Laser de fibra possibilita a marcação de plásticos avançados

Laser de fibra possibilita a marcação de plásticos avançados

Aditivos inovadores aprovados pela FDA, misturados aos polímeros durante o processamento primário, otimizam a marcação a laser de plásticos. Alta velocidade, contraste superior e economia de custos estão entre os benefícios significativos. Novos aditivos químicos podem produzir contraste preto intenso, de cor clara e de cor personalizada, tanto “on the fly” (em movimento) quanto em operações secundárias. Projetada para lasers de fibra de itérbio acessíveis, a marcação a laser em linha, sem tinta, agora substitui a rotogravura e a tampografia tradicionais.

Principais conclusões

• A maioria dos polímeros não tem absorção no infravermelho próximo; por isso, os aditivos são o que torna possível a marcação em 1060–1080 nm.
• Aditivos sem metais pesados, aprovados pela FDA e pela EFSA, proporcionam alto contraste sem alterar a transparência, a transmissão espectral nem as propriedades físicas.
• Os aditivos reduzem o tempo de marcação em 20% ou mais em relação a formulações não otimizadas, o que compensa rapidamente o seu custo.
• O MOPA supera o Q-switched em taxa de repetição, com até 500 kHz contra cerca de 80 kHz, e pulsos curtos abaixo de 40 ns são adequados a polímeros sensíveis.
• As velocidades on-the-fly chegam a 2.000 peças/min em tampas e a 500 ft/min ou mais em produtos extrudados lineares.

Perguntas frequentes

Qual teor de aditivo laser é necessário?

Entre 0,01% e 4,0% em massa na peça final, dependendo do aditivo e do polímero. O granulado é misturado diretamente à resina; o pó é convertido primeiro em masterbatch. O material de cor pré-composto proporciona melhor uniformidade que o concentrado de cor na extrusão, na moldagem por injeção e na termoformagem.

Os aditivos laser afetam a transparência ou as propriedades físicas?

Aditivos bem formulados não afetam. A transparência do polímero, a transmissão espectral e as propriedades físicas de base permanecem inalteradas, o que torna prática a marcação de polímeros transparentes e semitransparentes sem comprometer o produto.

Qual é a velocidade real da marcação a laser on-the-fly?

As velocidades de marcação em rolhas sintéticas de poliolefina para vinho e em promoções sob a tampa de fechamentos de bebidas sem liner chegam a 2.000 peças por minuto para texto alfanumérico e gráficos. A marcação linear de texto e de códigos de visão de máquina atinge 500 ft/min ou mais.

Qual é a diferença entre lasers de fibra Q-switched e MOPA?

Os lasers de fibra Q-switched normalmente operam com larguras de pulso de 100–120 ns e são limitados a cerca de 80 kHz de taxa de repetição pela própria tecnologia de Q-switching. Os lasers MOPA de modulação direta operam até 500 kHz com pulsos de nanossegundos, e taxas de repetição maiores geralmente significam marcação mais rápida.

Esses aditivos são aprovados para contato com alimentos e dispositivos médicos?

Aditivos específicos têm aprovação da FDA para contato com alimentos e embalagens de alimentos nas condições A–H do 21 CFR 178.3297, Colorants for Polymers, com declarações de conformidade equivalentes na UE. A qualificação adicional da peça acabada pode alcançar a biocompatibilidade de dispositivos médicos. A certificação é específica para o tipo de polímero, o limite de teor e o contato direto ou indireto.

Aplicações em produtos

Polímeros coloridos transparentes, semitransparentes e opacos, incluindo náilons, politereftalato de etileno (PET), policarbonatos, poliolefinas, policloreto de vinila (PVC), estirênicos, elastômeros termoplásticos (TPEs) e poliuretanos termoplásticos (TPUs), são formulados de forma exclusiva com aditivos sem metais pesados, aprovados pela FDA e pela Autoridade Europeia para a Segurança dos Alimentos (EFSA), para obter marcação de alto contraste (veja a Figura 1). A transparência do polímero, a transmissão espectral e as propriedades físicas de base não são afetadas. A marcação a laser digital sem contato substitui etiquetas adesivas caras e processos de impressão com tintas químicas. O resultado é uma aplicação econômica, ecológica e de estética superior.

