Masterbatch e additivi per marcatura laser

Chimica additiva avanzata per il potenziamento laser delle materie plastiche — formulazioni ingegnerizzate che offrono un contrasto superiore, velocità di marcatura più elevate e nessun impatto sulle proprietà del polimero. Sviluppata dall'inventore originale degli additivi laser per le materie plastiche.

Additivi per marcatura laser delle materie plastiche

Formulazioni a contrasto scuro e chiaro e colori personalizzati progettati per ogni sistema polimerico

Gli additivi laser migliorano il grado di contrasto in un componente marcato, e tale contrasto può essere ulteriormente intensificato regolando i parametri di impostazione del laser. I polimeri possiedono caratteristiche intrinseche che generano un contrasto di marcatura "di colore scuro" o "di colore chiaro". Alcuni composti coloranti contenenti basse quantità di biossido di titanio (TiO2) e nerofumo possono anche assorbire la luce laser e, in alcuni casi, migliorare il contrasto della marcatura. Anche all'interno della stessa famiglia polimerica, ogni grado di polimero può produrre risultati diversi. Le formulazioni additive non possono essere tossiche né compromettere l'aspetto del prodotto o le sue proprietà fisiche o funzionali.

Rispetto ai processi di stampa a inchiostro (tampografia/serigrafia e stampa a getto d'inchiostro), gli additivi laser consentono un risparmio sui costi e velocità di marcatura superiori del 15 percento o più rispetto alle formulazioni di materiale non ottimizzate. Gli additivi laser sono forniti in forma di granulato in pellet e in polvere. I prodotti granulati possono essere miscelati direttamente con la resina polimerica, mentre le forme in polvere vengono convertite in masterbatch. La maggior parte degli additivi si disperde facilmente nei polimeri. In base all'additivo e al polimero, il livello di concentrazione di carica in peso (nel componente finale) varia dallo 0,01 percento al 4,0 percento.

The Sabreen Group è lo sviluppatore originale degli additivi laser per materie plastiche. Con 12 brevetti dei clienti e la selezione da parte del Dipartimento di Giustizia degli Stati Uniti e di General Dynamics come perito esperto laser in testimonianze di brevetto, i nostri composti colormatch ottimizzati per laser, concentrati di colore e coloranti liquidi garantiscono risultati su resine specifiche del cliente — senza alcun impatto sulle proprietà del polimero e in piena conformità con FDA, UL, NEMA e RoHS.

La scienza del masterbatch per marcatura laser

Chimica dei materiali, configurazione laser e ottimizzazione dei processi

Il raggiungimento di una qualità di marcatura ottimale richiede una comprensione completa della chimica additiva, del comportamento termico del polimero, della lunghezza d'onda del laser e delle variabili di processo. Esplori ciascun argomento di seguito.

Chimica additiva specializzata

La scelta dell'additivo da incorporare dipende dalla composizione del polimero, dal colore del substrato, dal colore di contrasto della marcatura desiderato e dai requisiti di certificazione dell'uso finale. Alcuni additivi contengono miscele di ossido di stagno drogato con antimonio e triossido di antimonio, che possono conferire una tonalità "grigiastra" all'opacità del substrato naturale (non colorato). Altri additivi possono contenere particelle di alluminio, ossidi metallici misti e composti proprietari.

La matrice colorante laser di Sabreen combina additivi laser specializzati, coloranti, pigmenti, coloranti organici e agenti di scorrimento — inclusi nerofumo selettivo, TiO2 e agenti antigraffio — con un basso contenuto di carica per garantire qualità e velocità superiori.

• Formulazioni a contrasto scuro e bianco
• Colori personalizzati e corrispondenza Pantone
• Materiali precompound, concentrati di colore, coloranti liquidi
• Resine specifiche del cliente senza alcun impatto sulle proprietà del polimero
• Certificazioni yellow card, FDA e MIL

Sviluppo del contrasto e marcatura a colore personalizzato

I polimeri marcabili tramite laser assorbono la luce laser e la convertono da energia luminosa a energia termica. Gli additivi laser migliorano direttamente il contrasto, e tale contrasto può essere ulteriormente intensificato regolando i parametri di impostazione del laser. Anche all'interno della stessa famiglia polimerica, ogni grado può produrre risultati diversi.

