المعالجات الأولية للسطح والأحبار المخصصة تدفع الطباعة النفاثة للحبر على البلاستيك والأغشية

المعالجات الأولية للسطح والأحبار المخصصة تدفع الطباعة النفاثة للحبر على البلاستيك والأغشية

تقدم تقنيات الطباعة الرقمية، مثل الطباعة النفاثة للحبر والليزر على البلاستيك، مزايا هائلة للمصنّعين مقارنةً بالطرق التناظرية التقليدية، مثل الطباعة بالوسادة والختم الساخن والطباعة الحريرية وغيرها. فالطباعة الرقمية تتيح التخصيص الكامل للمنتج، وتعريف القطع بتسلسل أبجدي رقمي فريد، وأمن المنتج، والترقيم التسلسلي، والباركود/الرموز ثنائية الأبعاد، والشعارات والرسومات وغيرها. وهذه القدرات ضرورية لعالم اليوم الرقمي التفاعلي. ومن الفوائد الجانبية إمكانية طباعة المنتجات المجمَّعة في نهاية عمليات التصنيع، مما يوفر في التكاليف ويحسّن إدارة المخزون. ويتناول هذا المقال نوعين من طرق الطباعة/الوسم الرقمي: الطباعة النفاثة للحبر الكهرضغطية بتقنية القطرة عند الطلب بالألوان الكاملة، والوسم بليزر الألياف الموجَّه الحزمة. وتُعد الطباعة النفاثة الكهرضغطية بتقنية القطرة عند الطلب (DOD) وليزر الألياف تقنيتين حديثتين تقدمان مزايا لا حصر لها لتخصيص المنتجات (والتخصيص واسع النطاق).

الطباعة النفاثة الكهرضغطية بتقنية DOD والوسم بليزر الألياف الموجَّه الحزمة كلاهما عملية رقمية بلا تلامس. ويدرك كثير من المصنّعين بالفعل قيمة تقديم التقنيتين معًا لتلبية متطلبات الطباعة المخصصة على ركائز بوليمرية متنوعة. ولا يمكن وصف أي من التقنيتين بدقة بأنها أفضل أو أسوأ من الأخرى بسبب تنوع متطلبات التطبيقات. وقد يبدو قرار تفضيل إحدى العمليتين (النفاثة أو الليزر) لأي تطبيق بعينه سهلًا. فمثلًا، إذا لزم لون واحد أو أكثر (مخصص) للطباعة على النايلون الأبيض المقوى بالألياف الزجاجية فاختاروا الطباعة النفاثة. أو إذا لزم تباين أسود فاحم لا يُمحى على النايلون الأبيض فاختاروا الوسم بالليزر. غير أن الواقع أن الأحبار النفاثة لا تلتصق بسهولة بالنايلون (أو معظم البوليمرات منخفضة طاقة السطح) دون حبر متخصص ومعالجة أولية. كما تلزم إضافات معززة لليزر لتحقيق التباين الأسود على النايلون الأبيض (وكثير من البوليمرات فاتحة اللون الأخرى).

تتطلب حلول الوسم/الطباعة المتينة هندسة دقيقة لكيمياء الحبر/الليزر وعلم سطح البوليمر وتصميم العملية والمعدات. وكثيرًا ما تختار الشركات شراء معدات عامة «جاهزة» لا تحقق النتائج المطلوبة. ولذلك تكتسب جوانب «الحلول المتكاملة» في تقنيتي الطباعة النفاثة والوسم بالليزر أهمية بالغة بوصفها دليلًا لشراء الأنظمة وتحسين العملية.

أبرز النقاط

• الطباعة النفاثة والليزر تقنيتان متكاملتان لا متنافستان. فلا أفضلية مطلقة لإحداهما، والتطبيق هو الذي يقرر.
• التصاق الحبر مشكلة طاقة سطح. استهدفوا طاقة سطح للركيزة أعلى بنحو 10 داين/سم من التوتر السطحي للحبر.
• حلّت المعالجة بـ UV LED محل مصابيح الزئبق: تشغيل وإيقاف فوريان، وعمر يتجاوز 20,000 ساعة، ولا تسخين بالأشعة تحت الحمراء، وأوزون أقل بكثير.
• يحتاج الوسم بالليزر إلى إضافات، لأن معظم البوليمرات لا تمتص الأشعة تحت الحمراء القريبة بنفسها.
• المعدات الجاهزة هي نقطة الفشل الشائعة. فالطباعة النفاثة تحديدًا تتطلب تكاملًا بين رأس الطباعة والحبر والمعالجة والمعالجة الأولية والمناولة.

