מערכות לייזר משמשות בריתוך, חיתוך וחריטה של פלסטיק, כמו כן הלייזר שמיש גם בתהליכי סינטור, הקשחה, עיבוד, ניקוי ובקרת איכות של פלסטיק

גילויו של הלייזר נחשב כמרשים פחות מהמצאתה של הנורה החשמלית, המכונית או הטלפון. עברה פחות ממחצית המאה מאז השימוש הראשון במקור האור החדש שעורר התלהבות. כיום הלייזרים מהווים כלי חשוב ואינטגרלי לא רק בעבודות מתכת, אלא גם בתחומי הרפואה, ציוד מדידה, IT, בקרה ואוטומציה וגם בענף הפלסטיק.

ההיסטוריה של הלייזר

אלברט איינשטיין (1879 – 1955), גילה בשנת 1917, בעת עבודתו כפרופסור באוניברסיטת ברלין, כי ניתן להגביר את עוצמתם של מקורות אור רגילים במה שהוא כינה אפשרות הפליטה המואצת, אולם עברו הרבה מאוד שנים עד שהתיאוריה של איינשטיין הפכה לפרקטית, רק בשנת 1968 החלו לייצר לייזרים מבוססי CO2 עבור שימושים תעשייתיים.

מספר שנים קודם לכן (תחילת שנות ה-60), הציג תיאודור הארולד מאימן את הלייזר הראשון, והוא גם זה שטבע את המונח "לייזר" - “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”. מאימן (יליד 1928) השתמש בגביש אודם כדי להפיק פעימה של אור אדום קבוע והוא מספר על כך בספרו “The Laser Odyssey”. כיום חי מאימן בביתו שבוונקובר לאחר שפרש מהאקדמיה.

מייד לאחר הצלחתו של מאימן לייצר פליטה מואצת בספקטרום הנראה לעין החלו העניינים לצבור תאוצה. לייזרי הפולסים המוצקים הראשונים החלו להופיע בתעשיית המתכת כבר מאמצע שנות ה-60. המכשירים הראשונים הראו בבדיקות את יכולותיה של קרן הלייזר בחדירת להבי מתכת, למעשה התגלית היתה מקרית לחלוטין שכן להבי הפלדה שהוצבו במעבדה יועדו להיות כמסך עבור הקרן, אבל מיד לאחר הגילוי הפך הלייזר לשמיש בתעשיית המתכות.

כיום הלייזר הוא כלי אוניברסלי, וחלק אינטגרלי בחיי היומיום, לייזרים מוצקים שונים משמשים לא רק בחיתוך, הלחמה, ריתוך, צריבה, קידוח וכיפוף חומרים אלא גם בשימוש ביתי במכשירי CD ו-DVD, בהעברת מידע ובהדפסה. ברפואה, הלייזרים משמשים בעיקר באבחונים (זרימת דם וסירקולציה) אך גם בטיפולים בבעיות ראייה מסוימות, בתחום האנדוסקופיה ובטיפול בכלי דם ואיברים פנימיים אחרים.

אך יתרונותיו של הלייזר אינם מסתכמים רק בשימושים הנ"ל. מבין השימושים הפחות מוכרים של הלייזר ניתן למצוא את יכולות המדידה שלו שמאפשרות נתונים מדויקים להפליא של כדור הארץ, היכולת לזהות תזוזתן של הלוחות הטאקטוניים (איתור רעידות אדמה מבעוד מועד) ולספק התראה מפני גלי צונאמי.

לייזרים ככלי עבודה

לייזרים הפכו בשנים האחרונות להכרחיים בתעשיית העיבוד הפלסטי. בדומה לתעשיית המתכות, השימוש הבסיסי והראשוני בתעשיית הפלסטיק נעשה בחיתוכים, תכופות בשילוב עם חיתוך בסילון מים. לאחרונה גובר השימוש בלייזרים גם בחיבור פלסטיק, למרות שעדיין קיימות מגבלות שחייבות להילקח בחשבון בכל הקשור לריתוך חומרים אלו.

לייזרים הם חסרי תחליף בתהליכי ייצור מהירים של אבות טיפוס (rapid prototyping). הם ממיסים את החומר ומשמשים בבניית המודל. לייזרים משמשים להדפסה וסימון חלקי פלסטיק, חריטה ובבדיקות האיכות של המוצרים מוגמרים. בסיומו של תהליך הייצור והבדיקה הלייזרים גם משמשים כמכוונים  למערכות ההינע האוטומטיות שמעבירות את המוצר לאזור האחסון שלו.

