Gli additivi approvati dalla FDA potenziano la marcatura laser in linea delle materie plastiche

Gli additivi approvati dalla FDA potenziano la marcatura laser in linea delle materie plastiche

Velocità elevata, contrasto superiore e risparmio sui costi sono tra i vantaggi più significativi dell'incorporazione di nuovi additivi approvati dalla FDA nei polimeri per la marcatura laser. Le innovazioni degli additivi chimici producono un contrasto nero intenso e di colore chiaro su prodotti stampati ed estrusi, sia “al volo” sia nelle lavorazioni secondarie. Progettata per laser a fibra economici, la marcatura laser in linea senza inchiostro sostituisce ora la stampa rotocalco e la tampografia.

Applicazioni sui prodotti: molti polimeri colorati trasparenti, semitrasparenti e opachi, tra cui nylon, PET, policarbonati, poliolefine, PVC, stirenici e TPU/TPE (per i dispositivi indossabili), sono formulati in modo esclusivo con additivi privi di metalli pesanti approvati dalla FDA e dall'EFSA (Autorità europea per la sicurezza alimentare) per ottenere una marcatura ad alto contrasto. La limpidezza 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 un aspetto estetico superiore, economico e rispettoso dell'ambiente nell'applicazione.

La marcatura laser “al volo” viene eseguita su prodotti stampati ed estrusi, come fili/cavi, tubi e condotti.

Punti chiave

• Tre reazioni superficiali creano la marcatura: carbonizzazione, schiumatura e cambiamento di colore del colorante.
• La concentrazione va dallo 0,01% al 4,0% in peso nel pezzo finale, scelta in base a polimero, colore del substrato, contrasto desiderato ed esigenze di certificazione.
• Gli additivi sono almeno il 15% più veloci delle formulazioni non ottimizzate e sostituiscono del tutto la stampa rotocalco e la tampografia.
• Nei pezzi finiti, il basso contenuto di additivo è in genere dovuto a problemi di dispersione, non a errori di dosaggio: aumentare la contropressione e la velocità della vite.
• Le condizioni A–H della 21 CFR 178.3297 coprono l'approvazione FDA per il contatto con gli alimenti; la qualificazione ISO 10993 estende la biocompatibilità ai dispositivi medici.

Le velocità di marcatura di tappi sintetici in poliolefina per il vino e di promozioni sotto il tappo su chiusure per bevande senza guarnizione possono raggiungere 2.000 pezzi al minuto per testo alfanumerico e grafiche. La velocità di marcatura dipende da molte variabili, tra cui tipo di polimero, colore del substrato, tipo e concentrazione dell'additivo laser, dimensione (peso) del cavo, tipo e potenza del laser, software, numero di caratteri alfanumerici, altezza del testo, lunghezza della stringa di testo, spaziatura tra i caratteri, codice a barre/data matrix, loghi/grafiche, font a tratto singolo o true-type riempiti, direzione di riempimento e testo continuo o ripetuto. L'uso di un additivo-colorante formulato in modo corretto garantisce che la “densità di potenza” sulla superficie della marcatura non sia il fattore limitante. Saranno invece i galvanometri a fascio orientato a operare alla massima velocità.

A causa della complessità dei fattori che influenzano la capacità di marcatura in produzione “al volo”, ogni applicazione deve essere esaminata con precisione. Esistono poche regole, se esistono, che possano essere estrapolate. In linea generale, si consideri tuttavia il seguente esempio con polimero nylon: laser a fibra da 50 watt, lente a campo piano da 254mm, 100 caratteri alfanumerici alti 2mm, che compongono una stringa di testo ripetuta lunga 14,68 pollici con un tempo di marcatura di 0,232 secondi. La velocità calcolata è di circa 315 piedi lineari al minuto.

Domande frequenti

Quali polimeri possono essere marcati con additivi laser approvati dalla FDA?

Polimeri colorati trasparenti, semitrasparenti e opachi, tra cui nylon, PET, policarbonati, poliolefine, PVC, stirenici e TPU/TPE per i dispositivi indossabili. La limpidezza del polimero, la trasmissione spettrale e le proprietà fisiche di base non vengono alterate.

I miei pezzi finiti contengono meno additivo di quanto calcolato. Perché?