الأسئلة الشائعة

هل أختار الطباعة النفاثة أم الوسم بالليزر لقطع البلاستيك؟

اختاروا الطباعة النفاثة عندما تحتاجون إلى لون واحد أو أكثر، والليزر عندما تحتاجون إلى علامات أحادية اللون لا تُمحى وعالية التباين ودون مواد استهلاكية. وعمليًا نادرًا ما يكون القرار بهذه البساطة، فالأحبار النفاثة لا تلتصق بالنايلون والبوليمرات الأخرى منخفضة طاقة السطح دون حبر متخصص ومعالجة أولية، ويحتاج الوسم بالليزر إلى إضافات معززة لتحقيق التباين على البوليمرات فاتحة اللون.

لماذا لا يلتصق حبر UV النفاث بقطع البلاستيك لدي؟

بسبب طاقة السطح. فأحبار UV ذات توتر سطحي منخفض يبلغ نحو 25 داين/سم، ومعظم البلاستيك الهندسي خامل كيميائيًا وغير مسامي ومنخفض الطاقة. ويتطلب الالتصاق المقبول عمومًا أن تكون طاقة الركيزة أعلى من الحبر بنحو 10 داين/سم. وتسد المعالجة الأولية للسطح هذه الفجوة.

ما مزايا المعالجة بـ UV LED مقارنة بمصابيح الزئبق؟

يصدر UV LED نطاقًا ضيقًا متمركزًا قرب 395 nm، ولذلك تكون الطاقة كلها تقريبًا مفيدة للتحفيز الضوئي. ويعمل ويتوقف فورًا، ويدوم أكثر من 20,000 ساعة، أي نحو عشرة أضعاف مصباح UV، ولا يصدر أشعة تحت حمراء مما يناسب البلاستيك الحساس للحرارة، ويولّد أوزونًا أقل بكثير.

ما الطباعة النفاثة بالتدرج الرمادي ولماذا تهم؟

الطباعة النفاثة القياسية ثنائية: فإما أن يتلقى كل بكسل قطرة أو لا. أما رؤوس التدرج الرمادي فتقذف عدة قطرات صغيرة بسرعة كافية لتُطبع نقطة واحدة، وتوفر الرؤوس المتقدمة ثمانية مستويات. والنتيجة دقة ظاهرية أعلى بشكل ملحوظ من دقة الرأس الأصلية نفسها.

لماذا تفشل أنظمة الطباعة النفاثة الجاهزة غالبًا على البلاستيك؟

لأنه لا توجد جهة مصنّعة واحدة تورّد جميع المكونات. فالنظام العامل يدمج رأس الطباعة وإلكترونيات التشغيل والأحبار ومناولة القطع والتحكم في الحركة ومشعّ المعالجة وبرنامج بروتوكول الملفات. وخلافًا للطباعة بالوسادة أو الحريرية لا توجد حزمة جاهزة متكاملة، ولذلك يجب هندسة توافق المكونات.

تقنية الطباعة النفاثة بالأشعة فوق البنفسجية UV LED الكهرضغطية بالقطرة عند الطلب

الطباعة النفاثة عملية بلا تلامس من الحاسوب إلى الطباعة، تُدفع فيها قطرات الحبر نحو الركيزة وفق نمط بكسلات منتظم على المحورين x-y مستمد من ملف رقمي. وتتكون المكونات الرئيسية للنظام من مجموعة رأس الطباعة ووحدات تحكم إلكترونيات تشغيل رأس الطباعة وأحبار UV ومشعّ المعالجة ومناولة القطع المتحكَّم في حركتها.

