Los «aditivos láser» de doble propósito impulsan el marcado y la soldadura de polímeros

Los «aditivos láser» de doble propósito impulsan el marcado y la soldadura de polímeros

Los aditivos láser de doble propósito, mezclados en los polímeros durante el procesamiento primario, permiten el marcado láser y la soldadura por transmisión de polímeros transparentes y opacos. Los aditivos químicos novedosos, incluidos los que cumplen con la FDA y con requisitos médicos, logran uniones soldadas herméticas de alta resistencia y un contraste de marcado opaco indeleble. Los procesos de marcado láser y soldadura láser son sin contacto, fáciles de controlar y ecológicos. Diseñados para láseres y equipos económicos de alta velocidad, el marcado y la soldadura de polímeros responden a los retos de las aplicaciones complejas actuales.

Puntos clave

• Un compuesto, dos procesos. Los aditivos de doble propósito permiten el marcado y la soldadura por transmisión en el mismo material.
• La TTLW se desarrolla en tres etapas (calentamiento, fusión inicial y soldadura), con tiempos de soldadura típicos de uno a ocho segundos.
• Las dos piezas requieren propiedades ópticas opuestas: la superior debe transmitir la longitud de onda y la inferior debe absorberla en una capa delgada.
• La absorción de rango medio es el peor caso: calienta todo el espesor y hace que la pieza sea una mala candidata para cualquiera de los lados de la unión.
• La soldadura láser produce sellos herméticos sin rebaba, sin partículas, con una zona afectada por el calor mínima y sin marcar la superficie de la pieza.

Preguntas frecuentes

¿Qué significa «transmisión» en la soldadura láser?

El láser atraviesa la pieza superior transparente al láser y es absorbido en la superficie de la pieza inferior absorbente. Las piezas se preensamblan y se sujetan de modo que las superficies de unión queden en contacto íntimo, y la soldadura se forma en esa interfaz.

¿Cuáles son las etapas de una soldadura láser por transmisión?

Tres. En la etapa de calentamiento, el láser calienta el polímero absorbente en la interfaz, que se expande y eleva la presión de soldadura. En la etapa de fusión inicial, la expansión adicional aumenta la presión y ocurre una pequeña cantidad de soldadura. En la etapa de soldadura, se colapsa suficiente material fundido para formar una soldadura real, normalmente del orden de 0.13 mm.

¿Se pueden soldar con láser materiales con carga de fibra de vidrio?

Se han soldado materiales con carga de hasta 50 % de vidrio, pero no para sellos herméticos. Las cargas, los aditivos y los pigmentos modifican la respuesta de un polímero al haz láser, por lo que la idoneidad del material es más sensible en la soldadura láser que en cualquier otro proceso de unión.

¿Por qué elegir la soldadura láser en lugar de la soldadura ultrasónica o por placa caliente?

Es un proceso sin contacto, con sujeción ligera bajo una placa de vidrio lisa, por lo que nada marca la pieza y no se transmite vibración. La soldadura es subsuperficial y casi invisible, la zona afectada por el calor es muy pequeña y los componentes frágiles preinstalados sobreviven, no hay rebaba que recortar y se pueden lograr sellos herméticos a gases.

¿Se pueden soldar con láser plásticos distintos entre sí?

Sí, siempre que cumplan los criterios ópticos y térmicos necesarios. Cada polímero transmite de forma distinta las tres longitudes de onda principales de soldadura, por lo que ambos materiales deben evaluarse en conjunto y no de manera individual.

Aplicaciones del producto

Los polímeros de color transparentes, semitransparentes y opacos, incluidos los nylons, el tereftalato de polietileno (PET), los policarbonatos, las poliolefinas, el policloruro de vinilo (PVC), los estirénicos, los elastómeros termoplásticos (TPE) y los poliuretanos termoplásticos (TPU), se formulan de manera exclusiva con aditivos sin metales pesados y aprobados por la FDA y la Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (EFSA) para lograr un marcado de alto contraste, incluidos los productos soldados con láser (Figura 1). La claridad del polímero, la transmisión espectral y las propiedades físicas base no se ven afectadas. El marcado láser digital sin contacto sustituye a las costosas etiquetas adhesivas y a los procesos de impresión con tintas químicas. El resultado es una solución rentable, ecológica y de estética superior.

