قياس الأشعة فوق البنفسجية في الطباعة الأوفست والفلكسو والشاشة الحريرية
في عملية التصليد بالأشعة فوق البنفسجية لأحبار الطباعة والطلاءات، تحدّد الجرعة الإشعاعية للأشعة فوق البنفسجية مدى التصلّد الكامل والالتصاق والهجرة. لذلك تُقاس شدة الإشعاع الساقط بوحدة mW/cm² والجرعة الإشعاعية بوحدة mJ/cm² - باستخدام مقاييس إشعاع تسير عبر السير مثل curelog أو tinyTracker، أو باستخدام مستشعرات مضمّنة (inline) مركّبة بشكل دائم أو أجهزة محمولة باليد. وبذلك تبقى العملية قابلة للتكرار رغم تقادم المصابيح والتغييرات في المعدّات.
يتطلّب تصليد الأحبار والطلاءات المتفاعلة مع الأشعة فوق البنفسجية شدد إشعاع ثابتة، تُقاس بواسطة مقاييس إشعاع مضمّنة أو محمولة باليد. يضمن قياس الأشعة فوق البنفسجية شدة الإشعاع في العمليات الصناعية، وبالتالي يكفل إمكانية التكرار وموثوقية العملية في العمليات القائمة على الأشعة فوق البنفسجية.
عند قياس الأشعة فوق البنفسجية، يجب التمييز بين الأجزاء ثلاثية الأبعاد والركائز المسطّحة والمنتجات المرنة، وذلك تبعاً للتطبيق وعملية الطباعة:
في الطباعة الأوفست بالأشعة فوق البنفسجية، يُصلَّد الحبر مباشرة بعد الطباعة بواسطة الإشعاع فوق البنفسجي، مما يتيح المعالجة اللاحقة الفورية. تتطلّب أنظمة الأوفست ذات اللفائف عادة شدد إشعاع أعلى ومناطق تشعيع أكبر لضمان نتائج موحدة عند السرعات العالية.
تستخدم الطباعة البارزة بالأشعة فوق البنفسجية ألواح طباعة بارزة مع أحبار عالية اللزوجة تُصلَّد بالتشعيع المباشر بالأشعة فوق البنفسجية. ونظراً لنقل الحبر النقطي وسماكة الطبقة المحدودة، تكفي جرعات إشعاعية منخفضة نسبياً.
تعمل طباعة الفلكسو بالأشعة فوق البنفسجية بأحبار منخفضة اللزوجة وسريعة التصليد تُنقل إلى ألواح طباعة مرنة. تتيح طبقة الحبر الرقيقة سرعات طباعة عالية جداً مع أزمنة تصليد قصيرة.
في طباعة الشاشة الحريرية بالأشعة فوق البنفسجية، تُضغط أحبار عجينية القوام عبر شبكة دقيقة، مما ينتج طبقات حبر سميكة. وبناءً على ذلك، يلزم توفير شدد إشعاع عالية بالأشعة فوق البنفسجية وأزمنة تعرّض طويلة لضمان التصليد الكامل - خاصة بالنسبة للألوان الداكنة أو غير الشفافة.
تستخدم طباعة النفث الحبري بالأشعة فوق البنفسجية أحباراً سائلة تُبلمَر فوراً بواسطة مصابيح LED فوق بنفسجية أو مصابيح الزئبق. ونظراً لتطبيق القطرات وسماكة الطبقة المنخفضة غالباً، يُعدّ التشعيع الموجّه، وعادة النقطي، بدقة عالية بالأشعة فوق البنفسجية أمراً حاسماً.
وينطبق الأمر ذاته على طباعة الفلكسو بالأشعة فوق البنفسجية كما هو الحال في طباعة الأوفست والشاشة الحريرية - غير أن سرعات اللفائف أعلى والطبقات أرق، لذا تكون الجرعة لكل مرور أصغر ويظهر تقادم المصابيح بشكل أسرع.