المكوّن الأساسي هو رأس الطباعة (الشكل 2). وله مخزون حبر وعدد كبير من غرف الحبر صغيرة الحجم ذات فوهات دائرية تُقذف منها القطرات. وتُرتب الفوهات خطيًا عموديًا على اتجاه الحركة. وقد يحمل كل رأس من صف واحد إلى خمسة صفوف من الفوهات ? لكل صف 128 أو 256 أو 512 أو 768 فوهة. ولكل لون مخزون حبر ورأس (رؤوس) طباعة خاصة به. وفي الطابعة المقصودة تمسح رؤوس الطباعة ذهابًا وإيابًا (الاتجاه x) بينما تتقدم القطع (الاتجاه y) مع كل مرور. وتتطابق الخطوات مع تباعد الفوهات (الشكل 1). ومع تكرار الإطلاق وصغر الخطوات يمكن أن تكون تباعدات البكسل المكافئة أقرب بكثير من تباعد الفوهات. فمثلًا، يمكن لرأس 300 dpi أن يطبع بدقة 300×300 و300×600 وهكذا حتى 2400×2400 نقطة في البوصة. والطباعة العادية ثنائية: ففي كل موضع توجد قطرة أو لا توجد. وتوفر التقنية الراقية التدرج الرمادي، أي إمكانية تغيير حجم الحبر لكل نقطة عمدًا.

تصميم رأس الطباعة الكهرضغطي بتقنية DOD

في الطابعة النفاثة الكهرضغطية بالقطرة عند الطلب، يتسبب تشوه المادة الكهرضغطية الخزفية في تغير حجم الحبر في غرفة الضغط فتتولد موجة ضغط تنتشر نحو الفوهة. وتتغلب موجة الضغط الصوتية هذه على فقد الضغط اللزج في فوهة صغيرة وعلى قوة التوتر السطحي من هلال الحبر، فتبدأ القطرة في التكون عند الفوهة. وعندما تتكون القطرة يجب أن يكون الضغط كافيًا لدفعها نحو وسيط التسجيل (الشكل 2). وتضمن لزوجة بين 10 و20 mPa-s حركة السائل بسرعة. وعمومًا يكون تشوه المحرّك الكهرضغطي على مقياس أقل من الميكرون. ولإزاحة حجم حبر كبير بما يكفي لتكوين القطرة، يكون الحجم الفيزيائي للمحرّك الكهرضغطي غالبًا أكبر بكثير من فتحة الحبر. ويكون كل بكسل على الركيزة إما مغطى بالحبر أو لا، وهو خيار ثنائي. وتختلف الطباعة النفاثة بالتدرج الرمادي في أن رأس الطباعة يستطيع قذف عدة قطرات صغيرة بسرعة فائقة، سريعة بما يكفي لتُطبع نقطة واحدة. وللرؤوس المتقدمة ثمانية مستويات: من صفر إلى سبع قطرات. والنتيجة دقة ظاهرية أعلى بكثير باستخدام الدقة الأصلية نفسها مقارنةً بالثنائية.

أحبار المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية

تُفضَّل الأحبار والطلاءات القابلة للمعالجة بالأشعة فوق البنفسجية (UV) في التطبيقات الصناعية والخارجية لأنها، بعد المعالجة، صلبة ومتينة. ولها نطاق ألوان كامل، وتعطي مع الدقة الدقيقة جودة طباعة متميزة. وتتضمن تركيبات المعالجة بـ UV مبادرات ضوئية ومونومرات وأوليغومرات وملوّنات وإضافات. وتمثل المونومرات والأوليغومرات نحو 85% من التركيبة، وقد تبلغ الملوّنات 10%، والمبادرات الضوئية نحو خمسة بالمئة، والمواد الخافضة للتوتر السطحي والمثبتات من واحد إلى اثنين بالمئة.