Le regolazioni di colore vengono effettuate utilizzando pigmenti e coloranti organici per ottenere l'aspetto colormatch finale. La tecnologia laser a fibra rivoluzionaria di Sabreen offre un contrasto e una fedeltà senza precedenti, con una qualità di dettaglio delle linee superiore a 800+ dpi e 256 livelli di scala di grigi.

• Formulazione unica in grado di produrre contemporaneamente contrasto nero intenso e bianco opaco su polimeri amorfi (ABS, PC, PET, PETG e altri)
• Colori Pantone personalizzati e contrasto "tono su tono" su poliacetale Hostaform® (POM)
• Opzioni di contrasto oro su nero, bianco su nero e scuro su bianco
• Micro-marcatura con altezza del testo ≤ 0,015" leggibile con ingrandimento
• Elevata leggibilità dei codici a visione artificiale con qualità delle celle ultra-fine

Livelli di carica e forme di fornitura

Gli additivi laser sono forniti in forma di granulato in pellet e in polvere. I prodotti granulati possono essere miscelati direttamente con la resina polimerica, mentre le forme in polvere vengono convertite in masterbatch. La maggior parte degli additivi si disperde facilmente nei polimeri.

Sia le forme granulate che quelle in polvere possono essere miscelate in materiale colorato precompound o in concentrato di colore. In base all'additivo e al polimero, il livello di concentrazione di carica in peso nel componente finale varia dallo 0,01% al 4,0%.

Forma di fornitura

Applicazione

Caricamento tipico

Granulato in pellet

Miscelazione diretta con resina polimerica

Polvere

Convertita prima in masterbatch

Colorante liquido

Precompound o concentrato di colore

Variabile

Formulazioni ottimizzate

Cicli di velocità statisticamente più rapidi

Come ottenere velocità di marcatura maggiori

Il tempo necessario per marcare un componente è funzione del substrato polimerico, del numero di linee vettoriali tracciate e della velocità con cui il fascio laser e la testa di scansione galvanometrica tracciano tutte le linee. Anche il software laser e il tipo di riempimento vettoriale — unidirezionale, bidirezionale o serpentina — possono influire sul tempo di marcatura.

Nuovi studi indipendenti dimostrano che è possibile ottenere velocità di marcatura statisticamente significativamente più elevate incorporando formulazioni additive laser a livelli di concentrazione molto bassi, tipicamente dallo 0,01% al 2,0%.

L'analisi termogravimetrica (TGA) di due polietileni ad alta densità illustra questo punto: i due polimeri presentano temperature di degradazione termica diverse — il processo che crea la marcatura laser. Il polimero a temperatura più elevata richiede maggiore energia laser, velocità di marcatura più basse o additivi più assorbenti per ottenere lo stesso aspetto di marcatura. In un confronto diretto, l'HDPE B si marca più facilmente e più rapidamente rispetto all'HDPE A.

• Velocità superiori del 15%+ rispetto alle formulazioni non ottimizzate
• Incrementi di produzione del 25%+ su sistemi laser a fibra rivoluzionari
• Estrusione di fili e cavi oltre i 2.000 piedi/minuto — la testa di scansione galvo, non l'additivo, diventa il limite

Spettro e lunghezza d'onda della marcatura laser

I polimeri marcabili tramite laser sono quelli che assorbono la luce laser e la convertono da energia luminosa a energia termica. La lunghezza d'onda ideale per ottenere una marcatura ad alto contrasto e a colori è 1060–1070 nm nello spettro del vicino infrarosso.

I tipi di laser compatibili includono laser a fibra all'itterbio, vanadato e Nd:YAG. I laser CW CO2 a lunghezza d'onda maggiore producono un'incisione incolore a causa della potenza di picco inferiore e della lunghezza d'onda maggiore, e in genere non vengono utilizzati per la marcatura a contrasto colorato su materie plastiche.

