Aditivos innovadores mejoran el marcado láser de plásticos: contraste superior, detalle de bordes de línea y velocidad

Aditivos innovadores mejoran el marcado láser de plásticos: contraste superior, detalle de bordes de línea y velocidad

La generación más reciente de aditivos para marcado láser formulados en polímeros representa un avance sustancial de la tecnología, comprobado tanto por su capacidad habilitadora como por el ahorro de costos. Las formulaciones progresivas de ciencia de materiales logran un contraste de marcado, un detalle de bordes de línea y una velocidad superiores en plásticos que tradicionalmente han sido difíciles, si no imposibles, de marcar con láser. Diseñadas para láseres de fibra, de vanadato y YAG accesibles, estas formulaciones operan en el espectro del infrarrojo cercano de 1060-1070 nm. Este artículo analiza aplicaciones de contraste de marcado láser oscuro y claro diseñadas para la «carbonización térmica química de la superficie». Es la reacción superficial polimérica más común y una vía química claramente distinta de los mecanismos de «espumado» y de cambio de «color».

Los polímeros transparentes y semitransparentes, incluidos el PVC, el policarbonato y las poliolefinas, ahora se formulan de manera exclusiva con aditivos sin metales pesados y aprobados por la FDA. La claridad del polímero y sus propiedades de transmisión espectral no se ven afectadas. Este avance produce un contraste de marcado láser negro intenso, con un residuo mínimo de carbonización superficial, en productos de tubo extruido «al vuelo» y en operaciones secundarias. El marcado láser en línea sin tinta ahora sustituye al huecograbado rotativo y a la tampografía. (Véase la Foto A).

Puntos clave

• Diseñados para la banda del infrarrojo cercano de 1060–1070 nm, que abarca láseres de fibra, de vanadato y YAG accesibles.
• La carbonización térmica química de la superficie es la reacción superficial polimérica más común y el foco de estas formulaciones.
• Ningún aditivo único resuelve todos los problemas de marcado: la química y la configuración del láser varían según el contraste buscado.
• La carga abarca de 0.01% a 4.0% en peso en la pieza final, con el color ajustado mediante pigmentos y tintes.
• Hasta 25% más de velocidad de marcado frente a materiales no optimizados, con concentraciones tan bajas como 0.01% a 2.0%.

Preguntas frecuentes

¿Cuánto más rápido puede ser el marcado con aditivos formulados de forma óptima?

Estudios independientes muestran mejoras estadísticamente significativas, a menudo de 25% o más de velocidad frente a material no optimizado, logradas con concentraciones muy bajas de aproximadamente 0.01% a 2.0%. Como el tiempo de marcado es un costo directo del tiempo de ciclo, esto compensa rápidamente el precio incremental del aditivo.

¿Qué determina cuánto tarda en aplicarse una marca?

El sustrato polimérico, el número de líneas vectoriales trazadas y la rapidez con que el haz y el cabezal de escaneo con galvanómetro trazan esas líneas. El software del láser y el tipo de relleno vectorial (unidireccional, bidireccional o serpentina) también afectan el tiempo de marcado.

¿Por qué el sustrato natural a veces se ve gris después de agregar el aditivo?

Algunos aditivos contienen mezclas de óxido de estaño dopado con antimonio y trióxido de antimonio, que imparten un tinte grisáceo a la opacidad natural del sustrato sin color. Los ajustes de color con pigmentos y tintes devuelven la pieza a la igualación de color objetivo.

¿Los aditivos se suministran en pellets o en polvo?

En ambas presentaciones. Los productos granulados se mezclan directamente con la resina polimérica, mientras que las presentaciones en polvo se convierten en masterbatch. Cualquiera de ellas puede suministrarse como material precompuesto o como concentrado de color.

¿Qué experiencia requiere realmente una formulación para marcado láser?

Conocimiento de los polímeros y de los grados de propiedades dentro de cada familia, además de colorantes, pigmentos y tintes en cuanto a solubilidad, tamaño de partícula, límites de concentración umbral, igualación de color y certificaciones regulatorias, incluidas GRAS y el contacto alimentario directo e indirecto de la FDA.

Mecanismo de reacción del marcado láser en polímeros

Los polímeros que pueden marcarse con láser son aquellos que absorben la luz láser y la convierten de energía lumínica en energía térmica. Como la mayoría de los polímeros no posee propiedades de absorción a 1060-1070 nm, los expertos utilizan aditivos, cargas, pigmentos y tintes que mejoran la absorción de la energía láser para lograr cambios de color localizados. La química de ciencia de materiales para lograr un marcado láser de alto contraste y de color es tanto arte como ciencia. Contrario a la creencia popular, no existe un único aditivo láser que resuelva todos los problemas de marcado. Se emplean químicas de formulación y ópticas o parámetros de configuración del láser muy distintos, según el contraste de marcado y la funcionalidad deseados.

