El marcado con láser: futuro brillante en los plásticos

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La decoración de productos termoplásticos con rayos láser ha tomado más tiempo en ganar adeptos de lo que se esperaba una década atrás. Sin embargo, la tecnología láser ha venido ganando convertidores y desplazando otras tecnologías de marcación con tintas, tales como la impresión con mantilla y el chorro de tinta, en ciertos mercados. Las llamadas "aplicaciones no estéticas", se estima que contabilizan cerca del 90% de la marcación con rayos láser. Tales marcaciones, típicamente hechas con láser de dióxido de carbono gaseoso, incluyen la numeración de las partes, fecha de manufactura y de vencimiento. Frecuentemente las marcaciones se hacen con letras y números oscuros sobre fondos transparentes o de color claro o de marcaciones blancas sobre fondos oscuros. Hoy en día, el marcado con rayos láser sobre pigmentos y sistemas de aditivos pueden proporcionar colores de contraste y grados de sombreado.

El láser estético corresponde al 10% del mercado y tienen mucho potencial de crecimiento, especialmente para reemplazar las tecnologías de con base en tintas. Estas marcaciones son en general blancas sobre resinas de ingeniería oscuras. El láser aplicado es generado por sistemas de estado sólido tipo Nd:YAG, que son fáciles de programar y permiten hacer marcaciones nítidas con figuras de formas ilimitadas.

Entre los ejemplos de aplicaciones comerciales exitosas están los teclados de las máquinas electrónicas de oficinas fabricadas con ABS; contenedores y tapas rígidas de HDPE, PP, PET y PVC; conectores eléctricos para diversas industrias, hechos con nylon o con PBT; y componentes automotrices que van junto al motor como son las cajas de fusibles y las tapas del tanque de la gasolina. Otras aplicaciones son etiquetas de TPE para ganados porcinos y vacunos, partes para electrodomésticos como los obturadores de prender y apagar en HDPE, como ocurre en lavadoras y secadoras, y en uniones y codos para tuberías y cañerías en PVC.

Las nuevas aplicaciones incluyen las cubiertas para los obturadores de luz, empaques para cosméticos, juguetería, y botones en el tablero de instrumentos y manijas de puertas en los interiores de automotores. Este último es un mercado importante que ha tenido un crecimiento significativo en los dos últimos años.

Los avances técnicos en los equipos programados por computadores para generar rayos láser, de los últimos diez años, han sido seguidos por el desarrollo de grados de resinas más aptas para el marcado con los rayos. También se han desarrollado colorantes y paquetes de aditivos para ser usados en una variedad de plásticos, como las poliolefinas y ABS hasta el PVC, poliésteres, PC, nylon, acetales y TPE.

Los plásticos aptos para ser marcados por rayos láser ofrecen hoy en día un contraste alto, y en muchos casos permiten el uso de colores especiales variados y no solamente negro y blanco. Tonalidades parejas de sombreados ya se pueden lograr en el momento. Estos con colores más variados constituyen una de las tendencias del presente y que atraen la atención para realizar decoraciones con láser sobre plásticos, como lo explica el director de mercadeo Patrick Schlather de Rofin-Baasel, Inc., un líder entre los proveedores de equipos para la marcación láser de productos plásticos.

Una de las razones para impulsar la tecnología ha sido la necesidad de contar con medios para hacer seguimiento a los productos, anota Rick Stevenson, director de ventas de Control Microsystems, otro proveedor de equipos láser. La información sobre la identificación de productos y las instrucciones de operación se mantengan a través de la vida útil del producto, y que frecuentemente se requiere en más de un idioma, son otros requerimientos normales en el presente. La información de la historia de producción y las especificaciones son particularmente cruciales para los productos que tienen pólizas de garantía, tales como los cuerpos de los obturadores eléctricos y electrónicos.

La marcación con láser también satisface la creciente necesidad de imprimir mayores cantidades de información sobre piezas plásticas que cada vez son más pequeñas. Por ejemplo, los códigos de barras bidimensionales han sido desarrollados para contener 10 veces la densidad de información que cabe en los códigos de barras actuales. La impresión de los códigos en dos dimensiones requiere una mayor exactitud y una resolución más alta que aquella que es adecuada para los códigos de barras convencionales. De acuerdo con Schlather, la marcación láser puede especificarse para imprimir códigos de tamaños precisos y colocados siempre en el mismo sitio, con tolerancias del orden de 0,001 pulgadas. Este desempeño se logra con dificultad si se emplean impresoras de mantilla o de chorro de tinta.

