El láser de fibra permite el marcado de plásticos avanzados

El láser de fibra permite el marcado de plásticos avanzados

Aditivos innovadores aprobados por la FDA, mezclados en los polímeros durante el procesamiento primario, optimizan el marcado láser de plásticos. Entre los beneficios significativos se encuentran la alta velocidad, el contraste superior y el ahorro de costos. Los nuevos aditivos químicos pueden producir contraste negro intenso, de colores claros y de color personalizado, tanto “al vuelo” como en operaciones secundarias. Diseñado para láseres de fibra de iterbio económicos, el marcado láser en línea sin tinta ahora reemplaza el huecograbado rotativo y la tampografía tradicionales.

Puntos clave

• La mayoría de los polímeros no tienen absorción en el infrarrojo cercano, por lo que los aditivos son lo que hace posible el marcado a 1060–1080 nm.
• Los aditivos sin metales pesados, aprobados por la FDA y la EFSA, ofrecen alto contraste sin alterar la claridad, la transmisión espectral ni las propiedades físicas.
• Los aditivos reducen el tiempo de marcado en 20% o más frente a formulaciones no optimizadas, lo que compensa rápidamente su costo.
• El MOPA supera al Q-switch en frecuencia de repetición (hasta 500 kHz frente a aproximadamente 80 kHz), y los pulsos cortos de menos de 40 ns son adecuados para polímeros sensibles.
• Las velocidades al vuelo alcanzan 2,000 piezas/min en tapas y 500 ft/min o más en producto extruido lineal.

Preguntas frecuentes

¿Qué nivel de carga de aditivo láser se requiere?

Entre 0.01% y 4.0% en peso en la pieza final, según el aditivo y el polímero. El granulado se mezcla directamente con la resina; el polvo primero se convierte en masterbatch. El material de color precompuesto ofrece mejor uniformidad que el concentrado de color en extrusión, moldeo por inyección y termoformado.

¿Los aditivos láser afectan la claridad o las propiedades físicas?

Los aditivos correctamente formulados no las afectan. La claridad del polímero, la transmisión espectral y las propiedades físicas base no se alteran, lo que hace práctico el marcado de polímeros transparentes y semitransparentes sin comprometer el producto.

¿Qué tan rápido puede operar realmente el marcado láser al vuelo?

Las velocidades de marcado en corchos sintéticos de poliolefina para vino y en promociones bajo la tapa en cierres de bebidas sin sello interior alcanzan 2,000 piezas por minuto para texto alfanumérico y gráficos. El marcado lineal de texto y códigos de visión artificial alcanza 500 ft/min o más.

¿Cuál es la diferencia entre los láseres de fibra Q-switch y MOPA?

Los láseres de fibra Q-switch normalmente operan con anchos de pulso de 100–120 ns y están limitados a una frecuencia de repetición de alrededor de 80 kHz por la propia tecnología Q-switch. Los láseres MOPA de modulación directa operan hasta 500 kHz con anchos de pulso de nanosegundos, y las frecuencias de repetición más altas generalmente se traducen en un marcado más rápido.

¿Estos aditivos están aprobados para contacto con alimentos y dispositivos médicos?

Aditivos específicos cuentan con la aprobación de la FDA para contacto con alimentos y empaque de alimentos bajo las condiciones A–H de 21 CFR 178.3297, Colorants for Polymers, con declaraciones de cumplimiento equivalentes en la UE. Una calificación adicional de la pieza terminada puede lograr la biocompatibilidad de dispositivos médicos. La certificación es específica para el tipo de polímero, el umbral de carga y el contacto directo o indirecto.

Aplicaciones de producto

Los polímeros de color transparentes, semitransparentes y opacos, incluidos nylons, tereftalato de polietileno (PET), policarbonatos, poliolefinas, policloruro de vinilo (PVC), estirénicos, elastómeros termoplásticos (TPE) y poliuretanos termoplásticos (TPU), se formulan de manera exclusiva con aditivos sin metales pesados y aprobados por la FDA y la Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA) para lograr un marcado de alto contraste (vea la Figura 1). La claridad del polímero, la transmisión espectral y las propiedades físicas base no se ven afectadas. El marcado láser digital sin contacto reemplaza las costosas etiquetas adhesivas y los procesos de impresión con tintas químicas. El resultado es un atractivo estético superior, rentable y ecológico en la aplicación.