يتم تناول مشكلة القياس الأساسية - شدة الإشعاع الذروية والمنحنى الزمني والجرعة المتكاملة أثناء المرور - في صفحة قياس الأشعة فوق البنفسجية لأنظمة النقل.
سرعات الطباعة والويب (أيضاً لقياس الأشعة فوق البنفسجية)
سرعات الطباعة والويب النموذجية (بالمتر/الدقيقة) بالمقارنة مع عمليات الطباعة الشائعة:
- الطباعة الأوفست اللفافية هي أسرع عملية طباعة تقليدية (مثلاً في طباعة الصحف).
- الطباعة الفليكسوغرافية توفر أقصى سرعة للتغليف المرن والملصقات.
- طباعة الشاشة الحريرية أبطأ بشكل ملحوظ بسبب مبدأ العملية (وضع الحبر ميكانيكياً عبر الشبكة).
- طباعة النفث الحبري لحقت بالركب بشكل كبير بفضل أنظمة التمرير الواحد في التطبيقات الصناعية.
- تُستخدم اليوم الطباعة البارزة حصرياً تقريباً في طباعة الملصقات ويمكن تصنيفها ضمن نطاقات السرعة المتوسطة.
يحتوي الجدول التالي على نظرة عامة على خصائص الحبر النموذجية وسرعات الطباعة والويب (بالمتر/الدقيقة) والجرعة الإشعاعية/شدة الإشعاع الساقط للأشعة فوق البنفسجية الخاصة بعمليات الطباعة. الأرقام هي قيم متوسطة معيارية للصناعة وتعتمد بشكل كبير على نوع الآلة وتقنية التجفيف وطريقة وضع الحبر.
| عملية الطباعة | سماكة طبقة الحبر | لزوجة الحبر | الشدة (mW/cm²) | متطلبات الجرعة الإشعاعية بالأشعة فوق البنفسجية | سرعة الطباعة [m/min] |
|---|---|---|---|---|---|
| الطباعة الأوفست بالورق المفرد/اللفائف | متوسطة | متوسطة | 500–4 000 | متوسطة إلى عالية، غالبًا 200–600 mJ/cm² | 200-600 (أوفست اللفائف حتى 1 000) |
| الطباعة النافرة (تايبوغرافيا) | رقيقة | عالية | 300–2 000 | منخفضة، ~100–300 mJ/cm² | 100–250 |
| الطباعة الفليكسوغرافية | رقيقة جدًا | منخفضة | 1 000–3 000 | منخفضة إلى متوسطة، 150–400 mJ/cm² | 300-800 (الفئة العالية حتى أكثر من 1,000 |
| الطباعة الشاشية (السيلك سكرين) | سميكة | عالية | 800–3 500 | عالية، 300–800 mJ/cm² | 10-100 |
| الطباعة النافثة للحبر (إنكجت) | رقيقة جدًا | منخفضة | 500–2 000 | منخفضة، 100-300 mJ/cm² | 100-300 (الصناعية حتى 600) |
| طباعة الملصقات | رقيقة | عالية | 800–2 500 | منخفضة، 100-300 mJ/cm² | متغيرة |
أنواع المواد الأساسية في الطباعة الصناعية بالأشعة فوق البنفسجية
تُعالَج المواد المرنة مثل الأفلام والملصقات والتغليف المرن وأكمام التغليف الحراري والورق أو الشرائط البلاستيكية الرقيقة عادةً باستخدام عمليات الطباعة التالية:
- الطباعة الفليكسوغرافية: تُستخدم بكثرة في أفلام التغليف والأكياس والملصقات وطلاءات الكرتون المضلّع.
- الطباعة النافثة للحبر (لفة إلى لفة): للوسائط المرنة القابلة للطباعة في إنتاج الملصقات والتمييز الصناعي.
- طباعة الأوفست اللفافي: للشرائط المرنة ذات الإنتاجية العالية والسرعة.
تتطلّب هذه العمليات أنظمة أشعة فوق بنفسجية مُكيَّفة مع سماكات المواد المنخفضة وتغذية المواد الديناميكية.
