Additivi per marcatura laser e saldatura delle plastiche

Additivi per marcatura e saldatura laser delle materie plastiche: come le nuove tecnologie stanno alzando l'asticella

La marcatura laser è diventata una tecnologia fondamentale per l'identificazione e la codifica dei componenti in materie plastiche nei settori dei fili e cavi, dell'imballaggio, dei dispositivi medicali e dell'automotive. Oggi i progressi nella chimica degli additivi e nell'hardware laser stanno spostando i limiti di velocità, contrasto e conformità normativa, aprendo la strada a una gamma di applicazioni ancora più ampia.

Perché i produttori puntano sulla marcatura laser

I vantaggi della marcatura laser rispetto alla stampa a inchiostro tradizionale sono notevoli. Il processo è senza contatto, gestito digitalmente e consente di applicare con facilità identificativi sequenziali come numeri di serie e codici a barre. Soprattutto, le marcature che produce sono permanenti. Un fascio laser attiva un additivo incorporato nel polimero stesso e crea marcature che resistono all'abrasione e al degrado ambientale per lunghi cicli di vita.

Con la tracciabilità diventata un tema centrale, in particolare con l'affermarsi dei concetti di «smart factory» dell'Industria 4.0, la marcatura laser è destinata a diventare un requisito predefinito anziché un'opzione di nicchia. Anche la saldatura laser segue una traiettoria analoga e offre ai produttori una maggiore libertà geometrica e un controllo preciso del giunto saldato che le tecniche tradizionali non riescono a eguagliare.

Il parere dell'esperto: Scott Sabreen sui fattori trainanti degli additivi

Scott Sabreen è Presidente di The Sabreen Group, una società di consulenza ingegneristica specializzata nella trasformazione secondaria delle materie plastiche.

Il vantaggio dei laser a fibra all'itterbio

Uno sviluppo tecnologico significativo è l'adozione dei laser a fibra all'itterbio, disponibili nelle varianti con impulsi da nanosecondi, picosecondi e femtosecondi. Abbinate ad additivi per marcatura laser migliorati, queste sorgenti laser offrono una qualità del fascio superiore, insieme a un contrasto più elevato e a una marcatura più fine e dettagliata sulle materie plastiche. Secondo Sabreen, questo incremento prestazionale deriva sia dalla durata d'impulso disponibile sia dalle caratteristiche di potenza media.

Sul piano economico, gli additivi per marcatura laser offrono un chiaro vantaggio di costo rispetto ai processi di stampa a inchiostro. Un sistema di additivi pienamente ottimizzato può inoltre garantire un miglioramento della velocità di marcatura di circa il 15% rispetto a una formulazione non ottimizzata: un guadagno significativo negli ambienti di produzione ad alto volume.

In termini pratici, gli additivi per marcatura laser sono forniti sia in granuli sia in polvere e sono in genere facili da disperdere nei polimeri. I livelli di carica sono contenuti e vanno tipicamente dallo 0.01% al 4.0% in peso, a seconda della combinazione additivo/polimero. Entrambe le forme possono essere miscelate in materiale colorato precompoundato oppure in concentrati di colore.

Rispondere alle esigenze della produzione ad alta velocità

Gary Fielding, Global Marketing Director di PolyOne Color & Additives, sottolinea che i clienti chiedono con costanza sistemi di marcatura laser in grado di produrre marcature nitide, leggibili e durature alle massime velocità di linea possibili. I concentrati di additivi per marcatura laser OnCap di PolyOne sono stati sviluppati appositamente a questo scopo e consentono la marcatura ad alta velocità di fili e cavi senza sacrificare la leggibilità.

La posta in gioco è più alta dove lo impongono le normative. Il settore dei fili e cavi richiede che le marcature dei prodotti restino leggibili dopo un decennio o più di posa interrata. La dimensione internazionale del settore, con normative locali diverse per marcatura e identificazione, rende assolutamente essenziale l'affidabilità sia degli additivi sia delle apparecchiature.

