Il laser a fibra rende possibile la marcatura delle materie plastiche avanzate

Il laser a fibra rende possibile la marcatura delle materie plastiche avanzate

Additivi miscelati ai polimeri approvati FDA, di tipo innovativo, inseriti durante la lavorazione primaria, ottimizzano la marcatura laser delle materie plastiche. Velocità elevata, contrasto superiore e risparmio sui costi sono tra i vantaggi più significativi. Nuovi additivi chimici possono produrre contrasti nero intenso, in tinte chiare e in colori personalizzati, sia «al volo» sia nelle lavorazioni secondarie. Progettata per laser a fibra all'itterbio economici, la marcatura senza inchiostri in linea sostituisce ora la rotocalco rotativa e la tampografia tradizionali.

Punti chiave

• La maggior parte dei polimeri non presenta assorbimento nel vicino infrarosso, per cui sono gli additivi a rendere possibile la marcatura a 1060-1080 nm.
• Additivi approvati FDA ed EFSA privi di metalli pesanti garantiscono un contrasto elevato senza alterare trasparenza, trasmissione spettrale o proprietà fisiche.
• Gli additivi riducono il tempo di marcatura del 20% o più rispetto alle formulazioni non ottimizzate, compensando rapidamente il loro costo.
• Il MOPA supera il Q-switched per frequenza di ripetizione (fino a 500 kHz contro circa 80 kHz) e gli impulsi brevi, inferiori a 40 ns, sono adatti ai polimeri sensibili.
• Le velocità al volo raggiungono 2.000 pezzi/min sui tappi e 500 ft/min e oltre sui prodotti estrusi lineari.

Domande frequenti

Quale livello di dosaggio dell'additivo laser è necessario?

Tra lo 0,01% e il 4,0% in peso nel pezzo finito, in funzione dell'additivo e del polimero. Il granulato si miscela direttamente con la resina; la polvere viene prima convertita in masterbatch. Il materiale colorato precompoundato garantisce una maggiore uniformità rispetto al concentrato di colore per estrusione, stampaggio a iniezione e termoformatura.

Gli additivi laser influiscono su trasparenza o proprietà fisiche?

Se formulati correttamente, no. Trasparenza del polimero, trasmissione spettrale e proprietà fisiche di base non subiscono alterazioni, ed è ciò che rende praticabile la marcatura di polimeri trasparenti e semitrasparenti senza compromettere il prodotto.

Quanto può essere veloce, in pratica, la marcatura laser al volo?

Le velocità di marcatura per i tappi sintetici in poliolefina per il vino e le promozioni sotto tappo sulle chiusure per bevande senza liner raggiungono 2.000 pezzi al minuto per testo alfanumerico e grafica. La marcatura lineare di testo e codici per visione artificiale raggiunge 500 ft/min e oltre.

Qual è la differenza tra laser a fibra Q-switched e MOPA?

I laser a fibra Q-switched hanno in genere larghezze di impulso di 100-120 ns e sono limitati a una frequenza di ripetizione di circa 80 kHz dalla tecnologia Q-switching stessa. I laser MOPA a modulazione diretta operano fino a 500 kHz con larghezze di impulso nell'ordine dei nanosecondi, e frequenze di ripetizione più elevate si traducono in genere in una marcatura più rapida.

Questi additivi sono approvati per il contatto con gli alimenti e per i dispositivi medici?

Additivi specifici hanno l'approvazione FDA per il contatto con gli alimenti e per l'imballaggio alimentare nelle condizioni A-H del 21 CFR 178.3297, Colorants for Polymers, con dichiarazioni di conformità equivalenti nell'UE. Un'ulteriore qualificazione del pezzo finito può consentire la biocompatibilità per i dispositivi medici. La certificazione è specifica per tipo di polimero, soglia di dosaggio e contatto diretto o indiretto.

Applicazioni del prodotto

Polimeri colorati trasparenti, semitrasparenti e opachi, tra cui nylon, polietilene tereftalato (PET), policarbonati, poliolefine, polivinilcloruro (PVC), stirenici, elastomeri termoplastici (TPU) e poliuretani termoplastici (TPE), sono formulati in modo specifico con additivi privi di metalli pesanti, approvati FDA/EFSA (European Food Safety Authority), per ottenere una marcatura ad alto contrasto (vedere la Figura 1). Trasparenza del polimero, trasmissione spettrale e proprietà fisiche di base non vengono alterate. La marcatura laser digitale senza contatto sostituisce le costose etichette adesive e i processi di stampa con inchiostri chimici. Il risultato è un'applicazione economicamente vantaggiosa, rispettosa dell'ambiente e di qualità estetica superiore.

