Marcação a laser colorida em plásticos: como contraste e cor são obtidos com aditivos

Marcação a laser colorida em plásticos: como contraste e cor são obtidos com aditivos

Principais conclusões

• Marcas escuras vêm da carbonização e marcas claras da formação de espuma: os dois mecanismos fundamentais nos polímeros.
• A química do aditivo decide quais cores são possíveis, muito mais do que o laser.
• A duração do pulso direciona o mecanismo, e por isso as fontes MOPA dão a mais ampla faixa de cor e contraste.
• A cor deve ser medida, e não julgada a olho: CIELAB e ΔE dão a única especificação defensável.

A maioria das pessoas associa a marcação a laser a uma simples marca escura ou clara na superfície de um plástico. Mas a química avançada dos aditivos ampliou o que é possível: hoje, os fabricantes conseguem marcas pretas de alto contraste sobre substratos brancos, marcas brancas brilhantes em peças escuras e, em alguns sistemas, resposta de cor controlada. Entender como esses efeitos são produzidos, e o que governa sua qualidade, é essencial para engenheiros que especificam processos de marcação a laser em aplicações em que a aparência é crítica.

Os dois tipos fundamentais de marca: escura e clara

A grande maioria das marcas a laser em plásticos se enquadra em uma de duas categorias: marcas escuras (carbonização) ocorrem quando a energia do laser faz a matriz polimérica, ou um aditivo presente nela, sofrer decomposição térmica, produzindo resíduos ricos em carbono que parecem pretos ou marrom muito escuro. Esse mecanismo é a base da marcação da maioria dos plásticos de pigmentação escura ou com aditivos usando lasers de fibra.

Marcas claras (formação de espuma) ocorrem quando a energia do laser aquece rapidamente um volume localizado de plástico, vaporizando parte do polímero e criando uma rede de minúsculas bolhas de gás no fundido. A superfície espumada resultante espalha a luz de forma difusa e parece branca ou cinza-clara, mesmo sobre um substrato escuro. Esse é o mecanismo por trás das marcas brancas de alto contraste vistas em componentes de ABS, PC e PA de cor escura em interiores automotivos e eletrônicos.

Como os aditivos sensíveis ao laser criam contraste

Em polímeros naturais ou levemente pigmentados, que absorvem pouca energia no infravermelho próximo (laser de fibra em 1064 nm), obter marcas confiáveis exige aditivos sensíveis ao laser: compostos projetados especificamente para absorver a energia do laser e iniciar uma reação de formação de cor.

A química de aditivos mais usada se baseia em óxido de antimônio e estanho (ATO), compostos à base de bismuto e pigmentos proprietários de óxidos metálicos. Quando irradiados por um laser de fibra, esses aditivos absorvem a energia com eficiência e desencadeiam a carbonização localizada na matriz polimérica ao redor, produzindo marcas escuras de alto contraste, mesmo sobre substratos brancos ou transparentes.

Para marcas claras sobre fundos escuros, sistemas de aditivos diferentes atuam removendo por ablação o colorante escuro da camada superficial ou produzindo uma estrutura de espuma que espalha a luz. A Society of Plastics Engineers publicou pesquisas sobre critérios de seleção de aditivos nas famílias de polímeros comuns.

Marcação a laser em cores reais

Além do preto e do branco, alguns sistemas de aditivos e configurações de laser podem produzir marcas coloridas em plásticos. Dois mecanismos são relevantes: os efeitos de cor por interferência em metais estão bem estabelecidos: a oxidação controlada de superfícies de aço inoxidável e titânio produz finas camadas de óxido que criam cor estrutural por interferência da luz, resultando em tons de dourado, azul, roxo e vermelho em diferentes combinações de potência e velocidade. Em plásticos, esse mecanismo não se aplica diretamente.

