Come si marca la plastica con il laser? Marcatura laser delle materie plastiche con additivi per laser

Come si marca la plastica con il laser? Marcatura laser delle materie plastiche con additivi per laser

Punti chiave

• Le poliammidi sono tra i polimeri più difficili da marcare, per la diversità di proprietà dei materiali, condizioni di stampaggio e configurazioni laser.
• Tre meccanismi superficiali producono il contrasto: nero per carbonizzazione, bianco per formazione di schiuma e variazione di colore nei polimeri pigmentati.
• I contrasti più richiesti sono bianco opaco su nero, nero lucido su bianco e bianco opaco su blu medio.
• Da 20 ns a 50 ns è l'intervallo ideale di larghezza d'impulso MOPA per molti polimeri, nylon compresi.
• La verifica di grado A è spesso richiesta per prodotti militari, aerospaziali, automotive e farmaceutici.

SABREEN offre le seguenti soluzioni di marcatura laser delle materie plastiche:

• Formulazioni personalizzate di colormatch per laser, conformità normativa, campioni prototipo
• Ottimizzazione del processo di stampaggio a iniezione, dispersione/distribuzione, prove analitiche
• Progettazione e integrazione di sistemi laser, visione artificiale
• Risoluzione dei problemi in sede, ottimizzazione del processo laser, grafiche vettoriali
• Certificazione della sicurezza laser, responsabile della sicurezza laser (LSO)

Lasci che il nostro team di esperti si occupi delle Sue esigenze di marcatura laser delle materie plastiche per il Suo prossimo progetto. Ci guadagniamo la fiducia e l'affidamento di ogni cliente, in ogni circostanza. La nostra cultura è orientata al raggiungimento di soluzioni produttive superiori e al progresso tecnologico attraverso un impegno incondizionato per l'eccellenza. Ogni esperto di The Sabreen Group è rinomato nella propria disciplina. IL FALLIMENTO NON È UN'OPZIONE!

Domande frequenti

Come si marca la plastica con il laser?

Un laser nel vicino infrarosso (a fibra all'itterbio, a vanadato o Nd:YAG) fornisce energia che il polimero assorbe e converte in calore, producendo una di tre variazioni superficiali: marcatura nera per carbonizzazione, marcatura bianca per formazione di schiuma o variazione di colore mediante reazione chimica termica dei polimeri pigmentati. La maggior parte dei polimeri richiede un additivo per laser per assorbire l'energia.

Perché il nylon è così difficile da marcare con il laser?

Le poliammidi, comprese le poliftalammidi, presentano proprietà dei materiali, condizioni di stampaggio e configurazioni laser molto diverse e, come la maggior parte dei polimeri, non assorbono per natura la luce laser, il che impedisce la variazione di colore. Gli additivi chimici per laser migliorano in modo significativo contrasto, velocità e durata.

Quale larghezza d'impulso funziona meglio sul nylon?

I laser MOPA generano larghezze d'impulso da 1 ns a 250 ns e oltre. The Sabreen Group ha rilevato che l'intervallo da 20 ns a 50 ns è ideale per un contrasto cromatico ottimale in molte applicazioni polimeriche, nylon compresi. I laser MOPA a impulso breve variabile sono particolarmente efficaci sui polimeri sensibili alla temperatura, dove occorre evitare un'eccessiva carbonizzazione.

Qual è la dosatura tipica dell'additivo?

Tra lo 0,01% e il 3,0% in peso nel pezzo finale. Il granulato si miscela direttamente con la resina, mentre la polvere viene convertita in masterbatch. Una distribuzione e dispersione omogenee in ogni pezzo determinano la costanza del contrasto.

Perché la qualità della marcatura è importante per i codici data matrix?

Perché più lunga è la stringa di dati, più le celle di dati risultano ravvicinate. La qualità del bordo della linea ad alta risoluzione è ciò che rende leggibili le celle piccole nella marcatura diretta dei componenti. La verifica di grado A è spesso richiesta nelle applicazioni militari, aerospaziali, automotive e farmaceutiche, e i codici ad alto contrasto si marcano anche più velocemente e possono essere letti con lettori portatili a basso costo.

Marcatura laser delle materie plastiche: soluzioni complete per la marcatura laser ad alto contrasto

La domanda di marcatura laser ad alto contrasto su prodotti in plastica di nylon (poliammide) è in rapida crescita grazie all'ampia gamma di applicazioni industriali. Le marcature funzionali e decorative comprendono identificazione alfanumerica, codici di visione data matrix/QR, schemi e microstrutture.

