Fundamentos de ciencia de materiales para el marcado láser de plásticos

Fundamentos de ciencia de materiales para el marcado láser de plásticos

Los avances en el marcado láser directo de plásticos ofrecen una calidad de marcado, un contraste y una velocidad sin precedentes. Con una aplicación adecuada, el marcado láser puede aportar numerosas ventajas de manufactura y agregar valor a la apariencia y la función de un producto. La generación más reciente de ciencia de materiales para plásticos y de sistemas de equipos láser está impulsando una fuerte demanda industrial del marcado láser indeleble como alternativa a la impresión con tinta convencional. Este artículo presenta conceptos e información básicos sobre las reacciones químicas entre los polímeros, los aditivos láser y longitudes de onda específicas de luz láser (emitida por diversas fuentes láser).

Los especialistas suelen suponer que los aditivos para marcado láser son necesarios en todas las aplicaciones de marcado láser de plásticos. Sin embargo, según el tipo de plástico que se va a marcar y sus requisitos de uso final en cuanto a contraste y calidad de detalle en líneas finas y nítidas, no siempre es necesario utilizar formulaciones de material optimizadas para láser. En cambio, una selección adecuada de la longitud de onda y del tipo de láser logrará el grado de marcabilidad requerido. Los resultados dependerán de factores como a) el grado y las propiedades específicas de la resina; b) el tipo de láser (longitud de onda, modo de salida de calidad del haz, configuración óptica, densidad de potencia, potencia pico/promedio, velocidad de marcado); c) los componentes de colorantes y cargas; d) el brillo y la textura de la superficie; y e) el contenido de material molido reciclado (regrind). Los compuestos colorantes como el TiO₂ y el negro de humo poseen cierto grado de absorción a determinadas longitudes de onda. El tamaño de partícula y la intensidad de negro (jetness) de estos compuestos también influyen. Además, grados específicos de resina, incluso dentro de la misma familia genérica, pueden producir resultados muy distintos, por ejemplo, los estirénicos.

Por otra parte, un beneficio que a menudo se pasa por alto al considerar si se incorporan aditivos láser es que las formulaciones optimizadas para láser pueden mejorar la velocidad de marcado, y no solo el contraste y la calidad del marcado decorativo o funcional. El uso de aditivos láser casi siempre reduce los tiempos de ciclo de marcado y permite usar una menor potencia del láser. Estos factores, en última instancia, ahorran dinero y aumentan la producción de manufactura.

Lograr una formulación química óptima de ciencia de materiales para el marcado láser de plásticos requiere experiencia en polímeros, en grados de propiedades dentro de las familias poliméricas, y en colorantes, pigmentos y tintes en cuanto a solubilidad, tamaños de partícula, límites de concentración umbral, igualación de color en uso con aditivos láser y certificaciones regulatorias (GRAS, contacto alimentario directo/indirecto de la FDA). Las soluciones de ciencia de materiales deben ser rentables, fáciles de usar y no tener efectos perjudiciales en las propiedades físicas y químicas de los productos poliméricos. Por ello, es absolutamente necesario que los químicos y formuladores tengan un amplio conocimiento de una gran variedad de tecnologías láser para asegurar un marcado robusto a alta velocidad de producción.

Este artículo se centra en los láseres de haz dirigido que operan en el rango de 1060 a 1070 nm. Esto incluye los láseres Nd:YAG (bombeados por lámpara de arco y por diodo), de vanadato y de fibra. Los láseres «YAG» tradicionales son los más populares en la industria del marcado láser por su longitud de onda de emisión, su desempeño de potencia y su gran versatilidad durante las últimas décadas. Los láseres de vanadato y de fibra son tecnologías mucho más recientes y, con frecuencia, su selección depende más de la aplicación. Sin embargo, pueden ofrecer excelentes resultados en las aplicaciones adecuadas.

El mecanismo básico del marcado láser de haz dirigido, con una longitud de onda de 1060 a 1070 nm, consiste en irradiar el polímero con una fuente de radiación de alta energía (el láser). El material absorbe localmente la energía radiante y la convierte en energía térmica. A su vez, la energía térmica induce reacciones en el material. En esta región de longitud de onda del infrarrojo cercano son posibles varios tipos de reacciones, entre ellas al menos 1) carbonización; 2) ablación; y 3) cambio químico. Según los resultados de contraste de marcado deseados, pueden seleccionarse químicas y parámetros del sistema láser muy distintos para lograr el tipo de reacción preferido. Contrario a la creencia popular, ¡no existe un único aditivo láser que resuelva todos los problemas de marcado!

Una reacción de carbonización ocurre cuando la energía absorbida eleva la temperatura local del material que rodea el sitio de absorción a un nivel suficientemente alto como para causar la degradación térmica del polímero. En presencia de oxígeno, esto provoca la combustión del polímero, pero dentro de la pieza el suministro limitado de oxígeno causa la carbonización del polímero y forma una marca negra. La oscuridad de la marca depende de la energía absorbida, así como de la ruta de degradación térmica del material.

