لیزر ها چه نقشی در ساخت و فراوری مواد پلاستیکی دارند؟
فرآوری مواد پلاستیکی یکی از بخش هایی میباشد که از بیشترین رشد برخوردار بوده و در این بخش فناوری لیزر نقش بسیار پررنگی دارد. در سال‌های اخیر توسعه انواع نوینی از لیزرها باعث شده است تا بتوان از آنها برای برش، جوشکاری، نقش گذاری، علامت گذاری، زینترنیگ و حتی بسپارش نوری مواد پلاستیکی استفاده کرد. تمامی مصارف نامبرده شده اثر بسیار بزرگی بر انواعی از بازارها داشتند همانند خودروسازی، دستگاه های پزشکی، مدارهای چاپ شده و نمونه سازی سریع. چگونگی به کارگیری انواعی از لیزر ها برای انجام خدمات مختلف در تولید یک محصول در بخشهای مختلف مشاهده میشود به عنوان مثال می توانیم دو قطعه پلاستیکی را نام ببریم. یکی از قطعات از آکریلیک رنگی و شفاف و بخش های حفاظت کننده مشکی رنگ از پلی کربنات تشکیل شده اند. اکریلیک موجود در این پلاستیک ها توسط لیزر کربن دی اکسید برش داده شده است و سپس توسط لیزر دایود بخش ساخته شده از پلی کربنات وصل شده است و در نهایت نیز بخش پشتیبانی کننده آن نیز با استفاده از نوعی لیزر با حالت جامد طرح داده شده است. از آنجایی که در بسیاری از موارد پردازشگرهای پلاستیکی در مواجهه با لیزر قرار می گیرند، بنابراین بهتر است که اطلاعات زیادی در خصوص عملکرد آنها، انواع مختلف و موارد مناسب برای هر کدام از لیزر ها اشاره کنیم.
لیزر چیست و انواع آن کدامند؟
لیزر ها به ابزارهایی گفته میشود که بدون ایجاد فرسودگی و یا تماس با قطعات مختلف می توانند انرژی بسیار زیادی را به نواحی ویژه و خاص وارد کنند و نوع برهمکنشی که بین نور منتشر شده از لیزر و ماده فرآوری شده برقرار می گردد وابستگی بسیار زیادی بر ویژگی های مواد و علاوه بر آن طول موج و میزان انرژی تاییده شده دارد. لیزرهایی که پرتوهایی در حوزه مادون قرمز طیف نوری منتشر می کنند، مصارف بسیار زیادی در فرآوری مواد دارند و این دسته از لیزرها طول موج بالاتر از ۷۰۰ نانومتر دارند. لیزرهای نام برده شده از چند نوع متفاوت تشکیل شده اند که عبارتند از کربن دی اکسید و نئودیمیوم که در حالت جامد است. چنین پرتوهایی باعث حرارت دهی بسیار زیادی به فرایندها شده و این دسته از پلاستیک ها را از نظر گرمایی کاملاً تغییر می دهند و از آنجایی که انواع متفاوتی از پلاستیک ها در معرض چنین طول موجی رفتار متفاوتی دارند بنابراین نوع متمایزی از لیزرهای مادون قرمز نیز برای ساخت هر کدام از محصولات پلاستیکی می‌توانند مناسب باشند. لیزرهای فرابنفش همانند لیزرهای نئودیمیوم فرابنفش به حالت جامد نیز نوری با طول موج بسیار کوتاه از خود منتشر می کنند که کمتر از ۴۰۰ نانومتر می باشد. پرتوهای های فرابنفش که انرژی بسیار زیادی دارند پیوندهای مولکولی را در هسته ماده پلاستیکی و در طی یک فرآیند بسیار سرد از هم جدا می کند. با استفاده از چنین لیزرهایی می‌توان محصولاتی را تولید کرد که از لبه‌های غیر برنده ای برخوردارند و یکی دیگر از مزیت های فراوری به کمک نور فرابنفش در این مورد خلاصه می شود که در مقایسه با پرتوهای مادون قرمز می‌توان بر نقاط بسیار کوچکتری متمرکز شد و همچنین این لیزر قادر است تا محصولات بسیار کوچکتری را بسازد و با کمترین میزان انرژی محصولات متعدد و موثرتری را به وجود آورد. اما به طور کلی لیزرهای