Le poliammidi, comprese le poliftalammidi (PPA), sono tra i polimeri più difficili da marcare con il laser per la diversità di proprietà dei materiali, condizioni di stampaggio e configurazioni laser. Gli additivi intelligenti per laser nel vicino infrarosso risolvono i problemi di contrasto della marcatura e aumentano la velocità di marcatura (tempi di ciclo più rapidi) senza alterare le proprietà del materiale.

Questo articolo fornisce una comprensione di nylon, additivi chimici e laser a fibra per ottenere colori ad alto contrasto e operazioni di marcatura laser economiche.

Un parametro fondamentale per descrivere la qualità della marcatura è il contrasto cromatico tra la superficie marcata e il substrato. Con i laser NIR, tra cui fibra all'itterbio, vanadato (Nd:YVO4) e Nd:YAG, esistono tre meccanismi superficiali di variazione del colore: 1) marcatura nera per carbonizzazione, 2) marcatura bianca per formazione di schiuma e 3) variazioni di colore mediante reazioni chimiche termiche indotte dal laser nei polimeri pigmentati1. Tra i colori di contrasto più richiesti vi sono bianco opaco su nero, nero lucido su bianco e bianco opaco su blu medio. Queste combinazioni cromatiche richiedono spesso additivi chimici. Gli additivi migliorano il grado di contrasto cromatico (assorbimento della luce laser), ulteriormente intensificato da una scelta ottimale del laser e dei parametri di marcatura.

Che cos'è il nylon (poliammide)?

Le poliammidi, o nylon, sono la principale classe di termoplastici tecnici e ad alte prestazioni contenente legami ammidici ripetuti, ossia –CO-NH–. Si formano per condensazione di unità identiche, o di unità diverse nel caso dei copolimeri.

Il nylon si ottiene per policondensazione di un diacido con una diammina oppure per polimerizzazione ad apertura d'anello di lattami con sei, 11 o 12 atomi di carbonio2. I monomeri del nylon possono essere alifatici, semi-aromatici o aromatici (aramidi) e possono avere strutture amorfe o semicristalline, con cristallinità maggiore o minore.

Le poliammidi alifatiche sono prodotte su scala molto maggiore rispetto alle poliammidi completamente aromatiche e sono una delle più importanti classi di termoplastici tecnici.

Due poliammidi importanti sono la poli(esametilene adipammide) (nylon 6,6) e il policaprolattame (nylon 6). Altre poliammidi alifatiche comprendono i nylon 12, 69, 6-10, 6-12, 46 e 1212. Il nylon 11 è una plastica tecnica di origine biologica derivata da risorse rinnovabili (piante di ricino).

Le poliammidi semi-aromatiche e semicristalline ottenute dalla condensazione di ammidi alifatiche comprendono PA 6T e PA 6I. Le poliammidi semi-aromatiche sono spesso un'alternativa conveniente alle più costose aramidi completamente aromatiche. Le poliammidi aromatiche, dette aramidi, hanno maggiore resistenza, migliore resistenza a solventi, fiamma e calore e maggiore stabilità dimensionale rispetto alle ammidi alifatiche. Un'ammide aromatica comunemente nota è il Kevlar, poli(p-fenilene tereftalammide).

Le poliammidi, comprese le poliftalammidi (PPA), sono tra i polimeri più difficili da marcare con il laser per la diversità di proprietà dei materiali, condizioni di stampaggio e configurazioni laser.

La poliftalammide (PPA) è un sottogruppo di resine sintetiche termoplastiche della famiglia delle poliammidi (nylon), definita come tale quando il 55% o più delle moli della porzione di acido carbossilico dell'unità ripetitiva nella catena polimerica è di natura aromatica. La PPA è semi-aromatica e semicristallina. Le PPA colmano il divario prestazionale tra i nylon alifatici, come PA6,6 e PA6, e le poliaramidi, molto più costose.

Additivi «intelligenti»

Un parametro per descrivere la qualità della marcatura è il contrasto cromatico tra la superficie marcata e lo sfondo. Il contrasto non si ottiene sempre con la sola variazione di colore, poiché può derivare anche dalla diffrazione variabile della luce.

Altrettanto importanti sono la qualità e/o la fedeltà della marcatura, cioè la risoluzione o nitidezza delle linee sottili. Molti polimeri, nylon compresi, non assorbono per natura la luce laser, il che impedisce la variazione di colore. Gli additivi chimici per laser migliorano in modo significativo contrasto, velocità e durata della marcatura (vedere Immagine 1). Il colore del substrato è un fattore, poiché composti come nerofumo, TiO2 e ritardanti di fiamma presentano vari gradi di assorbimento della luce laser.

