Laser a fibra: selezione e additivi

Laser a fibra: selezione e additivi

Nota della redazione: in questo articolo tecnico Scott Sabreen affronta due temi legati ai laser a fibra: la scelta del tipo di laser a fibra per la marcatura delle materie plastiche e il miglioramento del contrasto di marcatura tramite l'uso di additivi.

Punti chiave

• I laser a fibra differiscono in modo sostanziale dagli altri laser DPSS: il mezzo attivo è disperso all'interno del cavo in fibra ottica stesso.
• La struttura interamente in fibra spiega affidabilità e robustezza di questi laser, e quindi la loro rapida crescita.
• I laser Q-switched si fermano a circa 80 kHz, un limite intrinseco della tecnologia, con una durata dell'impulso di 100–120 ns.
• Il DM-MOPA raggiunge i 500 kHz con durate dell'impulso nell'ordine dei nanosecondi, il che in genere si traduce in una marcatura più veloce.
• Non esiste una soluzione laser universale. Lo sviluppo applicativo è altamente specifico per il materiale.

Domande frequenti

Che cosa distingue un laser a fibra dagli altri laser a stato solido?

Il mezzo attivo che genera il fascio è disperso all'interno di uno speciale cavo in fibra ottica e, a differenza dei laser con erogazione in fibra, l'intero percorso del fascio resta all'interno di quel cavo fino all'ottica di erogazione. Questa struttura interamente in fibra è in gran parte responsabile di affidabilità e robustezza.

Impulso fisso o MOPA: quale scegliere?

Dipende dal materiale. I laser Q-switched a impulso fisso da 100 a 120 ns sono utilizzati per alcune applicazioni di marcatura, ma la tecnologia stessa li limita a una frequenza di ripetizione di circa 80 kHz. I laser MOPA a modulazione diretta raggiungono fino a 500 kHz con durate dell'impulso nell'ordine dei nanosecondi, il che in genere significa una marcatura più veloce.

Una frequenza di ripetizione più alta significa sempre una marcatura più veloce?

In genere sì, ma solo in combinazione con gli altri parametri del laser e della guida d'onda. La sola frequenza di ripetizione non determina la produttività: contribuiscono anche energia dell'impulso, potenza di picco, velocità del fascio e risposta del materiale.

Esiste un unico laser migliore per le materie plastiche?

No. Lo sviluppo applicativo è altamente specifico e il tipo di laser da integrare dipende da come le caratteristiche di uscita del laser interagiscono con il materiale polimerico ottimizzato. Materiale e laser devono essere scelti insieme.

Come cambiano gli additivi ciò che un laser a fibra può marcare?

Migliorano il grado di contrasto, che può poi essere ulteriormente intensificato tramite i parametri di impostazione del laser. I polimeri hanno tendenze intrinseche verso un contrasto scuro o chiaro e anche i gradi della stessa famiglia producono risultati diversi, quindi l'additivo viene abbinato allo specifico grado.

Scelta di un laser a fibra per la marcatura delle materie plastiche: qual è il migliore?

I laser a fibra all'itterbio a nanosecondi sono tra i 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 pompati a diodi (DPSS). 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. Questa struttura interamente in fibra è in gran parte responsabile dell'affidabilità e della robustezza di questi laser, che ne spiegano la rapida crescita.

Quale tipo di laser a fibra, a impulso fisso o MOPA, è il migliore per la marcatura delle materie plastiche?

IPG Photonics, sviluppatore e produttore leader di laser a fibra ad alte prestazioni, offre sia i laser a impulso fisso della serie YLP (talvolta detti “Q-switch”) sia i laser a impulso breve variabile YLPN (MOPA). I laser a fibra Q-switched, tipicamente con una durata dell'impulso da 100 a 120 ns, vengono impiegati per alcune applicazioni di marcatura, ma la loro frequenza di ripetizione è limitata a circa 80 kHz a causa del limite intrinseco della tecnologia Q-switch. I laser a fibra MOPA a modulazione diretta (DM-MOPA) possono operare a frequenze di ripetizione fino a 500 kHz con durate dell'impulso nell'ordine dei nanosecondi. Frequenze di ripetizione elevate si traducono in genere in una maggiore velocità di marcatura (in combinazione con gli altri parametri del laser e della guida d'onda).

Lo sviluppo applicativo è altamente specifico e non esiste una soluzione laser universale. I laser MOPA a impulso di breve durata sono in grado di sfruttare pienamente le prestazioni degli additivi chimici sensibili incorporati nei polimeri. Il controllo spaziale e temporale localizzato dell'apporto di calore del laser e della sua velocità consente di ottenere le massime prestazioni.

La scelta del tipo di laser da integrare è determinata dalle caratteristiche di uscita del laser che interagiscono con il materiale polimerico ottimizzato. La Figura 2 rappresenta le forme temporali degli impulsi di laser a fibra all'itterbio con durata dell'impulso fissa e variabile (MOPA).

Per entrambi i grafici, 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, joule/durata dell'impulso) e la potenza media (potenza media in watt = energia dell'impulso in joule × frequenza di ripetizione degli impulsi in hertz).

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) e
• 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) e
• potenza di pompaggio in percentuale, come spiegato sopra.

Additivi laser per la marcatura delle materie plastiche con laser a fibra

Gli additivi laser per il vicino infrarosso 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 possono mostrare velocità di marcatura superiori del 20 percento e oltre rispetto ai materiali non ottimizzati. 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 tra 0,01 e 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. 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. Una distribuzione/dispersione omogenea degli additivi laser in tutto il 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 tinture per ottenere l'aspetto finale di abbinamento cromatico.

Additivi specifici disponibili in commercio (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 – Colorants 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.

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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