Meccanismo di reazione della marcatura laser dei polimeri

I progressi ottenuti nella formulazione di additivi chimici per laser destinati all'uso con laser nel vicino infrarosso (NIR) (lunghezza d'onda 1060-1080 nm) riguardano la loro compatibilità con i laser a fibra all'itterbio, a vanadato e con i precedenti laser Nd:YAG. La maggior parte dei polimeri non possiede proprietà di assorbimento NIR senza additivi chimici¹. I polimeri marcabili con il laser sono quelli che assorbono la luce laser e la convertono da energia luminosa a energia termica. Gli esperti utilizzano additivi, cariche, pigmenti e coloranti per aumentare l'assorbimento dell'energia laser e ottenere variazioni di colore localizzate. A seconda del contrasto e della funzionalità di marcatura desiderati si impiegano chimiche di formulazione e parametri di ottica/impostazione del laser molto diversi.

Il meccanismo di reazione superficiale più comune è la «carbonizzazione» termochimica, in cui l'energia assorbita nel substrato porta la temperatura locale del materiale circostante al sito di assorbimento a un valore sufficiente a causare la degradazione termica del polimero. La scurezza o la chiarezza della marcatura dipende dall'energia assorbita e dal percorso di degradazione termica specifico del materiale. Ottimizzando l'impostazione del laser, i residui di carbonizzazione superficiale sono minimi.

Additivi laser

Gli additivi laser per il vicino infrarosso migliorano il grado di contrasto, che può essere ulteriormente intensificato modificando i parametri di impostazione del laser. I polimeri possiedono caratteristiche intrinseche che producono un contrasto di marcatura «scuro» o «chiaro». Anche alcuni composti coloranti contenenti basse quantità di biossido di titanio (TiO2) e nerofumo possono assorbire la luce laser e, in alcuni casi, migliorare il contrasto della marcatura. Ogni grado di polimero, anche all'interno della stessa famiglia polimerica, può produrre risultati diversi. Le formulazioni degli additivi non devono essere tossiche né influire negativamente sull'aspetto o sulle proprietà fisiche o funzionali dei prodotti.

Rispetto ai processi di stampa a inchiostro (tampografia/serigrafia e stampa a getto d'inchiostro), gli additivi laser consentono un risparmio sui costi e possono dimostrare velocità di marcatura superiori del 20% e oltre rispetto ai materiali non ottimizzati. Gli additivi laser sono forniti in forma di granulato in pellet e di polvere. I prodotti in granulato possono essere miscelati direttamente con la resina polimerica, mentre le polveri vengono convertite in masterbatch. La maggior parte si disperde facilmente nei polimeri. In funzione dell'additivo e del polimero, la concentrazione di dosaggio in peso (nel pezzo finale) è compresa tra 0,01 e 4,0%.

Sia il granulato sia la polvere possono essere miscelati in un materiale colorato precompoundato o in un concentrato di colore. La scelta dell'additivo da incorporare dipende dalla composizione del polimero, dal colore del substrato, dal colore di contrasto di marcatura desiderato e dai requisiti di certificazione per l'uso finale. Per le operazioni di estrusione, stampaggio a iniezione e termoformatura, i materiali precolorati e compoundati garantiscono una migliore uniformità rispetto al concentrato di colore. La miscelazione manuale va evitata. Il flusso nello stampo e il tipo/posizione dell'attacco di iniezione sono fattori importanti. Una distribuzione/dispersione omogenea degli additivi laser in ogni pezzo è fondamentale per ottenere prestazioni di marcatura ottimali.

Alcuni additivi contengono miscele di ossido di stagno drogato con antimonio e triossido di antimonio, che possono conferire una tinta «grigiastra» all'opacità naturale (non colorata) del substrato. Altri additivi possono contenere particelle di alluminio, ossidi metallici misti e composti proprietari. Le regolazioni del colore si effettuano con pigmenti e coloranti per ottenere l'aspetto finale della corrispondenza cromatica. Additivi specifici disponibili in commercio (utilizzati anche per la saldatura laser) hanno ricevuto l'approvazione FDA per il contatto con gli alimenti e l'uso nell'imballaggio alimentare nelle condizioni A-H del 21 CFR 178.3297 – Colorants for Polymers. Per l'Unione europea esistono analoghe dichiarazioni di conformità. Le condizioni di certificazione sono specifiche per tipo di polimero, soglia del livello di dosaggio e contatto diretto o indiretto. Un'ulteriore qualificazione degli additivi approvati FDA miscelati in un «pezzo finale» può consentire la biocompatibilità dei dispositivi medici².

Tecnologia dei laser a fibra all'itterbio a nanosecondi

I miglioramenti della tecnologia laser sono stati determinanti per il rapido sviluppo dell'ultima generazione di additivi laser approvati FDA. L'avvento dei laser a fibra all'itterbio a nanosecondi è uno dei progressi più significativi per la marcatura, la saldatura e il taglio.