Mecanismos de reacción superficial del marcado láser

Los avances logrados en la formulación de aditivos químicos láser para su uso con láseres de infrarrojo cercano (NIR) (longitud de onda de 1,060-1,080 nm) incluyen su compatibilidad con láseres de fibra de iterbio, de vanadato y Nd:YAG. La mayoría de los polímeros no poseen propiedades de absorción en el NIR sin aditivos químicos. Los polímeros que pueden marcarse con láser son aquellos que absorben la luz láser y la convierten de energía luminosa a energía térmica. Se utilizan aditivos, cargas, pigmentos y colorantes para aumentar la absorción de energía láser y producir cambios de color localizados. Se configuran químicas de formulación y parámetros de óptica y ajuste del láser muy diferentes, según el contraste de marcado y la funcionalidad deseados.

La Figura 1 muestra dos mecanismos comunes de reacción superficial. Primero, puede ocurrir una «carbonización» o «carbonizado» termoquímico, 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 provocar la degradación térmica del polímero. Lo oscuro o claro de la marca depende de la energía absorbida, así como de la ruta de degradación térmica propia del material. Al optimizar la configuración del láser, el residuo de carbonización superficial es mínimo.

Una segunda reacción superficial, la «formación de espuma» (foaming), es un cambio químico logrado mediante aditivos que liberan vapor durante la degradación, lo que provoca que el polímero se espume. Durante el proceso de espumado, la energía láser es absorbida por un aditivo que se encuentra muy cerca del agente espumante. El calor del absorbente hace que el agente espumante se degrade y libere vapor. Mediante un control estricto de los parámetros de operación del láser, pueden generarse marcas «blancas» claras, de alta calidad y durables sobre sustratos oscuros.

Una tercera reacción, no mostrada, utiliza la energía láser para calentar o degradar un colorante dentro de una mezcla de colorantes, lo que produce un cambio de color. Un ejemplo es una mezcla de negro de humo y un colorante inorgánico estable. Al calentarse, el negro de humo se elimina y queda el colorante inorgánico. Estos sistemas de colorantes mixtos dependen de la estabilidad específica de cada colorante, y no todos los cambios de color son posibles. Las formulaciones con negro de humo son parte integral de la soldadura láser.

Químicas de aditivos láser para marcado y soldadura

Los aditivos láser de infrarrojo cercano mejoran el grado de contraste, que puede intensificarse aún más modificando los parámetros de ajuste del láser. Los polímeros poseen características inherentes para producir un contraste de marcado «oscuro» o «claro». Algunos compuestos colorantes con bajos contenidos de dióxido de titanio (TiO2) y negro de humo también absorben la luz láser y pueden mejorar el contraste de marcado. Cada grado de polímero, incluso dentro de la misma familia polimérica, puede producir resultados distintos. Las formulaciones de aditivos no deben ser tóxicas ni afectar negativamente la apariencia, ni las propiedades físicas o funcionales de los productos.

En comparación con los procesos de impresión con tinta (tampografía, serigrafía e inyección de tinta), los aditivos láser reducen costos y pueden demostrar velocidades de marcado 20 por ciento más rápidas o más frente a materiales no optimizados. Los aditivos láser se suministran en forma de pellets (granulado) y en polvo. Los productos granulados pueden mezclarse directamente con la resina polimérica, mientras que las presentaciones en polvo se convierten en masterbatch. La mayoría se dispersa fácilmente en los polímeros. Según el aditivo y el polímero, el nivel de concentración en peso (en la pieza final) varía entre 0.01 y 4.0 por ciento.

Tanto el granulado como el polvo pueden mezclarse en material de color precompuesto o en concentrado de color. La selección del aditivo por incorporar depende de la composición del polímero, el color del sustrato, el color de contraste de marcado deseado y los requisitos de certificación de uso final. En operaciones de extrusión, moldeo por inyección y termoformado, los materiales precompuestos con color ofrecen mejor uniformidad que el concentrado de color. Debe evitarse el mezclado manual. El flujo en el molde y el tipo y ubicación de la compuerta son factores importantes. La distribución y dispersión homogénea de los aditivos láser en toda la pieza es fundamental para lograr un desempeño de marcado óptimo.

