Un numero di serie su un involucro, un codice DataMatrix su uno strumento chirurgico, un logo su una targhetta: tutti questi elementi possono essere applicati con inchiostro, un adesivo, un ago o la luce. La marcatura laser è la scelta vincente quando il marchio deve resistere al lavaggio, ai solventi, all'autoclave o a vent'anni di utilizzo su una macchina, e quando il pezzo non deve essere toccato. Tuttavia, non si tratta di un singolo metodo, bensì di una famiglia di diversi processi completamente differenti.
Questo testo li organizza in due tabelle. La prima mostra cosa accade fisicamente al materiale durante la marcatura laser, dalla ricottura dell'acciaio alla colorazione del titanio, e in quali processi il materiale si perde e in quali no. La seconda confronta il laser con il microdot, la taglierina, il getto d'inchiostro e l'etichetta utilizzando le stesse colonne: materiali di consumo, durata, tempo, costo, contatto con il pezzo e idoneità alla codifica.
Infine, ecco un elenco di situazioni in cui il laser non è lo strumento più adatto. I dati si basano sulle pubblicazioni dei produttori di laser e sulle linee guida GS1.
Marcatura laser vs. incisione: qual è la differenza?
Nel linguaggio comune, "incisione" e "marcatura" sono spesso sinonimi. In ambito tecnologico, la differenza è netta. L'incisione consiste nella rimozione di materiale: un fascio di raggi vaporizza metallo o plastica, lasciando un solco. La marcatura, invece, è la modifica dell'aspetto di una superficie, senza solchi o con solchi minimi, tramite ossidazione, scolorimento, formazione di schiuma o rimozione di un sottile rivestimento.
Questa differenza determina se il segno altera le dimensioni e la rugosità del pezzo, se resisterà alla verniciatura e per quanto tempo. Pertanto, in questo articolo parliamo di marcatura, mentre l'incisione profonda del metallo viene trattata separatamente nel testo dedicato a nero, profondità e durata dell'incisione su metallo (fonte in polacco) .
Oggi, la marcatura industriale dei metalli avviene quasi sempre tramite laser a fibra (il fascio viene formato in una fibra di vetro drogata), con una lunghezza d'onda di 1064 nm. Per la marcatura di materie plastiche, vetro e materiali organici si utilizzano anche laser a CO2 (10,6 µm) e laser UV (355 nm). Secondo i produttori di macchine per la marcatura, il laser UV rompe i legami chimici anziché fondere il materiale, da cui il termine "marcatura a freddo"; i laser a fibra e a CO2, invece, funzionano principalmente tramite il calore.
Marcatura laser di metalli e materie plastiche: sei metodi in una tabella
I sei processi descritti di seguito si differenziano per l'effetto che hanno sulla superficie. La scelta dipende dal materiale, dal contrasto desiderato e da cosa accadrà al pezzo in seguito.
| Metodo | Che cosa succede al materiale? | Materiali | Effetto | Perdita di materiale | Sorgente laser |
|---|---|---|---|---|---|
| Ricottura | La superficie viene riscaldata fino al punto di fusione, si forma uno strato di ossido | Acciaio inossidabile, acciaio, titanio (solo questi, secondo il produttore del laser) | Segno nero, marrone scuro o grigio | Nessuno; secondo lui l'ossido è solitamente inferiore a 300 nm | Fibra, scansione più lenta (JPT), messa a fuoco spostata (produttore laser) |
| Ablazione a guscio | Rimozione di un sottile strato superficiale, esponendo il substrato | Alluminio anodizzato, metalli verniciati, placcati, cromati | Contrasto tra rivestimento e substrato | Solo il rivestimento | Fibra; inoltre CO2 sull'anodo |
| Carbonizzazione | Pirolisi locale, prodotti di carbonio scuro nel materiale | Plastiche leggere (PC, ABS, PA), legno, cuoio, carta | Cartello scuro su sfondo chiaro | Nessuno o trascurabile | Fibra, CO2 (sotto i raggi UV il segno scuro è causato da un cambiamento di colore fotochimico) |
| Schiuma | Fusione parziale e gassificazione, le bolle disperdono la luce | Materiali oscuri | Un cartello luminoso e leggermente convesso | Nessuno; elevazione 20–40 µm secondo il produttore della macchina | Fibra (MOPA riduce la formazione di schiuma) |
| Rimozione di uno strato | Evaporazione dello strato superiore di laminato, lamina o vernice a due strati | Incisione su laminati, fogli, carta multistrato, materiali bicolore | Colore dello strato di supporto | Strato superiore | CO2, fibra |
| Colore (MOPA) | Spessore dell'ossido controllato, colore derivante dall'interferenza del film sottile | acciaio inossidabile, titanio | Oro, marrone, viola, blu e altri | Mancanza | MOPA a fibra con tempo di impulso regolabile |
Il nero e il colore sono costituiti dallo stesso strato di ossido di spessore variabile: secondo JPT, il colore cambia ogni decine di nanometri e, secondo i produttori di macchine per marcatura, per ottenere colori riproducibili è necessaria una sorgente MOPA con durata dell'impulso regolabile. I parametri di ricottura e la sorgente MOPA sono descritti nel testo sull'incisione dei metalli, il cui link è riportato sopra.