El mecanismo de reacción superficial más común se denomina «carbonización» térmica química (véase la Foto B), en el que la energía absorbida en el sustrato eleva la temperatura local del material que rodea el sitio de absorción lo suficiente como para causar la degradación térmica del polímero. Aunque esto puede provocar la combustión del polímero en presencia de oxígeno, el suministro limitado de oxígeno en el interior del sustrato provoca la carbonización del polímero y forma un contraste de marcado negro u oscuro. Lo oscura o clara que resulta la marca depende de la energía absorbida, así como de la ruta de degradación térmica propia del material.

Los aditivos láser mejoran el grado de contraste, que puede intensificarse aún más al modificar los parámetros de configuración del láser. Los polímeros poseen características inherentes que producen un contraste de marcado «oscuro» o «claro». (Véase la Foto B). Cada grado de colorante polimérico, incluso dentro de la misma familia polimérica, puede producir resultados distintos. Los compuestos colorantes que contienen bajas cantidades de TiO₂, negro de humo y óxidos metálicos mixtos también absorben la luz láser y, en algunos casos, mejoran el contraste de marcado.

Procesamiento primario, aditivos láser e igualación de color

Los aditivos láser disponibles comercialmente se suministran en presentaciones granuladas y en polvo. Los productos granulados pueden mezclarse directamente con la resina polimérica, mientras que las presentaciones en polvo se convierten en masterbatch.

Algunos de estos aditivos contienen mezclas de óxido de estaño dopado con antimonio y/o trióxido de antimonio que imparten un tinte «grisáceo» a la opacidad natural (sin color) del sustrato. Los ajustes de color se realizan con pigmentos y tintes para lograr la apariencia final de igualación de color. Según el aditivo y el polímero específicos, la concentración de carga en peso (en la pieza final) puede ir de 0.01 por ciento a 4.0 por ciento. Tanto el granulado como el polvo pueden suministrarse como material de color precompuesto o como concentrado de color.

Durante la química de carga del aditivo láser y de igualación de color, no es raro que un producto terminado contenga menos aditivo láser que la cantidad calculada. Este problema casi siempre se relaciona con una distribución no uniforme durante la extrusión o el moldeo. Ajustes sencillos a la máquina de moldeo, como aumentar la contrapresión y la velocidad de rotación del husillo, resolverán la mayoría de los problemas. Una distribución y dispersión homogéneas de los aditivos láser en toda la pieza es fundamental para lograr un desempeño de marcado óptimo. En operaciones de extrusión, moldeo por inyección y termoformado, los materiales de color precompuestos ofrecen mejor uniformidad que el concentrado de color. Debe evitarse el mezclado manual. El flujo del molde y el tipo y la ubicación de la compuerta son factores importantes.

Mayor velocidad de marcado = ahorro de costos

El tiempo necesario para marcar una pieza depende del sustrato polimérico, del número de líneas vectoriales trazadas y de la rapidez con que el haz láser y el cabezal de escaneo con galvanómetro trazan todas las líneas. El software del láser y el tipo de relleno vectorial (unidireccional, bidireccional o serpentina) también afectan el tiempo de marcado.

Nuevos estudios independientes demuestran que se pueden lograr velocidades de marcado estadísticamente más altas al incorporar formulaciones de aditivos láser en concentraciones muy bajas, normalmente de 0.01 por ciento a 2.0 por ciento. Los aditivos láser formulados de forma óptima ahorran costos y a menudo ofrecen velocidades de marcado 25 por ciento superiores o más frente a formulaciones de material no optimizadas. Este aumento de velocidad y calidad compensa con creces el costo incremental del aditivo.

La ciencia de los aditivos láser (Figura 1, página 34) muestra una gráfica de análisis termogravimétrico (TGA) de dos polietilenos de alta densidad utilizados en tapas de bebidas de 28 mm sin sello interior (linerless). Los dos polímeros presentan distintas temperaturas de degradación térmica, el proceso que crea la marca láser. El polímero de mayor temperatura requerirá más energía láser, menores velocidades de marcado o más aditivo absorbente para lograr la misma apariencia de marca.

Sin aditivos láser, algunos conocidos productos industriales no podrían fabricarse de manera rentable. Una aplicación interesante es el marcado láser «al vuelo» para promociones bajo la tapa en tapas de bebidas sin sello interior. Los sistemas llave en mano son capaces de marcar gráficos únicos y texto alfanumérico a velocidades de hasta 1,500 – 2,000 tapas por minuto. (Véase la Foto B).

