¿Cómo se marca plástico con láser? Marcado láser de plásticos con aditivos para láser

¿Cómo se marca plástico con láser? Marcado láser de plásticos con aditivos para láser

Puntos clave

• Las poliamidas se cuentan entre los polímeros más difíciles de marcar, por la diversidad de propiedades del material, condiciones de moldeo y configuraciones del láser.
• Tres mecanismos superficiales producen contraste: negro por carbonización, blanco por generación de espuma y cambio de color en polímeros pigmentados.
• Los contrastes más solicitados son blanco opaco sobre negro, negro intenso sobre blanco y blanco opaco sobre azul medio.
• De 20 ns a 50 ns es el rango óptimo de ancho de pulso MOPA para muchos polímeros, incluidos los nylons.
• La verificación Grado A se exige con frecuencia en productos militares, aeroespaciales, automotrices y farmacéuticos.

SABREEN ofrece las siguientes soluciones de marcado láser de plásticos:

• Formulaciones personalizadas de colormatch para láser, cumplimiento normativo, muestras de prototipo
• Optimización del proceso de moldeo por inyección, dispersión/distribución, pruebas analíticas
• Diseño e integración de sistemas de equipo láser, visión artificial
• Solución de problemas en sitio, optimización del proceso láser, arte/gráficos vectorizados
• Certificación de seguridad láser, oficial de seguridad láser (LSO)

Deje que nuestro equipo de expertos se encargue de sus necesidades de marcado láser de plásticos en su próximo proyecto. Nos ganamos la confianza de cada cliente, en toda circunstancia. Nuestra cultura se centra en lograr soluciones de manufactura superiores e impulsar avances tecnológicos mediante nuestro compromiso inquebrantable con la excelencia. Cada experto de The SABREEN Group es reconocido en su disciplina. ¡EL FRACASO NO ES UNA OPCIÓN!

Preguntas frecuentes

¿Cómo se marca plástico con láser?

Un láser de infrarrojo cercano (fibra de iterbio, vanadato o Nd:YAG) suministra energía que el polímero absorbe y convierte en calor, lo que produce uno de tres cambios superficiales: marcado negro por carbonización, marcado blanco por generación de espuma o cambio de color por reacción química térmica de polímeros pigmentados. La mayoría de los polímeros necesita un aditivo potenciador del láser para poder absorber siquiera.

¿Por qué es tan difícil marcar nylon con láser?

Las poliamidas, incluidas las poliftalamidas, presentan propiedades de material, condiciones de moldeo y configuraciones de láser muy diversas y, como la mayoría de los polímeros, no absorben la luz láser de forma inherente, lo que impide el cambio de color. Los aditivos químicos potenciadores del láser mejoran de forma significativa el contraste, la velocidad y la durabilidad.

¿Qué ancho de pulso funciona mejor en nylon?

Los láseres MOPA generan anchos de pulso de 1 ns a 250 ns y más. The Sabreen Group ha comprobado que de 20 ns a 50 ns es el rango ideal para un contraste de color óptimo en muchas aplicaciones con polímeros, incluidos los nylons. Los láseres MOPA de pulso corto variable son especialmente eficaces en polímeros sensibles a la temperatura, donde debe evitarse la carbonización excesiva.

¿Qué dosificación de aditivo es habitual?

Entre 0.01 % y 3.0 % en peso en la pieza final. El granulado se mezcla directamente con la resina, y el polvo se convierte en masterbatch. Lo que determina si el contraste es consistente es la distribución y dispersión homogéneas en cada pieza.

¿Por qué importa la calidad de marcado en los códigos Data Matrix?

Porque cuanto más larga es la cadena de datos, más condensadas quedan las celdas de datos. La calidad de borde de línea en alta resolución es lo que permite leer celdas pequeñas en el marcado directo de piezas. La verificación Grado A suele exigirse en aplicaciones militares, aeroespaciales, automotrices y farmacéuticas, y los códigos de alto contraste también se marcan más rápido y pueden leerse con lectores portátiles de bajo costo.

Marcado láser de plásticos: soluciones integrales para marcado láser de alto contraste en plásticos

La demanda de marcado láser de alto contraste en productos plásticos de nylon (poliamida) crece con rapidez debido a su amplia gama de aplicaciones industriales. Los marcados funcionales y decorativos incluyen identificación alfanumérica, códigos de visión Data Matrix/QR, diagramas y microestructuras.

