Los «aditivos inteligentes» mejoran el marcado láser de plásticos

Los «aditivos inteligentes» mejoran el marcado láser de plásticos

Mejor contraste, detalle de bordes de línea y velocidad

La generación más reciente de «aditivos inteligentes» para marcado láser incorporados en polímeros es un salto cuántico en tecnología, tanto habilitador como generador de ahorro de costos. Estas formulaciones avanzadas de ciencia de materiales logran un contraste de marcado, un detalle de bordes de línea y una velocidad sin precedentes en plásticos que tradicionalmente han sido difíciles, si no imposibles, de marcar con láser. Diseñadas para reacciones térmicas químicas de superficie, estas formulaciones son ideales para láseres de fibra, YAG y de vanadato que operan a una longitud de onda de 1060 a 1070 nm (espectro del infrarrojo cercano).

Los polímeros que pueden marcarse con láser son aquellos que absorben la luz láser y la convierten de energía lumínica en energía térmica. Como la mayoría de los polímeros no posee propiedades de absorción a 1060 a 1070 nm, los expertos utilizan aditivos, cargas, pigmentos y tintes que mejoran la absorción de la energía láser para lograr cambios de color localizados. La química de ciencia de materiales para lograr un marcado láser de alto contraste y de color es tanto arte como ciencia. Contrario a la creencia popular, no existe un único aditivo láser que resuelva todos los problemas de marcado. Se emplean químicas de formulación, tipos de láser (fibra, YAG, vanadato) y ópticas o parámetros de configuración del láser muy distintos, según el contraste de marcado y la funcionalidad deseados.

La FIGURA 1 muestra un «contraste de marcado oscuro» en polietileno (izquierda), un «contraste de marcado blanco» en nylon (centro) y un color personalizado amarillo-dorado en ABS (derecha). También demuestra tres mecanismos únicos de reacción superficial. Primero, el proceso de carbonización ocurre cuando la energía absorbida eleva la temperatura local del material que rodea el sitio de absorción lo suficiente como para causar la degradación térmica del polímero. Aunque esto puede provocar la combustión del polímero en presencia de oxígeno, el suministro limitado de oxígeno en el interior del sustrato provoca la carbonización del polímero y forma un contraste de marcado negro u oscuro. Lo oscura que resulta la marca depende de la energía absorbida, así como de la ruta de degradación térmica propia del material. Cuando se mezclan en la matriz de colorante de la resina, los aditivos que producen un contraste de marcado oscuro suelen contener mezclas de óxido de estaño dopado con antimonio, trióxido de antimonio o partículas de aluminio. Todos se dispersan fácilmente en los polímeros. Los niveles típicos de concentración de carga en peso van de 0.01% a 3.0%. Muchas de las formulaciones finales han recibido la aprobación de la FDA para su uso bajo las condiciones A-H de 21 CFR 178.3297 Colorant for Polymers.

Una segunda reacción superficial es el cambio químico, mediante el uso de aditivos que liberan vapor durante la degradación, lo que 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 duraderas y de alta calidad sobre sustratos oscuros. Un control deficiente del láser puede generar una marca friable o de bajo contraste, que se raya con facilidad (baja durabilidad).

Tercero, la energía láser se utiliza para calentar o degradar un colorante dentro de una mezcla de colorantes, lo que produce 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.

Las formulaciones para láser no pueden ser tóxicas ni afectar negativamente la apariencia ni las propiedades físicas o funcionales de los productos. Deben absorber suficiente energía láser para elevar la temperatura local del polímero a un nivel lo bastante alto como para lograr la carbonización o el espumado del polímero y así crear la marca. Esta temperatura variará según el polímero, incluso dentro de una misma familia de polímeros.

Puntos clave

• No existe un aditivo universal. Contrario a la creencia popular, la química debe ajustarse al polímero, al color y al láser.
• Tres mecanismos (carbonización, espumado y cambio de color del colorante) cubren las marcas oscuras, blancas y de color personalizado.
• La carga es baja, normalmente de 0.01% a 3.0% en peso, y muchas formulaciones están aprobadas por la FDA bajo 21 CFR 178.3297.
• Las mejoras de velocidad de 15% o más provienen de aditivos en concentraciones tan bajas como 0.01% a 2.0%.
• La temperatura de degradación térmica predice la marcabilidad. Dos grados de HDPE pueden marcarse de forma muy distinta solo por este motivo.

Preguntas frecuentes

¿Existe un único aditivo láser que resuelva todos los problemas de marcado?

No. Contrario a la creencia popular, no existe un aditivo universal. Se requieren químicas de formulación, tipos de láser (fibra, YAG o vanadato) y ópticas y parámetros de configuración muy distintos según el contraste y la funcionalidad deseados.

¿Cómo producen los aditivos marcas blancas sobre plástico oscuro?

Mediante el espumado. Un aditivo libera vapor al degradarse, y la energía láser es absorbida por un absorbente cercano al agente espumante. El hidróxido de aluminio y diversos carbonatos son agentes espumantes típicos. El polímero debe degradarse a una temperatura más alta que el aditivo espumante; de lo contrario, ocurre carbonización.

¿Por qué dos grados del mismo polímero se marcan de forma distinta?

