ES2308743T3 - Cuerpo moldeado de material plastico con estructura de imagenes bi- o tridimensionales producidas mediante grabado interno por laser. - Google Patents
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Abstract
Cuerpo moldeado de material plástico con estructuras de imágenes bi- o tridimensionales producidas en su interior mediante grabado interno por láser, estando caracterizados los cuerpos moldeados de materiales plásticos porque se componen de materiales plásticos, que tienen un cierto contenido de óxidos metálicos nanoescalares con un tamaño de partículas de 1 a 500 nm, siendo tanto el material plástico, como también el óxido metálico contenido en él, transparentes para la luz láser utilizada para la producción de las estructuras de imágenes.
Description
Cuerpo moldeado de material plástico con
estructuras de imágenes bi- o tridimensionales producidas mediante
grabado interno por láser.
El invento se refiere a cuerpos moldeados de
materiales plásticos con estructuras de imágenes bi- o
tridimensionales producidas mediante grabado interno por láser,
componiéndose los cuerpos moldeados de materiales plásticos de unos
materiales plásticos que tienen un cierto contenido de óxidos
metálicos nanoescalares con un tamaño de partículas de 1 a 500 nm,
siendo tanto el material plástico, como también el óxido metálico
contenido en él, transparentes para la luz láser utilizada para la
producción de las estructuras de imágenes.
La introducción de informaciones ópticas en
materiales plásticos mediante una radiación láser es en sí conocida.
Se establece diferencia en este caso entre la marcación por láser y
el grabado interno por láser.
La caracterización de materiales plásticos
mediante una marcación por láser actúa junto a la superficie de los
objetos o respectivamente en la zona próxima a la superficie. Es
decisiva en este caso la absorción de la energía del láser en el
material plástico por interacción directa con el polímero o con un
aditivo que se ha añadido al material plástico, tal como por
ejemplo un colorante orgánico o un pigmento inorgánico, que absorbe
la radiación láser. En cualquier caso, mediante absorción de la
energía del láser se establece una modificación química del
material y por consiguiente una descoloración visible localmente del
material plástico.
La aptitud para la marcación por láser es
dependiente del comportamiento de absorción, específico para ciertas
longitudes de ondas, de los materiales plásticos o respectivamente
de los polímeros que constituyen la base de éstos, del
comportamiento de absorción, específico para ciertas longitudes de
onda, de eventuales adiciones sensibles a los láser, así como de la
longitud de onda y de la potencia de irradiación de la radiación
láser que se ha de emplear. Junto a los sistemas de láser de
CO_{2} y excímeros pasan a emplearse en esta técnica de modo
acrecentado sistemas de láser de Nd:YAG (sistemas de láser de
granates de itrio y aluminio, dopados con neodimio) que tienen las
longitudes de onda características de 1.064 nm y 532 nm.
Los materiales plásticos aptos para ser marcados
por láser, que contienen adiciones sensibles a los láser en forma
de colorantes y/o pigmentos, tienen generalmente una coloración y/o
una intransparencia más o menos acentuadas. Con frecuencia, el
apresto de las masas de moldeo que se han de ajustar de manera que
sean absorbentes de los láser, se efectúa mediante la introducción
de negro de carbono.
Los materiales plásticos altamente
transparentes, que pueden hechos aptos para ser marcados por láser
mediante una adición de óxidos metálicos nanoescalares absorbentes
de los láser, se describen en el modelo de utilidad alemán 20 2004
003362.3 y en la solicitud de patente alemana todavía no publicada
10 2004 010504.9.
Acerca de la tecnología del grabado interno
mediante rayos láser de vidrios y materiales plásticos que son
transparentes para la radiación láser, se han de mencionar por
ejemplo los documentos de patente alemana DE 44.07.547 y de patente
de los EE.UU. 5.206.496.
Al contrario que la marcación por láser, el
grabado interno por láser ha de actuar en cualquier profundidad del
material. Esto presupone que el material ha de ser esencialmente
transparente para la radiación láser irradiada, puesto que en caso
contrario ésta sería absorbida ya en la zona superficial.