Applicazioni emergenti

Le stesse aspettative di affidabilità si stanno estendendo ad altri settori. Nell'automotive, lo sviluppo accelerato dei veicoli a propulsione elettrica dovrebbe far crescere la domanda di cavi per alte temperature, che richiedono marcature laser capaci di resistere a un calore significativo. Anche i produttori aerospaziali cercano soluzioni di marcatura che soddisfino i severi requisiti di durabilità propri del loro settore.

Christoph Pezold di PolyOne osserva che l'affermarsi dell'Industria 4.0 accelererà probabilmente ancora di più l'adozione della marcatura e della saldatura laser. Poiché i prodotti di uso quotidiano richiedono sempre più spesso componenti codificati o tracciabili, le tecnologie laser avranno un ruolo centrale: renderanno possibile l'etichettatura obbligatoria ad alta velocità e persino la creazione di marcature personalizzate su richiesta alla velocità della linea di produzione.

Punti chiave

• Svolta normativa: la chimica degli additivi priva di metalli pesanti (senza antimonio) è oggi lo standard di settore, spinta dalla conformità FDA/UE e dall'autoregolamentazione aziendale.
• Riduzione dei costi: la scadenza dei brevetti e l'ingresso di nuovi produttori di chimica di specialità hanno reso gli additivi per marcatura laser molto più accessibili.
• Progressi dei laser a fibra: i laser a fibra all'itterbio (nano-, pico-, femtosecondi) abbinati ad additivi migliori offrono un contrasto superiore e un dettaglio più fine.
• La velocità conta: le formulazioni ottimizzate consentono una marcatura almeno il 15% più rapida rispetto ai sistemi non ottimizzati, un fattore critico a velocità di linea superiori a 2,000 ft/min.
• Industria 4.0: le crescenti esigenze di tracciabilità nella produzione intelligente stanno rendendo la marcatura laser un processo predefinito anziché opzionale.

Domande frequenti

Che cosa sono gli additivi laser bifunzionali?

Sono sistemi additivi unici che, nello stesso compound, supportano sia la marcatura laser sia la saldatura laser per trasmissione. Un'unica formulazione consente allo stampatore di marcare un componente per la tracciabilità e di saldarlo al componente accoppiato senza dover specificare due materiali diversi.

Quali livelli di carica richiedono gli additivi laser?

Tipicamente tra circa 0.01% e 4.0% in peso nel componente finito, a seconda del polimero, del colore obiettivo e del fatto che il compound serva per la marcatura, per la saldatura o per entrambe. Si preferiscono i livelli di carica più bassi ogniqualvolta soddisfino comunque i requisiti di contrasto e di saldatura.

Perché gli additivi privi di metalli pesanti stanno diventando un requisito?

Le autorità sanitarie e normative e, sempre più spesso, i grandi clienti industriali limitano l'uso di metalli pesanti nei polimeri destinati a prodotti di consumo, medicali e a contatto con gli alimenti. Le nuove chimiche degli additivi garantiscono un contrasto equivalente senza di essi.

A che velocità può operare la marcatura laser sulle linee di estrusione?

Le linee di estrusione per fili e cavi che superano 2,000 ft/min vengono marcate in movimento, senza arrestare la linea, e le formulazioni di additivi ottimizzate hanno migliorato la velocità di marcatura ottenibile di almeno il 15%. La produttività dipende dalla risposta dell'additivo, dalla potenza del laser e dal contenuto di caratteri.

Perché i laser a fibra all'itterbio sono preferiti per queste applicazioni?

Uniscono un'eccellente qualità del fascio a un'elevata brillanza e si focalizzano su spot inferiori a 20 micron, per un'alta densità di energia. Le versioni MOPA aggiungono la durata d'impulso regolabile, ed è proprio questo a rendere possibile un controllo fine della schiumatura e della carbonizzazione.

Questo articolo è un adattamento di «Lasers Make Their Mark» di Mark Holmes, pubblicato originariamente su Compounding World, febbraio 2017. Crediti fotografici: PolyOne, The Sabreen Group.

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