המגזין הגרמני “Kunststoff Magazin” פרסם בשנת 2004 דוח תחת הכותרת "תנו ללייזר לעעשות את זה". בדוח מפורטות הנישות החדשות בתוך תעשיית הפולימרים שהלייזר מפלס דרכו אליהן, דוגמת, תהליכי אבטחת האיכות ובקרת הייצור. המאמר הבליט מערכת חדישה לחלוטין של מדידות המיוצרת ע"י חברת "Elovs" הממוקמת בקארלסרואה, מערכת זו מבטיחה לספק תוצאות מדידה מדויקות ברמות קיצוניות גם לחומרים שהיו קשים למדידה עד עתה. באמצעות טכנולוגיית לייזר המערכת קובעת את מהירותן ואורכן של רצועות טקסטיל, פליז, פלסטיק, נייר ואפילו מתכת. השימוש בקרן הלייזר מאפשר מדידות מדויקות ללא צורך בכיול או התחשבות בחומר הנמדד.

גם בתחום החריטה והסימון של תבניות חלקי פלסטיק בצורת ותרכובות שונות ללייזר אפשרויות אינסופיות, ההטבעה או החריטה נעשית בדיוק של אלפית המילימטר. בדרך זו חלקים בודדים ואף פסי ייצור שלמים ניתנים לזיהוי ואיתור בתוך מערכת לוגיסטית סגורה. חברת Rofin Sinar Laser GmbH, המספקת מגוון רחב של מכשירי לייזר לסימון וחריטה, רואה את היתרון העיקרי בשיטה זו בגמישות שבה בכל הקשור ליכולות העבודה שלה בכמויות גדולות במהירות, ובהימנעות מהפעלת כל כוח או מגע עם החומר בזמן התהליך, מה שכמובן תורם לניקיון החומר ולאיכותו.

מגביש אודם לדיודות

הלייזר הראשון של מאימן הופק באמצעות גביש אודם (Ruby) במצב מוצק. לאחריו הגיע לייזר הגז ובעקבותיו לייזר הסמיקונדקטור והדיודות. בלבו של כל מכשיר לייזר נמצא הלייזינג מדיום

תחילת תהליך יצירת הקרן כרוכה בשלב הנקרא "ריגוש האטומים" המרכיבים את הלייזינג מדיום. הוא יכול להתבצע על ידי זרם חשמלי, ואף על ידי מקור אור אחר. בלייזר מבוסס CO2, רכיב המדיום מופק ע"י פליטה מתערובת של הליום, חנקן ופחמן. במכשירי הלייזר המוצקים רכיב המדיום מכיל גביש neodymium-doped  המכיל איטריום, אלומיניום וגארנט (מכאן שמו בלעז - Nd:YAG Laser).

בסוף שנות ה-80, טכנולוגיית סמיקונדקטורים אפשרה לייצר מכשירי לייזר מבוססי דיודה בעלי אורך חיים גבוה לשוק. צריכת החשמל הנמוכה של מכשירים אלו תרמה רבות לפיתוחם של מכשירי ה-DVD וה-CD וכן בשימוש בחיבורי פלסטיק ע"י תהליכי ריתוך והלחמה בלייזר.

למרות שעדיין מדובר בימים הראשונים של השימוש בתחום, הריתוך של פלסטיק באמצעות קרני לייזר הוכח כבר כדרך אלגנטית ויעילה לחיבור פולימרים. אחת מהחלוצות בתחום היא חברת Jenoptik מהעיר ינה שבמזרח גרמניה, העוסקת במחקר ופיתוח של טכנולוגיות ריתוך באמצעות לייזר, מאז ימיה הראשונים של החברה התבססה ההכרה כי השימוש בלייזר מהווה תחליף ראוי (גם אם עדיין חלקי) לתהליכי הלחמה באמצעים מכאניים ותרמיים.

מגבלה עיקרית בתהליכי הריתוך של פלסטיק באמצעות לייזר היא החובה כי לפחות אחד מן החומרים שעוברים את תהליך החיבור וההלחמה חייב להיות מסוגל לקלוט את קרן האור הנפלטת עם אורך הגל הספציפי שלה.

למרות מכשלה עיקרית זו, לשיטת ההלחמה בלייזר יתרונות רבים:

קליטת האנרגיה נעשית ללא מגע או שימוש בכוח, חלקים רגישים מכאנית יכולים לעבור את התהליך בקלות רבה, עוצמת החום הפועלת על החלקים מוגדרת הן תרמית והן גיאומטרית ובזמן התהליך עצמו אין שריטות או פגיעה בחומר המטופל מעבר לאזור הממוקד.

הדרישה לאיכות קרן טובה יותר

חברת Leister, יצרנית שוויצרית של ציוד ריתוך והלחמה עבור תעשיית הפלסטיק, רואה שתי מגמות עיקריות בתחום.

