Los aditivos aprobados por la FDA impulsan el marcado láser de plásticos en línea

Los aditivos aprobados por la FDA impulsan el marcado láser de plásticos en línea

La alta velocidad, el contraste superior y el ahorro de costos figuran entre los beneficios más importantes de incorporar aditivos novedosos aprobados por la FDA en polímeros para marcado láser. Los avances en aditivos químicos producen un contraste negro intenso y de colores claros en productos moldeados y extruidos, tanto «al vuelo» como en operaciones secundarias. Diseñado para láseres de fibra accesibles, el marcado láser en línea sin tinta ahora sustituye al huecograbado rotativo y a la tampografía.

Aplicaciones de producto: muchos polímeros de color transparentes, semitransparentes y opacos, incluidos nylons, PET, policarbonatos, poliolefinas, PVC, estirénicos y TPU/TPE (para dispositivos vestibles), se formulan de manera exclusiva con aditivos sin metales pesados y aprobados por la FDA y la EFSA (Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria) para lograr una calidad de marcado de alto contraste. 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 aplicación rentable, ecológica y de atractivo estético superior.

El marcado láser «al vuelo» se realiza en productos moldeados y extruidos, como alambre/cable, tubos y tuberías.

Puntos clave

• Tres reacciones superficiales crean la marca: carbonización, espumado y cambio de color del colorante.
• La carga va de 0.01 a 4.0% en peso en la pieza final, y se selecciona según el polímero, el color del sustrato, el contraste buscado y los requisitos de certificación.
• Los aditivos son 15% o más rápidos que las formulaciones no optimizadas y sustituyen por completo al huecograbado rotativo y a la tampografía.
• Los problemas de dispersión, y no los errores de dosificación, son la causa habitual del bajo contenido de aditivo en las piezas terminadas: aumente la contrapresión y la velocidad del husillo.
• Las condiciones A–H de 21 CFR 178.3297 cubren la aprobación de la FDA para contacto con alimentos; la calificación ISO 10993 extiende la biocompatibilidad a dispositivos médicos.

Las velocidades de marcado para corchos sintéticos de poliolefina para vino y para promociones bajo la tapa en tapas de bebidas sin sello interior (linerless) alcanzan 2,000 piezas por minuto para texto alfanumérico y gráficos. La velocidad de marcado depende de muchas variables, incluidas el tipo de polímero, el color del sustrato, el tipo de aditivo láser y su nivel de carga, el tamaño (peso) del cable, el tipo y la potencia del láser, el software, el número de caracteres alfanuméricos, la altura del texto, la longitud de la cadena de texto, el espacio entre caracteres, el código de barras/Data Matrix, los logotipos/gráficos, las fuentes de un solo trazo o TrueType rellenas, la dirección de relleno y si el texto es continuo o repetitivo. El uso del aditivo-colorante formulado adecuadamente garantizará que la «densidad de potencia» en la superficie de marcado no sea el factor limitante. En cambio, los galvanómetros de haz dirigido operarán a su velocidad máxima.

Debido a la complejidad de los factores que influyen en la capacidad de marcado en producción «al vuelo», cada aplicación debe examinarse con precisión. Existen pocas reglas, si acaso alguna, que puedan extrapolarse. No obstante, a modo general, considere el siguiente ejemplo con nylon: láser de fibra de 50 watts, lente de campo plano de 254 mm, 100 caracteres alfanuméricos de 2 mm de altura, que forman una cadena de texto repetitiva de 14.68 pulgadas (373 mm) con un tiempo de marcado de 0.232 segundos. La velocidad calculada es de aproximadamente 315 pies lineales por minuto (96 m/min).

Preguntas frecuentes

¿Qué polímeros pueden marcarse con aditivos láser aprobados por la FDA?

Polímeros de color transparentes, semitransparentes y opacos, incluidos nylons, PET, policarbonatos, poliolefinas, PVC, estirénicos y TPU/TPE para dispositivos vestibles. La claridad del polímero, la transmisión espectral y las propiedades físicas base no se ven afectadas.

Mis piezas terminadas contienen menos aditivo del calculado. ¿Por qué?

Casi siempre se debe a una distribución no uniforme durante la extrusión o el moldeo, y no a un error de dosificación. Aumentar la contrapresión y la velocidad de rotación del husillo resuelve la mayoría de los casos. El material precompuesto supera al concentrado de color en uniformidad, y debe evitarse por completo el mezclado manual.

¿Cuáles son los tres mecanismos de reacción del marcado láser?

La carbonización, en la que la energía absorbida degrada térmicamente el polímero para producir marcas oscuras. El espumado, en el que un aditivo libera vapor durante la degradación para crear marcas claras duraderas sobre sustratos oscuros. Y el cambio de color, en el que la energía láser degrada un colorante de una mezcla, por ejemplo, al eliminar el negro de humo y dejar un colorante inorgánico estable.

¿Qué tan rápido puede operar el marcado en línea en la práctica?

Las velocidades de marcado para corchos sintéticos de poliolefina para vino y para promociones bajo la tapa en tapas de bebidas sin sello interior alcanzan 2,000 piezas por minuto. Un ejemplo práctico con nylon (láser de fibra de 50 W, lente de campo plano de 254 mm, 100 caracteres de 2 mm de altura, cadena repetitiva de 14.68 pulgadas, tiempo de marcado de 0.232 s) arroja aproximadamente 315 pies lineales por minuto.

¿Por qué las marcas claras espumadas a veces se rayan?

Por un control deficiente del láser. El mecanismo de espumado requiere un control estricto de los parámetros para que el polímero se degrade a una temperatura más alta que el aditivo espumante. Sin él, la marca es friable o de bajo contraste y tiene poca durabilidad.

