Aditivos a laser de dupla finalidade impulsionam a marcação e a soldagem de polímeros

Aditivos a laser de dupla finalidade impulsionam a marcação e a soldagem de polímeros

Aditivos a laser de dupla finalidade, incorporados aos polímeros durante o processamento primário, permitem a marcação e a soldagem por transmissão de polímeros transparentes e opacos. Aditivos químicos inovadores, inclusive os em conformidade com a FDA e com requisitos médicos, produzem juntas soldadas com vedação hermética de alta resistência e contraste de marcação opaco e indelével. Os processos de marcação a laser e soldagem a laser são sem contato, fáceis de controlar e ecológicos. Concebidos para lasers e equipamentos acessíveis e de alta velocidade, a marcação e a soldagem de polímeros atendem aos desafios das aplicações complexas de hoje.

Principais conclusões

• Um composto, dois processos. Os aditivos de dupla finalidade permitem a marcação e a soldagem por transmissão no mesmo material.
• A TTLW ocorre em três etapas (aquecimento, fusão inicial e soldagem), com tempos de soldagem típicos de um a oito segundos.
• As duas peças precisam de propriedades óticas opostas: a peça superior deve transmitir o comprimento de onda e a inferior deve absorvê-lo em uma camada fina.
• A absorção intermediária é o pior caso: aquece toda a espessura e torna a peça uma candidata ruim para qualquer lado da junta.
• A soldagem a laser produz vedações herméticas sem rebarba, sem partículas soltas, com zona afetada pelo calor mínima e sem danificar a superfície da peça.

Perguntas frequentes

O que significa “transmissão” na soldagem a laser?

O laser atravessa a peça superior, transparente ao laser, e é absorvido na superfície da peça inferior, absorvente ao laser. As peças são pré-montadas e fixadas de modo que as superfícies de união fiquem em contato íntimo, e a solda se forma nessa interface.

Quais são as etapas de uma soldagem a laser por transmissão?

Três. Na etapa de aquecimento, o laser aquece o polímero absorvente na interface, que se expande e eleva a pressão de soldagem. Na etapa de fusão inicial (melding), a expansão adicional aumenta a pressão e ocorre uma pequena quantidade de soldagem. Na etapa de soldagem, material fundido suficiente colapsa para formar uma solda de fato, normalmente da ordem de 0,13 mm.

Materiais com carga de fibra de vidro podem ser soldados a laser?

Materiais com carga já foram soldados com até 50% de fibra de vidro, mas não para vedações herméticas. Cargas, aditivos e pigmentos alteram a resposta do polímero ao feixe de laser; por isso, a adequação do material é mais sensível na soldagem a laser do que em qualquer outro processo de união.

Por que escolher a soldagem a laser em vez da soldagem ultrassônica ou por placa quente?

Ela é sem contato, com fixação leve sob uma placa de vidro lisa, de modo que nada danifica a peça e nenhuma vibração é transmitida. A solda fica sob a superfície e é quase invisível, a área afetada pelo calor é muito pequena e preserva componentes frágeis pré-posicionados, não há rebarba para aparar e é possível obter vedações herméticas estanques a gases.

Plásticos diferentes podem ser soldados a laser entre si?

Sim, desde que atendam aos critérios óticos e térmicos necessários. Cada polímero transmite de modo diferente os três principais comprimentos de onda de soldagem; por isso, os dois materiais precisam ser avaliados em conjunto, e não individualmente.

Aplicações em produtos

Polímeros coloridos transparentes, semitransparentes e opacos, incluindo náilons, politereftalato de etileno (PET), policarbonatos, poliolefinas, policloreto de vinila (PVC), estirênicos, elastômeros termoplásticos (TPEs) e poliuretanos termoplásticos (TPUs), são formulados de maneira exclusiva com aditivos sem metais pesados, aprovados pela FDA e pela Autoridade Europeia para a Segurança dos Alimentos (EFSA), para obter marcação de alto contraste, inclusive em produtos soldados a laser (Figura 1). A transparência do polímero, a transmissão espectral e as propriedades físicas básicas não são afetadas. A marcação digital a laser sem contato substitui etiquetas adesivas caras e processos de impressão com tintas químicas. O resultado é uma solução econômica, ecológica e de acabamento estético superior.