הטרנד במחקר הפולימרים מתמקד ביכולות שינוי החומר עצמו והפיתוח של חומרים המעורבבים עם החומר הגולמי ומאפשרים מידה רבה יותר של גמישות בעבודה עם לייזרים, כך שליצרן תהיה מידה גבוהה של יכולות בעיצוב המוצר המוגמר.

היצרנים והמפתחים עובדים גם על אופטימיזציה של תהליכי הריתוך הנוכחיים כמו גם על תהליכים חדישים לגמרי.

בחברת Optotools מאמינים כי הסיבה שהריתוך באמצעות לייזר אינו מבוסס דיו אצל יצרני מוצרי הפלסטיק היא איכות הקרן הירודה עדיין, יחסית. בחברה מנסים לעבוד בדיוק על בעיה זו באמצעות שימוש בדור האחרון של דיודות לייזר fibre-coupled. חברת Optotools מדגישה את העיצוב המודולרי והאיכות הגבוהה של קרן הלייזר בפיתוחיה, המאפשרים לה להטמיע את הלייזרים בסורקים גלונומטריים, בקומבינציה זו המודלים החדשים מאפשרים תהליך בו זמני של חיבור מספר אלמנטים, התוצאה היא כמובן תפוקה גבוהה יותר במחזור הייצור.

גם בחברת LPKF Laser und Electronics AG מאוששים את תחזיות Optotools, החברה מסתמכת על המודולים שמיותרים ב-Optotools בתהליכי ריתוך הפלסטיק. ב-LPKF הבינו מהר את היתרונות של שיטות הריתוך החדשות ואת היעילות הכלכלית שבהן. גם העובדה שהשיטה נקייה משאריות עוזרת לחברה לחסוך, בניגוד לשיטות הישנות בשיטה החדשה מתבזבז פחות חומר גולמי, השיטה ידידותית לסביבה, קלה לשליטה ותפעול ומעמיסה פחות על המרכיבים השונים. שיטת הריתוך בלייזר אפקטיבית במיוחד כאשר עסקינן בחומרים רגישים כמו מוצרים אלקטרוניים וציוד רפואי רגיש.

יישומים נוספים עשויים להתבצע ע"י הלייזר

דוגמה אחת היא מיקרוטכנולוגיה. ארנולד גילנר, ראש המחלקה לטכנולוגיית לייזר במכון פראונהופר (Fraunhofer) שבאסן, חושב כי Laser Structuring של פלסטיק התבסס כאלטרנטיבה לשיטות קונבנצינליות, במיוחד ביישומים בהם ההשפעה על מרכיבים רגישים צריכה להיות מינימלית. גילנר הסביר במגזין "Kunststoffe" כי מקורות וחומרים חדשים ביצירת הקרן מתאימים לתהליך ה-Structuring וכי מגבלות יכולות העיבוד של הלייזר יגיעו עד לרמת הננומטר.

דוגמה נוספת: חברת Janoptik, מספקת טכנולוגיות ריתוך באמצעות לייזר למרכז ייצור הנקרא "Votan A" העושה שימוש בלייזר בשתי דרכים: תחילה המכונה חותכת את נקודות השבירה המתוכננות עבור כריות האוויר (Airbags) המותקנות בפאנלים שבקדמת הרכב, בו בזמן היא מאפיינת את הקצוות והמתאר של החלק כולו. קרן הלייזר יוצרת חורים זעירים בחלקו האחורי של הפאנל המאורגנים כך שייצרו מעין קו נקודות שבירה בפלסטיק, בעוד שחלקו הקדמי של הפלסטיק נשאר נקי משריטות או השפעות כלשהן.Janoptik  טוענת כי שני מודולי הלייזר השתלבו במפעל באופן עצמאי ותרמו לתפוקתו הכוללת.

חברות עיבוד פלסטי יכולות לעשות שימוש בלייזר גם בניקוי תבניות והפחתת משקעים מזהמים, כמו גם בהכנת משטחים מחומרים שונים לפני הדפסה או חיבור. גם בתחומים אלו עוצמתו של העיבוד באמצעות לייזר באה לידי ביטוי בהימנעות ממגע, הטיפול הממוקד ברכיב, היכולת לשלב פעולות הכרחיות אל תוך מערך תהליכי הייצור הקיים כמו גם התרומה בשמירת הסביבה שהופכת חשובה והכרחית יותר לאחרונה. ואלו הן גם הסיבות שיהפכו את הלייזר למובן מאליו, בכל הנוגע לעיבוד של פלסטיק גם בשנים הקרובות.

* באדיבות מארגני תערוכת K 2007 שתיערך בדיסלדורף בסוף חודש אוקטובר השנה.