Mecanismos de reacción del marcado láser en polímeros

Los avances logrados en la formulación de aditivos láser para uso con láseres del infrarrojo cercano (longitud de onda de 1060-1080 nm) son su compatibilidad con los láseres de fibra de iterbio, de vanadato y con los antecesores Nd:YAG. La mayoría de los polímeros no posee propiedades de absorción en el infrarrojo cercano sin aditivos químicos. Los polímeros que pueden marcarse con láser son aquellos que absorben la luz láser y la convierten de energía lumínica en energía térmica. Los expertos utilizan aditivos, cargas, pigmentos y tintes para mejorar la absorción de la energía láser y lograr cambios de color localizados. 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, 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. Lo oscura o clara que resulta 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 será mínimo.

Una segunda reacción superficial es el cambio químico mediante el uso de aditivos que liberan vapor durante la degradación, lo que provoca la formación de espuma en el polímero. 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, se pueden generar marcas claras duraderas y de alta calidad sobre sustratos oscuros. Un control deficiente del láser puede generar una marca friable o de bajo contraste, que se raya con facilidad (baja durabilidad).

Tercero, la energía láser se utiliza 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 el colorante inorgánico permanece. Estos sistemas de colorantes mezclados dependen de la estabilidad específica de cada colorante y no todos los cambios de color son posibles.

Aditivos láser

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». Algunos compuestos colorantes con bajas cantidades de dióxido de titanio (TiO₂) y negro de humo también pueden absorber la luz láser y, en algunos casos, 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 pueden 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 ahorran costos y demuestran velocidades de marcado 15 por ciento (o más) superiores frente a formulaciones de material no optimizadas. Los aditivos láser se suministran en gránulos (pellets) 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, la concentración de carga en peso (en la pieza final) va de 0.01 por ciento a 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 a incorporar depende de la composición del polímero, del color del sustrato, del color de contraste de marcado deseado y de los requisitos de certificación de uso final. Algunos aditivos contienen mezclas de óxido de estaño dopado con antimonio y trióxido de antimonio que pueden impartir un tinte «grisáceo» a la opacidad natural (sin color) del sustrato. Otros aditivos pueden contener partículas de aluminio, óxidos metálicos mixtos y compuestos patentados. Los ajustes de color se realizan con pigmentos y tintes 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 contacto con alimentos y uso en empaques alimentarios bajo las condiciones A-H de 21 CFR 178.3297 Colorant for Polymers. Para la Unión Europea existen declaraciones de cumplimiento similares. Las condiciones de certificación son específicas según el tipo de polímero, el umbral del nivel de carga y el contacto directo o indirecto. Una calificación adicional de los aditivos aprobados por la FDA mezclados en una «pieza final» puede lograr la biocompatibilidad de dispositivos médicos (véase la norma internacional ISO-10993).

Consideraciones de procesamiento

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.

Tecnología láser

Los avances en la tecnología láser han sido fundamentales para el rápido desarrollo de la nueva generación de aditivos láser aprobados por la FDA. La aparición de los láseres de fibra de iterbio 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 en comparación con los láseres Nd:YAG. Una 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 (MOPA) con energía de pulso de hasta 1 mJ y alta densidad de potencia pueden marcar muchos polímeros históricamente difíciles. 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 más corto puede ser ventajoso en aplicaciones poliméricas sensibles.

IPG Photonics, un desarrollador y fabricante líder de láseres de fibra de alto desempeño, ofrece tanto láseres de pulso fijo (a veces llamados «Q-switch») como láseres de pulso corto variable (MOPA). El desarrollo de aplicaciones es muy específico. El tipo de láser que se integra se determina por las características de salida del láser al interactuar con el material polimérico optimizado. Consulte las gráficas siguientes, que representan las formas temporales de pulso de los láseres de fibra de iterbio de duración de pulso fija y variable (MOPA) – IPG Photonics.

Al configurar un láser de fibra de duración de pulso fija para marcar, deben establecerse dos parámetros.

• Frecuencia de repetición de pulsos (a menudo llamada frecuencia de pulso)
• Potencia de bombeo en porcentaje (100 por ciento se refiere a la máxima entrada eléctrica posible a los diodos de bombeo)

Al configurar un láser de fibra MOPA de pulso corto variable para marcar, se establecen tres parámetros.

• Duración del pulso (a menudo llamada longitud de pulso)
• Frecuencia de repetición de pulsos (frecuencia de pulso)
• Potencia de bombeo en porcentaje (100 por ciento se refiere a la máxima entrada eléctrica posible a los diodos de bombeo)

Para ambas gráficas de la página anterior, la combinación particular de parámetros de entrada controla las propiedades de salida del haz láser, a saber, la energía del pulso, la potencia pico (el máximo instantáneo de la energía del pulso, J/duración del pulso) y la potencia promedio (potencia promedio en watts = energía del pulso en joules × frecuencia de repetición de pulsos en Hz).

No todos los láseres de fibra, de vanadato y YAG de haz dirigido son iguales. Los componentes de hardware y software incorporados en los sistemas de un fabricante de láseres 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 láser aprobados por la FDA incorporados en polímeros ofrece un contraste de marcado, un detalle de bordes de línea y una velocidad superiores. El marcado láser en línea «al vuelo» ahora sustituye al huecograbado rotativo y a la tampografía. Los avances en la tecnología de láseres de fibra accesibles han sido fundamentales. Estos beneficios compensan rápidamente el costo incremental del aditivo. Una química de ciencia de materiales optimizada para el marcado láser de plásticos requiere experiencia en polímeros, 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). No todos los láseres son iguales.

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.
• 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, & 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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