مادون قرمز در مقایسه با لیزر های فرابنفش از خروجی نسبتاً بیشتری برخوردارند و در نهایت گزینه بهتری برای تولید محصولاتی می باشند که به سرعت بالا نیاز دارد. یکی از نکات بسیار متمایز ای که در خصوص لیزرها وجود دارد این است که این موارد هیچ تماسی با محصولات دیگر ندارند و در واقع هیچ فرسایشی را در طی زمان به وجود نخواهد آورد و به همین دلیل تمامی هزینه‌های لازم برای جایگزینی ابزار های فرسوده و اتلاف زمان برای این جایگزینی از بین خواهد رفت. از طرف دیگر وجود فرسایش در چنین ابزارهایی منجر به آن میشود که برش ها و علامت ها و یا خطوط و سوراخهای به وجود آمده توسط لیزرها از یکپارچگی و ساختار بهتری برخوردار باشند و در نهایت کیفیت محصول نهایی را بهبود بخشند. در اغلب موارد سیستم های لیزری با ساختار کاملاً یکپارچه برای تولید محصولات پلاستیکی به کار برده می شوند همانند سیستم های انتقال پرتو لیزر، حوزه ی الکترونیک، تجهیزات گوناگون، بخش حمل مواد و نرم‌افزارهای کنترلی. این سیستم ها به هیچ گونه نگهداری نیاز ندارند و علاوه بر آن کاربری بسیار ساده ای دارند و بنابراین کاربر نیز به راحتی می‌تواند روند فناوری را با آنها به پیش براند.
لیزرهای کربن دی اکسید از چه ویژگی‌هایی برخوردارند و مصارف آن کدامند؟
لیزر های دی اکسید کربن مصارف بسیار گسترده‌ای برای بکارگیری مواد پلاستیکی در محصولاتی همانند مدارهای نرم تا بخشهای صنعتی دارند و طول موج انتشاری آنها در طیف ۱۵ میکرومتر تا 1 میلیمتر قرار داشته و می‌توان عنوان کرد که خروجی آنها نیز نسبتا بالا بوده و تمام این موارد باعث میشود تا گزینه مناسب و مقرون به صرفه ای برای ایجاد تغییرات متفاوت به روی مواد پلاستیکی باشد. اگر چه لیزرهای کربن دی اکسید توان خروجی بسیار متفاوتی دارند اما در اغلب موارد لیزرها برای مواد پلاستیکی با توان خروجی پایینی به کار برده می‌شوند و این موضوع ناشی از آن است که نقطه ذوب مواد پلاستیکی پایین می باشد و علاوه بر آن لیزرهای کربن دی اکسید در شرایط اتومات و ماشینی توسط کامپیوتر کنترل می‌شوند تا بتوانند میزان توان اعمال شده را کنترل نمایند. تمامی این عوامل احتمال حرارت دهی بسیار بالا به یک ناحیه را از بین برده که خود در نهایت می‌تواند باعث ترک برداری و یا فرسودگی کامل قطعه پلاستیکی مورد نظر شما شود. لیزرهای دی اکسید کربن در سیستم های اتومات به منظور برش، قطع، ایجاد سوراخ و یا ایجاد سایر تغییرات در ورقه ها و میله های ساخته شده از پلی ایمید و پلی استر به کار برده می شوند که در اغلب موارد در مدارهای انعطاف پذیر تولیدی و یا سوئیچ‌ها در حوزه الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرد. تولید کنندگان تجهیزات لیزر معمولاً لیزرهای دی اکسید کربن را با طول موجی در حدود ۹ هزار و ۴۰۰ تا ۱۰۶۰۰ نانومتر می سازند. انواعی که طول موجی برابر با ۹۴۰۰ نانومتر دارند بیشتر برای فرآوری پلی ایمید به کار برده می شوند زیرا احتمال کربونیزاسیون و سایر آسیب‌های ناشی از حرارت با استفاده از این ابزارها کمتر خواهد بود. لیزرهایی با طول موج ۱۰۶۰۰ نانومتر نیز به منظور ایجاد برش و یا نرم سازی لبه های ورقه های ضخیم آکریلیک با استفاده از صیقل حرارتی و تولید انواعی از علامت های تجاری و یا موارد گوناگون به کار برده می شوند.
