Gli “additivi laser” a doppia funzione per la marcatura e la saldatura dei polimeri

Gli “additivi laser” a doppia funzione per la marcatura e la saldatura dei polimeri

Gli additivi laser a doppia funzione, miscelati ai polimeri durante la lavorazione primaria, consentono la marcatura e la saldatura per trasmissione di polimeri trasparenti e opachi. I nuovi additivi chimici, compresi quelli conformi FDA e per uso medicale, permettono di ottenere giunti saldati ermetici ad alta resistenza e un contrasto di marcatura opaco e indelebile. I processi di marcatura laser e di saldatura laser sono senza contatto, facili da controllare ed ecologici. Progettate per laser e apparecchiature economici e ad alta velocità, la marcatura e la saldatura dei polimeri rispondono alle sfide delle applicazioni complesse di oggi.

Punti chiave

• Un solo compound, due processi. Gli additivi a doppia funzione supportano la marcatura e la saldatura per trasmissione nello stesso materiale.
• La saldatura laser per trasmissione (TTLW) si svolge in tre fasi (riscaldamento, fusione parziale e saldatura), con tempi di saldatura tipici da uno a otto secondi.
• I due componenti richiedono proprietà ottiche opposte: quello superiore deve trasmettere la lunghezza d’onda, quello inferiore deve assorbirla in un sottile strato.
• L’assorbimento intermedio è il caso peggiore: riscalda l’intero spessore e rende il componente un candidato inadatto per entrambi i lati del giunto.
• La saldatura laser garantisce tenute ermetiche senza bave, senza particolato, con zona termicamente alterata minima e senza danneggiare la superficie del componente.

Domande frequenti

Che cosa significa “per trasmissione” nella saldatura laser?

Il laser attraversa il componente superiore trasparente al laser e viene assorbito sulla superficie del componente inferiore assorbente. I componenti vengono preassemblati e serrati in modo che le superfici di giunzione siano a stretto contatto e la saldatura si forma su tale interfaccia.

Quali sono le fasi di una saldatura laser per trasmissione?

Tre. Nella fase di riscaldamento il laser riscalda il polimero assorbente all’interfaccia, che si espande e aumenta la pressione di saldatura. Nella fase di fusione parziale l’ulteriore espansione aumenta la pressione e si verifica una piccola quantità di saldatura. Nella fase di saldatura una quantità sufficiente di materiale fuso collassa formando una vera saldatura, in genere dell’ordine di 0,13 mm.

È possibile saldare al laser materiali caricati con fibra di vetro?

Sono stati saldati materiali caricati fino al 50% di vetro, ma non per tenute ermetiche. Cariche, additivi e pigmenti modificano tutti la risposta del polimero al fascio laser, per cui l’idoneità del materiale è più critica nella saldatura laser che in qualsiasi altro processo di giunzione.

Perché scegliere la saldatura laser rispetto alla saldatura a ultrasuoni o a piastra calda?

È senza contatto, con un leggero serraggio sotto una lastra di vetro liscia, per cui nulla danneggia il componente e non viene trasmessa alcuna vibrazione. La saldatura è subsuperficiale e quasi invisibile, la zona termicamente alterata è molto ridotta e quindi i componenti fragili preposizionati non subiscono danni, non ci sono bave da rimuovere ed è possibile ottenere tenute ermetiche a tenuta di gas.

È possibile saldare al laser plastiche dissimili tra loro?

Sì, purché soddisfino i necessari criteri ottici e termici. Ogni polimero trasmette in modo diverso le tre principali lunghezze d’onda di saldatura, quindi entrambi i materiali devono essere valutati insieme e non singolarmente.

Applicazioni dei prodotti

I polimeri colorati trasparenti, semitrasparenti e opachi, compresi nylon, polietilene tereftalato (PET), policarbonati, poliolefine, polivinilcloruro (PVC), stirenici ed elastomeri termoplastici (TPE) e poliuretani termoplastici (TPU), sono formulati in modo specifico con additivi privi di metalli pesanti e approvati FDA/EFSA (Autorità europea per la sicurezza alimentare) per ottenere marcature ad alto contrasto, compresi i prodotti saldati al laser (Figura 1). La trasparenza del polimero, la trasmissione spettrale e le proprietà fisiche di base non vengono alterate. La marcatura laser digitale senza contatto sostituisce le costose etichette adesive e i processi di stampa con inchiostri chimici. Il risultato è una soluzione economica, ecologica e di estetica superiore.