El tema medioambiental es otro de los motores que han impulsado la aceptación de la tecnología. El marcado con rayos láser no requiere de tintas o solventes, ni tampoco consume energía para secar una impresión, etapas típicas de las tecnologías de marcación con tintas convencionales. En una operación de marcación de tres turnos, Schlather dice que las tintas y los químicos pueden costar de US$ 20.000 a US$ 40.000 al año. Si se emplean planchas de impresión el costo sube a US$ 100.000 por año, o más, dependiendo de la complejidad, duración y frecuencia de cambios de marcación. En contraste, los sistemas de marcación con rayos láser, operando tres turnos al año, consumen menos de US$ 3.000 en energía eléctrica. Otros consumos son las lámparas y filtros, que cuestan menos de US$ 3.500, de acuerdo con Schlather.

Equipos básicos de marcación
Al tiempo que existe un rango amplio de fuentes disponibles de rayos láser para decorar plásticos, las lámparas de dióxido de carbono gaseoso son las más empleadas, seguidas de los sistemas lámparas bombeadas y de estado sólido tipo Nd:YAG, y más recientemente de los diodos bombeados con configuración Nd:YAG.

La mayoría de estos sistemas de marcación láser emplean tecnologías de alta velocidad, con rayos dirigidos con galvanómetros. Los sistemas de dirección barren el haz láser usando dos espejos controlados por computadores, o galvanómetros, que mueven el haz en las direcciones X y Y. Robin Barbero, director de mercadeo de Preco Industries, explica: "cuando el camino del rayo láser ha sido programado, la pieza plástica se coloca en posición de manera controlada y se realiza el ciclo de marcación, el cual se repite en forma seguida. Todo el patrón de marcación se encuentra programado en el computador y no se requiere el uso de herramientas o plantillas".

Programas que permiten la marcación de plásticos sobre la marcha también se ofrecen por parte de varios proveedores. Esta es básicamente la misma técnica pero aplicada a situaciones de producción, donde existe el movimiento continuo de bandas o cintas transportadoras, explica Barbero. "La ventaja de tales sistemas es que pueden ser adaptados fácilmente a las líneas de producción existentes y ofrecen la posibilidad de aumentar la productividad. Un codificador retroalimenta la información al computador, el cual realiza los ajustes necesarios para hacer un seguimiento a los productos claves en tiempo real". Schlather de Rofin-Baasel adiciona el siguiente comentario: "los sistemas actuales emplean programas que crean arreglos gráficos de una manera directa y que pueden ser programados con facilidad para marcar un dato único en cada pieza durante la producción".

En años recientes, la programación, calibración y solución de problemas relacionados con la marcación con rayos láser se ha facilitado mucho y el marcado, en consecuencia ha crecido a velocidades cada vez superiores. Afirma Barbero: "los programas de computador de hoy son más fáciles de manejar y le permiten a los sistemas de marcación trabajar a 400 caracteres por segundo, comparado con 40 tipos impulsados individualmente por segundo, diez años atrás.

La mayoría de las programaciones para láser tienen la posibilidad de imprimir información secuencial, usando tipos múltiples de códigos de barra y textos de cualquier tipo, incluyendo los logos de la compañía. Empleando las funciones de ayuda de Windows como base, los proveedores de sistemas de marcación han integrado técnicas de servicio y calibración, junto con la solución de problemas de la programación. Otro avance ha sido el desarrollo de sistemas que pueden marcar dos piezas simultáneamente empleando la misma fuente de rayos láser. Con la adición de otra cabeza de deflexión y un divisor programado del haz, una fuente láser simple puede marcar dos piezas simultáneamente con la misma información. Schlather anota que este tipo de sistema puede ser también empleado para marcar áreas más grandes sin mover la pieza o la bandeja de piezas.

Por otro lado, han ocurrido eventos empresariales que incluyen la asociación de dos proveedores líderes de equipos de marcado con láser, Rofin-Baasel, Inc., (antes A-B Lasers), que ofrece sistemas con base en dióxido de carbono como de estado sólido tipo Nd:YAG, y GSI Lumonics (el producto de una asociación anterior entre General Scanner Inc., y Lumonics). Sin embargo, hasta abril pasado, GSI había salido del mercado de marcadores industriales con láser.

Otros participantes del mercado son Control Microsystems, que ofrece sistemas con base en dióxido de carbono como de estado sólido tipo Nd:YAG; FOBA Laser Systems, que tiene un amplio rango de equipos de estado sólido tipo Nd:YAG; y Preco Industries, que ofrece sistemas , llave en mano con base en dióxido de carbono como de estado sólido tipo Nd:YAG.