Sui materiali plastici funzionano tre metodi intermedi. L'effetto ottenuto dipende dal polimero, dal colorante e dalla lunghezza d'onda, piuttosto che dalla potenza: il polietilene e il polipropilene, secondo il produttore del sistema di marcatura, reagiscono scarsamente a 1064 nm e richiedono additivi o raggi UV. La scelta della lunghezza d'onda più adatta a un materiale specifico è trattata nell'articolo sulla marcatura laser delle materie plastiche .
Resistenza alla marcatura: abrasione, agenti chimici, temperatura e cosa fare dopo la marcatura
La durabilità della marcatura laser non è un valore numerico univoco: dipende dal metodo indicato nella tabella precedente e dalle sollecitazioni a cui sarà sottoposto il componente. Nessuna delle fonti citate fornisce un ciclo di abrasione specifico, pertanto non lo forniremo nemmeno noi.
Abrasioni. Il segno di ricottura è incorporato nello strato di ossido, quindi scomparirà con esso durante la levigatura; secondo il produttore della macchina laser, l'incisione incassata è "estremamente resistente ai fattori esterni". Se il pezzo viene levigato o sabbiato dopo la marcatura, il segno non resisterà senza danni: è necessaria una marcatura successiva o un'incisione profonda.
Chimica e temperatura. Secondo il produttore della marcatura, le marcature UV sui materiali medicali sono resistenti a solventi, autoclavi e abrasione, mentre la tampografia può sbiadire o staccarsi dopo la sterilizzazione. JPT elenca la sterilizzazione a vapore a 134 °C come test di esposizione per una marcatura ricotta su acciaio. La passivazione è un'eccezione: secondo un white paper di un produttore di laser, l'acido nitrico "purtroppo rimuove anche le marcature laser", e un altro produttore ha avuto un'esperienza simile; la sequenza delle operazioni per i codici è descritta nel testo sulla marcatura dei metalli, collegato di seguito.
Verniciatura, zincatura, rivestimenti. Un segno piatto non è più visibile sotto la vernice; un codice sotto un sottile strato di conversione può essere leggibile, ma ciò deve essere verificato con un verificatore, non a occhio. Una regola generale: determinare in anticipo la sequenza delle operazioni e marcare dopo il trattamento superficiale finale, e se ciò non è possibile, scegliere il metodo che presenta un difetto.
UV e condizioni esterne. Un marchio incorporato in una struttura di ossido o plastica non sbiadisce come la vernice perché è privo di pigmenti che si degradano. Secondo il produttore del marchio, le etichette si staccano, sbiadiscono e si sbavano se esposte al calore e agli agenti chimici; GS1 aggiunge che non sono adatte per prodotti sterilizzati a caldo.
Sei tecniche di marcatura a confronto: laser, microdot, plotter da taglio, inkjet, etichetta
Il laser è tipicamente associato solo alla fresatura. Tuttavia, sul posto di lavoro, compete anche con la microincisione, la stampa a getto d'inchiostro (CIJ) e la stampa di etichette o tampografia. Le valutazioni di qualità si basano sul white paper del produttore del laser (2020), sui materiali del produttore di marcatori e sulle linee guida GS1; il confronto è presentato in due tabelle con le stesse righe.
