Lasers de fibra: seleção e aditivos

Lasers de fibra: seleção e aditivos

Nota do editor: neste artigo de tecnologia, Scott Sabreen aborda dois temas relacionados aos lasers de fibra: a seleção do tipo de laser de fibra para marcar plásticos e a melhoria do contraste da marcação com o uso de aditivos.

Principais conclusões

• Os lasers de fibra diferem fundamentalmente de outros lasers DPSS: o meio ativo está disperso no próprio cabo de fibra óptica.
• A estrutura totalmente em fibra explica sua confiabilidade e robustez e, portanto, seu rápido crescimento.
• Os lasers com Q-switch têm limite de cerca de 80 kHz, uma restrição inerente à tecnologia, com largura de pulso de 100 a 120 ns.
• O DM-MOPA chega a 500 kHz com larguras de pulso na faixa de nanossegundos, o que, em geral, resulta em marcação mais rápida.
• Não existe solução de laser universal. O desenvolvimento da aplicação é altamente específico para o material.

Perguntas frequentes

O que diferencia um laser de fibra de outros lasers de estado sólido?

O meio ativo que gera o feixe está disperso em um cabo de fibra óptica especializado e, ao contrário dos lasers com entrega por fibra, todo o caminho do feixe permanece dentro desse cabo até a óptica de entrega. Essa estrutura totalmente em fibra é em grande parte responsável por sua confiabilidade e robustez.

Pulso fixo ou MOPA: qual devo escolher?

Depende do material. Os lasers de pulso fixo com Q-switch, de 100 a 120 ns, são usados em algumas aplicações de marcação, mas a própria tecnologia os limita a cerca de 80 kHz de taxa de repetição. Os lasers MOPA com modulação direta chegam a 500 kHz com larguras de pulso na faixa de nanossegundos, o que, em geral, significa marcação mais rápida.

Uma taxa de repetição maior sempre significa marcação mais rápida?

Em geral sim, mas somente em conjunto com os demais parâmetros do laser e do guia de onda. A taxa de repetição, sozinha, não determina a produtividade: energia do pulso, potência de pico, velocidade do feixe e resposta do material também contribuem.

Existe um único melhor laser para plásticos?

Não. O desenvolvimento da aplicação é altamente específico, e o tipo de laser a integrar é definido pela forma como as características de saída do laser interagem com o material polimérico otimizado. O material e o laser precisam ser escolhidos em conjunto.

Como os aditivos mudam o que um laser de fibra consegue marcar?

Eles melhoram o grau de contraste, que pode então ser intensificado ainda mais pelos parâmetros de configuração do laser. Os polímeros têm tendências inerentes a contraste escuro ou claro, e até graus da mesma família produzem resultados diferentes, por isso o aditivo é escolhido para o grau específico.

Seleção de um laser de fibra para marcar plásticos: qual laser é o melhor?

Os lasers de fibra de itérbio em nanossegundos estão entre os 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 está disperso em um cabo de fibra óptica especializado. Ao contrário dos lasers com entrega por fibra, todo o caminho 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 pela robustez desses lasers, o que explica seu rápido crescimento.

Qual tipo de laser de fibra, pulso fixo ou MOPA, é o melhor para marcar plásticos?

A IPG Photonics, importante desenvolvedora e fabricante de lasers de fibra de alto desempenho, oferece tanto os lasers de pulso fixo da série YLP (às vezes chamados de “Q-switch”) quanto os lasers YLPN (MOPA) de pulso curto variável. Os lasers de fibra com Q-switch, normalmente com largura de pulso de 100 a 120ns, são empregados em algumas aplicações de marcação, mas sua taxa de repetição é limitada a cerca de 80kHz por uma restrição inerente à tecnologia Q-switch. Os lasers de fibra MOPA com modulação direta (DM-MOPA) podem operar em taxas de repetição de até 500kHz com larguras de pulso na faixa de nanossegundos. Taxas de repetição altas geralmente se traduzem em maior velocidade de marcação (em conjunto com outros parâmetros do laser e do guia de onda).

O desenvolvimento da aplicação é altamente específico, e não existe uma solução de laser universal. Os lasers MOPA de pulso curto conseguem explorar plenamente o desempenho de aditivos químicos sensíveis incorporados aos polímeros. 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 definida pelas características de saída do laser em interação com o material polimérico otimizado. A Figura 2 mostra os formatos temporais de pulso de lasers de fibra de itérbio de largura de pulso fixa e variável (MOPA).

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

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

• taxa de repetição de pulsos (muitas vezes chamada de frequência de pulso) e
• potência da bomba em porcentagem (100% corresponde à máxima entrada elétrica possível nos diodos de bombeamento).

Ao configurar um laser de fibra MOPA de pulso curto variável para marcação, definem-se três entradas:

• duração do pulso (muitas vezes chamada de largura de pulso),
• taxa de repetição de pulsos (frequência de pulso) e
• potência da bomba em porcentagem, conforme explicado acima.

Aditivos para marcação a laser de plásticos com lasers de fibra

Os aditivos para laser no infravermelho próximo melhoram o grau de contraste, que pode ser intensificado ainda mais ao alterar os parâmetros de configuração do laser. Os polímeros têm características inerentes de produzir contraste de marcação “escuro” ou “claro”. Alguns compostos corantes com pequenas quantidades de dióxido de titânio (TiO₂) e negro de fumo também podem absorver a luz 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 com os processos de impressão com tinta (tampografia, serigrafia e jato de tinta), os aditivos para laser reduzem custos e podem apresentar velocidades de marcação 20% maiores ou mais em relação a materiais não otimizados. Os aditivos para laser são fornecidos em grânulos (pellets) e em pó. Os produtos granulados podem ser misturados diretamente à resina polimérica, enquanto as formas em pó são convertidas em masterbatch. A maioria se dispersa facilmente nos polímeros. Conforme o aditivo e o polímero, a concentração em peso (na peça final) varia entre 0,01 e 4,0%.

Tanto o granulado quanto o pó podem ser incorporados 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, o material de cor pré-composto proporciona maior uniformidade do que o concentrado de cor.

A mistura manual deve ser evitada. O fluxo do molde e o tipo e a posição do ponto de injeção são fatores importantes. A distribuição e a dispersão homogêneas dos aditivos para laser em toda a peça são essenciais para obter o desempenho ideal de marcação.

Alguns aditivos contêm misturas de óxido de estanho dopado com antimônio e trióxido de antimônio, que podem conferir um tom “acinzentado” à opacidade natural (sem cor) do substrato. Outros aditivos podem conter partículas de alumínio, óxidos metálicos mistos e compostos proprietários. Os ajustes de cor são feitos com pigmentos e corantes para obter a aparência final de cor desejada (colormatch).

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 a H da norma 21 CFR 178.3297 (Colorants for Polymers). Para a União Europeia, há declarações de conformidade semelhantes. As condições de certificação são específicas para o tipo de polímero, o limite de concentração e o contato direto ou indireto. Uma qualificação adicional de aditivos aprovados pela FDA misturados em uma “peça final” pode permitir a biocompatibilidade de dispositivos médicos.

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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