La ablación ocurre cuando el polímero se calienta lo suficiente como para provocar su degradación y la evaporación de los subproductos de degradación, lo que deja un área grabada. Este tipo de marcado normalmente produce marcas de bajo contraste. Como referencia, los láseres CO₂ de onda continua (CW) operan a una longitud de onda de 10.6 µm (espectro del infrarrojo lejano). Los láseres CO₂ CW generan una potencia pico comparativamente mucho menor y normalmente no pueden producir marcas de alto contraste en la mayoría de los plásticos.

El cambio químico, mediante el uso de aditivos que liberan vapor durante la degradación, provoca la formación de espuma en el polímero. Durante el proceso de espumado, la energía láser es absorbida por un aditivo que se encuentra muy cerca del agente espumante. El calor del absorbente hace que el agente espumante se degrade y libere vapor. Ejemplos de agentes espumantes son el hidróxido de aluminio o diversos carbonatos. Para evitar la carbonización, el mecanismo requiere que el polímero se degrade a una temperatura más alta que la del aditivo espumante. Mediante un control estricto de los parámetros de operación del láser, se pueden generar marcas claras de buena calidad sobre sustratos oscuros. Un control deficiente del láser puede generar una marca friable o de bajo contraste.

Otro método de marcado láser consiste en usar la energía láser del infrarrojo cercano para calentar o degradar un colorante dentro de una mezcla de colorantes, provocando así un cambio de color. Un ejemplo es una mezcla de negro de humo y un colorante inorgánico estable. Al calentarse, el negro de humo se elimina y el colorante inorgánico permanece. Estos sistemas de colorantes mezclados dependen de la estabilidad específica de cada colorante y no todos los cambios de color son posibles.

En conclusión, es importante reconocer que no todos los láseres de haz dirigido son iguales. La química de la ciencia de materiales por sí sola no puede resolver todos los problemas de calidad de marcado. Los componentes de hardware y software que un fabricante de láseres incorpora en sus equipos marcan diferencias significativas en la calidad, la velocidad y la versatilidad del marcado. Al adquirir equipos láser, es importante tener en cuenta que no existe una solución universal única. Cada aplicación es única en cuanto a la composición y el color del sustrato de resina plástica, y al contraste de marcado deseado («oscuro sobre claro», «claro sobre oscuro» o «color personalizado»). Los avances actuales en la ciencia de materiales poliméricos y en las guías de onda láser son saltos cuánticos respecto a lo que hace apenas unos años no se consideraba posible.

Puntos clave

• El marcado es una reacción química entre el polímero, cualquier aditivo láser y la longitud de onda específica de la fuente láser.
• Los aditivos no siempre son necesarios: es una suposición común que conviene comprobar en cada material en lugar de aceptarla sin más.
• El marcado láser es una alternativa a la impresión con tinta convencional, y la ciencia de materiales es lo que la hace viable.
• La longitud de onda debe ajustarse al material, no elegirse según la disponibilidad del equipo.
• Bien aplicado, el marcado agrega valor a la apariencia y la función, no solo a la identificación.

Preguntas frecuentes

¿Todos los plásticos necesitan un aditivo láser para marcarse?

No, y es una suposición común que vale la pena verificar. Los especialistas suelen suponer que siempre se requieren aditivos, pero si se necesita uno depende del polímero, de sus colorantes y cargas, y de la longitud de onda de la fuente láser utilizada.

¿Qué crea realmente la marca?

Una reacción química entre el polímero, los aditivos láser presentes y la longitud de onda específica de la luz láser emitida por la fuente. Comprender esa interacción es lo que permite predecir si una combinación dada de material y láser producirá una marca utilizable.

¿Por qué el marcado láser está reemplazando la impresión con tinta convencional?

Porque la generación más reciente de ciencia de materiales para plásticos y de equipos láser produce una calidad de marcado, un contraste y una velocidad sin precedentes, sin tintas ni solventes consumibles. Bien aplicado, aporta ventajas de manufactura y agrega valor a la apariencia y la función del producto.

¿El tipo de fuente láser cambia el resultado?

Sí. Las distintas fuentes láser emiten diferentes longitudes de onda, y las reacciones químicas entre polímeros, aditivos y luz láser dependen de la longitud de onda. Por lo tanto, seleccionar la fuente es una decisión de ciencia de materiales, no solo de equipo.

¿Por dónde debe comenzar un proyecto de marcado láser?

Por el material. Establecer cómo responden el grado específico de polímero, sus colorantes y sus aditivos a las longitudes de onda candidatas determina todo lo demás: si se necesitan aditivos, qué contraste es alcanzable y qué velocidad es realista.

Scott R. Sabreen es fundador y presidente de The Sabreen Group, Inc., una empresa de ingeniería especializada en procesos de transformación secundaria de plásticos: marcado láser, pretratamientos de superficies, pegado, decoración y acabado, y seguridad del producto. Sabreen desarrolla tecnologías pioneras y resuelve problemas de manufactura desde hace más de 30 años. Puede comunicarse al 972.820.6777 o visitando www.sabreen.com o www.plasticslasermarking.com.

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