Meccanismi di reazione superficiale nella marcatura laser

I progressi ottenuti nella formulazione di additivi chimici laser per l’uso con laser nel vicino infrarosso (NIR, lunghezza d’onda 1.060-1.080 nm) comprendono la loro compatibilità con laser a fibra all’itterbio, laser a vanadato e laser Nd:YAG. La maggior parte dei polimeri non possiede proprietà di assorbimento NIR senza additivi chimici. I polimeri marcabili al laser sono quelli che assorbono la luce laser e la convertono da energia luminosa a energia termica. Additivi, cariche, pigmenti e coloranti vengono utilizzati per aumentare l’assorbimento dell’energia laser e ottenere variazioni di colore localizzate. Chimiche di formulazione molto diverse e parametri di ottica e configurazione del laser vengono impostati in base al contrasto di marcatura e alla funzionalità desiderati.

La Figura 1 mostra due comuni meccanismi di reazione superficiale. Il primo è la “carbonizzazione” termochimica, in cui l’energia assorbita nel substrato porta la temperatura locale del materiale circostante il punto di assorbimento a un valore tale da causare la degradazione termica del polimero. La scurezza o la chiarezza della marcatura dipende dall’energia assorbita, oltre che dal percorso di degradazione termica specifico del materiale. Ottimizzando la configurazione del laser, i residui di carbonizzazione superficiale sono minimi.

Una seconda reazione superficiale, la “schiumatura”, è una trasformazione chimica ottenuta con additivi che rilasciano vapore durante la degradazione, provocando la formazione di schiuma nel polimero. Durante il processo di schiumatura, l’energia laser viene assorbita da un additivo posto in stretta prossimità dell’agente schiumogeno. Il calore dell’assorbitore provoca la degradazione dell’agente schiumogeno, con rilascio di vapore. Grazie a un controllo rigoroso dei parametri operativi del laser è possibile ottenere marcature “bianche” chiare, di alta qualità e durevoli, su substrati scuri.

Una terza reazione (non illustrata) utilizza l’energia laser per riscaldare o degradare un colorante in una miscela di coloranti, determinando una variazione di colore. Un esempio è una miscela di nerofumo e di un colorante inorganico stabile. Con il riscaldamento il nerofumo viene rimosso, lasciando il colorante inorganico. Questi sistemi a coloranti misti dipendono dalla stabilità specifica dei singoli coloranti e non tutte le variazioni di colore sono possibili. Le formulazioni con nerofumo sono parte integrante della saldatura laser.

Chimiche degli additivi laser per la marcatura e la saldatura

Gli additivi laser nel vicino infrarosso migliorano il grado di contrasto, che può essere ulteriormente intensificato modificando i parametri di configurazione del laser. I polimeri possiedono caratteristiche intrinseche che producono un contrasto di marcatura “scuro” o “chiaro”. Alcuni composti coloranti contenenti basse quantità di biossido di titanio (TiO2) e nerofumo assorbono anch’essi la luce laser e possono migliorare il contrasto di marcatura. Ogni grado di polimero, anche all’interno della stessa famiglia polimerica, può fornire risultati diversi. Le formulazioni degli additivi non devono essere tossiche né alterare l’aspetto o le proprietà fisiche e funzionali dei prodotti.

Rispetto ai processi di stampa a inchiostro (tampografia/serigrafia e stampa a getto d’inchiostro), gli additivi laser consentono un risparmio sui costi e possono offrire velocità di marcatura superiori del 20 percento o più rispetto a materiali non ottimizzati. Gli additivi laser sono forniti in forma di granuli in pellet e di polvere. I granulati possono essere miscelati direttamente con la resina polimerica, mentre le polveri vengono trasformate in masterbatch. La maggior parte si disperde facilmente nei polimeri. In base all’additivo e al polimero, la concentrazione in peso (nel pezzo finale) è compresa tra 0,01 e 4,0 percento.

Sia il granulato sia la polvere possono essere miscelati in materiale colorato precompoundato o in concentrato di colore. La scelta dell’additivo da incorporare dipende dalla composizione del polimero, dal colore del substrato, dal colore di contrasto di marcatura desiderato e dai requisiti di certificazione per l’uso finale. Nelle operazioni di estrusione, stampaggio a iniezione e termoformatura, i materiali precolorati precompoundati offrono una maggiore uniformità rispetto al concentrato di colore. La miscelazione manuale va evitata. Il flusso nello stampo e il tipo e la posizione del punto di iniezione sono fattori importanti. Una distribuzione/dispersione omogenea degli additivi laser in ogni pezzo è fondamentale per ottenere prestazioni di marcatura ottimali.