Mecanismo de reação da marcação a laser em polímeros

Os avanços na formulação de aditivos químicos para laser, para uso com lasers de infravermelho próximo (NIR) (comprimento de onda de 1060–1080nm), estão na compatibilidade com lasers de fibra de itérbio, de vanadato e com os antecessores Nd:YAG. A maioria dos polímeros não possui propriedades de absorção no NIR sem aditivos químicos¹. Os polímeros que podem ser marcados por laser são os que absorvem a luz do laser e a convertem de energia luminosa em energia térmica. Especialistas usam aditivos, cargas, pigmentos e corantes para aumentar a absorção da energia do laser e obter mudanças de cor localizadas. Usam-se químicas de formulação e ópticas/parâmetros de configuração do laser muito diferentes, conforme o contraste e a funcionalidade de marcação desejados.

O mecanismo de reação superficial mais comum é a “carbonização” ou “queima” térmica química, em que a energia absorvida no substrato eleva a temperatura local do material ao redor do ponto de absorção o suficiente para causar a degradação térmica do polímero. O escurecimento ou o clareamento da marcação depende da energia absorvida e da via de degradação térmica própria do material. Com a otimização da configuração do laser, o resíduo de carbonização superficial é mínimo.

Aditivos para laser

Os aditivos para laser de infravermelho próximo melhoram o grau de contraste, que pode ser intensificado ainda mais pela alteração dos parâmetros de configuração do laser. Os polímeros têm características inerentes que resultam em contraste de marcação “escuro” ou “claro”. Alguns compostos corantes com baixos teores de dióxido de titânio (TiO2) e negro de fumo também podem absorver a luz do laser e, em alguns casos, melhorar o contraste da marcação. Cada grau de polímero, mesmo dentro da mesma família polimérica, pode produzir resultados diferentes. As formulações de aditivos não podem ser tóxicas nem afetar negativamente a aparência ou as propriedades físicas ou funcionais dos produtos.

Em comparação aos processos de impressão com tinta (tampografia, serigrafia e impressão a jato de tinta), os aditivos para laser reduzem custos e podem demonstrar velocidades de marcação 20% ou mais rápidas que as de materiais não otimizados. Os aditivos para laser são fornecidos em pellets granulados e em pó. Os produtos granulados podem ser misturados diretamente à resina do polímero, enquanto as formas em pó são convertidas em masterbatch. A maioria se dispersa com facilidade nos polímeros. Conforme o aditivo e o polímero, o teor em massa (na peça final) varia entre 0,01 e 4,0%.

Tanto o granulado quanto o pó podem ser misturados a material de cor pré-composto ou a concentrado de cor. A escolha do aditivo depende da composição do polímero, da cor do substrato, da cor de contraste de marcação desejada e dos requisitos de certificação de uso final. Em operações de extrusão, moldagem por injeção e termoformagem, os materiais pré-compostos com cor oferecem melhor uniformidade que o concentrado de cor. A mistura manual deve ser evitada. O fluxo no molde e o tipo/local da entrada (gate) são fatores importantes. A distribuição/dispersão homogênea dos aditivos para laser em cada peça é essencial para obter o desempenho de marcação ideal.

Alguns aditivos contêm misturas de óxido de estanho dopado com antimônio e trióxido de antimônio, que podem conferir um tom “acinzentado” à opacidade do substrato natural (sem cor). Outros aditivos podem conter partículas de alumínio, óxidos metálicos mistos e compostos proprietários. Ajustes de cor são feitos com pigmentos e corantes para obter a aparência final de cor combinada. Aditivos específicos fornecidos comercialmente (também usados na soldagem a laser) receberam aprovação da FDA para contato com alimentos e uso em embalagens de alimentos nas condições A-H do 21 CFR 178.3297 – Colorants for Polymers. Na União Europeia, há declarações de conformidade semelhantes. As condições de certificação são específicas para o tipo de polímero, o limite de teor e o contato direto ou indireto. A qualificação adicional de aditivos aprovados pela FDA misturados em uma “peça final” pode alcançar a biocompatibilidade de dispositivos médicos².

Tecnologia de laser de fibra de itérbio em nanossegundos

Os avanços na tecnologia a laser foram fundamentais para o rápido desenvolvimento da geração mais recente de aditivos para laser aprovados pela FDA. O surgimento dos lasers de fibra de itérbio em nanossegundos é um dos avanços mais significativos para marcação, soldagem e corte.