يتسبب التعرض للأشعة فوق البنفسجية في انكسار روابط المبادر الضوئي فينتج كيانان من الجذور الحرة. ويبدأ هذان الكيانان تفاعلًا متسلسلًا عبر المونومرات والأوليغومرات، مما ينتج عنه تشابك (معالجة) واسع لكنه غير كامل للراتنجات. والتفاعل طارد للحرارة، كما تصدر مصادر UV حرارة. ويمكن لارتفاع الحرارة أن يساعد في الالتصاق ودرجة المعالجة معًا، مما يسهم في مقاومة السوائل المعالجة للتآكل والخدش والحك.1 ويتمثل أحد تحديات صياغة أحبار المعالجة بـ UV في تلبية اشتراط اللزوجة المنخفضة جدًا مع تكوين بوليمرات مفيدة. ومع ذلك، فبتسخين الحبر ورؤوس الطباعة ونظام توصيل الحبر إلى نحو 50ºC تُحصل لزوجات مفيدة لرؤوس الطباعة الكهرضغطية، وإن كان ذلك بتكلفة أعلى بكثير من أنظمة درجة حرارة الغرفة.

توافق الحبر مع ركيزة البلاستيك

تتطلب جميع عمليات الطباعة بالحبر أن تكون كيمياء الحبر السائل (UV أو مواد صلبة أو حرارية وغيرها) متوافقة مع ركيزة البلاستيك لتحقيق تبلل سليم للسطح. وعادةً تكون أحبار UV أقل لزوجة (نحو 25 داين/سم) من أحبار الطباعة بالوسادة أو الحريرية. ومن العوامل الرئيسية المساهمة في توافق الحبر مع الركيزة أن كثيرًا من البلاستيك أسطحه خاملة كيميائيًا وغير مسامية ومنخفضة طاقة السطح. وتحل المعالجات الأولية للسطح على راتنجات الهندسة عالية الأداء اليوم معظم مشكلات التصاق الحبر. وكقاعدة عامة يتحقق التصاق مقبول للحبر عندما تزيد طاقة سطح الركيزة (المقاسة بوحدة داين/سم) بنحو 10 داين/سم على التوتر السطحي للسائل. وفي هذه الحالة يقال إن السائل «يبلّل» السطح أو يلتصق به.

التوتر السطحي، وهو مقياس لطاقة السطح، هو الخاصية (الناتجة عن القوى الجزيئية) التي تميل السوائل كلها بموجبها، عبر انكماش السطح، إلى وضع الحجم المحتوى في شكل ذي أصغر مساحة سطحية. ولذلك، كلما ارتفعت طاقة سطح الركيزة الصلبة نسبةً إلى التوتر السطحي للسائل تحسنت «قابلية التبلل» وصغرت زاوية التماس. (لمزيد من التفاصيل عن المعالجات الأولية للسطح، انظروا «المعالجة الأولية للسطح بالبلازما للبوليمرات لتحسين الالتصاق» في الصفحات 44-51 من عدد نيسان/أبريل-أيار/مايو 2018 من Plastics Decorating.)

تُستخدم المعالجات الأولية للسطح لزيادة طاقة السطح وتحسين خصائص التبلل والالتصاق لمواد البوليمر. ويُستخدم في القطاع عدد من عمليات المعالجة الأولية بأكسدة السطح في الطور الغازي، منها بلازما الغاز البارد منخفضة الضغط (الموجات الميكروية/RF)، والكهربائية (تفريغ الكورونا)، وبلازما اللهب، والبلازما الجوية منخفضة الحرارة الخالية من الجهد. ولكل طريقة تطبيقاتها الخاصة ومزاياها الفريدة وقيودها المحتملة. وتتميز كل من هذه العمليات بقدرتها على توليد «بلازما غازية»، وهي غاز شديد التفاعل يتكون من إلكترونات حرة وأيونات موجبة وأنواع كيميائية أخرى. وفي علم الفيزياء تختلف الآليات التي تتولد بها هذه البلازما، لكن تأثيراتها في قابلية تبلل السطح متشابهة. ويمكن أحيانًا استخدام طبقات الأساس الكيميائية بدلًا من عمليات البلازما الغازية.

