Gli “additivi intelligenti” migliorano la marcatura laser delle materie plastiche

Gli “additivi intelligenti” migliorano la marcatura laser delle materie plastiche

Contrasto, dettaglio dei bordi delle linee e velocità migliorati

L'ultima generazione di “additivi intelligenti” per marcatura laser incorporati nei polimeri rappresenta un salto quantico della tecnologia, che è al tempo stesso abilitante e vantaggioso in termini di costi. Queste formulazioni avanzate di scienza dei materiali raggiungono contrasto di marcatura, dettaglio dei bordi delle linee e velocità senza precedenti su materie plastiche che tradizionalmente sono difficili, se non impossibili, da marcare con il laser. Progettate per reazioni superficiali termochimiche, queste formulazioni sono ideali per laser a fibra, YAG e a vanadato che operano a una lunghezza d'onda da 1060 a 1070 nm (spettro del vicino infrarosso).

I polimeri marcabili con il laser sono quelli che assorbono la luce laser e la convertono da energia luminosa a energia termica. Poiché la maggior parte dei polimeri non possiede proprietà di assorbimento a 1060-1070 nm, gli esperti utilizzano additivi, cariche, pigmenti e tinture che migliorano l'assorbimento dell'energia laser per ottenere cambiamenti di colore localizzati. La chimica della scienza dei materiali per ottenere marcature laser ad alto contrasto e a colori è al tempo stesso arte e scienza. Contrariamente a un'opinione diffusa, non esiste un unico additivo laser in grado di risolvere tutti i problemi di marcatura. Si utilizzano chimiche di formulazione, tipi di laser (a fibra, YAG, a vanadato) e ottiche/parametri di impostazione del laser molto diversi, a seconda del contrasto di marcatura e della funzionalità desiderati.

La FIGURA 1 mostra un “contrasto di marcatura scuro” su polietilene (a sinistra), un “contrasto di marcatura bianco” su nylon (al centro) e un colore personalizzato giallo-oro su ABS (a destra). Illustra inoltre tre meccanismi di reazione superficiale distinti. Il primo è il processo di carbonizzazione, che 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. Sebbene ciò possa provocare la combustione del polimero in presenza di ossigeno, la limitata disponibilità di ossigeno all'interno del substrato causa la carbonizzazione del polimero e forma un contrasto di marcatura nero o scuro. Il grado di scurezza della marcatura dipende dall'energia assorbita e dal percorso di degradazione termica specifico del materiale. Quando sono miscelati nella matrice colorante della resina, gli additivi che producono un contrasto di marcatura scuro contengono spesso miscele di ossido di stagno drogato con antimonio, triossido di antimonio o particelle di alluminio. Tutti si disperdono facilmente nei polimeri. Le concentrazioni tipiche di carica in peso vanno dallo 0,01% al 3,0%. Molte delle formulazioni finali hanno ottenuto l'approvazione FDA per l'uso secondo le condizioni A-H della norma 21 CFR 178.3297 Colorant for Polymers.

Una seconda reazione superficiale è il cambiamento chimico, ottenuto con additivi che rilasciano vapore durante la degradazione, con conseguente 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 alta qualità e durevoli su substrati scuri. Uno scarso controllo del laser può generare una marcatura friabile o a basso contrasto, che si graffia facilmente (scarsa durabilità).

Il terzo meccanismo consiste nell'usare l'energia laser per riscaldare/degradare un colorante in una miscela di coloranti, provocando 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.

Le formulazioni laser non devono essere tossiche né influire negativamente sull'aspetto o sulle proprietà fisiche o funzionali dei prodotti. Devono assorbire energia laser sufficiente a portare la temperatura locale del polimero a un livello abbastanza alto da provocarne la carbonizzazione o la schiumatura, creando così la marcatura. Questa temperatura varia da polimero a polimero, anche all'interno di una stessa famiglia polimerica.

Punti chiave

• Non esiste un additivo universale. Contrariamente a un'opinione diffusa, la chimica va abbinata a polimero, colore e laser.
• Tre meccanismi (carbonizzazione, schiumatura e cambiamento di colore del colorante) coprono le marcature scure, bianche e di colore personalizzato.
• La concentrazione è bassa, in genere dallo 0,01% al 3,0% in peso, e molte formulazioni sono approvate dalla FDA ai sensi della 21 CFR 178.3297.
• Guadagni di velocità del 15% o più si ottengono con additivi a concentrazioni anche solo dallo 0,01% al 2,0%.
• La temperatura di degradazione termica permette di prevedere la marcabilità. Due gradi di HDPE possono marcare in modo molto diverso solo per questo motivo.

Domande frequenti

Esiste un unico additivo laser che risolve tutti i problemi di marcatura?

No. Contrariamente a un'opinione diffusa, non esiste un additivo universale. Servono chimiche di formulazione, tipi di laser (a fibra, YAG o a vanadato) e parametri di ottica e di impostazione molto diversi, a seconda del contrasto e della funzionalità desiderati.

Come producono gli additivi marcature bianche su plastica scura?

Tramite la schiumatura. Un additivo rilascia vapore durante la degradazione e l'energia laser viene assorbita da un assorbitore vicino all'agente schiumogeno. L'idrossido di alluminio e vari carbonati sono agenti schiumogeni tipici. Il polimero deve degradarsi a una temperatura più alta dell'additivo schiumogeno, altrimenti si verifica invece la carbonizzazione.