Mecanismo de reacción del marcado láser en polímeros

Los avances logrados en la formulación de aditivos químicos láser para uso con láseres de infrarrojo cercano (NIR) (longitud de onda de 1060–1080nm) radican en su compatibilidad con láseres de fibra de iterbio, de vanadato y con los láseres Nd:YAG predecesores. La mayoría de los polímeros no poseen propiedades de absorción NIR sin aditivos químicos¹. Los polímeros que pueden marcarse con láser son aquellos que absorben la luz láser y la convierten de energía lumínica a energía térmica. Los expertos utilizan aditivos, cargas, pigmentos y colorantes para aumentar la absorción de la energía láser y producir cambios de color localizados. Se emplean químicas de formulación y parámetros de óptica/configuración del láser muy distintos según el contraste de marcado y la funcionalidad deseados.

El mecanismo de reacción superficial más común se denomina “carbonización” o “carbonizado” termoquímico, en el que la energía absorbida en el sustrato eleva la temperatura local del material que rodea el sitio de absorción lo suficiente como para causar la degradación térmica del polímero. Lo oscura o clara que resulte la marca depende de la energía absorbida y de la ruta de degradación térmica propia del material. Al optimizar la configuración del láser, el residuo de carbonización superficial es mínimo.

Aditivos láser

Los aditivos láser de infrarrojo cercano mejoran el grado de contraste, que puede intensificarse aún más cambiando los parámetros de configuración del láser. Los polímeros poseen características inherentes para producir un contraste de marcado “de color oscuro” o “de color claro”. Algunos compuestos colorantes con bajas cantidades de dióxido de titanio (TiO2) y negro de humo también pueden absorber luz láser y, en algunos casos, mejorar el contraste de marcado. Cada grado de polímero, incluso dentro de la misma familia polimérica, puede producir resultados diferentes. Las formulaciones de aditivos no pueden ser tóxicas ni afectar negativamente la apariencia ni las propiedades físicas o funcionales de los productos.

En comparación con los procesos de impresión con tinta (tampografía, serigrafía e inyección de tinta), los aditivos láser ahorran costos y pueden demostrar velocidades de marcado 20% o más rápidas frente a materiales no optimizados. Los aditivos láser se suministran en forma de granulado (pellets) y en polvo. Los productos granulados pueden mezclarse directamente con la resina polimérica, mientras que las formas en polvo se convierten en masterbatch. La mayoría se dispersa fácilmente en los polímeros. Según el aditivo y el polímero, el nivel de concentración de carga en peso (en la pieza final) va de 0.01 a 4.0%.

Tanto el granulado como el polvo pueden mezclarse en material de color precompuesto o en concentrado de color. La selección del aditivo por incorporar depende de la composición del polímero, el color del sustrato, el color de contraste de marcado deseado y los requisitos de certificación para el uso final. En operaciones de extrusión, moldeo por inyección y termoformado, los materiales precompuestos con color ofrecen mejor uniformidad que el concentrado de color. Debe evitarse el mezclado manual. El flujo en el molde y el tipo y ubicación de la compuerta son factores importantes. La distribución/dispersión homogénea de los aditivos láser en toda la pieza es fundamental para lograr un desempeño de marcado óptimo.

Algunos aditivos contienen mezclas de óxido de estaño dopado con antimonio y trióxido de antimonio que pueden impartir un tono “grisáceo” a la opacidad natural (sin color) del sustrato. Otros aditivos pueden contener partículas de aluminio, óxidos metálicos mixtos y compuestos patentados. Los ajustes de color se realizan con pigmentos y colorantes para lograr la apariencia final del ajuste de color. Aditivos específicos disponibles comercialmente (que también se usan para soldadura láser) han recibido la aprobación de la FDA para contacto con alimentos y uso en empaque de alimentos bajo las condiciones A-H de 21 CFR 178.3297 – Colorants for Polymers. Para la Unión Europea existen declaraciones de cumplimiento similares. Las condiciones de certificación son específicas para el tipo de polímero, el umbral del nivel de carga y el contacto directo o indirecto. Una calificación adicional de los aditivos aprobados por la FDA mezclados en una “pieza final” puede lograr la biocompatibilidad de dispositivos médicos².

Tecnología de láser de fibra de iterbio de nanosegundos

Las mejoras en la tecnología láser han sido fundamentales para el rápido desarrollo de la nueva generación de aditivos láser aprobados por la FDA. La aparición de los láseres de fibra de iterbio de nanosegundos es uno de los avances más significativos para el marcado, la soldadura y el corte.

Fundamentalmente, los láseres de fibra son diferentes de otros láseres de marcado de estado sólido bombeados por diodo (DPSS). En los láseres de fibra, el medio activo que genera el haz láser está disperso dentro de un cable de fibra óptica especializado. A diferencia de los láseres con entrega por fibra, todo el trayecto del haz se encuentra dentro de un cable de fibra óptica hasta la óptica de entrega del haz. Esta estructura totalmente de fibra es en gran medida responsable de la confiabilidad y robustez de estos láseres, lo que explica su rápido crecimiento.