أما المواد الصلبة والثابتة الأبعاد مثل الصفائح المعدنية والزجاج والخشب والبلاستيك الصلب والكرتون أو الأجسام المشكّلة (مثل الأنابيب والزجاجات) فتُطبع بشكل أفضل في المجالات التالية:
- الطباعة الحريرية: للأسطح الصلبة أو المشكّلة مثل الشاشات ولوحات الدعاية والزجاج.
- الطباعة البارزة: للملصقات على المواد الصلبة.
- طباعة الأوفست بالورق المقصوص: للكرتون الصلب والعلب أو الصفائح المعدنية أو البلاستيكية.
- الطباعة على الأجسام: مثل الطباعة على الزجاجات والعلب والحاويات.
تسمح هذه المواد بتحديد موضع دقيق لـأجهزة قياس الأشعة فوق البنفسجية ولا تتطلّب أي مرونة خاصة.
مدى ملاءمة طرق قياس الأشعة فوق البنفسجية المختلفة للتطبيقات الصناعية
تُستخدم طرق قياس مختلفة حسب نوع الركيزة (المادة الأساسية) والهندسة السطحية وبيئة الإنتاج. يتميّز نهجان معتمدان - الأفلام المتغيّرة اللون لقياس الجرعة والأجهزة الإلكترونية لقياس الأشعة فوق البنفسجية - بمزايا وقيود مختلفة يجب أخذها في الاعتبار حسب التطبيق.
أفلام قياس الجرعة المتغيّرة اللون:
تتفاعل هذه الأفلام البوليمرية مع الإشعاع الساقط من الأشعة فوق البنفسجية بتغيّر لوني غير قابل للارتداد يزداد شدة مع زيادة الجرعة الإشعاعية. وهي مناسبة بشكل خاص للتطبيقات التي تصل فيها تقنية الاستشعار التقليدية إلى حدودها - على سبيل المثال على ركائز مرنة كالأفلام أو الورق أو المنسوجات، وكذلك على الأسطح الدوارة أو المقعّرة أو التي يصعب الوصول إليها داخل خطوط الإنتاج المتحركة. وبفضل رقّتها ومرونتها الميكانيكية، يمكن تطبيقها على مساحات واسعة دون تعطيل العملية. توجد قيود في التقييم البصري الخالص.
تُعدّ هذه الأفلام مناسبة بشكل خاص لـ
- الركائز المرنة، لأنها رقيقة ومرنة ويمكن تطبيقها على مساحات واسعة.
- الأسطح الدوارة أو غير المنتظمة أو التي يصعب الوصول إليها، مثل شرائط التعبئة والتغليف
القيد: لا يمكن الحصول على تقييم كمّي دقيق دون أنظمة تقييم خاصة. يمكن أن تؤثر درجة الحرارة والعوامل البيئية على التفاعل.
أجهزة قياس الأشعة فوق البنفسجية (مقاييس الإشعاع، المستشعرات):
توفّر مقاييس الإشعاع الإلكترونية وأنظمة الاستشعار قياسات كمّية لشدة الإشعاع الساقط والجرعة الإشعاعية للأشعة فوق البنفسجية بقابلية عالية لإعادة الإنتاج. وهذه الأنظمة مُعايَرة وقابلة للإرجاع المترولوجي إلى المعايير الوطنية. وهي مناسبة للعمليات المستقرة ذات الركائز الثابتة حيث يمكن تحديد موضع المستشعر بدقة. وتشمل مجالات التطبيق كلاً من الأنظمة الثابتة المضمّنة في الخط (inline) لمراقبة العملية والأجهزة اليدوية المحمولة للصيانة وضمان الجودة. في مناطق الآلات المحدودة، يكون ارتفاع المستشعر حاسماً؛ وبالنسبة للركائز المتحركة، تمرّ مقاييس الإشعاع المتحركة مثل curelog عبر النظام مع المنتج.
تُعدّ أنظمة قياس الأشعة فوق البنفسجية التقليدية مناسبة بشكل خاص لـ
- المواد الصلبة ذات الدعامة الثابتة والموضع المُتحكَّم فيه.