Tipo di laser

Lunghezza d'onda

Risultato sulle materie plastiche

Laser a fibra all'itterbio

1060–1070 nm (NIR)

Ideale: alto contrasto, marcatura a colori

Vanadato (Nd:YVO4)

~1064 nm

Ideale: alto contrasto, dettaglio fine

Nd:YAG

Compatibile

UV (355 nm)

Ultravioletto

Contrasto modesto, più costoso

Verde (532 nm)

Visibile

CW CO2

~10.600 nm

Solo incisione incolore

Laser a fibra all'itterbio — prestazioni allo stato solido

I laser a fibra all'itterbio operanti a 1060–1070 nm con un'energia di circa 1 mJ sono ideali per la marcatura additiva delle materie plastiche. Disponibili in configurazioni sia MOPA (impulso variabile) sia Q-switched (impulso fisso), i laser a fibra offrono la qualità del fascio e l'affidabilità richieste dalla produzione ad alto rendimento.

• Qualità del fascio superiore M² < 1,2, alta luminosità
• Durata dell'impulso regolabile fino a 2 ns (MOPA)
• Ripetizione rapida dell'impulso fino a 100 kHz per maggiore velocità
• Nessun materiale di consumo, manutenzione quasi nulla
• Basso costo operativo — circa 250 $/anno, solo elettricità
• Il costo totale di proprietà più conveniente nella marcatura industriale

L'invenzione di Sabreen Method and System for Fiber Laser Marking (domanda di brevetto WO2010011227 A1, depositata il 25 luglio 2008, inventore Scott R. Sabreen) è stata avallata da Celanese (Ticona). Utilizzando piastrine di prova in poliacetale Hostaform® naturale e bianco formulate con additivi selezionati per la marcatura laser, Celanese ha determinato che la tecnologia di Sabreen produce marcature laser "nero su naturale" e "nero su bianco" di qualità superiore rispetto alle tecniche Nd:YAG convenzionali standard — con maggiore contrasto, marcature più scure e dettagli più nitidi.

Dimensione dello spot e qualità del fascio

La dimensione dello spot della luce laser è fondamentale per la marcatura delle materie plastiche. La dimensione dello spot può essere controllata utilizzando diverse fibre di erogazione, lenti di messa a fuoco, variando la distanza tra l'erogazione del fascio e il substrato e utilizzando lunghezze d'onda più lunghe o più corte. Un profilo del fascio multimodale produce una dimensione dello spot maggiore, mentre un profilo del fascio monomodale produce dimensioni dello spot minori — 100 micron e meno.

L'ottica di erogazione del fascio, in particolare la lente F-theta, influisce sia sull'area di marcatura sia sul grado di concentrazione dell'energia laser sulla superficie. Le lenti F-theta con lunghezze focali maggiori ottengono un campo di marcatura più ampio, riducendo il numero di riposizionamenti necessari, ma producono dimensioni dello spot maggiori che riducono la densità di potenza.

Lunghezza focale della lente

Campo di marcatura

Densità di potenza

Indicato per

163 mm

~5 pollici quadrati

Alta

Marcature dettagliate, testo fine, incisione profonda su componenti piccoli

254 mm

~8 pollici quadrati

Ridotta

Componenti più grandi — targhette identificative, numeri di serie grandi

Irradianza e fluenza laser

L'irradianza (densità di potenza) è la potenza del laser per unità di area, misurata in W/cm². Rappresenta l'intensità del fascio laser in funzione della dimensione dello spot focalizzato. Una dimensione dello spot maggiore produce una densità energetica inferiore. Un'irradianza elevata può causare un rapido riscaldamento e la vaporizzazione del materiale, mentre un'irradianza bassa può non produrre alcuna marcatura visibile. Se l'irradianza è troppo elevata, può danneggiare il materiale.