Algunos aditivos contienen mezclas de óxido de estaño dopado con antimonio y trióxido de antimonio, que pueden impartir un tinte «grisáceo» a la opacidad del sustrato natural (sin color). Otros aditivos pueden contener partículas de aluminio, óxidos metálicos mixtos y compuestos patentados. Los ajustes de color se realizan con pigmentos y colorantes para lograr la apariencia final de igualación de color. Tal como se suministran comercialmente, ciertos aditivos específicos (también utilizados para la soldadura láser) han recibido la aprobación de la FDA para uso en contacto con alimentos y empaque de alimentos bajo las condiciones A-H de la norma 21 CFR 178.3297, Colorantes para polímeros. Para la Unión Europea existen declaraciones de cumplimiento similares. Las condiciones de certificación son específicas para el tipo de polímero, el umbral del nivel de carga y el contacto directo o indirecto. La calificación adicional de los aditivos aprobados por la FDA mezclados en una «pieza final» puede lograr la biocompatibilidad de dispositivos médicos.

Durante la química de carga de aditivo láser e 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 en la máquina de moldeo, como aumentar la contrapresión y la velocidad de rotación del husillo, resuelven la mayoría de los problemas. La distribución y dispersión homogénea 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 precompuestos con color ofrecen mejor uniformidad que el concentrado de color. Debe evitarse el mezclado manual. El flujo en el molde y el tipo y ubicación de la compuerta son factores importantes.

Principios de la soldadura láser por transmisión

El término «por transmisión» proviene del hecho de que el láser atraviesa la pieza superior transparente al láser hasta la superficie de la pieza inferior absorbente, como se muestra en la Figura 2. En la soldadura láser de plásticos por transmisión (TTLW) intervienen tres etapas. En la TTLW, las piezas se preensamblan y se sujetan juntas para lograr un contacto íntimo entre sus superficies de unión. En este artículo se utilizan láseres de diodo de alta potencia (λ = 800-1,000 nm) y láseres de estado sólido (láser de fibra de iterbio y láser Nd:YAG, λ = 1,060-1,080 nm).

Durante la etapa de calentamiento, la energía láser calienta el polímero absorbente en la interfaz, lo que provoca que la pieza se expanda y aumente la presión de soldadura. En el foco del haz, la potencia del láser es máxima y la pieza comienza a fundirse en ese punto, creando una zona de fusión. Este es el inicio de la segunda etapa, la de fusión inicial. Las piezas se siguen expandiendo, generando una expansión adicional con el correspondiente aumento de presión. En este punto ya ha ocurrido una pequeña cantidad de soldadura.

La etapa de soldadura es la etapa final. Se genera suficiente material fundido para crear una soldadura real. Ocurre un colapso del material fundido, similar al de la soldadura por placa caliente o por fusión. En la mayoría de las aplicaciones, esto es del orden de 0.13 mm (0.005 pulg). Los tiempos de soldadura típicos son del orden de uno a ocho segundos para la mayoría de las aplicaciones, aunque las piezas más grandes pueden requerir más. Existen cuatro procesos principales de soldadura láser TTLW: por contorno, por máscara, simultánea y cuasi simultánea.

Las dos piezas por soldar deben tener propiedades de absorción óptica distintas a una longitud de onda de soldadura determinada. La pieza superior, transparente al láser, debe transmitir la mayor cantidad posible de la longitud de onda, mientras que la pieza inferior, absorbente al láser, debe absorber la mayor cantidad posible en una capa delgada. Esto da como resultado la combinación más eficiente energéticamente, porque se absorbe una gran cantidad de energía en la interfaz y esta podría degradar la pieza superior antes de que la inferior se ablande lo suficiente para soldarse. Una reflectividad excesiva también incrementa la cantidad de energía necesaria para la soldadura.

La idoneidad del material es más sensible en la soldadura láser que en cualquier otro proceso de unión. En teoría, la soldadura láser puede soldar todos los termoplásticos que sean transparentes al haz láser. Sin embargo, la capacidad de cada polímero para transmitir la luz de los láseres de las tres longitudes de onda principales utilizadas en la soldadura láser es diferente. Además, la respuesta de un polímero dado a los haces láser se altera por la presencia de cargas, aditivos y pigmentos.