Al enfocar un rayo láser con una densidad de
potencia suficientemente alta en el interior del material de por sí
transparente para la luz láser, por causa de ciertos efectos ópticos
se llega a un desarrollo limitado de energía térmica en el foco del
láser.
Este desarrollo de calor tiene como consecuencia
una formación de microgrietas, estrechamente limitada localmente,
en el material. Tales microgrietas tienen un diámetro de puntos de
25 - 40 \mum. En el caso de vidrios y materiales plásticos
transparentes para la luz visible, las microgrietas, a causa de la
dispersión de la luz diurna, aparecen como puntos claros junto a
las aristas de las grietas.
Mediante la desviación de la radiación láser a
través de espejos y el movimiento de la pieza de trabajo, así como
mediante una sincronización entre el transcurso del movimiento y los
impulsos de láser, en la pieza de trabajo se pueden componer unas
correspondientes estructuras a base de microgrietas
individuales.
La frecuencia de sucesión de impulsos de los
sistemas de láser empleados típicamente en este contexto, hace
posible la producción de unas estructuras que tienen hasta
aproximadamente 1.000 puntos por minuto.
Un punto de partida es una representación en 3D
del posterior motivo en un programa de CAD (diseño asistido por
ordenador). La superficie o la estructura total del modelo se
resuelve por cálculo como una nube de puntos, cuyos puntos
individuales son convertidos a la forma de microgrietas por el rayo
láser en el vidrio o en el material plástico. Cuando más densa es
la nube de puntos, mediante la cual se representa el objeto, de
manera tanto mas exacta y limpia es reproducido el modelo.
En el caso del grabado interno por láser de
materiales plásticos con una luz láser, para la que es transparente
propiamente el material plástico, mediante un correspondiente
enfoque del rayo láser se produce una marcación en el interior del
material en forma de microgrietas. En este caso se puede llegar a la
formación y a la propagación incontroladas de las grietas. Esto
presupone una debilitación del material. Por lo tanto, se debería
intentar mantener lo más pequeña que sea posible esta
debilitación.
En un vidrio, esta formación de grietas puede
conducir incluso a una destrucción posterior del cuerpo moldeado,
que aparece en parte tan solo algunos días o incluso algunas semanas
después del grabado interno por láser.
En materiales plásticos, junto a la formación de
grietas pueden aparecer adicionalmente una destrucción local del
material y una carbonización, que son indeseadas en el caso del
grabado interno de materiales transparentes en la luz visible, a
causa de la descoloración oscura.
Un problema adicional del grabado interno por
láser con métodos y materiales de acuerdo con el estado de la
técnica, es la insuficiente precisión de reproducción en el caso de
modelos afiligranados, ricos en detalles, tanto en un vidrio como
también en materiales plásticos. Teóricamente, la exactitud de
reproducción se puede mejorar por elevación de la densidad de la
nube de puntos. En la práctica, sin embargo, los puntos, a partir
de una cierta densidad de puntos, se entremezclan unos con otros
mediante la propagación incontrolada de las grietas y ya no son
resueltos, de manera tal que incluso sufre menoscabo la exactitud de
reproducción.
El documento US 5.761.111 se describe un
procedimiento para el grabado interno por láser sin formación de
grietas, mediante impulsos de láser en la región de los
femtosegundos. No obstante, los sistemas de láser. que son
apropiados para esto, todavía no están disponibles para el empleo
técnico, y además de esto serían todavía muy caros.
En el documento US 6.537.479 el problema de la
formación de grietas se evita mediante el recurso de que la
marcación por láser se lleva a cabo en el estado plastificado del
material, y el objeto o bien es dejado en este estado (envuelto por
una envoltura protectora sólida) o a continuación es endurecido.
Este método es muy costoso y además, en el caso del subsiguiente
endurecimiento, se restringe a materiales que al endurecerse no
muestran ninguna contracción, puesto que en caso contrario sería
destruida de nuevo la geometría afiligranada del grabado por láser.