المعالجة بـ UV LED

حتى وقت قريب كانت المعالجة كلها تبدأ بمصابيح تفريغ الزئبق. وللزئبق طيف انبعاث واسع جدًا تنبعث فيه طاقة حرارية أكثر من طاقة UV. ومن عيوبه انخفاض الكفاءة، وعيب آخر هو تسخين الحبر والركيزة، مما يمنع استخدام المعالجة بـ UV في عدد كبير من التطبيقات. (وتنتج مصابيح الزئبق أوزونًا بمستويات ضارة بالصحة، وهو تعقيد إضافي.) وتحل مصابيح UV LED (الشكل 3) الآن محل مصابيح الزئبق. وتستخدم المعالجة بـ UV LED ثنائيات باعثة للضوء تصدر نطاقًا ضيقًا من الأشعة فوق البنفسجية، وتوفر ذروة من طاقة UV، تتمركز عادةً حول 400nm، ولذلك تكون معظم الطاقة مفيدة للتحفيز الضوئي. ويوجد قدر معتدل منها مرئي، لكن القليل جدًا منها أشعة تحت حمراء (IR).

ومن المزايا الأخرى أنها تعمل وتتوقف فورًا تقريبًا، مما يقلل زمن التوقف وهدر الطاقة والمواد، كما يحدث عندما تصل مصابيح الزئبق إلى قدرتها الكاملة. وللمعالجة بـ UV LED مزايا إضافية على مصابيح بخار الزئبق (Hg) التقليدية. فأجهزة أشباه الموصلات صغيرة الحجم مصممة لتدوم أكثر من 20,000 ساعة تشغيل، أي نحو 10 أضعاف مصابيح UV. والخرج ثابت للغاية لفترات طويلة. ويصدر UV LED أشعة فوق بنفسجية نقية دون IR، مما يجعله مناسبًا للعملية مع ركائز البلاستيك الحساسة للحرارة. ومن دون الضوء ذي الطول الموجي القصير جدًا يتولد أوزون أقل بكثير.

أنظمة معدات الطباعة النفاثة

تختلف عملية الطباعة النفاثة عن تقنيات الطباعة بالحبر التقليدية في أنها تتطلب هندسة في مجالات كثيرة متمايزة لتكامل الأنظمة الجاهزة للتشغيل. وعلى النقيض، فإن مصنّعي معدات الطباعة بالوسادة والحريرية يستطيعون دائمًا تقريبًا توفير أنظمة جاهزة للتشغيل تشمل الأحبار ومواد الطباعة الاستهلاكية ومعدات المعالجة والأتمتة ومعدات التنظيف الكيميائي. وتتكون مكونات نظام الطباعة النفاثة من رأس الطباعة وإلكترونيات التشغيل والأحبار وعتاد مناولة القطع والتحكم في الحركة ومشعّ المعالجة. كما يجب إيصال المعلومات الرقمية إلى رأس الطباعة عبر بروتوكول ملفات عتادي/برمجي يشمل برنامج تشغيل المتحكم الرئيسي. ولا توجد جهة مصنّعة واحدة توفر جميع المكونات المذكورة لكل تطبيق مخصص. ويُعد المستوى العالي من المعرفة الهندسية بجميع مكونات الطباعة النفاثة وتوافق أجزائها أمرًا حاسمًا لتحقيق عمليات تصنيع متينة.

تقنية الوسم بليزر ألياف الإيتربيوم

تستخدم أجهزة الوسم الليزري الموجَّهة الحزمة مرايا مثبتة على مقاييس جلفانومترية عالية السرعة يتحكم بها الحاسوب لتوجيه شعاع الليزر عبر السطح المراد وسمه، تمامًا كالكتابة بالقلم على الورق. ويوفر كل مقياس جلفانومتري، أحدهما على المحور Y والآخر على المحور X، حركة الشعاع داخل حقل الوسم. وتركّز مجموعة عدسات الحقل المسطح ضوء الليزر لتحقيق كثافة قدرة عالية على سطح الركيزة. ويبين الشكل 4 نظام توصيل شعاع بصري باستخدام مقاييس جلفانومترية يتحكم بها الحاسوب.

آليات تفاعل الوسم بالليزر في البوليمرات

لا تمتلك معظم البوليمرات خصائص امتصاص الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) دون إضافات كيميائية، ولذلك يصعب وسمها بالليزر أو يستحيل. ويمكن لإضافات كيميائية مبتكرة أن تنتج تباينًا أسود فاحمًا وفاتحًا وبألوان مخصصة، باستخدام العمليات الفورية أثناء الحركة والعمليات الثانوية معًا. ولا تتأثر شفافية البوليمر ولا نفاذيته الطيفية ولا خصائصه الفيزيائية الأساسية.