Las poliamidas, incluidas las poliftalamidas (PPA), se cuentan entre los polímeros más difíciles de marcar con láser por la diversidad de propiedades del material, condiciones de moldeo y configuraciones del láser. Los aditivos inteligentes para láseres de infrarrojo cercano resuelven los problemas de contraste de marcado y aumentan la velocidad de marcado (menor tiempo de ciclo) sin afectar las propiedades del material.

Este artículo ofrece una comprensión de los nylons, los aditivos químicos y los láseres de fibra para lograr un color de alto contraste y operaciones de marcado láser económicas.

Un parámetro básico para describir la calidad del marcado es el contraste de color entre la superficie marcada y el sustrato. Con láseres NIR, incluidos los de fibra de iterbio, vanadato (Nd:YVO4) y Nd:YAG, existen tres mecanismos superficiales de cambio de color: 1) marcado negro por carbonización, 2) marcado blanco por generación de espuma y 3) cambios de color por reacciones químicas térmicas inducidas por láser en polímeros pigmentados1. Entre los colores de contraste más solicitados están el blanco opaco sobre negro, el negro intenso sobre blanco y el blanco opaco sobre azul medio. Estas combinaciones de color suelen requerir aditivos químicos. Los aditivos mejoran el grado de contraste de color (absorción de luz láser), que se intensifica aún más con una selección óptima del láser y de los parámetros de marcado.

¿Qué es el nylon (poliamida)?

Las poliamidas, o nylon, son la principal clase de termoplásticos de ingeniería y alto desempeño que contienen enlaces amida repetidos, es decir, –CO-NH–. Se forman por condensación de unidades idénticas; los copolímeros, de unidades distintas.

El nylon se produce por policondensación de un diácido con una diamina o por polimerización por apertura de anillo de lactamas con seis, 11 o 12 átomos de carbono2. Los monómeros de nylon pueden ser alifáticos, semiaromáticos o aromáticos (aramidas) y su estructura puede ir de amorfa a semicristalina, con mayor o menor cristalinidad.

Las poliamidas alifáticas se producen a una escala mucho mayor que las poliamidas totalmente aromáticas y son una de las clases más importantes de termoplásticos de ingeniería.

Dos poliamidas importantes son la poli(hexametilen adipamida) (nylon 6,6) y la policaprolactama (nylon 6). Otras poliamidas alifáticas incluyen los nylon 12, 69, 6-10, 6-12, 46 y 1212. El nylon 11 es un plástico de ingeniería de base biológica derivado de recursos renovables (plantas de ricino).

Las poliamidas semiaromáticas y semicristalinas obtenidas por condensación de amidas alifáticas incluyen PA 6T y PA 6I. Las poliamidas semiaromáticas suelen ser una alternativa rentable a las aramidas totalmente aromáticas, más costosas. Las poliamidas aromáticas, llamadas aramidas, tienen mayor resistencia, mejor resistencia a solventes, a la flama y al calor, y mayor estabilidad dimensional que las amidas alifáticas. Una amida aromática ampliamente conocida es el Kevlar, poli(p-fenilen tereftalamida).

Las poliamidas, incluidas las poliftalamidas (PPA), se cuentan entre los polímeros más difíciles de marcar con láser por la diversidad de propiedades del material, condiciones de moldeo y configuraciones del láser.

La poliftalamida (PPA) es un subconjunto de resinas sintéticas termoplásticas de la familia de las poliamidas (nylon), definida cuando el 55 % o más de los moles de la porción de ácido carboxílico de la unidad repetitiva de la cadena polimérica está compuesto. La PPA es semiaromática y semicristalina. Las PPA cubren la brecha de desempeño entre los nylons alifáticos, como PA6,6 y PA6, y las poliaramidas, mucho más costosas.

Aditivos “inteligentes”

Un parámetro para describir la calidad del marcado es el contraste de color entre la superficie marcada y el fondo. El contraste no siempre se logra por el cambio de color en sí, ya que también puede obtenerse por difracción variable de la luz.

