Ciência dos materiais básica para a marcação a laser de plásticos

Ciência dos materiais básica para a marcação a laser de plásticos

Os avanços na marcação direta a laser de plásticos entregam qualidade de marcação, contraste e velocidade sem precedentes. Aplicada corretamente, a marcação a laser de plásticos pode trazer inúmeras vantagens de manufatura e agregar valor à aparência e à função de um produto. A geração mais recente de ciência dos materiais para plásticos e de sistemas de laser impulsiona uma forte demanda do setor pela marcação a laser indelével como alternativa à impressão convencional com tinta. Este artigo apresenta conceitos e informações básicos sobre as reações químicas entre polímeros, aditivos para laser e comprimentos de onda específicos da luz laser (emitida por diversas fontes de laser).

Os profissionais costumam presumir que os aditivos para laser são necessários em todas as aplicações de marcação a laser de plásticos. No entanto, dependendo do tipo de plástico a ser marcado e dos requisitos de uso final quanto a contraste e qualidade de detalhes em linhas finas e nítidas, nem sempre é preciso utilizar formulações de material otimizadas para laser. Em vez disso, a escolha correta do comprimento de onda e do tipo de laser pode atingir o grau de marcabilidade exigido. O resultado será determinado por fatores como a) grau e propriedades específicos da resina; b) tipo de laser (comprimento de onda, qualidade do feixe, modo de saída, configuração óptica, densidade de potência, potência de pico/média, velocidade de marcação); c) componentes de corantes e cargas; d) brilho e textura da superfície; e e) teor de material moído (regrind). Compostos corantes como TiO₂ e negro de fumo apresentam algum grau de absorção em determinados comprimentos de onda. O tamanho de partícula e o grau de negrume desses compostos também influenciam. Além disso, graus específicos de resina, mesmo dentro da mesma família genérica, podem produzir resultados muito diferentes, como no caso dos estirênicos.

Por outro lado, um benefício muitas vezes ignorado ao avaliar o uso de aditivos para laser é que formulações otimizadas para laser podem aumentar a velocidade de marcação, e não apenas o contraste e a qualidade da marcação decorativa ou funcional. O uso de aditivos para laser quase sempre reduz os tempos de ciclo de marcação e permite usar menor potência de laser. Esses fatores, em última análise, economizam dinheiro e aumentam a produção.

Obter uma formulação química ideal de ciência dos materiais para a marcação a laser de plásticos exige conhecimento de polímeros, dos graus de propriedades dentro das famílias poliméricas, de corantes, pigmentos e tinturas quanto a solubilidade, tamanhos de partícula, limites de concentração, compatibilidade de cor com o uso de aditivos para laser e certificações regulatórias (GRAS, contato direto/indireto com alimentos segundo a FDA). As soluções de ciência dos materiais devem ter bom custo-benefício, ser fáceis de usar e não ter efeitos prejudiciais sobre as propriedades físicas e químicas dos produtos poliméricos. Por isso, é absolutamente necessário que químicos e formuladores tenham amplo conhecimento de uma grande variedade de tecnologias a laser, para garantir marcação robusta em alta velocidade de produção.

Este artigo trata dos lasers com direcionamento de feixe que operam na faixa de 1060 a 1070 nm. Isso inclui lasers de Nd:YAG (bombeados por lâmpada de arco e por diodo), de vanadato e de fibra. Os lasers “YAG” tradicionais são os mais populares na indústria de marcação a laser, por seu comprimento de onda de emissão, seu desempenho de potência e sua enorme versatilidade ao longo de várias décadas. Os lasers de vanadato e de fibra são tecnologias muito mais novas e, muitas vezes, sua escolha é mais específica para cada aplicação. Ainda assim, podem oferecer excelentes resultados nas aplicações adequadas.

O mecanismo básico da marcação a laser com direcionamento de feixe, em comprimento de onda de 1060 a 1070 nm, consiste em irradiar o polímero com uma fonte de radiação de alta energia (o laser). A energia radiante é absorvida localmente pelo material e convertida em energia térmica, que, por sua vez, induz reações no material. Nessa faixa de comprimento de onda do infravermelho próximo, são possíveis vários tipos de reação, incluindo pelo menos 1) carbonização; 2) ablação; e 3) alteração química. Conforme o contraste de marcação desejado, podem-se selecionar químicas e parâmetros de sistema laser muito diferentes para obter o tipo de reação preferido. Ao contrário da crença popular, não existe um único aditivo para laser que resolva todos os problemas de marcação!

A reação de carbonização ocorre quando a energia absorvida eleva a temperatura local do material ao redor do ponto de absorção a um nível suficiente para causar degradação térmica do polímero. Na presença de oxigênio, isso resulta na queima do polímero, mas, no interior da peça, o suprimento limitado de oxigênio causa a carbonização do polímero e forma uma marca preta. O escurecimento da marca depende da energia absorvida, bem como da rota de degradação térmica do material.