Fundamentalmente, os lasers de fibra são diferentes de outros lasers de marcação de estado sólido bombeados por diodo (DPSS). Nos lasers de fibra, o meio ativo que gera o feixe do laser está disperso em um cabo de fibra óptica especializado. Em contraste com os lasers com entrega por fibra, todo o percurso do feixe fica dentro de um cabo de fibra óptica até a óptica de entrega do feixe. Essa estrutura totalmente em fibra é em grande parte responsável pela confiabilidade e robustez desses lasers, o que explica seu rápido crescimento.

Os lasers de fibra oferecem qualidade de feixe (M2) e brilho superiores aos dos lasers Nd:YAG. Um laser com qualidade de feixe superior pode ser focalizado em um ponto pequeno, o que leva a uma alta densidade de energia. Lasers de fibra MOPA (amplificador de potência com oscilador mestre) de pulso fixo e variável, com energia de pulso de até 1mJ e alta densidade de potência, podem marcar muitos polímeros historicamente difíceis (veja a Figura 2)³.

Os lasers de vanadato também têm um valor de M2 pequeno, com largura de pulso menor que a dos lasers de fibra fixos e YAG. A duração do pulso influencia o grau de calor e de carbonização no material. Pulsos curtos, tipicamente <40ns, permitem um aporte de energia mais controlado no processamento de materiais poliméricos sensíveis. Esses pulsos ainda têm a potência de pico para superar os limiares do material, mas com menor energia de pulso, para reduzir os danos térmicos localizados.

A IPG Photonics, importante desenvolvedora e fabricante de lasers de fibra de alto desempenho, oferece tanto os lasers YLP Series de pulso fixo (às vezes chamados de “Q-switch”) quanto os YLPN (MOPA) de pulso curto variável. Os lasers de fibra Q-switched, tipicamente com largura de pulso de 100–120ns, são empregados em algumas aplicações de marcação, mas sua taxa de repetição é limitada a cerca de 80kHz devido à restrição inerente da tecnologia Q-switching. Os lasers de fibra MOPA de modulação direta (DM-MOPA) podem operar em taxas de repetição de até 500kHz com pulsos de nanossegundos. Altas taxas de repetição geralmente resultam em maior velocidade de marcação (em conjunto com outros parâmetros do laser/guia de onda).

O desenvolvimento da aplicação é altamente específico, pois não existe uma solução de laser universal. Os lasers MOPA de pulso curto conseguem explorar plenamente o desempenho de aditivos químicos sensíveis aprovados pela FDA. O controle espacial e temporal localizado do aporte de calor do laser e da taxa desse aporte permite o desempenho máximo. A escolha do tipo de laser a integrar é determinada pelas características de saída do laser em interação com o material polimérico otimizado. A FIGURA 3 representa os formatos de pulso temporais de lasers de fibra de itérbio de largura de pulso fixa e variável (MOPA) [3].

Ao configurar um laser de fibra de largura de pulso fixa para marcação, é preciso definir duas entradas:

• Taxa de repetição de pulso (frequentemente chamada de frequência de pulso) e
• Potência de bombeamento em percentual (100% corresponde à máxima entrada elétrica possível nos diodos de bombeamento).

Ao configurar um laser de fibra MOPA de pulso curto variável para marcação, são definidas três entradas:

• Duração do pulso (frequentemente chamada de largura de pulso);
• Taxa de repetição de pulso (frequência de pulso); e
• Potência de bombeamento em percentual, conforme explicado acima.

Nos dois gráficos, a combinação específica das entradas de parâmetros controla as propriedades de saída do feixe do laser, a saber: a energia de pulso, a potência de pico (o maior pico instantâneo da energia de pulso, joules/duração do pulso) e a potência média (potência média em watts = energia de pulso em joules × taxa de repetição de pulso em hertz).

Marcação a laser “on-the-fly”

A marcação a laser “on-the-fly” é uma das aplicações mais especializadas realizadas em produtos moldados e extrudados, como fios/cabos, tubos e tubulações. As velocidades de marcação em rolhas sintéticas de poliolefina para vinho e em promoções sob a tampa de fechamentos de bebidas sem liner chegam a 2.000 peças/min para texto alfanumérico e gráficos (veja a Figura 4). As velocidades de marcação linear de texto e de códigos de visão de máquina podem atingir 500 ft/min ou mais, e a marcação a laser sem tinta agora substitui a rotogravura e a tampografia.