En los materiales poliméricos que son habituales en la aplicación
técnica, este procedimiento se puede utilizar solamente de un modo
condicionado y entonces lo es con un considerable gasto
adicional.
El presente invento está basado por lo tanto en
la misión establecida de descubrir y poner a disposición unos
materiales plásticos, en los cuales mediante un grabado interno por
láser mediando evitación de una formación y propagación
incontroladas de grietas, se puedan producir unas estructuras de
imágenes bi- o tridimensionales con una exactitud de reproducción
manifiestamente mejorada. En este contexto deberían poder emplearse
las fuentes de láser comercialmente obtenibles, que típicamente se
encuentran en empleo a escala técnica.
De modo sorprendente, se encontró que en el
interior de cuerpos moldeados de materiales plásticos, que se
componen de unos materiales plásticos que tienen un cierto contenido
de óxidos metálicos nanoescalares con unos tamaños de partículas de
1 a 500 nm, se pueden producir mediante grabado por láser unas
estructuras de imágenes tridimensionales de elevadísima finura y
fidelidad de detalles, cuando se irradia produciendo imágenes con
una luz láser para la que son transparentes tanto el material
plástico como también el óxido metálico contenido en él.
Son objeto del invento, por consiguiente, unos
cuerpos moldeados de materiales plásticos con estructuras de
imágenes bi- o tridimensionales producidas en su interior mediante
grabado interno por láser, estando caracterizados los cuerpos
moldeados de materiales plásticos por el hecho de que se componen de
unos materiales plásticos, que tienen un cierto contenido de óxidos
metálicos nanoescalares con unos tamaños de partículas de 1 a 500
nm, siendo tanto el material plástico, como también el óxido
metálico contenido en él, transparentes para la luz láser utilizada
para la producción de las estructuras de imágenes.
Es objeto del invento además un procedimiento
para la producción de estructuras de imágenes bi- o tridimensionales
en el interior de cuerpos moldeados de materiales plásticos
mediante un grabado interno por láser, en el que unos cuerpos
moldeados, que se componen de unos materiales plásticos que tienen
un cierto contenido de óxidos metálicos nanoescalares con unos
tamaños de partículas de 1 a 500 nm, se irradian produciendo
imágenes con una luz láser, para la que son transparentes tanto el
material plástico como también el óxido metálico contenido en
él.
Como materiales plásticos transparentes se deben
de entender los que son esencialmente transparentes en un intervalo
de longitudes de onda de 300 a 1.300 nm. Por una parte se prefiere
la región visible de longitudes de onda de 400 a 800 nm. Los
correspondientes materiales son apropiados en particular para la
introducción de estructuras visualmente perceptibles mediante un
grabado interno por láser, por ejemplo en forma de objetos
artísticos. Se prefieren, por otra parte, unos materiales plásticos
con transparencia para los láser en la región de longitudes de onda
de 800 a 1.300 nm. Unos correspondientes materiales, que también en
su aspecto visual pueden aparecer como coloreados y/u opacos o bien
totalmente intransparentes, son apropiados para la introducción
mediante grabado interno por láser de estructuras no perceptibles
visualmente, por ejemplo en forma de códigos de barras o códigos de
matrices de datos, por ejemplo para finalidades de seguridad.
\newpage
La transmisión del material plástico en la
región escogida de longitudes de onda de fuentes de láser obtenibles
comercialmente, que típicamente se encuentran en empleo técnico,
debería ser mayor que 80%, de manera preferida mayor que 85% y de
manera especialmente preferida mayor que 90%. La turbiedad en la
región de longitudes de onda de 400 a 800 nm debería ser menor que
5, de manera preferida menor que 2 y en particular menor que 1%.
Las determinaciones de la transmisión y de la turbiedad se efectúan
de acuerdo con la norma ASTM D 1003.
Como óxidos metálicos nanoescalares han de
entenderse todos los óxidos inorgánicos metálicos tales como óxidos
metálicos, óxidos mixtos metálicos, óxidos complejos y mezclas de
ellos, que en la región característica de longitudes de onda del
láser que se ha de emplear, no provocan ninguna absorción o
solamente provocan una pequeña absorción.