Fondamentalmente, i laser a fibra sono diversi dagli altri laser di marcatura a stato solido pompati a diodi (DPSS). Nei laser a fibra, il mezzo attivo che genera il fascio laser è disperso all'interno di uno speciale cavo in fibra ottica. A differenza dei laser con guida in fibra, l'intero percorso del fascio si svolge all'interno di un cavo in fibra ottica fino alle ottiche di erogazione del fascio. Questa struttura interamente in fibra è in gran parte responsabile dell'affidabilità e della robustezza di questi laser, che ne spiegano la rapida diffusione.

I laser a fibra offrono una qualità del fascio (M2) e una luminosità superiori rispetto ai laser Nd:YAG. Un laser con qualità del fascio superiore può essere focalizzato su un punto di dimensioni ridotte, con conseguente elevata densità di energia. I laser a fibra MOPA (master oscillator power amplifier) a impulso fisso e variabile, con energia dell'impulso fino a 1 mJ ed elevata densità di potenza, possono marcare molti polimeri storicamente difficili (vedere la Figura 2)³.

Anche i laser a vanadato hanno un valore M2 ridotto, con larghezza di impulso inferiore a quella dei laser a fibra fissi e YAG. La durata dell'impulso influenza il grado di calore e carbonizzazione nel materiale. Gli impulsi brevi, in genere <40 ns, consentono un apporto di energia più controllato nella lavorazione di materiali polimerici sensibili. Questi impulsi hanno comunque la potenza di picco necessaria a superare le soglie del materiale, ma un'energia dell'impulso inferiore che riduce i danni termici localizzati.

IPG Photonics, sviluppatore e produttore leader di laser a fibra ad alte prestazioni, offre sia laser della serie YLP a impulso fisso (talvolta definiti «Q-switch») sia laser YLPN (MOPA) a impulso breve variabile. I laser a fibra Q-switched, in genere con larghezza di impulso di 100-120 ns, sono impiegati in alcune applicazioni di marcatura, ma la loro frequenza di ripetizione è limitata a circa 80 kHz a causa del vincolo intrinseco della tecnologia Q-switching. I laser a fibra MOPA a modulazione diretta (DM-MOPA) possono operare a frequenze di ripetizione fino a 500 kHz con larghezze di impulso nell'ordine dei nanosecondi. Frequenze di ripetizione elevate si traducono in genere in una velocità di marcatura maggiore (insieme ad altri parametri del laser e della guida d'onda).

Lo sviluppo dell'applicazione è altamente specifico, poiché non esiste una soluzione laser universale. I laser MOPA a impulso di breve durata sono in grado di sfruttare appieno le prestazioni dei sensibili additivi chimici approvati FDA. Il controllo spaziale e temporale localizzato dell'apporto di calore del laser e della sua velocità consente di ottenere le massime prestazioni. La scelta del tipo di laser da integrare è determinata dalle caratteristiche di uscita del laser in interazione con il materiale polimerico ottimizzato. La FIGURA 3 rappresenta le forme d'onda temporali degli impulsi dei laser a fibra all'itterbio a lunghezza d'impulso fissa e variabile (MOPA) [3].

Nell'impostare un laser a fibra a lunghezza d'impulso fissa per la marcatura, si devono impostare due parametri:

• frequenza di ripetizione degli impulsi (spesso definita frequenza degli impulsi) e
• potenza di pompaggio in percentuale: 100% indica il massimo apporto elettrico possibile ai diodi di pompaggio.

Nell'impostare un laser a fibra MOPA a impulso breve variabile per la marcatura, si impostano tre parametri:

• durata dell'impulso (spesso definita lunghezza dell'impulso);
• frequenza di ripetizione degli impulsi (frequenza degli impulsi); e
• potenza di pompaggio in percentuale, come spiegato sopra.

Per entrambi i grafici, la particolare combinazione dei parametri di ingresso controlla le proprietà di uscita del fascio laser, ossia l'energia dell'impulso, la potenza di picco (il picco istantaneo massimo dell'energia dell'impulso, joule/durata dell'impulso) e la potenza media (potenza media in watt = energia dell'impulso in joule × frequenza di ripetizione degli impulsi in hertz).

Marcatura laser «al volo»

La marcatura laser «al volo» è una delle applicazioni più specializzate eseguite su prodotti stampati ed estrusi come fili/cavi, tubi e tubazioni. Le velocità di marcatura per i tappi sintetici in poliolefina per il vino e le promozioni sotto tappo sulle chiusure per bevande senza liner raggiungono 2.000 pezzi/min per testo alfanumerico e grafica (vedere la Figura 4). Le velocità di marcatura lineare di testo e codici per visione artificiale possono raggiungere 500 ft/min e oltre, dove la marcatura laser senza inchiostri sostituisce ora la rotocalco rotativa e la tampografia.