Los láseres de fibra ofrecen una calidad de haz (M2) y un brillo superiores en comparación con los láseres Nd:YAG. Un láser con calidad de haz superior puede enfocarse en un punto de tamaño pequeño, lo que produce una alta densidad de energía. Los láseres de fibra de oscilador maestro con amplificador de potencia (MOPA) de pulso fijo y variable, con energía de pulso de hasta 1mJ y alta densidad de potencia, pueden marcar muchos polímeros históricamente difíciles (vea la Figura 2)³.

Los láseres de vanadato también poseen un valor M2 pequeño con un ancho de pulso más corto que los láseres de fibra fijos y YAG. La duración del pulso influye en el grado de calor y carbonización en el material. Los pulsos cortos, normalmente <40ns, permiten un aporte de energía más controlado al procesar materiales poliméricos sensibles. Estos pulsos aún tienen la potencia pico para superar los umbrales del material, pero con menor energía de pulso para reducir el daño térmico localizado.

IPG Photonics, desarrollador y fabricante líder de láseres de fibra de alto desempeño, ofrece láseres de pulso fijo de la Serie YLP (a veces llamados “Q-switch”) y láseres YLPN (MOPA) de pulso corto variable. Los láseres de fibra Q-switch, normalmente con ancho de pulso de 100–120ns, se emplean en algunas aplicaciones de marcado, pero su frecuencia de repetición está limitada a alrededor de 80kHz por la restricción inherente de la tecnología Q-switch. Los láseres de fibra MOPA de modulación directa (DM-MOPA) pueden operar a frecuencias de repetición de hasta 500kHz con anchos de pulso de nanosegundos. Las frecuencias de repetición altas generalmente se traducen en mayor velocidad de marcado (junto con otros parámetros del láser/guía de onda).

El desarrollo de aplicaciones es muy específico, ya que no existe una solución láser universal. Los láseres MOPA de duración de pulso corta pueden aprovechar al máximo el desempeño de los sensibles aditivos químicos aprobados por la FDA. El control espacial y temporal localizado del aporte de calor del láser y de su velocidad permite el máximo desempeño. La selección del tipo de láser por integrar se determina por las características de salida del láser al interactuar con el material polimérico optimizado. La FIGURA 3 representa las formas temporales de pulso de láseres de fibra de iterbio de longitud de pulso fija y variable (MOPA) [3].

Al configurar un láser de fibra de longitud de pulso fija para marcado, deben establecerse dos parámetros:

• Frecuencia de repetición de pulso (a menudo llamada frecuencia de pulso) y
• Potencia de bombeo en porcentaje: 100% se refiere a la máxima entrada eléctrica posible a los diodos de bombeo.

Al configurar un láser de fibra MOPA de pulso corto variable para marcado, se establecen tres parámetros:

• Duración del pulso (a menudo llamada longitud de pulso);
• Frecuencia de repetición de pulso (frecuencia de pulso); y
• Potencia de bombeo en porcentaje, como se explicó anteriormente.

En ambos casos, la combinación particular de parámetros de entrada controla las propiedades de salida del haz láser, es decir, la energía de pulso, la potencia pico (el pico instantáneo más alto de la energía del pulso, joules/duración del pulso) y la potencia promedio (potencia promedio en watts = energía de pulso en joules × frecuencia de repetición de pulso en hertz).

Marcado láser “al vuelo”

El marcado láser “al vuelo” es una de las aplicaciones más especializadas que se realizan en productos moldeados y extruidos, como alambre/cable, tubos y tuberías. Las velocidades de marcado en corchos sintéticos de poliolefina para vino y en promociones bajo la tapa en cierres de bebidas sin sello interior alcanzan 2000 piezas/min para texto alfanumérico y gráficos (vea la Figura 4). Las velocidades de marcado lineal de texto y códigos de visión artificial pueden alcanzar 500 ft/min o más, donde el marcado láser sin tinta ahora reemplaza el huecograbado rotativo y la tampografía.

La velocidad de marcado es función de muchas variables, entre ellas el tipo de polímero, el color del sustrato, el tipo de aditivo láser y su nivel de carga, el tamaño (peso) del cable, el tipo y la potencia del láser, el software, el número de caracteres alfanuméricos, la altura del texto, la longitud de la cadena de texto, el espacio entre caracteres, el código de barras/data matrix, los logotipos/gráficos, las fuentes de trazo único o true-type rellenas, la dirección de relleno y el texto continuo o repetitivo. El uso de un aditivo colorante correctamente formulado garantizará que la “densidad de potencia” en la superficie de la marca no sea el factor limitante. En cambio, los galvanómetros de dirección del haz operarán a máxima velocidad.