Quasi sempre per una distribuzione non uniforme durante l'estrusione o lo stampaggio e non per un errore di dosaggio. L'aumento della contropressione e della velocità di rotazione della vite risolve la maggior parte dei casi. Il materiale precompound offre una maggiore uniformità rispetto al concentrato di colore e la miscelazione manuale va evitata del tutto.

Quali sono i tre meccanismi di reazione della marcatura laser?

La carbonizzazione, in cui l'energia assorbita degrada termicamente il polimero e produce marcature scure. La schiumatura, in cui un additivo rilascia vapore durante la degradazione e crea marcature chiare durevoli su substrati scuri. E il cambiamento di colore, in cui l'energia laser degrada un colorante in una miscela, ad esempio rimuovendo il nerofumo e lasciando un colorante inorganico stabile.

Quanto può essere veloce in pratica la marcatura in linea?

Le velocità di marcatura di tappi sintetici in poliolefina per il vino e di promozioni sotto il tappo su chiusure per bevande senza guarnizione raggiungono 2.000 pezzi al minuto. Un esempio pratico con nylon (laser a fibra da 50 W, lente a campo piano da 254 mm, 100 caratteri alti 2 mm, stringa ripetuta di 14,68 pollici, tempo di marcatura 0,232 s) corrisponde a circa 315 piedi lineari al minuto.

Perché le marcature chiare schiumate a volte si graffiano?

Per uno scarso controllo del laser. Il meccanismo di schiumatura richiede un controllo accurato dei parametri, in modo che il polimero si degradi a una temperatura più alta dell'additivo schiumogeno. Altrimenti la marcatura è friabile o a basso contrasto e ha una scarsa durabilità.

Meccanismi di reazione della marcatura laser dei polimeri

I progressi ottenuti nella formulazione di additivi laser per l'uso con laser nel vicino infrarosso (lunghezza d'onda 1060-1080nm) ne garantiscono la compatibilità con i laser a fibra all'itterbio, a vanadato e con i laser Nd:YAG che li hanno preceduti. La maggior parte dei polimeri non possiede proprietà di assorbimento nel vicino infrarosso senza additivi chimici. I polimeri marcabili con il laser sono quelli che assorbono la luce laser e la convertono da energia luminosa a energia termica. Gli esperti utilizzano additivi, cariche, pigmenti e tinture per migliorare l'assorbimento dell'energia laser e ottenere cambiamenti di colore localizzati. 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, 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. Il grado di scurezza o di chiarezza della marcatura dipende dall'energia assorbita e dal percorso di degradazione termica specifico del materiale. Ottimizzando l'impostazione del laser si ottengono residui minimi di carbonizzazione superficiale.

Una seconda reazione superficiale è il cambiamento chimico, ottenuto con additivi che rilasciano vapore durante la degradazione, con conseguente schiumatura del polimero. Durante la schiumatura, l'energia laser viene assorbita da un additivo che si trova a stretto contatto con l'agente schiumogeno. Il calore dell'assorbitore fa degradare l'agente schiumogeno, che rilascia vapore. Con un controllo accurato dei parametri operativi del laser, è possibile ottenere marcature chiare di alta qualità e durevoli su substrati scuri. Uno scarso controllo del laser può generare una marcatura friabile o a basso contrasto, che si graffia facilmente (scarsa durabilità).

Il terzo meccanismo consiste nell'usare l'energia laser per riscaldare/degradare un colorante in una miscela di coloranti, provocando un cambiamento di colore. Un esempio è una miscela di nerofumo e di un colorante inorganico stabile. Con il riscaldamento il nerofumo viene rimosso e resta il colorante inorganico. Questi sistemi a coloranti misti dipendono dalla stabilità specifica dei coloranti e non tutti i cambiamenti di colore sono possibili.

Additivi laser

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”. Anche alcuni composti coloranti contenenti basse quantità di biossido di titanio (TiO2) e nerofumo possono assorbire la luce laser e, in alcuni casi, migliorare il contrasto della marcatura. Ogni grado di polimero, anche all'interno della stessa famiglia polimerica, può produrre risultati diversi. Le formulazioni di additivi non devono essere tossiche né influire negativamente sull'aspetto o sulle proprietà fisiche o funzionali dei prodotti.

Rispetto ai processi di stampa a inchiostro (tampografia/serigrafia e stampa a getto d'inchiostro), gli additivi laser consentono di risparmiare sui costi e mostrano 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 di polvere. I prodotti in granulato possono essere miscelati direttamente con la resina polimerica, mentre le forme in polvere vengono trasformate in masterbatch. La maggior parte si disperde facilmente nei polimeri. In base all'additivo e al polimero, la concentrazione di carica in peso (nel pezzo finale) varia dallo 0,01 percento al 4,0 percento.