| Tecnica | Materiali di consumo | Durata | È tempo di arte |
|---|---|---|---|
| Laser a fibra (1064 nm) | Nessuno; elettricità, vetri di protezione periodica e filtri di scarico | Durevole | Molto breve: l'intera DataMatrix viene elaborata in meno di 1 secondo. |
| Laser a CO2 (10,6 µm) | Tubo a vita limitata, ottiche, preparazione dei metalli (CerMark e simili) | Resistente su materiali organici e rivestimenti; su metallo nudo solo tramite la preparazione | Scarsità di plastica, legno e vetro; maggiore disponibilità di metallo con preparazione |
| Punta micrometrica (a micropunti) | Stilo (ago) | Molto resistente; sopporta i processi di post-placcatura | Lungo – 3-8 secondi per carattere |
| Incisore meccanico (taglierina) | Frese, con refrigerante opzionale | Resistente, profondo | Lungo, cresce in profondità |
| Inkjet / CIJ | Inchiostro, solvente, filtri, smaltimento | Deperibile; "può deteriorarsi con il tempo" | Molto corto, marcatura in movimento |
| Stampa di etichette/tamponi | Etichette, nastri, tamponi, vernici, solventi, pellicole | Limitato; le etichette si staccano e sbiadiscono, il tampone sbiadisce dopo la sterilizzazione | Breve nell'applicazione, ma include stampa e incollaggio |
| Tecnica | Costo unitario | Contatto con dettagli | Documentazione (codici 2D) |
|---|---|---|---|
| Laser a fibra (1064 nm) | Basso valore al netto degli ammortamenti; alto costo di acquisto (acquisto $$$$, gestione $) | Senza contatto, il dettaglio non necessita di essere fissato rigidamente | DPM di tipo A secondo GS1 (moduli combinati), verifica secondo ISO/IEC TR 29158 |
| Laser a CO2 (10,6 µm) | Basso contenuto di sostanze organiche; la preparazione aumenta il costo del metallo | Senza contatto | Codici su etichette, laminati, plastica, vetro; non su metallo nudo. |
| Punta micrometrica (a micropunti) | Acquisto basso, costi operativi $$$ | Contatto e forza; la parte deve essere fissa; rumore | DPM tipo B (moduli non collegati); GS1 lo consente, ma con un modulo minimo più grande rispetto al laser |
| Incisore meccanico (taglierina) | Medio; tempo di utilizzo di utensili e macchine | Contatto, forze di taglio, serraggio | I codici 2D sono difficili: la larghezza dello strumento è limitata dal modulo; piuttosto dalle iscrizioni e dalle scale |
| Inkjet / CIJ | Basso costo di acquisto, costi operativi $$$$ (spese ricorrenti, spesso mensili) | Senza contatto | Codici stampati, valutati secondo ISO/IEC 15415; la leggibilità dipende dal substrato e dal tempo |
| Stampa di etichette/tamponi | Basso costo unitario ma costo costante dei materiali e cambio di modello = nuove piastre | Incollare o premere il tampone | L'etichetta attribuisce al GS1 il "simbolo ideale", ma non per la sterilizzazione a caldo. |
Due aspetti meritano di essere ricordati. Il primo è il tempo: meno di un secondo contro diversi secondi per carattere, secondo il produttore del sistema di marcatura, il che implica una diversa organizzazione delle stazioni nella sequenza. Il secondo è la struttura dei costi: secondo il produttore del sistema di marcatura, un laser costa da due a tre volte di più all'acquisto rispetto a un sistema a getto d'inchiostro, ma i minori costi operativi si traducono in un costo totale inferiore; il produttore stima che il periodo di ammortamento per la fibra ottica rispetto al CIJ sia compreso tra diciotto e trentasei mesi. Queste sono stime del produttore del laser: calcolatele in base al vostro volume di produzione.
Quando il laser non è la scelta migliore
La tabella sopra riportata è favorevole al laser, quindi ecco le eccezioni.
- Scritte monouso di grandi dimensioni su imballaggi o pallet sfusi: la stampa a getto d'inchiostro o le etichette sono più economiche da acquistare e sufficientemente resistenti da durare diverse settimane, pari alla durata di conservazione della scatola.
- I materiali insensibili a 1064 nm includono polietilene e polipropilene non trattati, privi di additivi, vetro e plastiche trasparenti (le fibre li attraversano), e metallo nudo in atmosfera di CO2. Questo problema può essere aggirato con l'uso di raggi UV, additivi laser-attivi o preparati specifici, ma ciò aumenta il costo della macchina o del processo.