Alcuni additivi contengono miscele di ossido di stagno drogato con antimonio e triossido di antimonio, che possono conferire una tonalità “grigiastra” all’opacità naturale (non colorata) del substrato. Altri additivi possono contenere particelle di alluminio, ossidi metallici misti e composti proprietari. Le regolazioni del colore si effettuano con pigmenti e coloranti per ottenere l’aspetto finale corrispondente al colore richiesto. Nella forma commerciale fornita, additivi specifici (utilizzati anche per la saldatura laser) hanno ricevuto l’approvazione FDA per il contatto con gli alimenti e l’imballaggio alimentare alle condizioni A-H della norma 21 CFR 178.3297 – Colorants for Polymers. Per l’Unione Europea esistono dichiarazioni di conformità analoghe. Le condizioni di certificazione sono specifiche per il tipo di polimero, la soglia del livello di carica e il contatto diretto o indiretto. Un’ulteriore qualificazione degli additivi approvati FDA miscelati in un “pezzo finale” può garantire la biocompatibilità dei dispositivi medici.

Durante la chimica di dosaggio dell’additivo laser e di corrispondenza del colore, 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 ogni pezzo è fondamentale per ottenere prestazioni di marcatura ottimali. Nelle operazioni di estrusione, stampaggio a iniezione e termoformatura, i materiali precolorati precompoundati offrono una maggiore uniformità rispetto al concentrato di colore. La miscelazione manuale va evitata. Il flusso nello stampo e il tipo e la posizione del punto di iniezione sono fattori importanti.

Principi della saldatura laser per trasmissione

Il termine “per trasmissione” deriva dal fatto che il laser attraversa il componente superiore trasparente al laser fino alla superficie del componente inferiore assorbente, come illustrato nella Figura 2. La saldatura laser per trasmissione (TTLW, Through Transmission Laser Welding) delle materie plastiche prevede tre fasi. Nella TTLW i componenti vengono preassemblati e serrati insieme per garantire uno stretto contatto tra le rispettive superfici di giunzione. In questo articolo si utilizzano laser a diodi ad alta potenza (λ = 800-1.000 nm) e laser a stato solido (laser a fibra all’itterbio e laser Nd:YAG, λ = 1.060-1.080 nm).

Durante la fase di riscaldamento, l’energia laser riscalda il polimero assorbente all’interfaccia, provocando l’espansione del componente e aumentando la pressione di saldatura. Nel punto focale del fascio la potenza del laser è massima e il componente inizia a fondere in quel punto, creando una zona di fusione. Questo è l’inizio della seconda fase, la fase di fusione parziale. Si verifica un’ulteriore espansione dei componenti, con un corrispondente aumento di pressione. A questo punto si è già formata una piccola quantità di saldatura.

La fase di saldatura è la fase finale. Viene generata una quantità sufficiente di materiale fuso per creare una vera saldatura. Il materiale fuso collassa, in modo analogo a quanto avviene nella saldatura a piastra calda o per fusione. Nella maggior parte delle applicazioni si tratta di circa 0,13 mm (0,005 in). I tempi di saldatura tipici sono dell’ordine di uno-otto secondi per la maggior parte delle applicazioni, anche se i componenti più grandi possono richiedere più tempo. Esistono quattro principali processi di saldatura laser TTLW: saldatura a contorno, a maschera, simultanea e quasi simultanea.

I due componenti da saldare devono avere proprietà di assorbimento ottico diverse a una data lunghezza d’onda di saldatura. Il componente superiore, trasparente al laser, deve trasmettere la maggior quantità possibile della lunghezza d’onda, mentre il componente inferiore, assorbente, deve assorbirne il più possibile in un sottile strato. Ne risulta la combinazione più efficiente dal punto di vista energetico, perché una grande quantità di energia viene assorbita all’interfaccia e potrebbe degradare il componente superiore prima che quello inferiore sia sufficientemente morbido da saldare. Anche una riflettività eccessiva aumenta la quantità di energia necessaria per la saldatura.

L’idoneità del materiale è più critica nella saldatura laser che in qualsiasi altro processo di giunzione. In teoria la saldatura laser può saldare tutti i termoplastici trasparenti al fascio laser. Tuttavia, la capacità di ciascun polimero di trasmettere la luce dei laser alle tre principali lunghezze d’onda utilizzate nella saldatura laser è diversa. Inoltre, la risposta di un dato polimero ai fasci laser viene modificata dalla presenza di cariche, additivi e pigmenti.