El costo es un factor clave detrás de la popularidad permanente de los sistemas de marcación láser con dióxido de carbono. Un sistema completo, llave en mano, de dióxido de carbono se vende en el rango de US$ 25.000 a US$ 35.000, mientras que uno de lámpara bombeada o diodo bombeado tipo Nd:YAG, típicamente está en el rango de US$ 60.000 a US$ 75.000.

El rayo láser graba la superficie del plástico, removiendo el material por evaporación. El resultado es una marca que contrasta pero que no presenta cambio de coloración fuerte o apreciable. Los plásticos que se pueden marcar bien con rayos láser de dióxido de carbono incluyen al PVC, ABS y la mayoría del poliéster. Las resinas de consumo masivo como el PP relleno con mica, producen un acabado de escarcha blanca pálida cuando se trata con rayos de dióxido de carbono. Aunque la potencia de salida de los rayos de dióxido puede llegar a ser de hasta 200 vatios, el rango más común empleado para marcar plásticos es de 10 a 15 vatios y en algunos casos llega a 50 vatios.

Cuando la velocidad de procesamiento es la clave, como ocurre en la codificación en líneas de embotellamiento o donde un gran número de caracteres es necesario, se recomienda el uso de rayos de dióxido de carbono. Steve Bone, presidente de FOBA North America láser Systems, afirma que los rayos láser de dióxido de carbono pueden hacer marcaciones con terminados de matriz de puntos a una velocidad que es el doble de la que se alcanza con los sistemas Nd:YAG, aunque la diferencia es solamente una fracción de segundo.

Stevenson de Control Microsystems, cuyo enfoque principal de mercado ha sido el sector automotor y las partes eléctricas y electrónicas, afirma que cuando se evalúa un nuevo trabajo para realizarlo sobre plásticos, su firma intenta realizarlo primero con el láser de dióxido de carbono. "Si no logramos el contraste necesario o si la fundición es excesiva, entonces procedemos a ensayar los sistemas de láser YAG".

El láser de estado sólido Nd:YAG calientan el plástico para causar una reacción termoquímica, tal como la espumación y también produce un mayor cambio de color. Este tipo de láser provee una mayor resolución debido a que longitud de onda es más corta. Entre más corta sea la longitud de onda, menor es el calor inducido en el sustrato plástico (llamado también "marcación fría"). Bone de FOBA, dice que el láser Nd:YAG de 100 vatios es usado comúnmente para la marcación de plásticos debido a su productividad alta, pero también hay equipos disponibles con una salida de potencia de 30 a 50 vatios. El láser YAG se usa generalmente para lograr marcaciones de mayor calidad en partes tales como los conectores eléctricos, componentes automotrices, llaveros y equipo de cirugía.

Schlather de Rofin-Baasel aconseja a los procesadores considerar la compra del láser de estado sólido para evaluar la productividad requerida y las consideraciones estéticas de la aplicación de marcación. Por ejemplo, si se desea marcaciones de alto contraste con la menor perturbación de la superficie en forma de bajorrelieves, es preferible probar primero con un sistema de mayor frecuencia (producido por las llamadas frecuencias triples o cuádruples). Sin embargo, el resultado también depende de si la menor salida de potencia de este tipo de láser es capaz de abarcar la productividad esperada.

También existen los nuevos sistemas láser YAG de diodo bombeado, en el rango de potencia de 3 a 100 vatios, en los cuales se reemplaza las lámparas bombeadas con una serie de diodos, como la fuente de luz láser. La versión con diodos es un 50% más compacta y es de un 20% a 30% más eficiente en el consumo de energía. Los sistemas de lámparas requieren contar con enfriamiento con agua, mientras que los diodos se pueden enfriar con aire circulante o agua. Y mientras las lámparas deben reemplazarse cada 1000 horas, los diodos tienen una vida útil de 10.000 horas. La desventaja de los diodos está en el hecho de que todavía corresponden a una tecnología nueva y son más costosos. Por ejemplo, un sistema láser de diodos de 50 vatios cuesta un 10% más que un sistema de lámparas de 100 vatios. Pero Bone de FOBA prevé que los precios de los sistemas de diodos caerán en los próximos meses y que eventualmente van a llegar a reemplazar totalmente las lámparas bombeadas.

