Marcatura laser a colori sulle materie plastiche: come si ottengono contrasto e colore con gli additivi

Marcatura laser a colori sulle materie plastiche: come si ottengono contrasto e colore con gli additivi

Punti chiave

• Le marcature scure derivano dalla carbonizzazione, quelle chiare dall'espansione: i due meccanismi fondamentali sui polimeri.
• È la chimica degli additivi a decidere quali colori sono ottenibili, molto più del laser.
• La durata dell'impulso governa il meccanismo, ed è per questo che le sorgenti MOPA offrono la più ampia gamma di colore e contrasto.
• Il colore va misurato, non giudicato a occhio: CIELAB e ΔE offrono l'unica specifica difendibile.

Molti associano la marcatura laser a una semplice marcatura scura o chiara sulla superficie di una plastica. Ma la chimica avanzata degli additivi ha ampliato le possibilità: oggi i produttori possono ottenere marcature nere ad alto contrasto su substrati bianchi, marcature bianche brillanti su componenti scuri e, in alcuni sistemi, una risposta cromatica controllata. Capire come si producono questi effetti, e che cosa ne governa la qualità, è essenziale per gli ingegneri che specificano processi di marcatura laser per applicazioni in cui l'aspetto è critico.

I due tipi fondamentali di marcatura: scura e chiara

La grande maggioranza delle marcature laser sulle materie plastiche rientra in una di due categorie: le marcature scure (carbonizzazione) si producono quando l'energia del laser provoca la decomposizione termica della matrice polimerica, o di un additivo in essa contenuto, generando residui ricchi di carbonio che appaiono neri o marrone molto scuro. Questo meccanismo è alla base della marcatura con laser a fibra della maggior parte delle materie plastiche pigmentate in scuro o cariche di additivi.

Le marcature chiare (espansione) si producono quando l'energia del laser riscalda rapidamente un volume localizzato di plastica, vaporizzando una parte del polimero e creando nel fuso una rete di minuscole bolle di gas. La superficie espansa che ne risulta diffonde la luce in modo diffuso e appare bianca o grigio chiaro, anche su un substrato scuro. È il meccanismo alla base delle marcature bianche ad alto contrasto visibili su componenti scuri in ABS, PC e PA negli interni automobilistici e nell'elettronica.

Come gli additivi sensibili al laser creano contrasto

Nei polimeri naturali o leggermente pigmentati che assorbono poca energia nel vicino infrarosso (laser a fibra a 1064 nm), ottenere marcature affidabili richiede additivi sensibili al laser: composti progettati appositamente per assorbire l'energia del laser e avviare una reazione di formazione del colore.

La chimica di additivi più diffusa si basa sull'ossido di stagno e antimonio (ATO), su composti a base di bismuto e su pigmenti proprietari di ossidi metallici. Quando irradiati da un laser a fibra, questi additivi assorbono energia in modo efficiente e innescano una carbonizzazione localizzata nella matrice polimerica circostante, producendo marcature scure ad alto contrasto, anche su substrati bianchi o trasparenti.

Per marcature chiare su sfondi scuri, sistemi di additivi diversi operano asportando il colorante scuro dallo strato superficiale o producendo una struttura a schiuma che diffonde la luce. La Society of Plastics Engineers ha pubblicato ricerche sui criteri di selezione degli additivi per le famiglie di polimeri più comuni.

Vera marcatura laser a colori

Oltre al nero e al bianco, alcuni sistemi di additivi e configurazioni laser possono produrre marcature colorate sulle materie plastiche. Sono rilevanti due meccanismi: gli effetti di colore per interferenza sui metalli sono ben consolidati: l'ossidazione controllata di superfici di acciaio inossidabile e titanio produce sottili strati di ossido che creano colore strutturale per interferenza della luce, dando toni oro, blu, viola e rosso con diverse combinazioni di potenza e velocità. Sulle materie plastiche questo meccanismo non si applica direttamente.