- أنظمة القياس المضمّنة في الخط (inline)، أو الأجهزة اليدوية المحمولة، أو للفحوصات الدورية للنظام.
- ضرورية بشكل خاص للتطبيقات الحسّاسة من ناحية الجودة.
القيد: تتطلّب المساحات الضيقة في الآلات التي يصعب الوصول إليها أجهزة مسطحة متحركة أو مستشعرات مضمّنة في الخط بشكل دائم.
قياس الأشعة فوق البنفسجية للركائز الصلبة والمكوّنات ثلاثية الأبعاد
تُستخدم طلاءات الأشعة فوق البنفسجية على الخشب في صناعات الأثاث والباركيه والتصميم الداخلي، وتُحسّن مقاومة الاحتكاك والمقاومة الكيميائية ومستوى اللمعان. ويكمن التحدي في بنية السطح غير المتجانسة، وقابلية الركيزة للامتصاص، وسلوك درجة الحرارة للمواد الطبيعية. لذلك يجب أن توفّر أنظمة الأشعة فوق البنفسجية الجرعة المطلوبة بدقة دون التسبّب في ضرر حراري أو تشوّه. وغالباً ما تُطبَّق طبقات طلاء متعددة (طبقة أساس وطبقة وسطى وطبقة نهائية) مع تصليد منسّق بالأشعة فوق البنفسجية. الركيزة كبيرة الحجم وغير مرنة.
في الطلاء ثلاثي الأبعاد، تُطلى الأجسام ذات الأشكال الفراغية (مثل السلع الاستهلاكية وقطع السيارات) بطلاءات تُصلّد بالأشعة فوق البنفسجية لتحقيق خصائص سطحية زخرفية ووظيفية. وتتطلّب الهندسة المعقّدة تشعيعاً بالأشعة فوق البنفسجية منسّقاً بدقة باستخدام ترتيبات مصابيح متعددة المحاور أو الروبوتات ذات خصائص تشعيع مُكيَّفة. وتؤدي المناطق المظلَّلة والانعكاسات إلى توزيع غير متساوٍ للجرعة الإشعاعية، ولهذا تُستخدم أنظمة قياس الأشعة فوق البنفسجية أو تصاميم الأشعة فوق البنفسجية المدعومة بالمحاكاة.
الركائز ثلاثية الأبعاد، وتتفاوت المسافة إلى مصباح الأشعة فوق البنفسجية.
بالنسبة للركائز الصلبة، تُعدّ أجهزة القياس القياسية مناسبة لقياس الأشعة فوق البنفسجية، أما بالنسبة للمنتجات ثلاثية الأبعاد، فإن أجهزة قياس الأشعة فوق البنفسجية المُخصَّصة تتيح القياس مباشرة على السطح.
تستخدم Opsytec تصميمين مُثبَتَين لمقياس الإشعاع لتحديد شدة الإشعاع الساقط والجرعة الإشعاعية للأشعة فوق البنفسجية بدقة: مقياس الإشعاع RMD للأشعة فوق البنفسجية ومقياس الإشعاع curelog العالي الديناميكية لناقل الحزام. يتيح الأول التكيّف المرن مع نطاقات طيفية ومتطلبات تطبيق مختلفة بفضل مستشعرات مُعايَرة قابلة للتبديل، ويدعم قياس وتسجيل الجرعة الإشعاعية على مدى أيام. أما curelog، من جهة أخرى، فيوفّر قياسات دقيقة بمعدلات أخذ عيّنات تصل إلى 2,000 Hz في العمليات ذات الدورات السريعة كما هو الحال في أنظمة الطباعة والتصليد المستمرة. وبصفته جهاز قياس شريطي، فهو مضغوط ولاسلكي.