En conjunto se debe prestar atención
estrictamente a que tanto el cuerpo moldeado de material plástico
transparente como también el óxido metálico nanoescalar sean
transparentes para la luz láser que se ha de emplear.
Por el término de nanoescalar(es) ha de
entenderse que la máxima dimensión de las partículas discretas de
estos óxidos metálicos sensibles a los láser es menor que 1 \mum,
es decir está en la región de los nanómetros. En el presente caso,
esta definición de tamaños se refiere a todas las morfologías
posibles de partículas, tales como partículas primarias así como
eventuales conglomerados y aglomerados.
De manera preferida, el tamaño de partículas de
los óxidos metálicos sensibles a los láser es de 1 a 500 nm y en
particular de 5 a 100 nm. En el caso de la elección de unos tamaños
de partículas por debajo de 100 nm, las partículas de óxidos
metálicos por sí mismas ya no son visibles y no perjudican a la
transparencia de la matriz de material plástico.
En el material plástico, el contenido de
nanopartículas inorgánicas es convenientemente de 0,0001 a 0,1% en
peso, de manera preferida de 0,0005 a 0,05% en peso, y de manera
especialmente preferida de 0,001 a 0,01% en peso, referido al
material plástico. En este intervalo de concentraciones se produce,
por regla enteramente general y para todos los materiales plásticos
que entran en cuestión, una formación controlada de grietas y por
consiguiente una marcación profunda visible con una alta exactitud
de reproducción.
En el caso de una elección apropiada del tamaño
de partículas y de la concentración dentro de los intervalos
indicados, también en el caso de materiales de matriz muy
transparentes en la región de longitudes de ondas visibles está
excluido un perjuicio de la transparencia intrínseca. Así, es
conveniente, para nanopartículas con unos tamaños de partículas
situados por encima de 100 nm, escoger el intervalo inferior de
concentraciones, mientras que en el caso de unos tamaños de
partículas situados por debajo de 100 nm también se pueden escoger
concentraciones más altas.
Como nanopartículas inorgánicas para la
producción de materiales plásticos aptos para ser marcados
profundamente por láser, entran en cuestión preferiblemente un
óxido de indio dopado, un óxido de estaño dopado, un óxido de zinc
dopado, un óxido de aluminio dopado, un óxido de antimonio dopado y
correspondientes óxidos mixtos.
También en los casos de materiales plásticos
opacos, que deben de ser irradiados produciendo imágenes en el
intervalo de longitudes de onda entre 800 y 1.300 nm, se emplean
convenientemente unas nanopartículas que tienen unos tamaños de
partículas menores que 100 nm, puesto que de esta manera se puede
conseguir una distribución homogénea de los óxidos metálicos en la
matriz polimérica, que es decisiva para una formación controlada de
grietas.
Nanopartículas inorgánicas especialmente
apropiadas son las de un óxido de indio y estaño (ITO) o de un óxido
de antimonio y estaño (ATO) así como de óxidos de indio o
respectivamente antimonio y estaño dopados. Es especialmente
preferido un óxido de indio y estaño y entre los de este tipo a su
vez el óxido de indio y estaño "azul" obtenible mediante un
proceso de reducción parcial. El óxido de indio y estaño
"amarillo" no reducido puede producir, en el caso de
concentraciones más altas y/o de tamaños de partículas más altos en
la región superior, un tono de color ligeramente amarillento,
visualmente perceptible, del material plástico, mientras que el
óxido de indio y estaño "azul" no conduce a ninguna
modificación perceptible del color. En todo caso, se observa un
azulamiento débil, que sin embargo es considerado por el observador
más bien como de alto valor, en vez de un matiz amarillento.