I materiali con elevati tassi di assorbimento sono ideali per il componente inferiore nella saldatura TTLW perché assorbono la maggior parte dell’energia all’interfaccia di saldatura e creano un sottile strato superficiale riscaldato, ideale per la saldatura laser. I materiali con tassi di assorbimento intermedi possono costituire un problema perché assorbono l’energia laser per tutto lo spessore del materiale, con il conseguente riscaldamento dell’intero spessore. Questi materiali lasciano passare pochissima energia e sono quindi candidati inadatti come materiale superiore nella saldatura laser TTLW. Inoltre non assorbono molta energia sul bordo superiore e, di conseguenza, sono una scelta poco adatta anche come materiale inferiore. Sono stati saldati materiali caricati fino al 50 percento di vetro, ma non per tenute ermetiche.

I principali vantaggi della TTLW comprendono i seguenti:

• Saldatura senza contatto. La saldatura laser utilizza una lastra di vetro liscia per trattenere i componenti da saldare con una forza di serraggio leggera, pari o inferiore a 100 lb, e non vi è alcun contatto con lo strumento di saldatura. Di conseguenza nulla danneggia la superficie dei componenti saldati e non è richiesta alcuna pressione di saldatura che possa danneggiare componenti delicati.
• Saldatura subsuperficiale. La saldatura avviene all’interfaccia tra i due componenti. La saldatura è quasi invisibile con componenti trasparenti e completamente invisibile con componenti opachi. La saldatura può trovarsi appena sotto la superficie o in profondità nei componenti.
• Saldatura di precisione. Le dimensioni e la posizione della saldatura laser possono essere molto precise e non viene trasmessa alcuna vibrazione al componente da saldare. Nelle versioni del processo che richiedono un movimento relativo tra il laser e i pezzi da saldare, è il laser a muoversi. Di conseguenza la saldatura laser è il più preciso tra i processi di saldatura.
• Zona termicamente alterata minima. Il punto di saldatura è molto piccolo e la zona termicamente alterata è piuttosto contenuta. Di conseguenza è possibile saldare molto vicino ad altri componenti senza influenzarli, consentendo la saldatura di sottoassiemi con parti sensibili e fragili già posizionate. Inoltre la distorsione e la degradazione dovute al calore sono estremamente limitate e le tensioni residue sono ridotte.
• Possibilità di saldare plastiche dissimili. È possibile saldare tra loro plastiche dissimili che soddisfano i criteri necessari.
• Nessuna bava. Nella saldatura laser la saldatura è totalmente racchiusa e non si crea alcuna bava da rimuovere. Non vi sono particolati liberi.
• Tenute ermetiche. La saldatura laser è in grado di creare una saldatura ermetica, a tenuta di gas.
• Efficienza energetica. Rispetto ad altri processi di saldatura, la saldatura laser è altamente efficiente dal punto di vista energetico. Ciò significa anche che non si genera calore in eccesso da smaltire nell’ambiente di lavoro.

Conclusione

Gli additivi laser a doppia funzione incorporati nei polimeri offrono un contrasto di marcatura, un dettaglio dei bordi delle linee e una velocità superiori. Questi additivi ottimizzano la saldatura laser di termoplastici simili e dissimili. I progressi della tecnologia dei laser a fibra a costi accessibili sono stati determinanti. Questi vantaggi compensano rapidamente il costo incrementale dell’additivo. La chimica ottimizzata per la scienza dei materiali applicata alla marcatura e alla saldatura laser richiede competenze in polimeri, coloranti, pigmenti e tinture in relazione a solubilità, dimensioni delle particelle, limiti di concentrazione di soglia, corrispondenza del colore e certificazioni normative (GRAS, contatto alimentare diretto/indiretto FDA). La marcatura laser e la TTLW dei polimeri rispondono alle sfide delle applicazioni odierne.

Riferimenti bibliografici

• Scott R. Sabreen, “FDA-Approved Additives Boost Inline Laser Marking,” Plastics Decorating Magazine, April/May 2015
• Jordan Rotheiser, specialist consultant for The Sabreen Group Inc. Welding excerpts from Joining of Plastics, Handbook for Designers and Engineers, Third Edition, Jordan Rotheiser, Carl Hanser Verlag, Munich, 2009

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.

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