La fluenza (densità energetica) è una misura dell'energia laser per unità di area, tipicamente in J/cm². La fluenza determina la quantità di energia trasferita alla superficie del materiale. La fluenza deve essere a un livello appropriato per il materiale specifico — alcuni materiali richiedono una fluenza più elevata per assorbire energia sufficiente a produrre una marcatura visibile, mentre altri richiedono una fluenza più bassa per evitare danni. Una fluenza più elevata produce generalmente marcature più profonde.

La frequenza di ripetizione dell'impulso e la densità di potenza di picco sono parametri fondamentali nella formazione della marcatura e nel raggiungimento del contrasto e della velocità ottimali. Un'elevata potenza di picco a bassa frequenza aumenta rapidamente la temperatura superficiale, vaporizzando il materiale e conducendo un minimo di calore nel substrato. Con l'aumentare della frequenza di ripetizione dell'impulso, una potenza di picco inferiore produce una vaporizzazione minima ma conduce più calore. Le curve aritmetiche di potenza rispetto alla frequenza di ripetizione dell'impulso sono inversamente proporzionali.

L'irradianza è influenzata da: frequenza dell'impulso (Hz, kHz), potenza del laser (watt), dimensione dello spot focale e durata dell'impulso (ns).

La fluenza è influenzata da: intensità del fascio, velocità dello scanner, sovrapposizione degli impulsi e diametro del fascio a fuoco.

Durata dell'impulso — MOPA vs. Q-Switched

La durata dell'impulso è il tempo tra l'inizio e la fine di un impulso, misurato in nanosecondi. È un fattore fondamentale per il controllo della densità energetica e per l'ottimizzazione del processo. La regolazione della durata dell'impulso nei laser MOPA è molto più flessibile rispetto ai laser a fibra Q-switched (impulso fisso).

Intervallo di durata dell'impulso

Caratteristiche

Q-Switched (impulso fisso)

120 ns – 250 ns

Impulso fisso, controllo più semplice, costo inferiore

MOPA (impulso variabile)

2 ns – 250 ns

Regolabile su un ampio intervallo, controllo di processo più fine, ideale per la marcatura a colori e i substrati sensibili al calore

Vantaggi di una durata dell'impulso breve: riscaldamento superficiale più rapido, minore conduzione di calore nel substrato, bordi di marcatura più netti, minori danni termici sui polimeri sensibili e migliore marcatura a colori su metalli e materie plastiche pigmentate.

Ritardanti di fiamma e classificazioni

I ritardanti di fiamma influiscono sui composti coloranti per materie plastiche. Si dividono in due categorie: composti alogenati (contenenti fluoro, cloro, bromo o iodio) e composti non alogenati. Specifici ritardanti di fiamma alogenati combinati con triossido di antimonio (Sb2O3) possono migliorare l'assorbimento della luce a lunghezza d'onda 1060–1070 nm su substrati di colore chiaro.

I laser a fibra all'itterbio sono in grado di marcare agevolmente composti contenenti ritardanti di fiamma. Molti fornitori di apparecchiature laser riescono a ottenere solo un contrasto di marcatura modesto utilizzando laser UV a 355 nm e verdi a 532 nm molto più costosi.

Domande chiave a cui rispondere durante la formulazione:

• Quale tipo di ritardante di fiamma è consentito — alogenato o non alogenato?
• Quali standard devono essere soddisfatti: UL 94, E 84, MVSS, ASTM, VW-1?
• Se deve essere soddisfatto lo standard UL-94, sarà V-2, V-1 o V-0?
• Le proprietà meccaniche (resistenza a trazione, allungamento) sono fondamentali per il prodotto?
• Il blooming rappresenta un problema per i processi di trasformazione successivi come la stampa o la sigillatura?
• La stabilità UV è un fattore rilevante (il prodotto sarà esposto alla luce solare)?

Conformità FDA e normativa

Come forniti commercialmente, specifici additivi (utilizzati anche per la saldatura laser) hanno ottenuto l'approvazione FDA per il contatto alimentare e l'uso in imballaggi alimentari secondo le condizioni da A a H del 21 CFR 178.3297 Colorant for Polymers. Per l'Unione Europea sono in vigore dichiarazioni di conformità analoghe.