Las nanopartículas inorgánicas que se han de
emplear conforme al invento, son en sí conocidas y también están
disponibles comercialmente en una forma nanoescalar, es decir con
unos tamaños de partículas situados por debajo de 1 \mum, y
particularmente en el intervalo de tamaños que aquí es preferido,
con frecuencia en forma de dispersiones. En su forma de suministro,
las nanopartículas inorgánicas están por regla general aglomeradas.
Los aglomerados, cuyo tamaño de partículas está situado entre 1
\mum y varios mm, se pueden descomponer mediante una fuerte
cizalladura para dar partículas nanoescalares. La determinación del
grado de aglomeración se efectúa en el sentido de la norma DIN
53206 (de Agosto de 1972).
Se pueden producir óxidos metálicos
nanoescalares, por ejemplo, mediante procedimientos de pirólisis.
Tales procedimientos se describen por ejemplo en los documentos de
solicitudes de patentes europeas EP 1.142.830 A, EP 1.270.511 A o
de patente alemana DE 103.11.645. Además se pueden producir
nanopartículas inorgánicas mediante procedimientos de
precipitación, tal como se describen por ejemplo en el documento DE
100.22.037.
Los óxidos metálicos nanoescalares se pueden
introducir prácticamente en todos los sistemas de materiales
plásticos, con el fin de conferir a éstos una aptitud para la
marcación por láser. Son típicos unos materiales plásticos, en los
cuales la matriz de material plástico se basa en
poli((met)acrilatos), poliamidas, poliuretanos,
poliolefinas, polímeros de estireno y copolímeros de estireno,
policarbonatos, siliconas, poliimidas, polisulfonas,
poli(éter-sulfonas), policetonas,
poli(éter-cetonas), PEEK, poli(sulfuros de
fenileno), poliésteres (tales como PET, PEN, PBT), poli(óxidos de
metileno), poliuretanos, poliolefinas o polímeros que contienen
flúor (tales como PVDF, EFEP, PTFE). Asimismo es posible una
introducción en mezclas preparadas, que como componentes contienen
los materiales plásticos arriba mencionados, o en polímeros que se
derivan de estas clases, que habían sido modificados mediante
reacciones posteriores. Estos materiales son conocidos en una gran
multiplicidad y obtenibles comercialmente. La ventaja conforme al
invento de las nanopartículas inorgánicas es eficiente en
particular en el caso de sistemas de materiales plásticos muy
transparentes, tales como policarbonatos, poliamidas transparentes
(por ejemplo Grilamid® TR55, TR90, Trogamid® T5000, CX7323),
poli(tereftalatos de etileno), polisulfonas,
poli(éter-sulfonas), copolímeros de cicloolefinas
(Topas®, Zeonex®), poli(metacrilatos de metilo) y sus
copolímeros, puesto que ellas no influyen sobre la transparencia del
material. Además, se han de mencionar polímeros de poliestireno y
de polipropileno transparentes, además todos los materiales
plásticos parcialmente cristalinos, que se pueden transformar en
cuerpos moldeados transparentes mediante el empleo de agentes de
nucleación o de condiciones especiales de tratamiento.
Las poliamidas transparentes conformes al
invento se preparan por lo general a partir de los eslabones
siguientes: diaminas alifáticas (de 6 a 14 átomos de C) ramificadas
y sin ramificar, cicloalifáticas sustituidas con alquilo o sin
sustituir (de 14 a 22 átomos de C), diaminas aralifáticas (de C14 -
C22), y ácidos dicarboxílicos alifáticos y cicloalifáticos (de C6 a
C44); estos últimos pueden ser reemplazados parcialmente por ácidos
dicarboxílicos aromáticos. En particular, las poliamidas
transparentes se pueden componer adicionalmente de eslabones de
monómeros con 6 átomos de C, 10 átomos de C, 11 átomos de C o
respectivamente 12 átomos de C, que se derivan de lactamas o de
ácidos
\omega-amino-carboxílicos.
\omega-amino-carboxílicos.
