Marcatura laser di polistirene e HIPS: imballaggi, elettrodomestici e prodotti monouso

Marcatura laser di polistirene e HIPS: imballaggi, elettrodomestici e prodotti monouso

Punti chiave

• L'anello aromatico fa sì che il polistirene carbonizzi facilmente: ottenere una marcatura è semplice.
• Il vero problema è la finestra di processo ristretta, perché il punto di rammollimento è basso.
• L'HIPS aggiunge una fase gommosa che degrada prima dello stirene, ampliando il rischio di alterazione del colore.
• Le pareti sottili si deformano prima di marcarsi, a meno che l'energia non sia controllata con precisione.

Il polistirene compare raramente nelle discussioni sulla marcatura laser, il che è strano considerando quanto ne passa ogni giorno nella produzione: imballaggi alimentari, materiale da laboratorio monouso, rivestimenti di elettrodomestici, giocattoli, confezioni cosmetiche e alloggiamenti elettronici. Il motivo è probabilmente che viene considerato un materiale di largo consumo per il quale la marcatura non rappresenta una sfida tecnica. Ottenere una marcatura è in effetti facile. Ottenerne una buona su un componente a parete sottile, no.

Perché si marca facilmente e male

Il polistirene porta un anello benzenico su un atomo di carbonio ogni due della sua catena principale. Tale contenuto aromatico gli conferisce un'elevata resa in char, per cui la carbonizzazione procede con facilità e una marcatura scura compare a energie modeste, a differenza delle poliolefine alifatiche, che depolimerizzano in sostanze volatili e richiedono un additivo laser.

La difficoltà è che il polistirene ha anche una bassa transizione vetrosa, intorno ai 100°C, e una scarsa conducibilità termica. L'energia sufficiente a carbonizzare la superficie è vicina a quella sufficiente ad ammorbidirla e deformarla, e il calore non si disperde per conduzione. Su una parete termoformata da 0,3 mm il componente si deforma, si affossa o si perfora mentre la marcatura è ancora in formazione.

Le varianti e le loro differenze

Controllo del processo sulle pareti sottili

• Ridurre energia e aumentare la velocità insieme. L'obiettivo è una variazione superficiale poco profonda, non la profondità. Partire ben al di sotto del punto da cui inizierebbe una resina ingegneristica comparabile.
• Ridurre la durata dell'impulso dove una sorgente MOPA lo consente. Gli impulsi brevi cedono energia e terminano prima che il calore si propaghi nella parete.
• Usare frequenze di ripetizione elevate, in modo che gli impulsi sovrapposti costruiscano una marcatura uniforme da molti piccoli contributi anziché da pochi grandi.
• Sostenere il componente. Una parete sottile termoformata priva di appoggio dietro la marcatura si affossa; un dispositivo di supporto elimina la maggior parte dei problemi di deformazione senza costi di processo.
• Tenere le marcature lontane da sezioni sottili e raggi, dove si concentrano deformazioni e cricche.
• Fare attenzione alle cricche ritardate sul GPPS, abbastanza fragile da consentire a uno sforzo termico di innescare una cricca che si propaga in seguito.

La sensibilità chimica merita attenzione

Il polistirene è tra i polimeri comuni più suscettibili alla rottura per tensocorrosione (environmental stress cracking), attaccato da un'ampia gamma di sostanze chimiche organiche. La marcatura aggiunge uno sforzo termico locale, mentre detergenti, oli alimentari, profumazioni e contenuti cosmetici forniscono la metà chimica della combinazione.

Dove un componente in polistirene marcato verrà a contatto con una qualsiasi di queste sostanze — e nelle applicazioni di imballaggio e cosmetica quasi sempre accade — la qualifica dovrebbe testare campioni marcati e sollecitati con i contenuti effettivi e la chimica di pulizia, non provini piani non marcati.

Contatto alimentare e applicazioni monouso

Una larga quota della produzione di polistirene va a imballaggi alimentari, bicchieri, posate e materiale da laboratorio monouso, il che aggiunge una dimensione normativa che la maggior parte del lavoro di marcatura sulle resine ingegneristiche non comporta:

• La marcatura laser non aggiunge alcuna sostanza, ed è il suo principale vantaggio in questo caso. Dove un inchiostro o un'etichetta richiederebbero evidenze di conformità al contatto alimentare per ogni componente, una marcatura laser non introduce nulla di nuovo nella valutazione.
• Un additivo laser invertirebbe tale vantaggio. Poiché il polistirene si marca bene senza ausili, raramente c'è motivo di compoundarne uno, e farlo su un componente a contatto con alimenti significa documentarne lo stato normativo.
• La posizione della marcatura conta per le superfici a contatto diretto. Marcare l'esterno di un contenitore anziché la faccia a contatto con gli alimenti evita del tutto la questione, ed è di solito possibile.
• I prodotti di decomposizione vengono captati, non consumati, ma l'aspirazione deve comunque essere adeguata: la marcatura dello stirene produce fumi rilevanti rispetto alla piccola quantità di materiale coinvolta.

Risoluzione dei problemi delle marcature sugli stirenici

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Domande frequenti

Il polistirene richiede un additivo laser?

Normalmente no. L'anello aromatico sulla catena principale dà un'elevata resa in char, quindi il polistirene carbonizza facilmente e produce una marcatura scura a energie modeste senza alcun additivo. Il problema ingegneristico è l'opposto di quello delle poliolefine: l'energia va contenuta, perché il punto di rammollimento è basso e il materiale si deforma con impostazioni vicine a quelle che lo marcano.

Perché i componenti sottili in polistirene si deformano quando vengono marcati?

Bassa transizione vetrosa unita a scarsa conducibilità termica. Il calore che in una resina ingegneristica si disperderebbe resta localizzato, e l'energia necessaria a carbonizzare la superficie è vicina a quella che ammorbidisce la parete. Su una sezione sottile termoformata il componente si affossa o si perfora mentre la marcatura è ancora in formazione. Impulsi più brevi, velocità più elevata e un dispositivo di supporto risolvono la maggior parte del problema.

In che cosa l'HIPS differisce dal polistirene per usi generali per la marcatura?

L'HIPS contiene una fase di gomma butadienica per la resistenza all'urto, e tale gomma degrada a una temperatura inferiore rispetto allo stirene. Ne risulta una maggiore tendenza a ingiallire e a lasciare un alone scolorito oltre la marcatura prevista. Il GPPS è più pulito sotto questo aspetto ma molto più fragile, perciò lo sforzo termico può innescare cricche nelle sezioni sottili.

Il polistirene espanso può essere marcato al laser?

Non in modo pratico. La schiuma collassa sotto il calore anziché sviluppare una marcatura, perciò l'identificazione sull'EPS viene normalmente applicata su un'etichetta o su un materiale di rivestimento rigido. Tentarla produce inoltre fumi abbondanti rispetto alla piccola quantità di materiale solido coinvolta.

Che cosa va testato prima di rilasciare un componente in polistirene marcato?

La compatibilità chimica su campioni marcati e sollecitati. Il polistirene è tra i polimeri comuni più suscettibili alla rottura per tensocorrosione, e la marcatura aggiunge uno sforzo termico locale mentre contenuti dell'imballaggio, oli alimentari, profumazioni e detergenti forniscono l'agente chimico. Testare provini piani non marcati elimina proprio l'interazione che causa i guasti in campo.

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