Por sus distintas temperaturas de degradación térmica. El análisis termogravimétrico de dos muestras de HDPE muestra un inicio de degradación medible y distinto, y el polímero de mayor temperatura necesita más energía láser, un marcado más lento o más aditivo absorbente para lograr la misma apariencia de marca.

¿Qué tan rápido es el marcado con aditivos optimizados?

Mejoras estadísticamente significativas de 15% o más frente a formulaciones no optimizadas, logradas con concentraciones bajas de aproximadamente 0.01% a 2.0%. El marcado «al vuelo» de promociones bajo la tapa en tapas de bebidas sin sello interior opera a velocidades de hasta 1,500 tapas por minuto.

¿Qué hace que una marca clara se raye con facilidad?

El control deficiente del láser durante el espumado. Sin un control estricto de los parámetros, el resultado es una marca friable o de bajo contraste con poca durabilidad, en lugar de la marca clara duradera y de alta calidad que el mecanismo puede producir.

Cómo lograr mayores velocidades de marcado

El tiempo necesario para marcar una pieza depende del sustrato polimérico, del número de líneas vectoriales trazadas y de la rapidez con que el haz láser y el cabezal de escaneo con galvanómetro trazan todas las líneas. El software del láser y el tipo de relleno vectorial, unidireccional, bidireccional o serpentina, también pueden afectar el tiempo de marcado. Nuevos estudios independientes muestran que se pueden lograr velocidades de marcado estadísticamente más altas al incorporar formulaciones de aditivos láser en concentraciones muy bajas, normalmente de 0.01% a 2.0%.

La FIGURA 2 muestra una gráfica de análisis termogravimétrico (TGA) de dos polietilenos de alta densidad. Los dos polímeros presentan distintas temperaturas de degradación térmica, el proceso que crea la marca láser. El polímero de mayor temperatura requerirá más energía láser, menores velocidades de marcado o más aditivo absorbente para lograr la misma apariencia de marca. Los aditivos inteligentes ahorran costos y demuestran velocidades de marcado 15% superiores o más frente a formulaciones de material no optimizadas. Una aplicación interesante es el marcado láser «al vuelo» para promociones bajo la tapa en tapas de bebidas sin sello interior. Los sistemas llave en mano son capaces de marcar gráficos únicos y texto alfanumérico a velocidades de hasta 1,500 tapas por minuto. En la FIGURA 3 se muestran ejemplos.

Tecnología láser

Los avances en la tecnología láser han sido fundamentales para el rápido desarrollo de los aditivos láser inteligentes. La tecnología de láseres de fibra de nanosegundos es un campo emergente y uno de los avances más significativos en láseres para marcar, soldar y cortar. Los láseres de fibra son fundamentalmente distintos de otros láseres de marcado de estado sólido. 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 del cable de fibra óptica hasta la óptica de entrega del haz.

Los láseres de fibra ofrecen una calidad de haz y un brillo superiores. La métrica de calidad del haz es M². Cuanto menor sea el valor de M², mejor será la calidad del haz, y M² = 1 corresponde al haz láser gaussiano ideal. Un láser con calidad de haz superior puede enfocarse a un tamaño de punto pequeño, lo que produce una alta densidad de energía. Los láseres de fibra MOPA con energía de pulso de hasta 1 mJ y alta densidad de potencia pueden marcar muchos polímeros históricamente difíciles, incluidos nylons, uretanos y acetales.

No todos los láseres de fibra, YAG y de vanadato de haz dirigido son iguales. 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 primordial es la densidad de potencia (W/cm²) en la superficie de marcado (que es distinta de la potencia de salida bruta del láser). El modo de salida del haz láser es determinante 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 depende del tamaño del punto láser enfocado.

Para cualquier distancia focal de lente y longitud de onda del láser, el tamaño del punto láser enfocado depende de la divergencia del haz, la cual se controla mediante la configuración del láser, el tamaño de la apertura selectora de modo y el aumento del colimador ascendente (expansor de haz). La frecuencia de repetición de pulsos y la densidad de potencia pico son parámetros críticos para formar la marca y lograr el contraste y la velocidad óptimos. Una alta potencia pico a baja frecuencia eleva rápidamente la temperatura de la superficie y vaporiza el material, al tiempo que conduce un calor mínimo hacia el sustrato. Al aumentar la repetición de pulsos, una menor potencia pico produce una vaporización mínima pero conduce más calor.

Conclusión

La generación más reciente de «aditivos inteligentes» para marcado láser incorporados en polímeros ofrece un contraste de marcado, un detalle de bordes de línea y una velocidad sin precedentes. Estos beneficios compensan rápidamente el costo incremental del aditivo. 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 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 del polímero.

Referencias

• Engelhard Corporation Mark-it™ Laser Marking Pigment Technical Bulletin 2002, with technical content contributions from The Sabreen Group Inc.
• Bruce Mulholland (Hoechst Technical Polymers) and Scott Sabreen (The Sabreen Group Inc.), “Enlightened Laser Marking,” Lasers&Optronics, July 1997.
• Daniel S. Burgess, Scott R. Sabreen, & Carl Baasel Lasertechnik GmbH, “Laser Marking: A Clean Economical Packaging Solution,” Photonics Spectra, November 2001.

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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