Additivi rivoluzionari per la marcatura laser delle materie plastiche: contrasto, dettaglio dei bordi e velocità superiori

Additivi rivoluzionari per la marcatura laser delle materie plastiche: contrasto, dettaglio dei bordi e velocità superiori

L'ultima generazione di additivi per marcatura laser formulati nei polimeri rappresenta un notevole progresso tecnologico, dimostratosi sia abilitante sia vantaggioso in termini di costi. Formulazioni avanzate di scienza dei materiali offrono contrasto di marcatura, dettaglio dei bordi delle linee e velocità superiori su materie plastiche che tradizionalmente sono difficili, se non impossibili, da marcare con il laser. Progettate per laser a fibra, a vanadato e YAG economici, queste formulazioni operano nello spettro del vicino infrarosso a 1060-1070 nm. Questo articolo tratta applicazioni di contrasto di marcatura laser di colore scuro e di colore chiaro basate sulla “carbonizzazione superficiale termochimica”. È la reazione superficiale polimerica più comune e un percorso chimico nettamente diverso dai meccanismi di “schiumatura” e di cambiamento di “colore”.

I polimeri trasparenti e semitrasparenti, tra cui PVC, policarbonato e poliolefine, sono ora formulati in modo esclusivo con additivi approvati dalla FDA e privi di metalli pesanti. La limpidezza del polimero e le proprietà di trasmissione spettrale restano invariate. Questa innovazione produce un contrasto di marcatura laser nero intenso con residui minimi di carbonizzazione superficiale su tubi e condotti estrusi “al volo” e nelle lavorazioni secondarie. La marcatura laser in linea senza inchiostro sostituisce ora la stampa rotocalco e la tampografia. (Vedere Foto A.)

Punti chiave

• Progettati per la banda del vicino infrarosso 1060–1070 nm, che comprende i laser a fibra, a vanadato e YAG economici.
• La carbonizzazione superficiale termochimica è la reazione superficiale polimerica più comune e il fulcro di queste formulazioni.
• Nessun additivo singolo risolve ogni problema di marcatura: la chimica e l'impostazione del laser variano in base al contrasto desiderato.
• La concentrazione va dallo 0,01% al 4,0% in peso nel pezzo finale, con il colore regolato tramite pigmenti e tinture.
• Marcatura fino al 25% più veloce rispetto ai materiali non ottimizzati, con concentrazioni anche solo dallo 0,01% al 2,0%.

Domande frequenti

Quanto possono accelerare la marcatura gli additivi formulati in modo ottimale?

Studi indipendenti mostrano miglioramenti statisticamente significativi, spesso del 25% o più rispetto al materiale non ottimizzato, ottenuti a concentrazioni molto basse, indicativamente dallo 0,01% al 2,0%. Poiché il tempo di marcatura è un costo diretto del tempo di ciclo, ciò compensa rapidamente il prezzo aggiuntivo dell'additivo.

Che cosa determina il tempo necessario per applicare una marcatura?

Il substrato polimerico, il numero di linee vettoriali tracciate e la velocità con cui il fascio e la testa di scansione a galvanometri tracciano tali linee. Anche il software del laser e il tipo di riempimento vettoriale (unidirezionale, bidirezionale o a serpentina) influiscono sul tempo di marcatura.

Perché il substrato naturale a volte appare grigio dopo l'aggiunta dell'additivo?

Alcuni additivi contengono miscele di ossido di stagno drogato con antimonio e triossido di antimonio, che conferiscono una tonalità grigiastra all'opacità naturale del substrato non colorato. Le regolazioni del colore con pigmenti e tinture riportano il pezzo all'abbinamento cromatico desiderato.

Gli additivi sono forniti in pellet o in polvere?

Entrambi. I prodotti in granulato si miscelano direttamente con la resina polimerica, mentre le forme in polvere vengono trasformate in masterbatch. Entrambi possono essere forniti come materiale precompound o come concentrato di colore.

Quali competenze richiede in realtà una formulazione per la marcatura laser?

Conoscenza dei polimeri e dei gradi con proprietà diverse all'interno di ciascuna famiglia, oltre a coloranti, pigmenti e tinture in termini di solubilità, dimensione delle particelle, limiti di concentrazione soglia, abbinamento cromatico e certificazioni normative, tra cui GRAS e contatto alimentare diretto e indiretto FDA.

Meccanismo di reazione della marcatura laser dei polimeri

I polimeri marcabili con il laser sono quelli che assorbono la luce laser e la convertono da energia luminosa a energia termica. Poiché la maggior parte dei polimeri non possiede proprietà di assorbimento a 1060-1070nm, gli esperti utilizzano additivi, cariche, pigmenti e tinture che migliorano l'assorbimento dell'energia laser per ottenere cambiamenti di colore localizzati. La chimica della scienza dei materiali per ottenere marcature laser ad alto contrasto e a colori è al tempo stesso arte e scienza. Contrariamente a un'opinione diffusa, non esiste un unico additivo laser in grado di risolvere tutti i problemi di marcatura. Si utilizzano chimiche di formulazione e ottiche/parametri di impostazione del laser molto diversi, a seconda del contrasto di marcatura e della funzionalità desiderati.