البوليمرات القابلة للوسم بالليزر هي التي تمتص ضوء الليزر وتحوله من طاقة ضوئية إلى طاقة حرارية. ويستخدم الخبراء الإضافات والحشوات والأصبغة والأصبغة الذائبة لتعزيز امتصاص طاقة الليزر لإحداث تغيرات لونية موضعية. وخلافًا للاعتقاد الشائع، لا توجد إضافة ليزرية واحدة تحل جميع مشكلات الوسم. إذ تُستخدم كيميائيات تركيب مختلفة تمامًا ونوع ليزر (ألياف أو YAG أو فاناديت) وبصريات الليزر/معاملات الإعداد بحسب التباين والوظيفة المطلوبين للوسم.

تحسّن إضافات الليزر للأشعة تحت الحمراء القريبة درجة التباين، ويمكن تكثيفها أكثر بتغيير معاملات إعداد الليزر. ويمكن مزج الشكل الحبيبي والمسحوق في مادة لون مركبة مسبقًا أو في مركّز ألوان. ويعتمد اختيار الإضافة المراد دمجها على تركيب البوليمر ولون الركيزة ولون تباين الوسم المطلوب ومتطلبات الاعتماد للاستخدام النهائي.

تمتلك البوليمرات خصائص كامنة تعطي تباين وسم داكن اللون أو فاتح اللون. وقد تمتص بعض مركبات الملوّنات المحتوية على كميات قليلة من ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) وأسود الكربون ضوء الليزر أيضًا، وتحسّن تباين الوسم في بعض الحالات. وقد تعطي كل درجة من البوليمر، حتى داخل العائلة البوليمرية الواحدة، نتائج مختلفة. ويجب ألا تكون تركيبات الإضافات سامة ولا تؤثر سلبًا في مظهر المنتجات أو خصائصها الفيزيائية أو الوظيفية.

وآلية التفاعل السطحي الأكثر شيوعًا تسمى الكربنة الحرارية الكيميائية أو «التفحم»، حيث ترفع الطاقة الممتصة في الركيزة درجة الحرارة الموضعية للمادة المحيطة بموضع الامتصاص إلى مستوى يكفي لإحداث تحلل حراري للبوليمر (الشكل 5 [ب]). ويعتمد قتام العلامة أو فتحها على الطاقة الممتصة وعلى مسار التحلل الحراري الفريد للمادة. وبتحسين إعداد الليزر يكون الحد الأدنى من بقايا الكربنة السطحية.

وغالبًا ما تحتوي الإضافات التي تعطي عند مزجها في مصفوفة ملوّن الراتنج تباين وسم داكنًا على خلائط من أكسيد القصدير المطعّم بالأنتيمون أو ثالث أكسيد الأنتيمون أو جسيمات الألومنيوم. وكلها سهلة التشتت في البوليمرات. وتتراوح مستويات تركيز التحميل النموذجية بالوزن بين 0.01 و3.0 بالمئة. وقد حصل كثير من التركيبات النهائية على موافقة FDA للاستخدام في الظروف A-H من 21 CFR 178.3297 الخاصة بالملوّنات للبوليمرات.

وثمة تفاعل سطحي ثانٍ هو التغير الكيميائي، عبر استخدام إضافات تطلق البخار أثناء التحلل، مما يؤدي إلى رغوة البوليمر (الشكل 5(ج)). وأثناء عملية الرغوة تمتص طاقة الليزر إضافة موجودة على مقربة من عامل الرغوة. وتتسبب الحرارة الصادرة عن الماص في تحلل عامل الرغوة وإطلاق البخار. ومن أمثلة عوامل الرغوة هيدروكسيد الألومنيوم أو الكربونات المتنوعة. ولمنع التفحم تتطلب الآلية أن يتحلل البوليمر عند درجة حرارة أعلى من درجة حرارة إضافة الرغوة. وبالتحكم الدقيق في معاملات تشغيل الليزر يمكن توليد علامات فاتحة عالية الجودة ومتينة على ركائز داكنة. وقد يؤدي ضعف التحكم في الليزر إلى علامة هشة أو منخفضة التباين يسهل خدشها (متانة ضعيفة). ويبين الشكل 5(هـ)، الذي طُوّر مؤخرًا، تباينًا أسود فاحمًا وأبيض معتمًا معًا ضمن التركيبة نفسها (معتمد من FDA). وهذا الابتكار مثالي للبوليمرات الشفافة (غير المتبلورة).