De manera preferida, pero no exclusiva, las
poliamidas transparentes conformes al invento se preparan a partir
de los siguientes eslabones monómeros: laurolactama o ácido
\omega-amino-dodecanoico, ácido
azelaico, ácido sebácico, ácido dodecanodioico, ácidos grasos (de
C18 - C36; p.ej. bajo el nombre comercial Pripol®), ácidos
ciclohexano-dicarboxílicos, reemplazo parcial o en
parte de estos ácidos alifáticos por ácido isotereftálico, ácido
tereftálico, ácido naftaleno-dicarboxílico, ácido
tributil-isoftálico. Además, encuentran utilización
decano-diamina, dodecano-diamina,
nonano-diamina, hexametilen-diaminas
ramificadas, sin ramificar o sustituidas, así como representantes
tomados de la clase de las diaminas cicloalifáticas sustituidas con
alquilo o sin sustituir
bis(4-amino-ciclohexil)-metano,
bis-(3-metil-4-amino-ciclohexil)-metano,
bis-(4-amino-ciclohexil)-propano,
bis-(amino-ciclohexano),
bis-(amino-metil)-ciclohexano,
isoforonadiamina o también pentametilen-diaminas
sustituidas.
Ejemplos de correspondientes poliamidas
transparentes se describen ilustrativamente en los documentos
EP
0.725.100 y EP 0.725.101.
0.725.100 y EP 0.725.101.
Son especialmente preferidos los sistemas de
materiales plásticos muy transparentes sobre la base de un
poli(metacrilato de metilo), un policarbonato de bisfenol A,
una poliamida y los denominados copolímeros de cicloolefinas a base
de norborneno y \alpha-olefinas, que pueden ser
hechos aptos para ser marcados profundamente por láser con ayuda de
las nanopartículas inorgánicas conformes al invento, sin perjuicio
para la transparencia del material.
Evidentemente, los óxidos metálicos
nanoescalares también se pueden utilizar en sistemas teñidos muy
transparentes. Aquí es ventajoso en particular el hecho de que el
color propio neutro de estos aditivos hace posible una elección
libre del color.
Los materiales plásticos transparentes que se
pueden estructurar conforme al invento mediante un grabado interno
por láser, se pueden presentar en forma de planchas, cuerpos
moldeados, piezas semiterminadas o masas de moldeo. En este
contexto, también solamente una parte de las planchas, de los
cuerpos moldeados, de los productos semiterminados y de las masas
de moldeo se puede haber ajustado de manera tal que sea apta para
ser grabada interiormente por láser.
La producción de los materiales plásticos
grabados interiormente por láser se efectúa de una manera de por sí
conocida de acuerdo con las técnicas y los procedimientos que son
corrientes y usuales en la preparación y elaboración de materiales
plásticos. En tal caso es posible introducir los aditivos con forma
de nanopartículas, antes de o durante la polimerización o la
policondensación, en productos de partida individuales o en mezclas
de productos de partida, o también añadirlos durante la reacción,
empleándose los procedimientos de producción específicos para los
correspondientes materiales plásticos, que son conocidos para un
experto en la especialidad. En el caso de policondensados, tales
como poliamidas, se puede efectuar por ejemplo una introducción del
aditivo en uno de los componentes monómeros. Este componente
monómero se puede someter luego, junto con los demás partícipes en
la reacción, de un modo usual, a una reacción de policondensación.
Además, después de una formación de macromoléculas, los resultantes
productos intermedios o finales de alto peso molecular se pueden
mezclar con los aditivos con forma de nanopartículas, pudiéndose
emplear también en este caso todos los procedimientos que son
habituales para un experto en la especialidad.