Debido a la complejidad de los factores que influyen en la capacidad de marcado al vuelo en producción, cada aplicación debe examinarse con precisión. Hay pocas reglas, si acaso alguna, que puedan extrapolarse. Sin embargo, como referencia general, considere el siguiente ejemplo con polímero nylon que involucra un láser de fibra de 50W, una lente de campo plano de 254mm, 100 caracteres alfanuméricos, 2mm de altura, una cadena de texto repetitiva de 14.68 pulg. de longitud y un tiempo de marcado de 0.232s. La velocidad calculada es de aproximadamente 315 ft lineales/min.

Sistemas de equipo láser

Los componentes de hardware y software que un fabricante de láseres incorpora en sus sistemas marcan una diferencia significativa en el contraste, la calidad y la velocidad de marcado. Un atributo principal es la densidad de potencia (W/cm2) en la superficie de la marca (que es diferente de la potencia de salida bruta del láser). El modo de salida del haz láser es fundamental para el desempeño del marcado. Estos modos de salida se relacionan con factores como la divergencia del haz y la distribución de potencia a lo largo del diámetro del haz láser.

La densidad de potencia es función del tamaño del punto láser enfocado. El tamaño del punto láser enfocado, para cualquier distancia focal de lente y longitud de onda del láser, es función de la divergencia del haz láser, que se controla mediante la configuración del láser, el tamaño de la apertura selectora de modo y el aumento del upcolimador (expansor de haz). La frecuencia de repetición de pulso y la densidad de potencia pico son parámetros críticos para formar la marca y lograr el contraste y la velocidad óptimos. Las curvas aritméticas de potencia frente a frecuencia de repetición de pulso son inversamente proporcionales. Una alta potencia pico a baja frecuencia eleva rápidamente la temperatura superficial y vaporiza el material, conduciendo un calor mínimo hacia el sustrato. Al aumentar la frecuencia de repetición de pulso, una menor potencia pico produce una vaporización mínima pero conduce más calor. Otros factores que influyen en el contraste y la calidad del marcado son, por supuesto, la velocidad del haz y la distancia de separación entre las líneas de vector.

Conclusión

Los aditivos láser innovadores aprobados por la FDA incorporados en los polímeros producen un contraste de marcado, un detalle de bordes de línea y una velocidad superiores. Los productos que incorporan aditivos que mejoran el láser logran velocidades de marcado 20% o más rápidas. Los beneficios compensan rápidamente el costo incremental del aditivo. Los avances en la tecnología económica de láseres de fibra de iterbio de nanosegundos han sido fundamentales. El marcado láser en línea y al vuelo ahora reemplaza el huecograbado rotativo y la tampografía. La química optimizada de ciencia de materiales para el marcado láser de plásticos requiere experiencia en polímeros, colorantes, pigmentos y tintes en lo relativo a solubilidad, tamaños de partícula, límites de concentración umbral, ajuste de color y certificaciones regulatorias (GRAS, contacto directo/indirecto con alimentos de la FDA). No todos los láseres de fibra son iguales.

Agradecimientos y referencias

El autor reconoce el Mark-it Laser Marking Pigment Technical Bulletin 2002 de BASF Corporation, con contribuciones de contenido técnico de The Sabreen Group; a Bruce Mulholland de Hoechst Technical Polymers y The Sabreen Group por “Enlightened laser marking,” Lasers & Optronics (Jul. 1997); y a Daniel S. Burgess de Baasel Lasertechnik GmbH y The Sabreen Group por “Laser marking: A clean economical packaging solution,” Photonics Spectra (Nov. 2001).

• Sabreen, S. Fiber Lasers: Selection and Additives, Plastics Decorating, November 2017.
• Polyamide (PA) Nylon Complete Guide, SpecialChem 2019.
• Brodsky, M. Wave Forms: A New Laser Tool, Optics & Photonics, March 2012.

Scott R. Sabreen es fundador y presidente de The Sabreen Group, Inc., una empresa de consultoría en ingeniería especializada en procesos de transformación secundaria de plásticos: pretratamientos de superficie, unión por adhesión, impresión por inyección de tinta, marcado láser, decoración y acabado, y seguridad del producto. Sabreen ha desarrollado tecnologías pioneras y resuelto problemas de manufactura durante más de 30 años. Puede contactarlo al 972.820.6777 o visitando www.sabreen.com.

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