Per le materie plastiche, la marcatura a colori si basa in genere su tecniche multistrato o a più passate, in cui diversi strati carichi di additivi vengono asportati o attivati selettivamente per rivelare il colore sottostante. È il campo più sviluppato nei documenti di sicurezza e nel branding premium. Ricerche pubblicate sul Journal of Applied Polymer Science hanno esplorato sistemi di additivi fotocromici e termocromici per materie plastiche che cambiano colore con l'esposizione al laser.

Additivi principali e loro ruolo

• Ossido di stagno e antimonio (ATO): produce marcature scure su substrati chiari. Molto usato in PA, PP, PC e ABS. Eccellente contrasto e, in alcuni gradi, nulla osta FDA per il contatto alimentare.
• Ossicloruro di bismuto: produce marcature chiare su substrati scuri. Comune nei componenti per interni automobilistici che richiedono numeri di serie o loghi bianchi su alloggiamenti neri.
• Nerofumo assorbente per laser: usato a basse concentrazioni per aumentare l'assorbimento nel vicino IR senza scurire in modo significativo il colore del materiale di base.
• Pigmenti perlescenti a base di mica: possono produrre effetti di marcatura metallici o iridescenti su alcuni sistemi polimerici se combinati con parametri laser appropriati.

Variabili di processo che controllano colore e contrasto della marcatura

Anche con l'additivo giusto, la qualità della marcatura dipende in modo critico dai parametri del laser:

• Densità di potenza (fluenza): se troppo bassa l'additivo non si attiva completamente; se troppo alta il materiale circostante si scolorisce o carbonizza.
• Velocità di scansione: velocità inferiori aumentano l'energia depositata per unità di superficie, utile per marcature più scure ma può causare diffusione termica.
• Frequenza degli impulsi: influisce sulla sovrapposizione degli impulsi e sulla texture della marcatura. Frequenze più alte producono marcature più lisce e uniformi.
• Numero di passate: più passate a potenza inferiore possono costruire profondità e densità della marcatura senza surriscaldare il substrato.

Per le applicazioni in cui l'aspetto è critico (prodotti di consumo, beni di lusso, interni automobilistici) lo sviluppo della marcatura dovrebbe includere una matrice completa di parametri su potenza, velocità e frequenza, con misura colorimetrica (nello spazio colore CIE L*a*b*) per quantificare contrasto e variazione di colore. Il team di ingegneria applicativa di Sabreen offre consulenza sulla scelta degli additivi e sviluppo dei parametri per progetti di marcatura laser in cui il colore è critico.

Letture correlate

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• Abbinamento dei colori laser
• Masterbatch per marcatura laser
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Domande frequenti

Come si ottengono marcature di colore chiaro su plastica scura?

Per espansione. Impulsi brevi generano gas all'interno del fuso, che resta intrappolato sotto forma di microbolle, e tali bolle diffondono la luce producendo una marcatura bianca o grigio chiaro. È il modo standard per ottenere una marcatura leggibile su un componente nero.

I laser possono produrre vere marcature a colori sulle materie plastiche?

In sistemi specifici, sì. Alcuni additivi sensibili al laser subiscono trasformazioni chimiche che generano colori definiti, e certi pigmenti possono essere sbiancati selettivamente. La tavolozza ottenibile è determinata dal pacchetto di additivi e non dal laser.

Quali additivi si utilizzano?

Ossido di stagno drogato con antimonio, composti a base di bismuto, pigmenti a base di mica e nerofumo sono tutti comuni, ciascuno con un diverso comportamento in termini di contrasto. La scelta dipende dalla resina di base, dal colore desiderato e da eventuali vincoli normativi.

Quali variabili di processo controllano il colore della marcatura?

Soprattutto la durata dell'impulso, poi frequenza di ripetizione, velocità di marcatura, potenza e fuoco. La durata dell'impulso decide se l'energia si accumula come calore, che favorisce la carbonizzazione, o viene depositata rapidamente, il che favorisce l'espansione.

Come va specificato il colore della marcatura?

In coordinate CIELAB con una tolleranza di ΔE, verificata con uno spettrofotometro rispetto a campioni fisici di riferimento conservati. Per i codici leggibili da macchina, si specifichino contrasto e classe di verifica anziché il colore.

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