- Marcature molto profonde e portanti (numeri su pezzi forgiati, marcature su parti saldate e pallinate): una fresa a micropunti o una fresa a disco producono una profondità maggiore in tempi più rapidi rispetto a passaggi laser multipli, e il white paper sottolinea che la pallinatura a micropunti resiste ai processi di post-placcatura.
- Cambio di colore dell'insegna su richiesta del cliente: la stampa a getto d'inchiostro continuo (CIJ) permette di scegliere il colore dell'inchiostro; il laser dà il risultato che si ottiene dal materiale (su PVC solo l'insegna dorata).
- Marcatura occasionale in una piccola officina: se il costo di acquisto e i requisiti di salute e sicurezza di un laser di Classe 4 non sono ripartiti su un numero sufficiente di ore, l'esternalizzazione del servizio risulta più conveniente; il calcolo della soglia è riportato nel testo relativo all'opportunità di esternalizzare l'incisione laser (fonte in polacco) .
Rimangono il PVC e altri materiali clorurati: un laser può marcarli, ma secondo il produttore del sistema di marcatura, questi rilasciano cloro che, a contatto con il vapore acqueo, crea acido cloridrico; un sistema di aspirazione con filtro chimico è un "requisito fondamentale" e i filtri vengono sostituiti più frequentemente rispetto a quelli per altri materiali.
Codici, numeri e norme: cosa deve soddisfare una marcatura permanente
Per la maggior parte delle aziende, la marcatura laser permanente si traduce essenzialmente in un codice DataMatrix o in un numero di serie che deve essere letto da uno scanner, non da un operatore umano. Gli standard di riferimento sono: ISO/IEC 16022 definisce il DataMatrix, ISO/IEC 15415 valuta la qualità dei simboli stampati e ISO/IEC TR 29158 valuta la qualità dei simboli marcati direttamente (DPM). GS1 ritiene che il solo standard 15415 non sia sufficiente per valutare i codici DPM.
GS1 distingue due tipi di marcatura diretta: Tipo A con moduli collegati (laser, incisione) e Tipo B con moduli rimovibili (microdot). Per i piccoli dispositivi medici marcati con laser, le linee guida GS1 specificano una dimensione minima del modulo di 0,100 mm, mentre per i microdot è di 0,200 mm; in questo modo, il laser può inserire un codice leggibile in uno spazio più piccolo. Per i dispositivi medici riutilizzabili, il regolamento MDR richiede un supporto UDI sul dispositivo stesso, permanente dopo ogni riprocessamento.
Un verificatore di codice non è la stessa cosa di un lettore: il lettore ti dice che il codice è stato letto oggi, il verificatore ti dice a quale classe appartiene e a quale margine appartiene. Contrasto, dimensione del modulo rispetto al punto e leggibilità in fase di post-elaborazione sono argomenti trattati nell'articolo sulle macchine per la marcatura dei metalli e sui codici DataMatrix .
Quale macchina viene utilizzata per la marcatura laser dei pezzi?
Per metalli, metalli rivestiti e componenti in plastica, è sufficiente un marcatore a fibra ottica fisso con una testa galvanometrica, ovvero una coppia di specchi che guidano il raggio sull'area di lavoro senza che il piano si muova. Un esempio è il marcatore a fibra ottica RBZ 2020 con sorgente Raycus da 50 W e un campo di 200 x 200 mm; secondo il sito web del produttore, le sue applicazioni includono codici a barre, codici QR, numeri di serie e loghi su metalli e plastiche selezionate, nonché targhette. Le specifiche complete sono disponibili sulla pagina del prodotto.
Per materiali termosensibili, vetro ed elettronica, è più appropriato un laser UV, che opera a 355 nm e marca senza fondere. Il marcatore UV RBZ 1515UV ha un prezzo indicativo di 19.512,00 PLN netti (configurazione specifica per il processo). Entrambi i modelli, insieme a un asse rotante opzionale per pezzi cilindrici, sono disponibili nella categoria dei marcatori laser Roboteus . Il prezzo dell'RBZ 2020 è determinato dal prezzo specifico per il processo, poiché il materiale, il tipo di marcatura e la classe di codice richiesta influenzano la configurazione più della potenza.
Nota sulla sicurezza: una testa galvanometrica aperta è un laser di Classe 4, mentre la stessa macchina in un involucro completamente chiuso con interblocchi può essere un prodotto di Classe 1 secondo la norma PN-EN 60825-1. Il raggio a 1064 nm è invisibile, quindi occhiali con lunghezza d'onda corrispondente e una cappa aspirante non sono obbligatori; la scelta dell'involucro, degli occhiali e della cappa aspirante è descritta nel testo su come scegliere un marcatore laser (fonte in polacco) .