Il meccanismo di reazione superficiale più comune è detto “carbonizzazione” termochimica (Vedere Foto B.), in cui l'energia assorbita nel substrato porta la temperatura locale del materiale attorno al sito di assorbimento a un livello sufficientemente alto da causare la degradazione termica del polimero. Sebbene ciò possa provocare la combustione del polimero in presenza di ossigeno, la limitata disponibilità di ossigeno all'interno del substrato causa la carbonizzazione del polimero e forma un contrasto di marcatura nero o scuro. Il grado di scurezza o di chiarezza della marcatura dipende dall'energia assorbita e dal percorso di degradazione termica specifico del materiale.

Gli additivi laser migliorano il grado di contrasto, che può essere ulteriormente intensificato modificando i parametri di impostazione del laser. I polimeri possiedono caratteristiche intrinseche che portano a un contrasto di marcatura “di colore scuro” o “di colore chiaro”. (Vedere Foto B.) Ogni grado di colorante del polimero, anche all'interno della stessa famiglia polimerica, può produrre risultati diversi. I composti coloranti che contengono basse quantità di TiO2, nerofumo e ossidi metallici misti assorbono anch'essi la luce laser e, in alcuni casi, migliorano il contrasto della marcatura.

Lavorazione primaria, additivi laser e abbinamento cromatico

Gli additivi laser disponibili in commercio sono forniti in forma di granulato e di polvere. I prodotti in granulato possono essere miscelati direttamente con la resina polimerica, mentre le forme in polvere vengono trasformate in masterbatch.

Alcuni di questi additivi contengono miscele di ossido di stagno drogato con antimonio e/o triossido di antimonio, che conferiscono una tonalità “grigiastra” all'opacità naturale (non colorata) del substrato. Le regolazioni del colore si effettuano con pigmenti e tinture per ottenere l'aspetto finale di abbinamento cromatico. In base allo specifico additivo e polimero, la concentrazione di carica in peso (nel pezzo finale) può variare dallo 0,01 percento al 4,0 percento. Sia il granulato sia la polvere possono essere forniti come materiale colorato precompound o come concentrato di colore.

Durante la chimica di dosaggio dell'additivo laser e di abbinamento cromatico, non è raro che un prodotto finito contenga meno additivo laser della quantità calcolata. Questo problema è quasi sempre legato a una distribuzione non uniforme durante l'estrusione o lo stampaggio. Semplici regolazioni della macchina di stampaggio, come l'aumento della contropressione e della velocità di rotazione della vite, risolvono la maggior parte dei problemi. Una distribuzione/dispersione omogenea degli additivi laser in tutto il pezzo è fondamentale per ottenere prestazioni di marcatura ottimali. Per le operazioni di estrusione, stampaggio a iniezione e termoformatura, i materiali precolorati e compoundati garantiscono una maggiore uniformità rispetto al concentrato di colore. La miscelazione manuale va evitata. Il flusso nello stampo e il tipo/posizione del punto di iniezione sono fattori importanti.

Velocità di marcatura più elevate = risparmio sui costi

Il tempo necessario per marcare un pezzo dipende dal substrato polimerico, dal numero di linee vettoriali tracciate e dalla velocità con cui il fascio laser/la testa di scansione a galvanometri traccia tutte le linee. Anche il software del laser e il tipo di riempimento vettoriale (unidirezionale, bidirezionale o a serpentina) influiscono sul tempo di marcatura.

Nuovi studi indipendenti dimostrano che si possono ottenere velocità di marcatura più elevate, in modo statisticamente significativo, incorporando formulazioni di additivi laser a concentrazioni molto basse, in genere dallo 0,01 percento al 2,0 percento. Gli additivi laser formulati in modo ottimale consentono di risparmiare sui costi e offrono spesso velocità di marcatura superiori del 25 percento e oltre rispetto alle formulazioni di materiale non ottimizzate. Questo aumento di velocità e di qualità compensa ampiamente il costo aggiuntivo dell'additivo.

The Science of Laser Additives (Figura 1 a pagina 34) mostra un grafico dell'analisi termogravimetrica (TGA) di due polietileni ad alta densità utilizzati in chiusure per bevande senza guarnizione da 28mm. I due polimeri presentano temperature di degradazione termica diverse, il processo che crea la marcatura laser. Il polimero con temperatura più alta richiede più energia laser, velocità di marcatura inferiori o più additivo assorbente per ottenere lo stesso aspetto della marcatura.

Senza additivi laser, alcuni noti prodotti industriali non potrebbero essere fabbricati in modo economicamente conveniente. Un'applicazione interessante è la marcatura laser “al volo” per le promozioni sotto il tappo su chiusure per bevande senza guarnizione. I sistemi chiavi in mano sono in grado di marcare grafiche uniche e testo alfanumerico a velocità fino a 1.500 – 2.000 chiusure al minuto. (Vedere Foto B.)