Em plásticos, a marcação colorida normalmente se baseia em técnicas de múltiplas camadas ou múltiplas passadas, em que camadas diferentes carregadas de aditivos são seletivamente removidas ou ativadas para revelar a cor por baixo. Isso é mais desenvolvido nos segmentos de documentos de segurança e de marcas premium. Pesquisas publicadas no Journal of Applied Polymer Science exploraram sistemas de aditivos fotocrômicos e termocrômicos para plásticos que mudam de cor com a exposição ao laser.

Principais aditivos e suas funções

• Óxido de antimônio e estanho (ATO): produz marcas escuras em substratos claros. Muito usado em PA, PP, PC e ABS. Excelente contraste e liberação da FDA para contato com alimentos em alguns grades.
• Oxicloreto de bismuto: produz marcas claras em substratos escuros. Comum em peças de interiores automotivos que exigem números de série ou logotipos brancos em carcaças pretas.
• Negro de fumo absorvedor de laser: usado em baixas concentrações para aumentar a absorção no infravermelho próximo sem escurecer significativamente a cor do material-base.
• Pigmentos perolados à base de mica: podem produzir efeitos de marca metálicos ou iridescentes em alguns sistemas poliméricos quando combinados com parâmetros de laser apropriados.

Variáveis de processo que controlam a cor e o contraste da marca

Mesmo com o aditivo certo, a qualidade da marca depende de forma crítica dos parâmetros do laser:

• Densidade de potência (fluência): muito baixa e o aditivo não é totalmente ativado; muito alta e o material ao redor descolore ou carboniza.
• Velocidade de varredura: velocidades menores aumentam a energia depositada por unidade de área, o que é útil para marcas mais escuras, mas pode causar espalhamento térmico.
• Frequência de pulso: afeta a sobreposição de pulsos e a textura da marca. Frequências mais altas produzem marcas mais lisas e uniformes.
• Número de passadas: várias passadas em menor potência podem construir profundidade e densidade da marca sem superaquecer o substrato.

Em aplicações em que a aparência é crítica, como produtos de consumo, artigos de luxo e interiores automotivos, o desenvolvimento da marca deve incluir uma matriz completa de parâmetros de potência, velocidade e frequência, com medição colorimétrica (usando o espaço de cor CIE L*a*b*) para quantificar o contraste e a variação de cor. A equipe de engenharia de aplicações da Sabreen oferece orientação na seleção de aditivos e no desenvolvimento de parâmetros para projetos de marcação a laser em que a cor é crítica.

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Perguntas frequentes

Como são feitas marcas de cor clara em plástico escuro?

Por formação de espuma. Pulsos curtos geram gás no fundido, que fica retido como microbolhas, e essas bolhas espalham a luz e produzem uma marca branca ou cinza-clara. É a forma padrão de fazer uma marca legível em uma peça preta.

Os lasers podem produzir marcas em cores reais em plásticos?

Em sistemas específicos, sim. Certos aditivos sensíveis ao laser sofrem mudanças químicas que resultam em cores definidas, e alguns pigmentos podem ser clareados seletivamente. A paleta alcançável é determinada pelo pacote de aditivos, e não pelo laser.

Quais aditivos são usados?

Óxido de estanho dopado com antimônio, compostos à base de bismuto, pigmentos à base de mica e negro de fumo são todos comuns, cada um favorecendo um comportamento de contraste diferente. A seleção depende da resina-base, da cor desejada e de eventuais restrições regulatórias.

Quais variáveis de processo controlam a cor da marca?

A duração do pulso acima de tudo, depois a taxa de repetição, a velocidade de marcação, a potência e o foco. A duração do pulso decide se a energia se acumula como calor, o que leva à carbonização, ou é depositada rapidamente, o que favorece a formação de espuma.

Como a cor da marca deve ser especificada?

Em coordenadas CIELAB com tolerância de ΔE, verificada com um espectrofotômetro em relação a padrões físicos retidos. Para códigos legíveis por máquina, especifique o contraste e uma classificação de verificação, e não a cor.

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