Mecanismos de reação superficial na marcação a laser

Os avanços na formulação de aditivos químicos para lasers de infravermelho próximo (NIR) (comprimento de onda de 1.060-1.080 nm) incluem sua compatibilidade com lasers de fibra de itérbio, de vanadato e Nd:YAG. A maioria dos polímeros não tem absorção no NIR sem aditivos químicos. Os polímeros que podem ser marcados por laser são os que absorvem a luz do laser e a convertem de energia luminosa em energia térmica. Aditivos, cargas, pigmentos e corantes são usados para aumentar a absorção da energia do laser e provocar mudanças localizadas de cor. Químicas de formulação muito diferentes e parâmetros de ótica/configuração do laser são definidos conforme o contraste e a funcionalidade de marcação desejados.

Dois mecanismos comuns de reação superficial são mostrados na Figura 1. Primeiro, pode ocorrer a “carbonização” ou “queima” termoquímica, em que a energia absorvida no substrato eleva a temperatura local do material ao redor do ponto de absorção o suficiente para causar degradação térmica do polímero. O quanto a marca é escura ou clara depende da energia absorvida e da via de degradação térmica própria do material. Com a otimização da configuração do laser, o resíduo de carbonização superficial é mínimo.

Uma segunda reação superficial, a “espumação”, é uma mudança química provocada por aditivos que liberam vapor durante a degradação, resultando na formação de espuma no polímero. Durante a espumação, a energia do laser é absorvida por um aditivo próximo ao agente espumante. O calor do absorvedor degrada o agente espumante, liberando vapor. Com controle rigoroso dos parâmetros de operação do laser, é possível gerar marcas “brancas” claras, duráveis e de alta qualidade em substratos escuros.

Uma terceira reação, a energia do laser (não mostrada), é usada para aquecer/degradar um dos corantes de uma mistura, resultando em mudança de cor. Um exemplo é uma mistura de negro de fumo e um corante inorgânico estável. Quando aquecido, o negro de fumo é removido, deixando o corante inorgânico. Esses sistemas de corantes mistos dependem da estabilidade específica de cada corante, e nem todas as mudanças de cor são possíveis. As formulações com negro de fumo são essenciais na soldagem a laser.

Químicas de aditivos a laser para marcação e soldagem

Os aditivos para laser de infravermelho próximo melhoram o grau de contraste, que pode ser intensificado ainda mais alterando os parâmetros de configuração do laser. Os polímeros têm características inerentes que geram contraste de marcação “escuro” ou “claro”. Alguns compostos corantes com pequenas quantidades de dióxido de titânio (TiO2) e negro de fumo também absorvem a luz do laser e podem melhorar o contraste da marcação. Cada grau de polímero, mesmo dentro da mesma família polimérica, pode produzir resultados diferentes. As formulações de aditivos não podem ser tóxicas nem afetar negativamente a aparência, as propriedades físicas ou a funcionalidade dos produtos.

Em comparação com os processos de impressão com tinta (tampografia, serigrafia e jato de tinta), os aditivos a laser reduzem custos e podem apresentar velocidades de marcação 20 por cento maiores ou mais em relação a materiais não otimizados. Os aditivos a laser são fornecidos em grânulos (pellets) e em pó. Os produtos granulados podem ser misturados diretamente à resina do polímero, enquanto as formas em pó são convertidas em masterbatch. A maioria se dispersa facilmente nos polímeros. Conforme o aditivo e o polímero, a concentração em peso (na peça final) varia entre 0,01 e 4,0 por cento.

Tanto a forma granulada quanto a em pó podem ser misturadas a material colorido pré-composto ou a concentrado de cor. A escolha do aditivo depende da composição do polímero, da cor do substrato, da cor de contraste de marcação desejada e dos requisitos de certificação de uso final. Em operações de extrusão, moldagem por injeção e termoformagem, materiais pré-compostos com cor oferecem melhor uniformidade do que o concentrado de cor. A mistura manual deve ser evitada. O fluxo no molde e o tipo/posição do ponto de injeção são fatores importantes. A distribuição/dispersão homogênea dos aditivos a laser em toda a peça é essencial para obter o melhor desempenho de marcação.