Los materiales con altas tasas de absorción son ideales para la pieza inferior en la soldadura TTLW, porque absorben la mayor parte de la energía en la interfaz de soldadura y crean una capa superficial delgada y calentada, ideal para la soldadura láser. Los materiales con tasas de absorción en los rangos medios pueden ser un problema, porque absorben la energía láser a lo largo del espesor del material, lo que provoca el calentamiento de todo el espesor. Estos materiales dejan pasar muy poca energía; por lo tanto, son malos candidatos para el material superior en la soldadura láser TTLW. Además, no absorben mucha energía en su borde superior y, en consecuencia, son una mala elección para el material inferior. Se han soldado materiales con carga de hasta 50 por ciento de vidrio, pero no para sellos herméticos.

Las principales ventajas de la TTLW incluyen las siguientes:

• Soldadura sin contacto. La soldadura láser utiliza una placa de vidrio lisa para sujetar las piezas por soldar con una fuerza de sujeción ligera de 100 lb (aprox. 45 kg) o menos, y no hay contacto con el instrumento de soldadura. En consecuencia, nada marca la superficie de las piezas soldadas y no se requiere presión de soldadura que pudiera dañar piezas delicadas.
• Soldadura subsuperficial. La soldadura se produce en la interfaz entre las dos piezas. Es casi invisible en piezas transparentes y completamente invisible en piezas opacas. La soldadura puede estar justo debajo de la superficie o en lo profundo de las piezas.
• Soldadura precisa. El tamaño y la ubicación de la soldadura láser pueden ser muy precisos, y no se transmite vibración a la pieza que se suelda. En las versiones del proceso que requieren movimiento relativo entre el láser y las piezas soldadas, es el láser el que se mueve. En consecuencia, la soldadura láser es el más preciso de los procesos de soldadura.
• Zona afectada por el calor mínima. El punto de soldadura es muy pequeño y la zona afectada por el calor está bastante contenida. Por ello, es posible soldar muy cerca de otros componentes sin afectarlos, lo que permite soldar subensambles con piezas sensibles y frágiles previamente colocadas. Además, la distorsión y la degradación por calor son sumamente limitadas, y el esfuerzo residual se reduce.
• Capacidad de soldar plásticos distintos. Los plásticos distintos que cumplan los criterios necesarios pueden soldarse entre sí.
• Sin rebaba. En la soldadura láser, la soldadura queda totalmente encerrada y no se genera rebaba que deba recortarse. No hay partículas sueltas.
• Sellos herméticos. La soldadura láser es capaz de crear una soldadura herméticamente sellada y estanca a los gases.
• Eficiencia energética. En relación con otros procesos de soldadura, la soldadura láser es altamente eficiente en el uso de energía. Esto también significa que no se genera calor excesivo que deba retirarse del lugar de trabajo.

Conclusión

Los aditivos láser de doble propósito incorporados en los polímeros producen un contraste de marcado, un detalle de bordes de línea y una velocidad superiores. Estos aditivos optimizan la soldadura láser de termoplásticos similares y distintos. Los avances en la tecnología económica de láser de fibra han sido fundamentales. Estos beneficios compensan rápidamente el costo incremental del aditivo. La química optimizada de ciencia de materiales para marcado y soldadura láser requiere experiencia en polímeros, colorantes y pigmentos en cuanto a solubilidad, tamaños de partícula, límites de concentración umbral, igualación de color y certificaciones regulatorias (GRAS, contacto directo/indirecto con alimentos según la FDA). El marcado láser y la TTLW de polímeros responden a los retos de las aplicaciones actuales.

Referencias

• Scott R. Sabreen, “FDA-Approved Additives Boost Inline Laser Marking,” Plastics Decorating Magazine, abril/mayo de 2015
• Jordan Rotheiser, consultor especialista de The Sabreen Group Inc. Extractos sobre soldadura de Joining of Plastics, Handbook for Designers and Engineers, Third Edition, Jordan Rotheiser, Carl Hanser Verlag, Múnich, 2009

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, pretratamiento de superficies, pegado, decoración y acabado, y seguridad del producto. Sabreen ha desarrollado tecnologías pioneras y resuelto problemas de manufactura durante más de 30 años. Puede contactarlo al 972.820.6777 o visitando www.sabreen.com o www.plasticslasermarking.com.

---