Scienza dei materiali di base per la marcatura laser delle materie plastiche

Scienza dei materiali di base per la marcatura laser delle materie plastiche

I progressi nella marcatura laser diretta delle materie plastiche offrono qualità, contrasto e velocità di marcatura senza precedenti. Se applicata correttamente, la marcatura laser delle materie plastiche può offrire numerosi vantaggi produttivi e dare valore all'aspetto e alla funzione di un prodotto. L'ultima generazione di scienza dei materiali plastici e di sistemi laser sta alimentando una forte domanda del settore per la marcatura laser indelebile come alternativa alla stampa a inchiostro convenzionale. Questo articolo presenta concetti e informazioni di base sulle reazioni chimiche tra polimeri, additivi laser e specifiche lunghezze d'onda della luce laser (emessa da diverse sorgenti laser).

Gli operatori ritengono spesso che gli additivi laser per i materiali siano necessari in tutte le applicazioni di marcatura laser delle materie plastiche. Tuttavia, a seconda del tipo di plastica da marcare e dei requisiti di contrasto e di nitidezza dei dettagli a linea sottile per l'uso finale, non è sempre necessario ricorrere a formulazioni di materiale ottimizzate per il laser. In alternativa, la scelta corretta della lunghezza d'onda e del tipo di laser consente di ottenere il grado di marcabilità richiesto. I risultati dipendono da fattori quali a) il grado specifico e le proprietà della resina; b) il tipo di laser (lunghezza d'onda, qualità del fascio, modalità di uscita, configurazione ottica, densità di potenza, potenza di picco/media, velocità di marcatura); c) i componenti coloranti e le cariche; d) la lucentezza e la texture superficiale; e) il contenuto di rimacinato. I composti coloranti come il TiO2 e il nerofumo possiedono una certa capacità di assorbimento a determinate lunghezze d'onda. Anche la dimensione delle particelle e l'intensità del nero di questi composti sono fattori rilevanti. Inoltre, specifici gradi di resina, anche all'interno della stessa famiglia generica, possono produrre risultati molto diversi, ad esempio gli stirenici.

D'altra parte, un vantaggio spesso trascurato quando si valuta se incorporare additivi laser è che le formulazioni ottimizzate per il laser possono migliorare la velocità di marcatura, e non solo il contrasto e la qualità della marcatura decorativa o funzionale. L'uso di additivi laser riduce quasi sempre i tempi di ciclo di marcatura e consente di utilizzare una potenza laser inferiore. Questi fattori si traducono in risparmi e in una maggiore produttività.

Per ottenere una formulazione chimica ottimale, basata sulla scienza dei materiali, per la marcatura laser delle materie plastiche servono competenze su polimeri, gradi con proprietà diverse all'interno delle famiglie polimeriche, coloranti, pigmenti e tinture (solubilità, dimensioni delle particelle, limiti di concentrazione soglia), abbinamento cromatico in uso con gli additivi laser e certificazioni normative (GRAS, contatto alimentare diretto/indiretto FDA). Le soluzioni di scienza dei materiali devono essere convenienti, facili da usare e non avere effetti dannosi sulle proprietà fisiche e chimiche dei prodotti polimerici. È quindi assolutamente necessario che chimici e formulatori abbiano un'ampia conoscenza di una vasta gamma di tecnologie laser, per garantire una marcatura robusta a velocità di produzione elevate.

Questo articolo si concentra sui laser a fascio orientato che operano nell'intervallo da 1060 a 1070 nm. Vi rientrano i laser Nd:YAG (a lampada ad arco e pompati a diodi), a vanadato e a fibra. I laser “YAG” tradizionali sono i più diffusi nel settore della marcatura laser per la lunghezza d'onda di emissione, le prestazioni di potenza e la grande versatilità dimostrata negli ultimi decenni. I laser a vanadato e a fibra sono tecnologie molto più recenti e spesso la loro scelta dipende maggiormente dall'applicazione. Possono tuttavia offrire risultati eccellenti nelle applicazioni adatte.

Il meccanismo di base della marcatura laser a fascio orientato, con una lunghezza d'onda da 1060 a 1070 nm, consiste nell'irradiare il polimero con una sorgente di radiazione ad alta energia (il laser). L'energia radiante viene assorbita localmente dal materiale e convertita in energia termica. L'energia termica, a sua volta, induce reazioni nel materiale. In questa regione di lunghezze d'onda nel vicino IR sono possibili diversi tipi di reazione, tra cui almeno 1) carbonizzazione; 2) ablazione; 3) cambiamento chimico. A seconda dei risultati di contrasto desiderati, è possibile scegliere chimiche e parametri del sistema laser molto diversi per ottenere il tipo di reazione preferito. Contrariamente a un'opinione diffusa, non esiste un unico additivo laser in grado di risolvere tutti i problemi di marcatura!

Una reazione di carbonizzazione si verifica quando l'energia assorbita porta la temperatura locale del materiale attorno al sito di assorbimento a un livello sufficientemente alto da causare la degradazione termica del polimero. In presenza di ossigeno ciò provoca la combustione del polimero, ma all'interno del pezzo la limitata disponibilità di ossigeno causa la carbonizzazione del polimero e forma una marcatura nera. L'intensità del nero della marcatura dipende dall'energia assorbita e dal percorso di degradazione termica del materiale.