Alguns aditivos contêm misturas de óxido de estanho dopado com antimônio e trióxido de antimônio, que podem conferir um tom “acinzentado” à opacidade natural (sem cor) do substrato. Outros aditivos podem conter partículas de alumínio, óxidos metálicos mistos e compostos proprietários. Ajustes de cor são feitos com pigmentos e corantes para chegar à aparência final da cor desejada. Conforme fornecidos comercialmente, aditivos específicos (também usados na soldagem a laser) receberam aprovação da FDA para contato com alimentos e uso em embalagens de alimentos nas condições A a H da 21 CFR 178.3297 (Colorants for Polymers). Na União Europeia, há declarações de conformidade semelhantes. As condições de certificação são específicas para o tipo de polímero, o limite de concentração e o contato direto ou indireto. Uma qualificação adicional de aditivos aprovados pela FDA misturados em uma “peça final” pode alcançar a biocompatibilidade de dispositivos médicos.

Durante a química de incorporação do aditivo a laser e de acerto de cor, não é raro que um produto acabado contenha menos aditivo a laser do que a quantidade calculada. Esse problema quase sempre está ligado à distribuição não uniforme durante a extrusão ou a moldagem. Ajustes simples na máquina de moldagem, como aumentar a contrapressão e a velocidade de rotação da rosca, resolvem a maioria dos casos. A distribuição/dispersão homogênea dos aditivos a laser em toda a peça é essencial para obter o melhor desempenho de marcação. Em operações de extrusão, moldagem por injeção e termoformagem, materiais pré-compostos com cor oferecem melhor uniformidade do que o concentrado de cor. A mistura manual deve ser evitada. O fluxo no molde e o tipo/posição do ponto de injeção são fatores importantes.

Princípios da soldagem a laser por transmissão

O termo “transmissão” vem do fato de o laser atravessar a peça superior, transparente ao laser, até a superfície da peça inferior, absorvente ao laser, como mostra a Figura 2. A soldagem a laser por transmissão (TTLW) de plásticos envolve três etapas. Na TTLW, as peças são pré-montadas e fixadas juntas para garantir contato íntimo entre as superfícies de união. Neste artigo, são utilizados lasers de diodo de alta potência (λ = 800-1.000 nm) e lasers de estado sólido (laser de fibra de itérbio e Nd:YAG, λ = 1.060-1.080 nm).

Na etapa de aquecimento, a energia do laser aquece o polímero absorvente na interface, fazendo a peça se expandir, o que aumenta a pressão de soldagem. No foco do feixe, a potência do laser é máxima e a peça começa a fundir nesse ponto, criando uma zona fundida. É o início da segunda etapa, a de fusão inicial (melding). Ocorre nova expansão das peças, com o correspondente aumento de pressão. Nesse ponto, já houve uma pequena quantidade de soldagem.

A etapa de soldagem é a final. Gera-se material fundido suficiente para criar uma solda de fato. Há um colapso do material fundido, semelhante ao da soldagem por placa quente ou por fusão. Na maioria das aplicações, isso é da ordem de 0,13 mm (0,005″). Os tempos de soldagem típicos são da ordem de um a oito segundos na maioria das aplicações, embora peças maiores possam levar mais tempo. Há quatro processos principais de soldagem a laser TTLW: por contorno, por máscara, simultânea e quase simultânea.

As duas peças a soldar devem ter propriedades de absorção ótica diferentes em um dado comprimento de onda de soldagem. A peça superior, transparente ao laser, deve transmitir o máximo possível do comprimento de onda, enquanto a inferior, absorvente ao laser, deve absorver o máximo possível em uma camada fina. Isso resulta na combinação mais eficiente em energia, pois uma grande quantidade de energia é absorvida na interface, e ela poderia degradar a peça superior antes que a inferior amolecesse o suficiente para soldar. A refletividade excessiva também aumenta a quantidade de energia necessária para a soldagem.

A adequação do material é mais sensível na soldagem a laser do que em qualquer outro processo de união. Teoricamente, a soldagem a laser pode soldar todos os termoplásticos transparentes ao feixe de laser. Porém, a capacidade de cada polímero de transmitir a luz dos lasers dos três principais comprimentos de onda usados na soldagem a laser é diferente. Além disso, a resposta de um dado polímero aos feixes de laser será alterada pela presença de cargas, aditivos e pigmentos.