Igual de importante es la calidad y/o fidelidad del marcado, es decir, la resolución o nitidez de líneas finas. Muchos polímeros, incluidos los nylons, no absorben la luz láser de forma inherente, lo que impide el cambio de color. Los aditivos químicos potenciadores del láser mejoran de forma significativa el contraste, la velocidad y la durabilidad del marcado (véase la Imagen 1). El color del sustrato es un factor, ya que compuestos como el negro de humo, el TiO2 y los retardantes de flama presentan distintos grados de absorción de la luz láser.

Los aditivos para láser se suministran en forma de gránulos (pellets) y polvo. Los productos granulados se mezclan directamente con la resina del polímero, mientras que las formas en polvo se convierten en masterbatch. La concentración de dosificación en peso (en la pieza final) suele estar entre 0.01 y 3.0 %. La distribución/dispersión homogénea de los aditivos para láser en cada pieza es crítica para lograr un contraste de color óptimo.

Los ajustes de color se realizan con pigmentos y tintes para lograr la apariencia final del colormatch. Aditivos específicos han recibido la aprobación de la FDA para contacto con alimentos y empaque de alimentos bajo las condiciones A-H de 21 CFR 178.3297, Colorants for Polymers 1.

Láseres de fibra de iterbio

Los láseres de fibra de iterbio NIR entraron al mercado de marcado industrial alrededor de 2010 y reemplazaron a los láseres YAG tradicionales. Los láseres de fibra poseen una calidad de haz superior (M2) y alto brillo, y pueden enfocarse en un tamaño de punto pequeño (menos de 20 micras), lo que da lugar a una alta densidad de energía. Los láseres de fibra son extremadamente versátiles, rentables y de conexión directa (plug-and-play), con un mantenimiento casi nulo.

Varias empresas de láser, incluidas IPG Photonics y SPI Lasers, comercializan láseres de fibra de nanosegundos de pulso fijo (Q-switched) y de pulso variable (MOPA). Los láseres de fibra Q-switched, normalmente con ancho de pulso de 100 a 150 ns, se emplean en algunas aplicaciones de marcado de polímeros, pero su frecuencia de repetición se limita a unos 80 kHz por la restricción inherente de la tecnología Q-switched.

Los láseres de fibra MOPA de modulación directa (DM-MOPA) operan con frecuencias de repetición de hasta 500 kHz con anchos de pulso de nanosegundos. El ancho de pulso [ns] mide el tiempo entre el inicio y el final del pulso, normalmente con base en el ancho a media altura (FWHM) de la forma del pulso.

Las frecuencias de repetición altas generalmente se traducen en mayor velocidad de marcado (junto con otros parámetros del láser y la forma de onda). Existen diferencias significativas en las formas de onda y en el grado de carbonización superficial3 (véase la Imagen 1).

El control espacial y temporal localizado del aporte de calor del láser y de su velocidad permite el máximo desempeño. En polímeros sensibles a la temperatura, los láseres de fibra de pulso corto variable (MOPA) son especialmente eficaces para lograr alto contraste sin carbonización excesiva.

El marcado subsuperficial es posible en plásticos transparentes para aplicaciones médicas. En general, los láseres MOPA generan anchos de pulso (duración del pulso) de 1 ns a 250 ns (y superiores). The Sabreen Group ha comprobado que de 20 ns a 50 ns es un rango ideal para un contraste de color óptimo en muchas aplicaciones con polímeros, incluidos los nylons.

En el contraste de marcado cosmético y funcional, los aditivos para láser marcan una diferencia crítica cuando se requieren alta resolución, calidad de borde de línea y celdas de datos pequeñas para el marcado directo de piezas (DPM) con Data Matrix y códigos de barras. Cuanto más larga es la cadena de datos, más condensadas quedan las celdas de datos.

La verificación Grado “A” suele exigirse en productos militares, aeroespaciales, automotrices y farmacéuticos. La legibilidad de códigos de alto contraste ofrece beneficios adicionales: mayores velocidades de marcado y la posibilidad de usar lectores portátiles de bajo costo en toda la planta.

Conclusión

Referencias

• 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 es fundador y presidente de The Sabreen Group, Inc., una empresa de ingeniería especializada en procesos secundarios de manufactura de plásticos: marcado láser, pretratamiento 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 contactarlo al 972.820.6777 o visitando www.sabreen.com o www.plasticslasermarking.com.

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