Domande frequenti
Qual è la differenza tra marcatura laser e incisione laser?
L'incisione rimuove materiale e lascia un incavo; la marcatura modifica l'aspetto della superficie con perdite minime o nulle, tramite ricottura, scolorimento, formazione di schiuma o rimozione del rivestimento. L'incisione resiste alla verniciatura e alla levigatura a profondità inferiori alla sua profondità; una marcatura piana no, ma non altera le dimensioni o la rugosità del pezzo.
La marcatura laser è permanente?
Sì, se il metodo viene scelto in base alle successive lavorazioni a cui sarà sottoposto il pezzo. Secondo JPT, una marcatura da ricottura sull'acciaio può resistere alla sterilizzazione a vapore, mentre le marcature UV sulla plastica possono resistere a solventi e autoclavi. Tuttavia, non resistono alla molatura o, secondo il produttore del laser, alla passivazione con acido nitrico, quindi la sequenza delle operazioni deve essere determinata prima della marcatura.
Come funziona la marcatura laser a colori?
Il colore su acciaio inossidabile e titanio è dato da uno strato di ossido a spessore controllato: il colore deriva dall'interferenza della luce all'interno del sottile strato e, secondo JPT, varia di decine di nanometri. Per ottenere colori riproducibili è necessaria una sorgente MOPA con durata dell'impulso regolabile. Parametri e limitazioni sono descritti nel testo sull'incisione laser su metallo (fonte in polacco) .
Un laser a CO2 può lasciare un segno sul metallo?
Il metallo nudo riflette un fascio di 10,6 µm: secondo il produttore della macchina per marcatura, la marcatura del metallo con un laser a CO2 è quasi impossibile e richiede una preparazione ceramica, mentre la fibra è adatta per la marcatura seriale di acciaio o alluminio; il funzionamento e il costo per evitare la preparazione sono descritti nel testo sull'incisione laser su metallo (fonte in polacco) .
Laser o microdot per la numerazione seriale sull'acciaio?
Il laser, se il tempo è un fattore critico e i codici sono piccoli: secondo il produttore del sistema di marcatura, l'intera matrice DataMatrix viene creata in meno di un secondo, mentre la marcatura a micropunti richiede diversi secondi. La marcatura a micropunti, se deve essere profonda e resistente alla placcatura o alla pallinatura, è molto durevole, sempre secondo il produttore del laser, ma è lenta e richiede che il pezzo sia fissato saldamente.
La marcatura laser richiede l'estrazione?
Sì. I metalli producono polveri di ossido, le plastiche producono fumi e il PVC, secondo il produttore del sistema di marcatura, produce cloro che, a contatto con l'umidità, crea acido cloridrico. Un sistema di aspirazione con filtro HEPA e sezione per i prodotti chimici protegge l'operatore, le ottiche e la macchina stessa.
Fonti
- https://roboteus.com/pl/maszyny/znakowarki-laserowe/znakowarka-fiber-rbz-2020/
- https://roboteus.com/pl/maszyny/znakowarki-laserowe/
- https://jpt-laser.com/applications/laser-annealing-marking/
- https://ref.gs1.org/guidelines/datamatrix/
- https://webgate.ec.europa.eu/udi-helpdesk/en/udi-carrier/direct-marking.html
- https://www.ciop.pl/CIOPPortalWAR/file/99433/Ochrona_przed_promieniowaniem_laserowym_MatInf_M.Okrasa_I.PN.06.pdf
- https://roboteus.com/pl/maszyny/znakowarki-laserowe/rbz1515uv/
Nota editoriale
Le dichiarazioni dei produttori citate nel testo provengono dalle loro pubblicazioni e sono soggette a modifiche; si prega di verificare i prezzi di listino direttamente alla fonte prima di prendere una decisione. L'effetto, la durata e la resistenza della marcatura dipendono dalla macchina specifica, dal materiale, dal rivestimento e dai parametri; prima dell'implementazione, si consiglia di effettuare dei test sui propri componenti. Il presente testo non sostituisce le istruzioni del produttore né le normative in materia di salute e sicurezza sul lavoro relative all'utilizzo dei laser, in particolare quelli di Classe 4.