A ablação ocorre quando o polímero é aquecido o suficiente para causar degradação e evaporação dos subprodutos da degradação, resultando em uma área gravada. Esse tipo de marcação normalmente resulta em marcas de baixo contraste. Como referência, os lasers de CO₂ de onda contínua (CW) operam em comprimento de onda de 10,6 µm (espectro do infravermelho distante). Os lasers de CO₂ CW geram potência de pico comparativamente muito menor e normalmente não conseguem produzir marcações de alto contraste na maioria dos plásticos.

A alteração química, pelo uso de aditivos que liberam vapor durante a degradação, resulta na formação de espuma no polímero. Durante o processo de espumação, a energia do laser é absorvida por um aditivo que está muito próximo do agente espumante. O calor do absorvedor faz o agente espumante se degradar, liberando vapor. Exemplos de agentes espumantes são o hidróxido de alumínio e diversos carbonatos. Para evitar a carbonização, o mecanismo exige que o polímero se degrade em temperatura mais alta que a do aditivo espumante. Com controle rigoroso dos parâmetros de operação do laser, é possível gerar marcas claras de boa qualidade em substratos escuros. Um controle deficiente do laser pode gerar uma marca friável ou de baixo contraste.

Outro método de marcação a laser é usar a energia do laser no infravermelho próximo para aquecer e degradar um dos corantes de uma mistura de corantes, provocando uma mudança de cor. Um exemplo é a mistura de negro de fumo com um corante inorgânico estável. Quando aquecido, o negro de fumo é removido e o corante inorgânico permanece. Esses sistemas de corantes mistos dependem da estabilidade específica de cada corante, e nem todas as mudanças de cor são possíveis.

Em conclusão, é importante reconhecer que nem todos os lasers com direcionamento de feixe são iguais. A química da ciência dos materiais, sozinha, não resolve todos os problemas de qualidade de marcação. Os componentes de hardware e software que o fabricante do laser incorpora ao equipamento fazem grande diferença na qualidade, na velocidade e na versatilidade da marcação. Ao adquirir equipamentos a laser, é importante lembrar que não existe uma solução universal. Cada aplicação é única quanto à composição e à cor do substrato de resina plástica e ao contraste de marcação desejado (“escuro sobre claro”, “claro sobre escuro” ou “cor personalizada”). Os avanços atuais na ciência dos materiais poliméricos e nos guias de onda de laser representam saltos enormes em relação ao que, poucos anos atrás, não se considerava possível.

Principais conclusões

• A marcação é uma reação química entre o polímero, qualquer aditivo para laser e o comprimento de onda específico da fonte de laser.
• Os aditivos nem sempre são necessários. É uma suposição comum que vale testar para cada material, em vez de aceitá-la.
• A marcação a laser é uma alternativa à impressão convencional com tinta, e é a ciência dos materiais que a torna viável.
• O comprimento de onda deve ser compatível com o material, e não escolhido pela disponibilidade de equipamento.
• Aplicada corretamente, a marcação agrega valor à aparência e à função, e não apenas à identificação.

Perguntas frequentes

Todos os plásticos precisam de aditivo para laser para serem marcados?

Não, e é uma suposição comum que vale verificar. Os profissionais costumam presumir que os aditivos são sempre necessários, mas a necessidade depende do polímero, de seus corantes e cargas e do comprimento de onda da fonte de laser utilizada.

O que, de fato, cria a marca?

Uma reação química entre o polímero, os aditivos para laser presentes e o comprimento de onda específico da luz laser emitida pela fonte. Entender essa interação é o que permite prever se determinada combinação de material e laser produzirá uma marca utilizável.

Por que a marcação a laser está substituindo a impressão convencional com tinta?

Porque a geração mais recente de ciência dos materiais para plásticos e de equipamentos a laser produz qualidade de marcação, contraste e velocidade sem precedentes, sem tintas nem solventes consumíveis. Aplicada corretamente, traz vantagens de manufatura e agrega valor à aparência e à função do produto.

O tipo de fonte de laser altera o resultado?

Sim. Fontes de laser diferentes emitem comprimentos de onda diferentes, e as reações químicas entre polímeros, aditivos e luz laser dependem do comprimento de onda. A escolha da fonte é, portanto, uma decisão de ciência dos materiais, e não apenas de equipamento.

Por onde um projeto de marcação a laser deve começar?

Pelo material. Estabelecer como o grau específico do polímero, seus corantes e aditivos respondem aos comprimentos de onda candidatos determina tudo o que vem depois: se são necessários aditivos, que contraste é possível e qual velocidade é realista.

Scott R. Sabreen é fundador e presidente da The Sabreen Group, Inc., empresa de engenharia especializada em processos de transformação secundária de plásticos: marcação a laser, pré-tratamentos de superfície, colagem, decoração e acabamento e segurança de produtos. Sabreen desenvolve tecnologias pioneiras e resolve problemas de manufatura há mais de 30 anos. Ele pode ser contatado pelo telefone 972.820.6777 ou pelos sites www.sabreen.com e www.plasticslasermarking.com.

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