Sia il granulato sia la polvere possono essere miscelati in materiale colorato precompound 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. 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 tinture per ottenere l'aspetto finale di abbinamento cromatico. Nella forma in cui sono forniti in commercio, additivi specifici (utilizzati anche per la saldatura laser) hanno ottenuto l'approvazione FDA per il contatto con gli alimenti e per l'uso nel confezionamento alimentare secondo le condizioni A-H della norma 21 CFR 178.3297 Colorant for Polymers. Per l'Unione Europea esistono dichiarazioni di conformità analoghe. Le condizioni di certificazione sono specifiche per tipo di polimero, soglia del livello di carica e contatto diretto o indiretto. Un'ulteriore qualificazione degli additivi approvati dalla FDA miscelati in un “pezzo finale” può consentire di ottenere la biocompatibilità dei dispositivi medici (riferimento: norma internazionale ISO-10993).

Considerazioni sulla lavorazione

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.

Tecnologia laser

I progressi della tecnologia laser sono stati determinanti per il rapido sviluppo dell'ultima generazione di additivi laser approvati dalla FDA. L'avvento dei laser a fibra all'itterbio 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 rispetto ai laser Nd:YAG. Una 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 (MOPA) con energia dell'impulso fino a 1 mJ ed elevata densità di potenza possono marcare molti polimeri storicamente difficili. 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 più breve può essere vantaggiosa nelle applicazioni con polimeri sensibili.

IPG Photonics, sviluppatore e produttore leader di laser a fibra ad alte prestazioni, offre sia laser a impulso fisso (talvolta detti “Q-switch”) sia laser a impulso breve variabile (MOPA). Lo sviluppo applicativo è altamente specifico. La scelta del tipo di laser da integrare è determinata dalle caratteristiche di uscita del laser che interagiscono con il materiale polimerico ottimizzato. Si vedano i grafici seguenti, che rappresentano le forme temporali degli impulsi dei laser a fibra all'itterbio con durata dell'impulso fissa e variabile (MOPA) – IPG Photonics.

Quando si imposta un laser a fibra a durata dell'impulso fissa per la marcatura, è necessario impostare due parametri.

• Frequenza di ripetizione degli impulsi (spesso chiamata frequenza dell'impulso)
• Potenza di pompaggio in percentuale (il 100 percento corrisponde al massimo ingresso elettrico possibile ai diodi di pompaggio)

Quando si imposta un laser a fibra MOPA a impulso breve variabile per la marcatura, si impostano tre parametri.

• Durata dell'impulso (spesso chiamata lunghezza dell'impulso)
• Frequenza di ripetizione degli impulsi (frequenza dell'impulso)
• Potenza di pompaggio in percentuale (il 100 percento corrisponde al massimo ingresso elettrico possibile ai diodi di pompaggio)

Per entrambi i grafici della pagina precedente, la particolare combinazione dei parametri di ingresso controlla le proprietà di uscita del fascio laser, ovvero l'energia dell'impulso, la potenza di picco (il valore istantaneo massimo dell'energia dell'impulso, J/durata dell'impulso) e la potenza media (potenza media in watt = energia dell'impulso in joule x frequenza di ripetizione degli impulsi in Hz).

Non tutti i laser a fibra, a vanadato e YAG a fascio orientato sono uguali. I componenti hardware e software integrati nei sistemi di un produttore di laser 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 laser approvati dalla FDA incorporati nei polimeri offre contrasto di marcatura, dettaglio dei bordi delle linee e velocità superiori. La marcatura laser in linea “al volo” sostituisce ora la stampa rotocalco e la tampografia. I progressi della tecnologia dei laser a fibra economici sono stati determinanti. Questi vantaggi compensano rapidamente il costo aggiuntivo dell'additivo. Una chimica ottimizzata della scienza dei materiali per la marcatura laser delle materie plastiche richiede competenze su polimeri, coloranti, pigmenti e tinture (solubilità, dimensioni delle particelle, limiti di concentrazione soglia), abbinamento cromatico e certificazioni normative (GRAS, contatto alimentare diretto/indiretto FDA). Non tutti i laser sono uguali.

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.
• 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, & 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.

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