية. وعمومًا، تولّد أنظمة ليزر MOPA عروض نبضات (مدة النبضة) من 1 إلى 250 ns (وأعلى). وقد وجدت The Sabreen Group أن النطاق من 20 إلى 50 ns هو النطاق الأمثل لأفضل تباين لوني في كثير من تطبيقات البوليمرات، ومنها النايلون.

في تباين الوسم التجميلي والوظيفي، تُحدث إضافات الليزر فرقًا حاسمًا عندما تلزم جودة حواف خطوط عالية الدقة وخلايا بيانات صغيرة في الوسم المباشر للقطع (DPM) لرموز Data Matrix والباركود. وكلما طال تسلسل البيانات ازداد تراص خلايا البيانات.

كثيرًا ما يُطلب التحقق من الدرجة «A» في المنتجات العسكرية ومنتجات الطيران والسيارات والأدوية. ولقابلية قراءة الرموز عالية التباين فوائد إضافية: سرعات وسم أعلى، وإمكانية استخدام قارئات يدوية منخفضة التكلفة في أرجاء المصنع.

الخلاصة

المراجع

• Sabreen, S. Fiber Lasers: Selection and Additives, Plastics Decorating, November 2017.
• Polyamide (PA) Nylon Complete Guide, SpecialChem 2019.
• Brodsky, M. Wave Forms: A New Laser Tool, Optics & Photonics, March 2012.

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. يعمل Sabreen على تطوير تقنيات رائدة وحل مشكلات التصنيع منذ أكثر من 30 عامًا. ويمكن التواصل معه على الرقم 972.820.6777 أو بزيارة www.sabreen.com أو www.plasticslasermarking.com.

---