وثالثًا، تُستخدم طاقة الليزر لتسخين/تحليل أحد الملوّنات في خليط ملوّنات مما يؤدي إلى تغير اللون (الشكل 5 [د]). ومثال ذلك خليط من أسود الكربون وملوّن غير عضوي ثابت. فعند التسخين يُزال أسود الكربون تاركًا الملوّن غير العضوي. وتعتمد أنظمة الملوّنات المختلطة هذه على ثبات ملوّنات محددة، ولا تكون جميع تغيرات اللون ممكنة.

ويتضمن تفاعل سطحي متخصص آخر مبين في الشكل 5 (أ) دمج إضافات الليزر في بنية طبقات متعددة الصفائح لشارة تعريف بالصورة. وتوفر ميزات الوسم الفريدة عالية الدقة، الظاهرة والمخفية، وRFID أمنًا قويًا لمكافحة التزييف.

وبالمقارنة مع عمليات الطباعة بالحبر (الطباعة بالوسادة/الحريرية والنفاثة)، توفر إضافات الليزر في التكاليف ويمكن أن تحقق سرعات وسم أعلى بنسبة 20 بالمئة وأكثر مقارنةً بالمواد غير المحسّنة. وتُورَّد إضافات الليزر بشكل حبيبات ومسحوق. ويمكن مزج المنتجات الحبيبية مباشرة مع راتنج البوليمر، بينما تُحوَّل أشكال المسحوق إلى ماستر باتش. ومعظمها سهل التشتت في البوليمرات. وبحسب الإضافة والبوليمر يتراوح مستوى تركيز التحميل بالوزن (في القطعة النهائية) بين 0.01 و4.0 بالمئة.

تقنية ليزر ألياف الإيتربيوم النانوثانوي

أسهمت التحسينات في تقنية الليزر إسهامًا محوريًا في التطور السريع لأحدث جيل من إضافات الليزر المعتمدة من FDA. ويُعد ظهور ليزر ألياف الإيتربيوم النانوثانوي من أهم التطورات في الوسم واللحام والقص. وجوهريًا تختلف ليزرات الألياف عن ليزرات الوسم الأخرى ذات الحالة الصلبة المضخوخة بالثنائيات (DPSS). ففي ليزر الألياف يكون الوسط الفعال الذي يولّد شعاع الليزر منتشرًا داخل كابل ألياف بصرية متخصص. وعلى النقيض من الليزرات الموصَّلة بالألياف، يكون مسار الشعاع كله داخل كابل الألياف البصرية حتى بصريات توصيل الشعاع. وهذه البنية الليفية الكاملة مسؤولة إلى حد كبير عن موثوقية هذه الليزرات ومتانتها، مما يفسر نموها السريع.

تعطي ليزرات الألياف جودة شعاع (M2) وسطوعًا متفوقين مقارنةً بليزرات Nd:YAG. ويمكن تركيز الليزر ذي جودة الشعاع المتفوقة على بقعة صغيرة الحجم، مما يؤدي إلى كثافة طاقة عالية. ويمكن لليزرات ألياف MOPA (مذبذب رئيسي ومضخم قدرة) ذات النبضة الثابتة والمتغيرة بطاقة نبضة تصل إلى 1mJ وكثافة قدرة عالية وسم بوليمرات كثيرة كان وسمها صعبًا تاريخيًا. وتمتلك ليزرات الفاناديت أيضًا قيمة M2 صغيرة، بعرض نبضة أقصر من ليزرات الألياف الثابتة وYAG. ويؤثر زمن النبضة في درجة الحرارة والكربنة في المادة. وتتيح النبضات القصيرة، وعادةً أقل من 40ns، إدخالًا أكثر تحكمًا للطاقة عند معالجة المواد البوليمرية الحساسة. ولا تزال هذه النبضات تملك قدرة الذروة اللازمة للتغلب على عتبات المواد لكن بطاقة نبضة أقل لتقليل التلف الحراري الموضعي.