Schlather de Rofin-Baasel también prefiere los sistemas láser YAG: "si un programa de mantenimiento preventivo cada 600 a 800 horas es aceptable para la empresa, el sistema de lámparas puede proveer el máximo de productividad al menor costo de inversión. Pero si usted puede lograr la productividad deseada con una unidad de diodos de 3 a 60 vatios, el costo de la inversión y uso en un periodo de cinco años será inferior al de una unidad de lámparas". Aclara que este concepto se basa parcialmente en que el precio de las unidades de diodos bajará en el futuro cercano, debido al incremento de la fabricación de las mismas, como se mencionó antes.

Formulación para los sistemas láser
Bone de la empresa FOBA explica que casi cualquier plástico puede ser marcado por cualquier tipo de láser, si se emplea la selección correcta de aditivos. El formulador o proveedor de concentrados debe conocer el tipo de resina, la aplicación final del producto y cómo será el diseño gráfico de la marcación. Por ejemplo, ciertos plásticos, tales como el HDPE y el policarbonato, se pueden marcar muy bien en algunos colores empleando sistemas láser YAG, sin la ayuda de aditivos especiales. Por otro lado, le láser de dióxido de carbono puede no trabajar muy bien en la marcación de estos mismos plásticos si no se emplean aditivos especiales.

Entre las limitaciones actuales de la tecnología están la restricción para poder obtener ajustes de colores y los mayores costos de los plásticos optimizados para ser tratados con láser, los cuales cuestan de un 10 a un 15% más que los materiales regulares.

Bill Blasius, director de tecnología en la división de concentrados de Clariant Corporation, concede que el marcado con láser también ha estado limitado por la disponibilidad de colores y brillo de los mismos. Dice, "hoy sabemos más que hace diez años atrás sobre el uso de pigmentos y aditivos. Buscamos hacer el mejor uso de las reacciones químicas que ocurren entre cada resina particular y ciertos aditivos y pigmentos cuando se exponen a los rayos láser".

Gracias a los desarrollos en la tecnología de compuestos, ya se pueden obtener marcaciones de color blanco sobre copolímeros de acetales de color negro o azul, o marcaciones blanquecinas sobre ABS oscuro. Empleando formulaciones específicas de colores y parámetros escogidos de manejo del láser, uno puede lograr ajustes de colores. Schlather explica que "de esta manera, las marcas grabadas con láser se pueden ajustar a colores Pantone, Munsell o a otros estándares de la industria. El pigmento de la resina determina la tonalidad y matiz, al tiempo que los parámetros del láser determinan la intensidad o brillo".

Muchas formulaciones de colores y aditivos para hacer marcaciones con láser se han basado en pigmentos superficiales tratados con mica, tales como el popular Afflair y las líneas Laser Flair de EM Industries. Pero otros aditivos, tales como los silicatos, talcos o las sales orgánicas del cobre y antimonio, también se usan en estas formulaciones propietarias.

Entre los pioneros de los plásticos que se pueden marcar con láser están BASF, Bayer, Ticona y RTP Co. Los proveedores líderes de concentrado de colores bajo pedido y aditivos para el marcado con láser, tradicionalmente han sido Clariant y PolyOne. Ticona se enfocó primero en aplicaciones automotrices, lanzando dos referencias de acetales de color negro: Celcon LM90 y LM90Z. El primero está recomendado para ser usado en piezas que van junto al motor y los componentes del tanque y línea de la gasolina y el segundo es una versión estabilizada para ser expuesta a la luz ultravioleta en partes de interiores como los parlantes y las palancas de las puertas. El director de ventas para mercados automotores Tom Miller, afirma que el paquete de aditivos propietarios responden mejor a los rayos láser Nd:YAG.

Sobre el desarrollo más reciente de Ticona, Celcon UV 140LG, se afirma que es el primer acetal de bajo brillo susceptible de marcación láser. También es resistente a la luz ultravioleta. Se emplea en los botones de los radios, las luces de emergencia y los controles de operación manual de vehículos de los años 2001 y 2002.

Ticona también ofrece grados de PBT Celanex para marcación nítida con láser, rellenos con fibra de vidrio o en combinación con rellenos minerales, que pueden usarse en marcaciones no cosméticas en componentes automotrices eléctricos y electrónicos. Las mezclas y aleaciones con base en PBT Vandar susceptibles de marcación láser están destinadas a la fabricación de los componentes internos de las bolsas de seguridad con aire. La nueva referencia de nylon 66 de Celanese está siendo evaluada para empleo con marcación láser en componentes que van en el interior de automotores.