A velocidade de marcação é função de muitas variáveis, incluindo o tipo de polímero, a cor do substrato, o tipo e o teor do aditivo para laser, o tamanho (peso) do cabo, o tipo e a potência do laser, o software, o número de caracteres alfanuméricos, a altura do texto, o comprimento da cadeia de texto, o espaço entre caracteres, o código de barras/data matrix, os logotipos/gráficos, as fontes de traço único ou true-type preenchidas, o sentido de preenchimento e o texto contínuo ou repetido. O uso de um corante aditivo devidamente formulado garante que a “densidade de potência” na superfície da marcação não seja o fator limitante. Em vez disso, os galvanômetros de direcionamento do feixe operarão na velocidade máxima.

Devido à complexidade dos fatores que influenciam a capacidade de marcação em produção on-the-fly, cada aplicação deve ser examinada com precisão. Há poucas regras, se é que há alguma, que possam ser extrapoladas. Contudo, em termos gerais, considere o seguinte exemplo com polímero náilon: laser de fibra de 50W, lente de campo plano de 254mm, 100 caracteres alfanuméricos, altura de 2mm, cadeia de texto repetida de 14,68 pol. e tempo de marcação de 0,232s. A velocidade calculada é de aproximadamente 315 pés lineares/min.

Sistemas de equipamentos a laser

Os componentes de hardware e software que um fabricante de lasers incorpora em seus sistemas fazem diferença significativa no contraste, na qualidade e na velocidade da marcação. Um atributo primário é a densidade de potência (W/cm2) na superfície da marcação (que é diferente da potência de saída bruta do laser). O modo de saída do feixe do laser é decisivo para o desempenho da marcação. Esses modos de saída se relacionam a fatores como a divergência do feixe e a distribuição de potência ao longo do diâmetro do feixe do laser.

A densidade de potência é função do tamanho do ponto focalizado do laser. O tamanho do ponto focalizado, para uma dada distância focal da lente e um dado comprimento de onda do laser, é função da divergência do feixe, controlada pela configuração do laser, pelo tamanho da abertura seletora de modo e pela ampliação do upcollimator (expansor de feixe). A taxa de repetição de pulso e a densidade de potência de pico são parâmetros críticos para formar a marcação e obter o contraste e a velocidade ideais. As curvas aritméticas de potência versus taxa de repetição de pulso são inversamente proporcionais. Uma potência de pico alta em baixa frequência eleva rapidamente a temperatura da superfície, vaporizando o material e conduzindo calor mínimo para o substrato. À medida que a repetição de pulso aumenta, uma potência de pico menor produz vaporização mínima, mas conduz mais calor. Fatores adicionais que influenciam o contraste e a qualidade da marcação são, naturalmente, a velocidade do feixe e a distância de separação entre as linhas de vetor.

Conclusão

Aditivos para laser inovadores aprovados pela FDA, incorporados aos polímeros, proporcionam contraste de marcação, detalhe de borda de linha e velocidade superiores. Produtos que incorporam aditivos para laser alcançam velocidades de marcação 20% ou mais rápidas. Os benefícios compensam rapidamente o custo adicional do aditivo. Os avanços na tecnologia acessível de lasers de fibra de itérbio em nanossegundos foram fundamentais. A marcação a laser em linha, on-the-fly, agora substitui a rotogravura e a tampografia. A química de ciência de materiais otimizada para a marcação a laser de plásticos exige especialização em polímeros, corantes e pigmentos quanto a solubilidade, tamanhos de partícula, limites de concentração, combinação de cor e certificações regulatórias (GRAS, contato direto/indireto com alimentos da FDA). Nem todos os lasers de fibra são iguais.

Agradecimentos e referências

O autor agradece ao Mark-it Laser Marking Pigment Technical Bulletin 2002, da BASF Corporation, com contribuições de conteúdo técnico da The Sabreen Group; a Bruce Mulholland, da Hoechst Technical Polymers, e à The Sabreen Group por “Enlightened laser marking”, Lasers & Optronics (jul. 1997); e a Daniel S. Burgess, da Baasel Lasertechnik GmbH, e à The Sabreen Group por “Laser marking: A clean economical packaging solution”, Photonics Spectra (nov. 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 é fundador e presidente da The Sabreen Group, Inc., uma empresa de consultoria em engenharia especializada em processos de transformação secundária de plásticos: pré-tratamentos de superfície, união por adesão, impressão a jato de tinta, marcação a laser, decoração e acabamento e segurança de produtos. Sabreen desenvolve tecnologias pioneiras e resolve problemas de fabricação há mais de 30 anos. Você pode entrar em contato pelo telefone 972.820.6777 ou visitando www.sabreen.com.

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