جوشکاری با لیزر های دایود چگونه انجام میگیرد؟
یکی از جدیدترین مصارف لیزرهای دایود در جوشکاری و اتصال قطعات پلاستیکی خلاصه میشود و از سال ۱۹۹۸ در توسعه فناوری های متفاوتی انجام گرفته است. جوشکاری با استفاده از این لیزر ها برای تولید سنسورهای خودرو، محفظه واکنش گرها و یا جوشکاری های بسیار کوچک در لوله‌های پزشکی استفاده میشود که از دیواره های بسیار نازکی برخوردارند. مزایای این تکنیک در مقایسه با متد های سنتی که از لامپ های فرابنفش و یا تفنگ‌های هوای داغ استفاده می‌کردند در این مورد خلاصه میشود که لیزر های دایود ورودی حرارتی بسیار کمی دارند و هیچ تماسی با محصول مورد نظر نخواهند داشت و علاوه بر آن امکان بروز آسیب های جانبی را کاهش داده و می‌توانند شکل هایی را به ابعاد سه بعدی تولید می کند. همچنین کنترل این دسته از لیزر ها بسیار ساده می باشد و امکان روشن و خاموش سازی آنها به صورت ناگهانی نیز فراهم است و تمامی محصولات ساخته شده از آنها دارای اتصالات تمیز تر و قوی تر می باشند. از سایر کاربردهای لیزرهای دایود می توان به فعالسازی چسبهای ترموپلاستیک و یا فرآوری چسبهای ترموست همانند اپوکسی ها اشاره کرد. از آنجایی که قطعات پلاستیکی در دمای پایین ذوب می شوند و به راحتی نیز بخار می شوند فقط به ورودی حرارتی کمی نیاز است تا بتوان آن را به حالت مایع تبدیل کرد و در حقیقت میزان انرژی لازم برای جوشکاری با استفاده از لیزر ها در مقایسه با سایر موارد مرتبط با پلاستیک ها بسیار پایین تر می باشد. لیزرهای دایود تنها لیزرهای هستند که از نظر تجاری کاملا در دسترس بوده و می توان آن را با توان پایین به صورت مکرر استفاده کرد و به خروجی پایدار و منظمی نیز دست یافت. جوشکاری با به کارگیری لیزرهای نامبرده شده در طول موج ۸۰۰ نانومتر صورت می گیرد و البته مقدار میانگین توان خروجی آنها نیز برابر با ۳۰ وات میباشد. خروجی نامبرده شده از سیستم های لیزری از طریق فیبر نوری به محل مورد نظر وارد میشود. جوشکاری با استفاده از لیزر ها به دو ماده پلاستیکی متفاوت نیاز دارد که رفتار متمایزی در برابر تابش نوری با طول موج ۸۰۰ نانومتر دارند در واقع یکی از این موارد باید در برابر چنین اشعه ای شفاف باشد و دیگری باید حالت جذب کننده داشته باشد. انتقال پرتوهای لیزر نیز از طریق بخش شفاف و بالایی اتصال به بخش پایینی و جذب کننده وارد میشود و اتصالاتی که بدین روش انجام می گیرند در مقایسه با سایر روش‌ها از استحکام و قدرت بسیار بیشتری برخوردارند.
مترجم: ف. ال احمد