Tecnologia laser

I progressi della tecnologia laser sono stati determinanti per il rapido sviluppo dell'ultima generazione di additivi laser. L'avvento dei laser a fibra a nanosecondi è uno dei progressi più significativi per la marcatura, la saldatura e il taglio. In sostanza, i laser a fibra sono diversi dagli altri laser di marcatura a stato solido. Nei laser a fibra, il mezzo attivo che genera il fascio laser è disperso all'interno di uno speciale cavo in fibra ottica. A differenza dei laser con erogazione in fibra, l'intero percorso del fascio si trova all'interno di un cavo in fibra ottica fino all'ottica di erogazione del fascio.

I laser a fibra offrono qualità e luminosità del fascio superiori. La metrica per la qualità del fascio è M2. Più basso è il valore di M2, migliore è la qualità del fascio, mentre M2 = 1 è il fascio laser gaussiano ideale. Un laser con qualità del fascio superiore può essere focalizzato su uno spot di piccole dimensioni, con conseguente elevata densità di energia. I laser a fibra a impulso fisso e variabile con energia dell'impulso fino a 1 mJ ed elevata densità di potenza possono marcare molti polimeri storicamente difficili, tra cui nylon, uretani e acetali. Anche i laser a vanadato hanno un valore di M2 ridotto, con una durata dell'impulso più breve rispetto ai laser a fibra fissi e YAG. La durata dell'impulso influisce sul grado di calore e di carbonizzazione all'interno del materiale. Una durata dell'impulso breve può essere vantaggiosa nelle applicazioni con polimeri sensibili.

Non tutti i laser a fibra, a vanadato e YAG a fascio orientato sono uguali. I componenti hardware e software che un produttore di laser integra nei propri sistemi fanno una differenza significativa in termini di contrasto, qualità e velocità di marcatura. Un attributo fondamentale è la densità di potenza (watt/cm²) sulla superficie da marcare (che è diversa dalla potenza di uscita grezza del laser). La modalità di uscita del fascio laser è determinante per le prestazioni di marcatura. Queste modalità di uscita sono legate a fattori tra cui la divergenza del fascio e la distribuzione di potenza sul diametro del fascio laser.

La densità di potenza dipende dalle dimensioni dello spot laser focalizzato. Le dimensioni dello spot laser focalizzato, per una data lunghezza focale della lente e lunghezza d'onda del laser, dipendono dalla divergenza del fascio laser, controllata dalla configurazione del laser, dalle dimensioni dell'apertura di selezione del modo e dall'ingrandimento dell'upcollimator (espansore di fascio).

La frequenza di ripetizione degli impulsi e la densità di potenza di picco sono parametri critici per formare la marcatura e ottenere contrasto e velocità ottimali. Le curve aritmetiche della potenza in funzione della frequenza di ripetizione degli impulsi sono inversamente proporzionali. Una potenza di picco elevata a bassa frequenza aumenta rapidamente la temperatura superficiale, vaporizzando il materiale e conducendo un calore minimo nel substrato. All'aumentare della frequenza di ripetizione, una potenza di picco inferiore produce una vaporizzazione minima ma conduce più calore. Ulteriori fattori che influenzano il contrasto e la qualità della marcatura sono, naturalmente, la velocità del fascio e la distanza di separazione tra le linee vettoriali.

Conclusione

L'ultima generazione di additivi per marcatura laser incorporati nei polimeri offre contrasto di marcatura, dettaglio dei bordi delle linee e velocità superiori. La marcatura laser in linea senza inchiostro sostituisce ora la stampa rotocalco e la tampografia. Questi vantaggi compensano rapidamente il costo aggiuntivo dell'additivo. Per ottenere una formulazione chimica ottimale, basata sulla scienza dei materiali, per la marcatura laser delle materie plastiche servono competenze su polimeri, gradi con proprietà diverse all'interno delle famiglie polimeriche, coloranti, pigmenti e tinture (solubilità, dimensioni delle particelle, limiti di concentrazione soglia), abbinamento cromatico e certificazioni normative (GRAS, contatto alimentare diretto/indiretto FDA). Le soluzioni di scienza dei materiali devono essere convenienti, facili da usare e non avere effetti dannosi sulle proprietà fisiche e chimiche del polimero.

Ringraziamenti

• 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. Lasers&Optronics, July 1997.
• 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 and Carl Baasel Lasertechnik GmbH, Feature Article, “Laser Marking: A Clean Economical Packaging Solution”, Photonics Spectra, November 2001.

Scott R. Sabreen è fondatore e presidente di The Sabreen Group, Inc., una società di ingegneria specializzata nei processi di trasformazione secondaria delle materie plastiche: marcatura laser, pretrattamenti superficiali, incollaggio, decorazione e finitura e sicurezza del prodotto. Sabreen sviluppa tecnologie pionieristiche e risolve problemi di produzione da oltre 30 anni. Può essere contattato al numero 972.820.6777 oppure visitando www.sabreen.com o www.plasticslasermarking.com.

---