Tecnología láser

Los avances en la tecnología láser han sido fundamentales para el rápido desarrollo de la nueva generación de aditivos láser. La aparición de los láseres de fibra de nanosegundos es uno de los avances más significativos para marcar, soldar y cortar. En esencia, los láseres de fibra son distintos de otros láseres de marcado de estado sólido. En los láseres de fibra, el medio activo que genera el haz láser está disperso dentro de un cable de fibra óptica especializado. A diferencia de los láseres con entrega por fibra, todo el trayecto del haz se encuentra dentro del cable de fibra óptica hasta la óptica de entrega del haz.

Los láseres de fibra ofrecen una calidad de haz y un brillo superiores. La métrica de calidad del haz es M². Cuanto menor sea el valor de M², mejor será la calidad del haz, y M² = 1 corresponde al haz láser gaussiano ideal. Un láser con calidad de haz superior puede enfocarse a un tamaño de punto pequeño, lo que produce una alta densidad de energía. Los láseres de fibra de pulso fijo y variable con energía de pulso de hasta 1 mJ y alta densidad de potencia pueden marcar muchos polímeros históricamente difíciles, incluidos nylons, uretanos y acetales. Los láseres de vanadato también poseen un valor de M² pequeño, con un ancho de pulso más corto que los láseres de fibra fijos y YAG. La duración del pulso influye en el grado de calor y de carbonización en el material. Un ancho de pulso corto puede ser ventajoso en aplicaciones poliméricas sensibles.

No todos los láseres de fibra, de vanadato y YAG de haz dirigido son iguales. Los componentes de hardware y software que un fabricante de láseres incorpora en sus sistemas marcan una diferencia significativa en el contraste, la calidad y la velocidad de marcado. Un atributo primordial es la densidad de potencia (watts/cm²) en la superficie de marcado (que es distinta de la potencia de salida bruta del láser). El modo de salida del haz láser es determinante para el desempeño del marcado. Estos modos de salida se relacionan con factores como la divergencia del haz y la distribución de potencia a lo largo del diámetro del haz láser.

La densidad de potencia depende del tamaño del punto láser enfocado. Para cualquier distancia focal de lente y longitud de onda del láser, el tamaño del punto láser enfocado depende de la divergencia del haz, la cual se controla mediante la configuración del láser, el tamaño de la apertura selectora de modo y el aumento del colimador ascendente (expansor de haz).

La frecuencia de repetición de pulsos y la densidad de potencia pico son parámetros críticos para formar la marca y lograr el contraste y la velocidad óptimos. Las curvas aritméticas de potencia frente a frecuencia de repetición de pulsos son inversamente proporcionales. Una alta potencia pico a baja frecuencia eleva rápidamente la temperatura de la superficie y vaporiza el material, al tiempo que conduce un calor mínimo hacia el sustrato. Al aumentar la repetición de pulsos, una menor potencia pico produce una vaporización mínima, pero conduce más calor. Otros factores que influyen en el contraste y la calidad del marcado son, por supuesto, la velocidad del haz y la distancia de separación entre líneas vectoriales.

Conclusión

La generación más reciente de aditivos para marcado láser incorporados en polímeros ofrece un contraste de marcado, un detalle de bordes de línea y una velocidad superiores. El marcado láser en línea sin tinta ahora sustituye al huecograbado rotativo y a la tampografía. Estos beneficios compensan rápidamente el costo incremental del aditivo. Lograr una formulación química óptima de ciencia de materiales para el marcado láser de plásticos requiere experiencia en polímeros, en grados de propiedades dentro de las familias poliméricas, y en colorantes, pigmentos y tintes en cuanto a solubilidad, tamaños de partícula, límites de concentración umbral, igualación de color y certificaciones regulatorias (GRAS, contacto alimentario directo/indirecto de la FDA). Las soluciones de ciencia de materiales deben ser rentables, fáciles de usar y no tener efectos perjudiciales en las propiedades físicas y químicas del polímero.

Agradecimientos

• Dr. Tony Hoult, IPG Photonics, “Laser Marking with Fiber Lasers”, Industrial Laser Solutions, September 2012.
• BASF Corporation Mark-it™ Laser Marking Pigment Technical Bulletin 2002, with technical content contributions from The Sabreen Group, Inc. Lasers&Optronics, July 1997.
• 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 and Carl Baasel Lasertechnik GmbH, Feature Article, “Laser Marking: A Clean Economical Packaging Solution”, Photonics Spectra, November 2001.

Scott R. Sabreen es fundador y presidente de The Sabreen Group, Inc., una empresa de ingeniería especializada en procesos de transformación secundaria de plásticos: marcado láser, pretratamientos de superficies, pegado, decoración y acabado, y seguridad del producto. Sabreen desarrolla tecnologías pioneras y resuelve problemas de manufactura desde hace más de 30 años. Puede comunicarse al 972.820.6777 o visitando www.sabreen.com o www.plasticslasermarking.com.

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