Le condizioni di certificazione sono specifiche per tipo di polimero, soglia di livello di carica e contatto diretto o indiretto. Un'ulteriore qualifica degli additivi approvati dalla FDA integrati in un "componente finale" può consentire la biocompatibilità dei dispositivi medici secondo lo standard internazionale ISO-10993.

I coloranti laser sono nel complesso conformi a FDA, UL, NEMA e RoHS. Non è necessaria una nuova certificazione grazie a chimiche approvate dal settore. Questo rende la marcatura laser un aggiornamento diretto rispetto alla stampa a inchiostro per i settori altamente regolamentati.

• 21 CFR 178.3297 Colorant for Polymers (condizioni da A a H)
• Biocompatibilità ISO-10993 per dispositivi medici
• Classificazioni di infiammabilità UL 94
• Dichiarazioni di conformità per il contatto alimentare UE
• MIL-DTL-55302 (componenti di interconnessione ed elettronici)
• Certificazioni RoHS, NEMA, Yellow Card

Operazioni di stampaggio primario

Al termine dello sviluppo della scienza dei materiali "ottimizzata per il laser" — che include la definizione del contrasto ottimale, del colore cromatico e dei parametri di impostazione del laser — il passo successivo consiste nell'eseguire una prova di stampaggio utilizzando lo stampo di produzione effettivo al corretto rapporto di diluizione.

Questo passaggio è fondamentale per garantire una dispersione e distribuzione uniformi della matrice colorante ottimizzata per il laser. Dopo lo stampaggio, i componenti del prodotto effettivo vengono marcati al laser per confermare i risultati originali.

Una tecnica collaudata consiste nel programmare il laser a scansione a fascio guidato per marcare (scansionare) continuamente l'intera superficie del prodotto. Ad esempio, una penna stampata a iniezione con marcatura cromatica oro su nero può essere valutata sull'intero componente: una scarsa distribuzione cromatica si manifesta come incoerenza visiva, mentre una distribuzione uniforme eccellente produce una marcatura coerente da un'estremità all'altra.

La prova di stampaggio verifica che l'additivo laser sia distribuito uniformemente in tutto il componente di produzione e che la qualità della marcatura, il contrasto e il colore corrispondano ai risultati ottenuti su scala di laboratorio.

Considerazioni di processo

Durante lo sviluppo della carica dell'additivo laser e della chimica colormatch, non è raro che un prodotto finito contenga meno additivo laser rispetto alla quantità calcolata. Questo problema è quasi sempre riconducibile a una distribuzione non uniforme durante l'estrusione o lo stampaggio.

Semplici regolazioni alla macchina di stampaggio — come l'aumento della contropressione e della velocità di rotazione della vite — risolvono la maggior parte dei problemi. Una distribuzione e dispersione omogenee degli additivi laser in ogni componente sono fondamentali per ottenere prestazioni di marcatura ottimali.

Per le operazioni di estrusione, stampaggio a iniezione e termoformatura, i materiali precompound colorati offrono una migliore uniformità rispetto al concentrato di colore. La miscelazione manuale deve essere evitata. Il flusso dello stampo e il tipo/posizione del punto di iniezione sono fattori importanti che devono essere valutati fin dalle prime fasi della progettazione.

• Verificare la distribuzione uniforme dell'additivo prima di approvare una prova
• Aumentare la contropressione e la velocità di rotazione della vite per correggere problemi di dispersione
• Preferire, quando possibile, il materiale precompound colorato al concentrato di colore
• Evitare a tutti i costi la miscelazione manuale
• Valutare il flusso dello stampo e il tipo/posizione del punto di iniezione per le superfici marcate al laser
• Eseguire una prova di stampaggio utilizzando lo stampo di produzione effettivo, non solo piastrine di laboratorio

Applicazioni trasformative della marcatura laser

Collaudate sul campo nei settori medicale, automotive, aerospaziale e dei beni di consumo

Le tecnologie di masterbatch e additivi ottimizzati per il laser di Sabreen hanno sostituito la stampa a inchiostro, le etichette adesive e la tampografia in alcune delle applicazioni manifatturiere più esigenti al mondo.