Materiais com altas taxas de absorção são ideais para a peça inferior na soldagem TTLW, pois absorvem a maior parte da energia na interface de soldagem e criam uma camada superficial fina e aquecida, ideal para a soldagem a laser. Materiais com taxas de absorção intermediárias podem ser um problema, pois absorvem a energia do laser ao longo da espessura do material, o que aquece toda a espessura. Esses materiais deixam passar muito pouca energia; portanto, são candidatos ruins para o material superior na soldagem a laser TTLW. Além disso, absorvem pouca energia em sua borda superior e, por consequência, são uma escolha ruim para o material inferior. Materiais com carga já foram soldados com até 50 por cento de fibra de vidro, mas não para vedações herméticas.

As principais vantagens da TTLW incluem:

• Soldagem sem contato. A soldagem a laser usa uma placa de vidro lisa para segurar as peças a soldar com uma força de fixação leve, de 100 lb (cerca de 45 kg) ou menos, e não há contato com o instrumento de soldagem. Consequentemente, nada danifica a superfície das peças soldadas e não é necessária pressão de soldagem que possa danificar peças delicadas.
• Soldagem sob a superfície. A solda ocorre na interface entre as duas peças. Ela é quase invisível em peças transparentes e totalmente invisível em peças opacas. A solda pode ficar logo abaixo da superfície ou no interior das peças.
• Soldagem precisa. O tamanho e a posição da solda a laser podem ser muito precisos, e nenhuma vibração é transmitida à peça a soldar. Nas versões do processo que exigem movimento relativo entre o laser e as peças soldadas, é o laser que se move. Por isso, a soldagem a laser é o mais preciso dos processos de soldagem.
• Área afetada pelo calor mínima. O ponto de solda é muito pequeno e a área afetada pelo calor é bastante contida. Como consequência, é possível soldar muito perto de outros componentes sem afetá-los, permitindo a soldagem de subconjuntos com peças sensíveis e frágeis já posicionadas. Além disso, a distorção e a degradação causadas pelo calor são extremamente limitadas e a tensão residual é reduzida.
• Capacidade de soldar plásticos diferentes. Plásticos diferentes que atendam aos critérios necessários podem ser soldados entre si.
• Sem rebarba. Na soldagem a laser, a solda é totalmente confinada e não se forma rebarba a ser aparada. Não há partículas soltas.
• Vedações herméticas. A soldagem a laser é capaz de criar uma solda com vedação hermética, estanque a gases.
• Eficiência energética. Em relação a outros processos de soldagem, a soldagem a laser é muito eficiente em energia. Isso também significa que não se gera calor excessivo a ser removido do ambiente de trabalho.

Conclusão

Os aditivos a laser de dupla finalidade incorporados aos polímeros proporcionam contraste de marcação, detalhe das bordas das linhas e velocidade superiores. Esses aditivos otimizam a soldagem a laser de termoplásticos iguais e diferentes. Os avanços em tecnologia de laser de fibra acessível foram fundamentais. Esses benefícios compensam rapidamente o custo adicional do aditivo. A química de ciência dos materiais otimizada para marcação e soldagem a laser exige conhecimento de polímeros, corantes, pigmentos e tinturas quanto a solubilidade, tamanho de partículas, limites de concentração, acerto de cor e certificações regulatórias (GRAS, contato direto/indireto com alimentos da FDA). A marcação a laser e a TTLW de polímeros atendem aos desafios das aplicações atuais.

Referências

• Scott R. Sabreen, “FDA-Approved Additives Boost Inline Laser Marking”, Plastics Decorating Magazine, abril/maio de 2015
• Jordan Rotheiser, consultor especialista da The Sabreen Group Inc. Trechos sobre soldagem de Joining of Plastics, Handbook for Designers and Engineers, terceira edição, Jordan Rotheiser, Carl Hanser Verlag, Munique, 2009

Scott R. Sabreen é fundador e presidente da The Sabreen Group, Inc., empresa de engenharia especializada em processos secundários de fabricação de plásticos: marcação a laser, pré-tratamentos de superfície, colagem, decoração e acabamento e segurança de produtos. Sabreen desenvolve tecnologias pioneiras e resolve problemas de fabricação há mais de 30 anos. Ele pode ser contatado pelo telefone 972.820.6777 ou pelos sites www.sabreen.com ou www.plasticslasermarking.com.

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