Gli additivi per laser sono forniti in granuli (pellet) e in polvere. I prodotti in granuli si miscelano direttamente con la resina polimerica, mentre le forme in polvere vengono convertite in masterbatch. La concentrazione di carico in peso (nel pezzo finale) è in genere compresa tra 0,01 e 3,0%. Una distribuzione/dispersione omogenea degli additivi per laser in ogni pezzo è fondamentale per ottenere un contrasto cromatico ottimale.

Le regolazioni cromatiche si effettuano con pigmenti e coloranti per ottenere l'aspetto finale del colormatch. Additivi specifici hanno ottenuto l'approvazione FDA per l'uso a contatto con alimenti e per imballaggi alimentari alle condizioni A-H della norma 21 CFR 178.3297 Colorants for Polymers 1.

Laser a fibra all'itterbio

I laser a fibra all'itterbio NIR sono entrati nel mercato della marcatura industriale intorno al 2010, sostituendo i tradizionali laser YAG. I laser a fibra possiedono una qualità del fascio (M2) superiore e un'elevata luminosità e possono focalizzarsi su uno spot di piccole dimensioni (inferiore a 20 micron), con conseguente elevata densità di energia. I laser a fibra sono estremamente versatili, economici e plug-and-play, con manutenzione quasi nulla.

Laser a fibra nanosecondi a impulso fisso (Q-switched) e a impulso variabile (MOPA) sono commercializzati da diverse aziende del settore, tra cui IPG Photonics e SPI Lasers. I laser a fibra Q-switched, tipicamente con larghezza d'impulso da 100 a 150 ns, sono impiegati in alcune applicazioni di marcatura dei polimeri, ma la loro frequenza di ripetizione è limitata a circa 80 kHz per il vincolo intrinseco della tecnologia Q-switching.

I laser a fibra MOPA a modulazione diretta (DM-MOPA) operano a frequenze di ripetizione fino a 500 kHz con larghezze d'impulso nell'ordine dei nanosecondi. La larghezza d'impulso [ns] è una misura del tempo tra l'inizio e la fine dell'impulso, tipicamente basata sulla larghezza a metà altezza (FWHM) della forma dell'impulso.

Frequenze di ripetizione elevate si traducono in genere in una maggiore velocità di marcatura (insieme ad altri parametri del laser e della forma d'onda). Esistono differenze significative nelle forme d'onda e nel grado di carbonizzazione superficiale3 (vedere Immagine 1).

Il controllo spaziale e temporale localizzato dell'apporto di calore del laser e della sua velocità consente le massime prestazioni. Per i polimeri sensibili alla temperatura, i laser a fibra a impulso breve variabile (MOPA) sono particolarmente efficaci nell'ottenere un contrasto elevato senza eccessiva carbonizzazione.

La marcatura subsuperficiale è realizzabile su plastiche trasparenti per applicazioni mediche. In generale, i laser MOPA generano larghezze d'impulso (durata dell'impulso) da 1 ns a 250 ns (e oltre). The Sabreen Group ha rilevato che l'intervallo da 20 ns a 50 ns è ideale per un contrasto cromatico ottimale in molte applicazioni polimeriche, nylon compresi.

Nel contrasto di marcatura estetico e funzionale, gli additivi per laser fanno una differenza decisiva quando la marcatura diretta dei componenti (DPM) di codici data matrix e a barre richiede alta risoluzione, qualità del bordo della linea e celle di dati piccole. Più lunga è la stringa di dati, più le celle di dati risultano ravvicinate.

La verifica di grado «A» è spesso richiesta per prodotti militari, aerospaziali, automotive e farmaceutici. La leggibilità dei codici ad alto contrasto offre ulteriori vantaggi: velocità di marcatura maggiori e lettori portatili a basso costo utilizzabili in tutto lo stabilimento.

Conclusioni

Riferimenti bibliografici

• Sabreen, S. Fiber Lasers: Selection and Additives, Plastics Decorating, November 2017.
• Polyamide (PA) Nylon Complete Guide, SpecialChem 2019.
• Brodsky, M. Wave Forms: A New Laser Tool, Optics & Photonics, March 2012.

Scott R. Sabreen è il 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 innovative e risolve problemi di produzione da oltre 30 anni. Può essere contattato al numero 972.820.6777 o visitando www.sabreen.com o www.plasticslasermarking.com.

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