Chiusure per bevande senza guarnizione

Giochi promozionali sotto il tappo su chiusure in poliolefina — conformi al contatto alimentare FDA a 2.000 tappi/minuto.

Dispositivi di inserimento dati

101 tasti marcati in 12 secondi, sostituendo la stampa a inchiostro multifase e i cliché. Utilizzato da Microsoft, Foxconn, ALPS, Keytronics, Dell e HP.

Tag identificativi per animali e bestiame

Codici Data Matrix a visione artificiale su tag identificativi. Tecnologia originale coperta dal brevetto statunitense WO98/25211, 1996.

Elettronica militare

Missili e bombe intelligenti (MIL-DTL-55302) impiegati nella missione NASA Space Challenger e nell'Operazione Desert Storm degli Stati Uniti del 1991, in sostituzione della stampa a inchiostro analogica.

Contenitori PET/PETG

Sostituzione delle etichette su PET/PETG a contatto alimentare FDA. Contrasto di marcatura nero intenso e bianco opaco simultaneo da un'unica formulazione.

Pulsanti automotive retroilluminati

Pulsanti e display illuminati giorno/notte tramite verniciatura e ablazione laser. Utilizzato da GM, Ford e Chrysler dal 1985.

Componenti carburante sottocofano

Codici Data Matrix 2D a visione artificiale per l'identificazione e la tracciabilità del prodotto in ambienti automotive esigenti.

Nylon e nylon rinforzato con fibra di vetro

Marcatura laser bianca su componenti elettronici in nylon in sostituzione della stampa a inchiostro. Include componenti automotive in nylon per rifornimento senza tappo.

Tubi e dispositivi medicali

Contrasto bianco opaco su cavi e tubi medicali in HDPE nero — conforme FDA. Inoltre, stantuffi medicali in poliolefina in sostituzione della tampografia.

Estrusione "on-the-fly"

Marcatura laser continua su imballaggi estrusi e tubi medicali flessibili — sostituisce la stampa a inchiostro rotativa con additivi pienamente conformi FDA.

Smart badge / tessere identificative dipendenti

Policarbonato strutturale multilaminato con RFID e funzioni di sicurezza nascoste. Micro-marcatura nelle aree del volto per una maggiore anticontraffazione.

Marcatura laser subsuperficiale

Fotocamere subacquee e componenti che richiedono una marcatura permanente al di sotto della superficie del substrato per la durata in ambienti estremi.

Perché scegliere Sabreen per il masterbatch laser?

L'inventore originale — risultati garantiti

The Sabreen Group è lo sviluppatore originale degli additivi laser per materie plastiche. Selezionato dal Dipartimento di Giustizia degli Stati Uniti e da General Dynamics come perito esperto laser in testimonianze di brevetto, il nostro team porta una profonda competenza nella scienza dei polimeri, nella chimica additiva e nell'integrazione dei sistemi.

Dai composti colormatch personalizzati alla progettazione, integrazione, formazione e certificazione di sicurezza laser di sistemi chiavi in mano, offriamo soluzioni complete di marcatura laser supportate da 12 brevetti dei clienti e decenni di applicazioni collaudate sul campo.

• Risoluzione dei problemi e ottimizzazione dei sistemi in loco
• Additivi per il potenziamento laser conformi FDA
• Composti colormatch personalizzati e sviluppo di colori Pantone
• Progettazione, integrazione e formazione degli operatori per sistemi chiavi in mano
• Certificazione di sicurezza laser e servizi di Laser Safety Officer (LSO)
• Analisi dei materiali, certificazione dei rischi biologici, testimonianza di esperti per i clienti

Scopra il masterbatch laser più adatto alla Sua applicazione

Ci sottoponga le Sue sfide di marcatura più difficili. Dal contatto medicale e alimentare all'automotive e all'aerospaziale, progettiamo soluzioni di masterbatch e additivi ottimizzate per il laser che garantiscono un contrasto superiore, velocità maggiori e piena conformità normativa — con risultati garantiti.

Contatti i nostri ingegneri laser

---