La velocità di marcatura dipende da molte variabili, tra cui tipo di polimero, colore del substrato, tipo e livello di dosaggio dell'additivo laser, dimensione (peso) del cavo, tipo e potenza del laser, software, numero di caratteri alfanumerici, altezza del testo, lunghezza della stringa di testo, spazio tra i caratteri, codice a barre/data matrix, loghi/grafica, font a tratto singolo o true-type con riempimento, direzione di riempimento e testo continuo o ripetuto. L'uso di un additivo colorante formulato correttamente garantisce che la «densità di potenza» sulla superficie di marcatura non sia il fattore limitante. Saranno invece i galvanometri di deflessione del fascio a operare alla massima velocità.

Data la complessità dei fattori che influenzano la capacità di marcatura al volo in produzione, ogni applicazione deve essere esaminata con precisione. Esistono poche regole, se non nessuna, che possano essere estrapolate. Tuttavia, in linea generale, si consideri il seguente esempio con polimero nylon: laser a fibra da 50 W, lente a campo piano da 254 mm, 100 caratteri alfanumerici, altezza 2 mm, lunghezza della stringa di testo ripetuta di 14,68 in. e tempo di marcatura di 0,232 s. La velocità calcolata è di circa 315 ft lineari/min.

Sistemi di apparecchiature laser

I componenti hardware e software che un produttore di laser incorpora nei propri sistemi fanno una differenza significativa in termini di contrasto, qualità e velocità di marcatura. Un attributo primario è la densità di potenza (W/cm2) sulla superficie di marcatura (diversa dalla potenza grezza in uscita del laser). La modalità di uscita del fascio laser è determinante per le prestazioni di marcatura. Queste modalità di uscita sono legate a fattori quali la divergenza del fascio e la distribuzione della potenza lungo il diametro del fascio laser.

La densità di potenza dipende dalle dimensioni dello spot laser focalizzato. Le dimensioni dello spot laser focalizzato per una data lunghezza focale della lente e lunghezza d'onda del laser dipendono dalla divergenza del fascio laser, controllata dalla configurazione del laser, dalla dimensione dell'apertura di selezione dei modi e dall'ingrandimento del collimatore (espansore del fascio). La frequenza di ripetizione degli impulsi e la densità di potenza di picco sono parametri critici per formare la marcatura e ottenere contrasto e velocità ottimali. Le curve aritmetiche della potenza in funzione della frequenza di ripetizione degli impulsi sono inversamente proporzionali. Una potenza di picco elevata a bassa frequenza aumenta rapidamente la temperatura superficiale, vaporizzando il materiale e conducendo un calore minimo nel substrato. Con l'aumentare della frequenza di ripetizione, una potenza di picco inferiore produce una vaporizzazione minima ma conduce più calore. Ulteriori fattori che influenzano il contrasto e la qualità della marcatura sono, naturalmente, la velocità del fascio e la distanza di separazione tra le linee vettoriali.

Conclusione

Gli innovativi additivi laser approvati FDA incorporati nei polimeri garantiscono contrasto di marcatura, dettaglio dei bordi delle linee e velocità superiori. I prodotti che incorporano additivi che potenziano l'effetto laser consentono velocità di marcatura superiori del 20% e oltre. I vantaggi compensano rapidamente il costo incrementale dell'additivo. I progressi della tecnologia dei laser a fibra all'itterbio a nanosecondi, a costi accessibili, sono stati determinanti. La marcatura laser in linea e al volo sostituisce ora la rotocalco rotativa e la tampografia. Una chimica ottimizzata per la scienza dei materiali applicata alla marcatura laser delle materie plastiche richiede competenze su polimeri, coloranti, pigmenti e tinture in relazione a solubilità, dimensioni delle particelle, limiti di concentrazione soglia, corrispondenza cromatica e certificazioni normative (GRAS, contatto alimentare diretto/indiretto FDA). Non tutti i laser a fibra sono uguali.

Ringraziamenti e riferimenti

L'autore ringrazia BASF Corporation per il Technical Bulletin 2002 di Mark-it Laser Marking Pigment, con contributi tecnici di The Sabreen Group; Bruce Mulholland di Hoechst Technical Polymers e The Sabreen Group per «Enlightened laser marking», Lasers & Optronics (luglio 1997); e Daniel S. Burgess di Baasel Lasertechnik GmbH e The Sabreen Group per «Laser marking: A clean economical packaging solution», Photonics Spectra (novembre 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 è fondatore e presidente di The Sabreen Group, Inc., una società di consulenza ingegneristica specializzata nei processi di trasformazione secondaria delle materie plastiche: pretrattamenti superficiali, incollaggio per adesione, stampa a getto d'inchiostro, marcatura laser, 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.

---