تشمل مجموعة منتجات Opsytec أيضاً حلولاً خاصة مُخصَّصة - مثل المستشعرات المضمّنة في الخط والمتوافقة مع وحدات التحكم المنطقي القابلة للبرمجة (PLC)، وكذلك التصاميم الخاصة - التي يمكن تكييفها بدقة مع متطلبات عمليات الأشعة فوق البنفسجية الصناعية. ومن خلال التكيّف مع الشكل والتطبيق المحدَّدين، لا يصبح قياس الأشعة فوق البنفسجية أكثر دقة فقط، بل أيضاً أقرب إلى العملية وأكثر قابلية لإعادة الإنتاج.
وتكمن الميزة الأساسية في التكامل الميكانيكي للمستشعر ضمن عملية الإنتاج المعنية. ويُصمَّم الناشر الضوئي (diffuser) - وهو سطح الدخول الحسّاس للإشعاع - بحيث يستقر بشكل مسطّح ومطابق للشكل على سطح المادة المراد تشعيعها. وهذا يضمن أن:
- يتم القياس بدقة في منطقة التشعيع ذات الصلة،
- لا توجد انحرافات ناتجة عن زوايا الميل أو المناطق المظلَّلة أو الضوء المتناثر،
- تُسجَّل الجرعة الإشعاعية الفعلية عند سطح المادة
- يتم تحقيق قياس واقعي لجرعة الأشعة فوق البنفسجية حتى مع التشعيع المعقّد (مثل الأسطح المنحنية).
مقياس الإشعاع الطيفي والمستشعرات لقياس الأشعة فوق البنفسجية
UVpad
مقياس إشعاع طيفي مسطّح، بارتفاع 14.4 mm، لأنظمة السيور الناقلة، من 200 إلى 440 nm بعرض نطاق 2 nm.
SR900
مقياس إشعاع طيفي بمصفوفة كاشفات لنطاق من 200 إلى 1100 nm، مزوّد بكرات مُكامِلة، ومُشتّت جيبي، ومجسّات كملحقات.
مقياس الإشعاع RMD Pro
مقياس إشعاع محمول رقمي بالكامل لقياس شدة الإشعاع الساقط والجرعة الإشعاعية، مزوّد بمدخلين للمستشعرات وذاكرة سعتها 8 GB.
curelog
مقياس إشعاع وجرعة مسطح يتنقل عبر أنظمة النقل بالأشعة فوق البنفسجية بمعدل يصل إلى 2000 قراءة/ثانية، في ما يصل إلى أربعة نطاقات طيفية.
PLC.D – مستشعرات الأشعة فوق البنفسجية الرقمية
مستشعرات رقمية للأشعة فوق البنفسجية والضوء مزوّدة بـ RS-485 أو RS-232 أو USB للتوصيل المباشر بوحدة التحكّم المنطقي القابل للبرمجة (PLC).
عملية الطباعة وسرعة الطباعة للمواد الصلبة
| عملية الطباعة | سماكة طبقة الطلاء | لزوجة الطلاء | الشدة [mW/cm²] | الجرعة المطلوبة من الأشعة فوق البنفسجية [mJ/cm²] | سرعة الطباعة [m/min] |
|---|---|---|---|---|---|
| الطلاء بالأشعة فوق البنفسجية | متوسطة السماكة | متوسطة إلى عالية | من 1,000 إلى 3,000 | من 300 إلى 700 | من 1 إلى 100 (حسب الشكل الهندسي) |
| طلاءات الأشعة فوق البنفسجية على الخشب | متوسطة السماكة | عالية | من 800 إلى 2,500 | من 250 إلى 600 | من 1 إلى 50 (حسب نوع الطلاء) |
| الطلاء ثلاثي الأبعاد | متغيرة (سميكة موضعياً) | متوسطة إلى عالية | من 1,000 إلى 3,500 | من 300 إلى 800 | من 1 إلى 30 (حسب الشكل الهندسي والروبوت) |
في الطباعة الصناعية، تُستخدم أنواع محددة من المصابيح يكون انبعاثها الطيفي مصمَّماً خصيصاً وفقاً لمتطلبات عملية التصليد المعنية. تُستخدم مصابيح بخار الزئبق ذات خطوط انبعاث مميّزة في نطاق الأشعة فوق البنفسجية القصيرة الموجة، والمصابيح المطعَّمة بالغاليوم لتوسيع النطاق الطيفي في مجال UVA، وأنظمة LED الحديثة للأشعة فوق البنفسجية ذات نطاق ترددي طيفي ضيّق وكفاءة طاقة عالية. ويعتمد اختيار مصدر الأشعة فوق البنفسجية على التركيب الكيميائي لأحبار وطلاءات الطباعة، وكذلك على المعايير المرتبطة بالعملية مثل الركيزة وسرعة الناقل ومقدار الطاقة المُدخَلة.