Perché due gradi dello stesso polimero marcano in modo diverso?

Per le diverse temperature di degradazione termica. L'analisi termogravimetrica di due campioni di HDPE mostra un inizio di degradazione nettamente diverso, e il polimero con temperatura più alta richiede più energia laser, una marcatura più lenta o più additivo assorbente per ottenere lo stesso aspetto della marcatura.

Quanto è più veloce la marcatura con additivi ottimizzati?

Miglioramenti statisticamente significativi del 15% o più rispetto alle formulazioni non ottimizzate, ottenuti a basse concentrazioni, indicativamente dallo 0,01% al 2,0%. La marcatura “al volo” di promozioni sotto il tappo su chiusure per bevande senza guarnizione avviene a velocità fino a 1.500 chiusure al minuto.

Che cosa fa sì che una marcatura chiara si graffi facilmente?

Uno scarso controllo del laser durante la schiumatura. Senza un controllo accurato dei parametri il risultato è una marcatura friabile o a basso contrasto, con scarsa durabilità, anziché la marcatura chiara di alta qualità e durevole che il meccanismo può produrre.

Come ottenere velocità di marcatura più elevate

Il tempo necessario per marcare un pezzo dipende dal substrato polimerico, dal numero di linee vettoriali tracciate e dalla velocità con cui il fascio laser/la testa di scansione a galvanometri traccia tutte le linee. Anche il software del laser e il tipo di riempimento vettoriale (unidirezionale, bidirezionale o a serpentina) possono influire sul tempo di marcatura. Nuovi studi indipendenti mostrano che si possono ottenere velocità di marcatura più elevate, in modo statisticamente significativo, incorporando formulazioni di additivi laser a concentrazioni molto basse, in genere dallo 0,01% al 2,0%.

La FIGURA 2 mostra un grafico dell'analisi termogravimetrica (TGA) di due polietileni ad alta densità. I due polimeri presentano temperature di degradazione termica diverse, il processo che crea la marcatura laser. Il polimero con temperatura più alta richiede più energia laser, velocità di marcatura inferiori o più additivo assorbente per ottenere lo stesso aspetto della marcatura. Gli additivi intelligenti consentono di risparmiare sui costi e mostrano velocità di marcatura superiori del 15% e oltre rispetto alle formulazioni di materiale non ottimizzate. Un'applicazione interessante è la marcatura laser “al volo” per le promozioni sotto il tappo su chiusure per bevande senza guarnizione. I sistemi chiavi in mano sono in grado di marcare grafiche uniche e testo alfanumerico a velocità fino a 1.500 chiusure al minuto. Alcuni esempi sono mostrati nella FIGURA 3.

Tecnologia laser

I progressi della tecnologia laser sono stati determinanti per il rapido sviluppo degli additivi laser intelligenti. La tecnologia dei laser a fibra a nanosecondi è un settore emergente e uno dei progressi più significativi dei laser per marcatura, saldatura e taglio. I laser a fibra sono fondamentalmente diversi dagli altri laser di marcatura a stato solido. 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 erogazione in fibra, l'intero percorso del fascio si trova all'interno del cavo in fibra ottica fino all'ottica di erogazione del fascio.

I laser a fibra offrono qualità e luminosità del fascio superiori. La metrica per la qualità del fascio è M2. Più basso è il valore di M2, migliore è la qualità del fascio, mentre M2 = 1 è il fascio laser gaussiano ideale. Un laser con qualità del fascio superiore può essere focalizzato su uno spot di piccole dimensioni, con conseguente elevata densità di energia. I laser a fibra MOPA con energia dell'impulso fino a 1 mJ ed elevata densità di potenza possono marcare molti polimeri storicamente difficili, tra cui nylon, uretani e acetali.

Non tutti i laser a fibra, YAG e a vanadato a fascio orientato sono uguali. I componenti hardware e software che un produttore di laser integra nei propri sistemi fanno una differenza significativa in termini di contrasto, qualità e velocità di marcatura. Un attributo fondamentale è la densità di potenza (W/cm²) sulla superficie da marcare (che è diversa dalla potenza di uscita grezza del laser). La modalità di uscita del fascio laser è determinante per le prestazioni di marcatura. Queste modalità di uscita sono legate a fattori tra cui la divergenza del fascio e la distribuzione di potenza sul 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, dalle dimensioni dell'apertura di selezione del modo e dall'ingrandimento dell'up collimator (espansore di 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. Una potenza di picco elevata a bassa frequenza aumenta rapidamente la temperatura superficiale, vaporizzando il materiale e conducendo un calore minimo nel substrato. All'aumentare della frequenza di ripetizione, una potenza di picco inferiore produce una vaporizzazione minima ma conduce più calore.

Conclusione

L'ultima generazione di “additivi intelligenti” per marcatura laser incorporati nei polimeri offre contrasto di marcatura, dettaglio dei bordi delle linee e velocità senza precedenti. Questi vantaggi compensano rapidamente il costo aggiuntivo dell'additivo. 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 e certificazioni normative (GRAS, contatto alimentare diretto/indiretto FDA). Le soluzioni di scienza dei materiali devono essere convenienti e facili da usare e non avere effetti dannosi sulle proprietà fisiche e chimiche del polimero.

Riferimenti

• 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 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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