Marcação a laser a frio

Marcação a laser a frio

Principais conclusões

• Duas rotas distintas compartilham o nome: a marcação fotoquímica ultravioleta e a ablação atérmica por pulsos ultracurtos.
• Para plásticos, a rota predominante é o UV em 355 nm, que rompe diretamente as ligações do polímero em vez de aquecer o material.
• Resolução em escala de mícrons, sem carbonização, descoloração ou fuligem.
• Essencial onde o calor seria inaceitável: implantes médicos, placas de circuito impresso, filmes finos e plásticos de precisão.

Marcação a laser a frio

A marcação a laser a frio usa luz ultravioleta de comprimento de onda curto, tipicamente 355 nm, para marcar um polímero rompendo diretamente as ligações químicas, em vez de aquecer o material até que ele se degrade. O processo costuma ser chamado de marcação atérmica ou fotoquímica. Não é literalmente frio, mas a zona afetada pelo calor é pequena o bastante para que peças termicamente sensíveis sejam marcadas sem fusão, carbonização ou distorção.

A base física

A energia do fóton aumenta conforme o comprimento de onda diminui. Um fóton infravermelho de 1064 nm carrega cerca de 1,2 eV, muito pouco para romper uma ligação covalente, de modo que sua energia simplesmente vira calor. Um fóton ultravioleta de 355 nm carrega cerca de 3,5 eV, comparável à energia de dissociação de uma ligação carbono–carbono na cadeia principal de um polímero.

Com essa energia, o fóton absorvido pode romper a cadeia polimérica de imediato. O material é removido ou alterado por cisão fotolítica de ligações, com apenas um componente térmico modesto. Duas consequências decorrem disso, e são a razão de ser da técnica:

• Uma zona afetada pelo calor muito pequena, portanto sem borda fundida, sem halo carbonizado, sem microfissuras e sem distorção dimensional.
• Forte absorção pela maioria dos polímeros. Quase todos os polímeros orgânicos absorvem bem no UV, até mesmo aqueles que são praticamente transparentes em 1064 nm. Isso significa marcas de alto contraste em resinas naturais, transparentes e de cores claras, sem incorporar um aditivo para laser.

Marcação a frio x marcação por infravermelho

Onde ela é especificada

• Dispositivos médicos: marcações UDI que precisam resistir à esterilização por autoclave, radiação gama ou óxido de etileno sem comprometer o substrato e sem um aditivo que complicaria a aprovação de biocompatibilidade.
• Componentes de paredes finas e filmes, nos quais a marcação por infravermelho deformaria ou perfuraria a peça.
• Polímeros transparentes e de cores claras, nos quais a marcação por infravermelho dá pouco ou nenhum contraste; veja marcação a laser de plásticos transparentes.
• Códigos finos e micromarcação, nos quais uma zona afetada pelo calor reduzida preserva a definição das células de que a visão de máquina depende.
• Aplicações sem aditivos, nas quais requisitos regulatórios, de contato com alimentos ou ópticos impedem incorporar um absorvedor.

A fonte normalmente é um laser de vanadato (Nd:YVO4) com frequência triplicada. Em contrapartida às suas vantagens, considere o maior custo de capital, a menor produtividade e a vida útil finita das ópticas de conversão de frequência. Para resinas de engenharia pigmentadas e com carga que já marcam bem termicamente, o laser de fibra continua sendo a resposta mais econômica; a comparação é desenvolvida em marcação a laser UV x marcação a laser de fibra.

Duas rotas para uma marcação a frio

O termo abrange duas tecnologias diferentes, e confundi-las leva a especificar uma máquina cara para um trabalho que a mais barata faz bem. Ambas evitam uma marcação térmica, mas por físicas diferentes:

Para a grande maioria dos trabalhos com polímeros, a rota ultravioleta é a resposta certa. Um sistema de pulsos ultracurtos se justifica por um requisito específico: um detalhe submicrométrico, um filme multicamada em que uma camada deve ser marcada sem perturbar a seguinte, ou um componente óptico em que qualquer dano subsuperficial é desqualificante.

Qualificação de uma marcação a frio em um dispositivo médico

A marcação a frio é especificada para dispositivos médicos mais do que para qualquer outro setor, porque entrega um identificador único de dispositivo permanente sem um aditivo que reabriria uma questão de biocompatibilidade. Isso coloca a marcação dentro do registro mestre do dispositivo, de modo que a qualificação precisa ser documentada e não apenas bem-sucedida:

• Marque no material do dispositivo acabado, em sua cor final e com a fração de moído que a produção realmente usará. Uma qualificação em uma placa natural prova muito pouco sobre uma peça moldada pigmentada.
• Classifique o código, não apenas o inspecione. Os identificadores únicos de dispositivo são lidos por máquina, portanto o critério de aceitação deve ser expresso nos termos da ISO/IEC 15415 para um símbolo bidimensional. Fixe a classificação mínima, a abertura e a iluminação no método de inspeção, e não apenas na instrução ao operador.
• Reclassifique após a esterilização. A autoclave a vapor, a radiação gama e o óxido de etileno afetam as superfícies poliméricas de maneiras diferentes. Classifique o símbolo após o número total de ciclos validados, e não após uma única passagem.
• Confirme a ausência de dano subsuperficial. Seccione e examine amostras em busca de microfissuras ou turvação sob a marcação, sobretudo em policarbonato e acrílico, nos quais o dano pode não ser visível pela superfície.
• Delimite o gatilho de requalificação. Troca de lote de resina, troca de corante, deriva da potência da fonte e substituição de ópticas devem ser nomeadas como eventos que exigem nova classificação da marcação.

Solução de problemas em marcações a frio

Termos e leituras relacionados

• Marcação a laser UV x marcação a laser de fibra
• Laser de vanadato
• Fabricação farmacêutica e médica
• Soluções de marcação a laser de plásticos
• Envelhecimento acelerado

Aplicando isso na produção

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Perguntas frequentes

O que torna a marcação a laser a frio “fria”?

O fato de a marcação ser feita sem calor significativo. Dois mecanismos diferentes conseguem isso. A marcação ultravioleta em 355 nm carrega energia de fóton suficiente para romper diretamente as ligações do polímero, de modo que a mudança é fotoquímica e não térmica. A marcação por pulsos ultracurtos, com fontes de picossegundos ou femtossegundos, entrega energia mais rápido do que o calor consegue se difundir para fora da zona de interação. Nenhuma é literalmente fria, mas em ambas a zona afetada pelo calor é pequena o bastante para que peças termicamente sensíveis fiquem intactas fora do detalhe pretendido.

A marcação a laser a frio é melhor que a marcação a laser tradicional?

Depende da aplicação. A marcação a laser a frio é superior em peças delicadas, sensíveis ao calor ou em microescala, nas quais o dano térmico seria inaceitável. Para marcação geral de produção em substratos robustos, a marcação térmica convencional é mais rápida e muito mais econômica.

Quais lasers são usados na marcação a frio?

Para plásticos, na esmagadora maioria dos casos, uma fonte de vanadato com frequência triplicada em 355 nm: é a rota econômica e marca a maioria dos polímeros sem aditivo. Fontes de picossegundos e femtossegundos também produzem marcações a frio, superando a difusão de calor em vez de recorrer à fotoquímica, e são especificadas quando até a pequena zona afetada pelo calor do ultravioleta é demais, ou quando o substrato não absorve de forma útil no ultravioleta. Custam substancialmente mais.

A marcação a laser a frio pode ser usada em plásticos?

Sim, e é particularmente adequada a plásticos propensos a fundir ou descolorir sob calor. Produz marcações nítidas e de alto contraste em materiais como poli-imida, policarbonato e ABS, que são sensíveis à entrada térmica.

A marcação a laser a frio é permanente?

Sim. As marcações criadas são permanentes e resistentes à abrasão, e não são afetadas por umidade, produtos químicos ou exposição ao UV, porque a alteração é feita no próprio material e não aplicada sobre a superfície.

A marcação a frio é o mesmo que a marcação por pulsos ultracurtos?

Não exatamente: a marcação por pulsos ultracurtos é uma das duas rotas que produzem uma marcação a frio. Para plásticos, a rota mais comum é a marcação ultravioleta em 355 nm, que evita o calor rompendo as ligações por via fotoquímica em vez de superar a difusão de calor. Sistemas de picossegundos e femtossegundos alcançam um resultado semelhante a um custo substancialmente maior e são especificados quando a aplicação realmente os exige.

A marcação a frio dispensa o aditivo para laser?

Com frequência, mas nem sempre. A maioria dos polímeros absorve muito mais fortemente no ultravioleta do que em 1064 nm, e é por isso que resinas transparentes e de cores claras, que não marcam sob laser de fibra, marcam com facilidade sob ultravioleta. O contraste em poliolefinas naturais ainda é modesto, de modo que, quando se exige um código de alto contraste, um aditivo pode continuar necessário. Teste o grade de produção real em vez de presumir.

Como se qualifica uma marcação a frio para o UDI de um dispositivo médico?

Classifique o símbolo conforme a ISO/IEC 15415 em vez de inspecioná-lo visualmente, marque no material do dispositivo acabado em sua cor de produção e reclassifique após o número total de ciclos de esterilização validados. Nomeie a troca de lote de resina, a troca de corante, a deriva da potência da fonte e a substituição de ópticas como gatilhos de requalificação, já que os quatro alteram o contraste da marcação sem que nenhum alarme seja acionado.

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