ليست جميع ليزرات الألياف الموجَّهة الحزمة متساوية. فمكونات العتاد والبرمجيات التي تدمجها الشركة المصنعة لليزر في أنظمتها تُحدث فرقًا كبيرًا في تباين الوسم وجودته وسرعته. ومن السمات الأساسية كثافة القدرة (واط/سم) عند سطح الوسم، وهي تختلف عن قدرة الخرج الخام لليزر. ويُعد نمط خرج شعاع الليزر حاسمًا لأداء الوسم. وترتبط أنماط الخرج هذه بعوامل منها تباعد الشعاع وتوزيع القدرة عبر قطر شعاع الليزر.

وكثافة القدرة دالة في حجم بقعة الليزر المركَّزة. وحجم بقعة الليزر المركَّزة لأي عدسة بطول بؤري معين وطول موجي لليزر دالة في تباعد شعاع الليزر، الذي يتحكم فيه تكوين الليزر وحجم فتحة اختيار النمط وتكبير موسّع الشعاع (upcollimator). ويُعد معدل تكرار النبضة وكثافة قدرة الذروة معاملين حاسمين في تكوين العلامة وتحقيق التباين والسرعة المثلى. فقدرة الذروة العالية عند تردد منخفض ترفع درجة حرارة السطح بسرعة فتبخّر المادة مع توصيل الحد الأدنى من الحرارة إلى الركيزة. ومع زيادة تكرار النبضة تنتج قدرة ذروة أقل تبخيرًا ضئيلًا لكنها توصل حرارة أكثر.

الخلاصة

تقدم تقنيتا الطباعة النفاثة الرقمية الكهرضغطية بتقنية DOD وليزر الألياف مزايا لا حصر لها لتخصيص المنتجات. وتتطلب حلول الوسم/الطباعة المتينة هندسة دقيقة لكيمياء الحبر/الليزر وعلم سطح البوليمر وتصميم العملية والمعدات. وكثيرًا ما تفشل الشركات التي تختار شراء معدات جاهزة رخيصة في دمج أنظمة متينة بسبب نقص فهم العملية. ولكل عملية مزايا وقيود محتملة. ويدرك كثير من المصنّعين بالفعل قيمة تقديم التقنيتين معًا. ومن الفوائد الجانبية إمكانية طباعة المنتجات المجمَّعة بالكامل في نهاية عمليات التصنيع، مما يوفر في التكاليف ويحسّن إدارة المخزون.

تقدم The Sabreen Group تعليمًا وتدريبًا شاملين في الموقع حول عمليات الربط بالالتصاق والمعالجة الأولية بالبلازما وتقنيات التصنيع المتقدمة. ويُجرى عرض معدات المعالجة الأولية داخليًا باستخدام قطع إنتاج فعلية واختبار في الوقت الحقيقي. نتائج مضمونة.

Scott R. Sabreen هو مؤسس ورئيس The Sabreen Group, Inc.، وهي شركة هندسية متخصصة في عمليات التصنيع الثانوية للبلاستيك: الوسم بالليزر والطباعة النفاثة للحبر والمعالجة الأولية للسطح واللصق والتزيين والتشطيب وأمن المنتج. ويطوّر Sabreen تقنيات رائدة ويحل مشكلات التصنيع منذ أكثر من 30 عامًا. يمكنكم التواصل معه على الرقم 972.820.6777 أو عبر زيارة www.sabreen.com أو www.plasticslasermarking.com.

المراجع

• S. Sabreen, “Innovating inkjet technologies for plastics products,” Plastics Decorating magazine (Aug. 2013).
• M. Gailey, “Plastics additives allow inkless marking,” Photonics Spectra (Sept. 2013).
• S. Sabreen, “Fiber laser enables marking of advanced plastics,” Industrial Laser Solutions (Feb. 2013).

---