بالنسبة لقياس الأشعة فوق البنفسجية، ينبغي معرفة نوع المصباح وإبلاغه إلى مختبر المعايرة. وفيما يلي الأنواع النموذجية للمصابيح:
| التطبيق | مصابيح الضغط المتوسط | مصابيح هاليد المعادن | ثنائيات UVLED | مصابيح إكسيمر | مصابيح الضغط المنخفض (Hg) |
|---|---|---|---|---|---|
| الطباعة الأوفست بالورق المفرد والملفوف | ✔ | – | ✔ | ✔ | – |
| الطباعة على المعادن | ✔ | ✔ | – | – | – |
| طباعة الحروف البارزة | ✔ | – | ✔ | – | – |
| طباعة الشاشة الحريرية | ✔ | ✔ | ✔ | – | – |
| الملصقات | ✔ | – | ✔ | – | – |
| الطباعة الفليكسوغرافية | ✔ | – | ✔ | – | – |
| السطح الخشبي | ✔ | ✔ | ✔ | – | – |
| الطباعة النافثة للحبر | ✔ | – | ✔ | – | – |
| الربط الشبكي للاصق | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ | – |
| ضغط الهيكل | ✔ | – | ✔ | – | – |
| السلْكنة (تشميع السيليكون) | ✔ | – | ✔ | – | – |
| الطلاء ثلاثي الأبعاد | ✔ | – | ✔ | - | – |
الرمز التوضيحي / أنواع المصابيح بالتفصيل:
✔ = يُستخدم عادةً
– = ليس تطبيقاً شائعاً
- المصباح منخفض الضغط (الزئبق منخفض الضغط): الانبعاث بصورة أساسية عند 254 nm ← التطهير/التعقيم.
- مصباح الزئبق متوسط الضغط: طيف واسع بإخراج مرتفع ← مصابيح كلاسيكية للطباعة الأوفست وطباعة الفليكسو وطباعة الشاشة الحريرية.
- مصابيح هاليد المعدن: زئبق + هاليدات معدنية (Fe، Ga وغيرها) ← تزيد من محتوى الأشعة فوق البنفسجية A/B للطبقات السميكة.
- مصباح LED للأشعة فوق البنفسجية: ضيق النطاق، فعّال، جاهز للتشغيل فوراً (من 365 إلى 405 nm). مثالي للعمليات الحساسة للحرارة.
- مصباح الإكسيمر: أشعة فوق بنفسجية طيفية شبه أحادية الطول الموجي في نطاق VUV/UVC (مثل 172 nm، 222 nm) ← الإتمات، البلمرة الخاصة.
أساسيات الطيف ومعدّل الجرعة وسلوك تثبيط الأكسجين لكل من هذه المصادر مُغطّاة في صفحة التطبيقات التصليد بالأشعة فوق البنفسجية والبلمرة الضوئية.
المؤلف: د. مارك بارافيا
د. م. مارك بارافيا هو المدير الإداري لشركة Opsytec Dr. Gröbel GmbH في إتلينغن، ويرأس مختبر المعايرة المعتمَد. وبعد أبحاثه حول التفريغات الإكسيمرية النبضية بالزينون في معهد تقنية الإضاءة بجامعة KIT، ينصبّ تركيزه حالياً على تقنية قياس الإشعاع الضوئي. وهو نائب رئيس لجنة المعايير الألمانية DIN FNL 7 "الإشعاع الضوئي"، وعضو في مجموعة مشروع DVGW المعنية بالتطهير بالأشعة فوق البنفسجية.