L'ablazione si verifica quando il polimero viene riscaldato a sufficienza da provocarne la degradazione e l'evaporazione dei sottoprodotti di degradazione, con la formazione di un'area incisa. Questo tipo di marcatura dà normalmente marcature a basso contrasto. Come riferimento, i laser CO₂ a onda continua (CW) operano a una lunghezza d'onda di 10,6 µm (spettro del lontano infrarosso). I laser CO₂ CW generano una potenza di picco molto inferiore e normalmente non possono produrre marcature ad alto contrasto sulla maggior parte delle materie plastiche.

Il cambiamento chimico, ottenuto con additivi che rilasciano vapore durante la degradazione, provoca la schiumatura del polimero. Durante la schiumatura, l'energia laser viene assorbita da un additivo che si trova a stretto contatto con l'agente schiumogeno. Il calore dell'assorbitore fa degradare l'agente schiumogeno, che rilascia vapore. Esempi di agenti schiumogeni sono l'idrossido di alluminio o diversi carbonati. Per evitare la carbonizzazione, il meccanismo richiede che il polimero si degradi a una temperatura più alta di quella dell'additivo schiumogeno. Con un controllo accurato dei parametri operativi del laser, è possibile ottenere marcature chiare di qualità su substrati scuri. Uno scarso controllo del laser può generare una marcatura friabile o a basso contrasto.

Un altro metodo di marcatura laser consiste nell'usare l'energia laser nel vicino IR per riscaldare/degradare un colorante in una miscela di coloranti, provocando così un cambiamento di colore. Un esempio è una miscela di nerofumo e di un colorante inorganico stabile. Con il riscaldamento il nerofumo viene rimosso e resta il colorante inorganico. Questi sistemi a coloranti misti dipendono dalla stabilità specifica dei coloranti e non tutti i cambiamenti di colore sono possibili.

In conclusione, è importante riconoscere che non tutti i laser a fascio orientato sono uguali. La sola chimica della scienza dei materiali non può risolvere tutti i problemi di qualità della marcatura. I componenti hardware e software che un produttore di laser integra nelle proprie apparecchiature fanno differenze significative in termini di qualità, velocità e versatilità di marcatura. Nell'acquisto di apparecchiature laser è importante ricordare che non esiste un'unica soluzione universale. Ogni applicazione è unica per composizione e colore del substrato in resina plastica e per il contrasto di marcatura desiderato (“scuro su chiaro”, “chiaro su scuro” o “colore personalizzato”). I moderni progressi della scienza dei materiali polimerici e dei guidaonda laser sono balzi in avanti rispetto a ciò che, solo pochi anni fa, non si riteneva possibile.

Punti chiave

• La marcatura è una reazione chimica tra il polimero, l'eventuale additivo laser e la specifica lunghezza d'onda della sorgente laser.
• Gli additivi non sono sempre necessari: è un'ipotesi diffusa che vale la pena verificare per ogni materiale anziché accettarla.
• La marcatura laser è un'alternativa alla stampa a inchiostro convenzionale, e la scienza dei materiali è ciò che la rende praticabile.
• La lunghezza d'onda deve essere abbinata al materiale, non scelta in base alla disponibilità delle apparecchiature.
• Se applicata correttamente, la marcatura aggiunge valore all'aspetto e alla funzione, non solo all'identificazione.

Domande frequenti

Tutte le materie plastiche richiedono un additivo laser per essere marcate?

No, ed è un'ipotesi diffusa che vale la pena verificare. Gli operatori ritengono spesso che gli additivi siano sempre necessari, ma la necessità dipende dal polimero, dai suoi coloranti e cariche e dalla lunghezza d'onda della sorgente laser utilizzata.

Che cosa crea effettivamente la marcatura?

Una reazione chimica tra il polimero, gli eventuali additivi laser presenti e la specifica lunghezza d'onda della luce laser emessa dalla sorgente. Comprendere questa interazione permette di prevedere se una data combinazione di materiale e laser produrrà una marcatura utilizzabile.

Perché la marcatura laser sta sostituendo la stampa a inchiostro convenzionale?

Perché l'ultima generazione di scienza dei materiali plastici e di apparecchiature laser offre qualità, contrasto e velocità di marcatura senza precedenti, senza inchiostri né solventi di consumo. Se applicata correttamente, offre vantaggi produttivi e aggiunge valore all'aspetto e alla funzione del prodotto.

Il tipo di sorgente laser cambia il risultato?

Sì. Sorgenti laser diverse emettono lunghezze d'onda diverse e le reazioni chimiche tra polimeri, additivi e luce laser dipendono dalla lunghezza d'onda. La scelta della sorgente è quindi una decisione di scienza dei materiali, non solo di apparecchiature.

Da dove dovrebbe partire un progetto di marcatura laser?

Dal materiale. Stabilire come rispondono alle lunghezze d'onda candidate lo specifico grado di polimero, i suoi coloranti e i suoi additivi determina tutto ciò che segue: se servono additivi, quale contrasto è ottenibile e quale velocità è realistica.

Scott R. Sabreen è fondatore e presidente di The Sabreen Group, Inc., una società di ingegneria specializzata nei processi di trasformazione secondaria delle materie plastiche: marcatura laser, pretrattamenti superficiali, incollaggio, decorazione e finitura e sicurezza del prodotto. Sabreen sviluppa tecnologie pionieristiche e risolve problemi di produzione da oltre 30 anni. Può essere contattato al numero 972.820.6777 oppure visitando www.sabreen.com o www.plasticslasermarking.com.

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