De acuerdo con Miller de la empresa Ticona, la mayoría de las aplicaciones en automotores involucran el uso de sustratos de color negro con marcaciones en color blanco o blancuzco. "cada tono negro no solamente debe ser igual a las especificaciones de los productores de piezas originales, si no que también el color blanco debe cumplir una serie de exigencias. Los grados de color blanco obtenidos dependen normalmente del paquete de aditivo empleado".

La marcación con láser, o más exactamente, la marcación con tintas se ha venido realizando desde mediados de los 80 en componentes reflectores de día y de noche, como las placas de automotores, obturadores y perillas de radios para automotores, controladores ambientales y carcasas de espejuelos. Tales componentes se hacen normalmente de policarbonato transparente o ABS, pintados primero con blanco y luego ser repintados con negro. El láser se usa parar grabar a través del color negro, de tal manera que el color blanco queda expuesto cuando la pieza es expuesta a la luz. Miller de la empresa Ticona afirma que "los plásticos susceptibles de marcación láser, en conjunción con diseños creativos de las piezas y tecnologías de fabricación tales como el moldeo de dos componentes, ofrecen el potencial de eliminar las operaciones secundarias".

RTP ofrece ahora varios compuestos reforzados que pueden ser marcados con láser, entre los que se cuentan el PP, nylon (6, 66,12, 11 y 612), ABS, LLDPE, acetales, polisulfonas, PBT, PS sindiotactico, TPU, TPO, PPS, acrílicos, PC / ABS y LCP. El director del negocio de productos coloreados, Stuart Swain afirma que "hay tremendas oportunidades para que diversos colores puedan ser marcados en blanco, verde o amarillo, sobre un fondo negro".

Investigaciones en el laboratorio de marcación con láser de BASF, de Alemania, han demostrado que la adición de fibras de vidrio reduce en muy poco grado la facilidad de marcar los plásticos con rayos láser, pero algunos rellenos, como los retardantes de llama y aún los remolidos pueden reducir apreciablemente la posibilidad de hacer marcaciones con láser. La oferta de BASF para marcación con láser incluyen a varias referencias de color oscuro de ABS Terluran, acetales Ultraform, ASA Luran S, nylon Ultramid, SAN Luran y PBT Ultradur. Un trabajo similar ha venido siendo desarrollado por Bayer en Alemania, que ofrece referencias de materiales de policarbonato, ABS y PBT, susceptibles de marcación láser

La mayoría de los concentrados para marcación láser de Clariant son fabricados con formulaciones de los clientes. "tenemos nuestros gránulos de base para marcación con láser, ya sea que contienen mica o formulaciones propietarias de aditivos que hemos construido para crear los concentrados solicitados por los clientes". Los efectos de color que se pueden lograr con los productos de Clariant involucran en el momento matices del blanco, gris y negro que son visibles sobre sustratos de cualquier color. En sustratos muy oscuros, Clariant puede proveer marcaciones en azul, rojo o verde. Blasius espera lograr un rango más amplio de colores en los próximos años.

David Bates, director de mercadeo del aditivo para marcación láser FastMark de PolyOne Corp., dice que los nuevos concentrados de aditivos de su firma permiten un mayor contraste de marcas negras puras sobre sustratos blancos, y de marcas blancas puras sobre sustratos negros. PolyOne también ofrece concentrados que pueden proporcionar cualquier color, usualmente sobre partes de color negro. La firma puede combinar sus efectos especiales con un aditivo de marcación láser para lograr mayores posibilidades de reflexión sobre polietilenos naturales coloreados. Estas nuevas opciones parecen estar ganando considerable interés en los empaques de alto desempeño cosmético de SAN, de poliolefinas para empacar champú y en tapas y botellas de acondicionadores, así como en juguetería.

PolyOne ha formulado aditivos FastMark para grados nítidos de poliolefinas, policarbonato, PC / ABS y SAN rellenos con minerales o fibras de vidrio.

Varias otras firmas suministran formulaciones para marcación con láser, pero manteniendo un perfil bajo. Entre ellas está Ferro Corp., A. Schulman y LNP Engineering Plastics. Schulman hace compuestos para marcación láser y PolyBatch concentrados para ABS y poliolefinas usadas en el interior de automotores. LNP ofrece versiones para marcación láser de sus compuestos de nylon con retardante a la llama para hacer piezas eléctricas, así como formulaciones Stat-Kon de polifenilsulfona para bandejas médicas, y en ABS, PC y acetales para instrumentos científicos.

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