Según sea la receta del material de la matriz de
plástico se mezclan y homogeneizan componentes de recetas o
monómeros líquidos, semilíquidos y sólidos, así como eventualmente
los necesarios aditivos, tales como por ejemplo agentes iniciadores
de la polimerización, estabilizadores (tales como agentes
absorbentes de los rayos UV (ultravioletas), agentes
estabilizadores del calor), agentes blanqueadores ópticos, agentes
anstistáticos, plastificantes, agentes coadyuvantes del desmoldeo,
agentes lubricantes, agentes coadyuvantes del dispersamiento,
agentes antiestáticos, pero también materiales de carga y de
refuerzo o agentes modificadores de la resistencia a los golpes,
etc., en dispositivos e instalaciones que son usuales para esto,
tales como reactores, recipientes con sistemas de agitación,
mezcladores, molinos de cilindros, extrusores, etc., eventualmente
se conforman y después de esto se llevan a endurecimiento. Los
óxidos metálicos nanoescalares se introducen en el momento
apropiado en el material y se incorporan homogéneamente dentro de
él. Se prefiere especialmente la introducción de los óxidos
metálicos nanoescalares en forma de una mezcla preliminar
concentrada (tanda patrón, en inglés masterbatch) con el mismo
material plástico o con uno que sea compatible con él.
Es ventajoso que la introducción de los óxidos
metálicos nanoescalares en la matriz de material plástico se
efectúe mediando alta cizalladura en esta matriz de material
plástico. Esto puede llevarse a cabo mediante un correspondiente
ajuste de los mezcladores, de los molinos de cilindros, de los
extrusores, etc. De esta manera se impide eficazmente una eventual
aglomeración o conglomeración de las partículas de óxidos metálicos
nanoescalares para dar unidades de mayor tamaño; las partículas de
mayor tamaño, eventualmente presentes, son desmenuzadas. Para un
experto en la especialidad son habituales las correspondientes
técnicas y los parámetros de procedimiento que en cada caso se
tengan que escoger.
Los cuerpos moldeados de materiales plásticos y
las piezas semiterminadas son obtenibles mediante moldeo por
inyección o extrusión a partir de masas de moldeo o mediante
procedimientos de colada a partir de los monómeros y/o
prepolímeros.
La polimerización se efectúa de acuerdo con
procedimientos conocidos para un experto en la especialidad, por
ejemplo mediante una adición de uno o varios agentes iniciadores de
la polimerización y una inducción de la polimerización por
calentamiento o irradiación. Para la total conversión del (o de los)
monómero(s), a la polimerización le puede seguir una etapa de
atemperamiento.
Después de la producción de las piezas moldeadas
de materiales plásticos a partir de los materiales plásticos que
contienen los óxidos metálicos nanoescalares, éstos se pueden marcar
mediante irradiación con una luz láser.
El grabado interno por láser se puede llevar a
cabo en un equipo de marcación con láser usual en el comercio,
p.ej. de la entidad Cerion (Cerion X2, compacto, verde de 532 nm),
con una velocidad de escritura de 300 a 1.000 puntos/s (= segundo),
con una frecuencia de impulsos de 3 kHz y con una energía de
impulsos de 1 a 2 mJ. El cuerpo moldeado que se ha de grabar se
coloca dentro del aparato, y después de una irradiación con un rayo
láser enfocado, se obtienen unas estructuras de imágenes de colores
desde blanco hasta gris oscuro con contornos nítidos y alto
contraste. Los ajustes necesarios se pueden determinar sin
dificultades en cada caso individual.
Como cristales de láser se pueden utilizar por
ejemplo también los siguientes materiales:
Ti:Al203 (longitud de onda ajustable de 680 a
1.100 nm)
Yb:YAG (longitud de onda 1.030 nm, 1ª oscilación
armónica: 515 nm, 2ª oscilación armónica: 343 nm)
Nd:YAG y Nd:Ce:Tb:YAG (longitud de onda 1.064
nm, 1ª oscilación armónica: 532 nm, 2ª oscilación armónica: 355
nm)
Ho:Cr:Tm:YAG (longitud de onda 2.097 nm, 1ª
oscilación armónica: 1048,5 nm, 2ª oscilación armónica: 699 nm)
Er:YAG (longitud de onda 2.940 nm, 1ª oscilación
armónica: 1.470 nm, 2ª oscilación armónica: 980 nm).
\vskip1.000000\baselineskip
Naturalmente se pueden emplear también sistemas
de láser de diodos que emiten a las longitudes de onda de 808, 940 y
980 nm.
Los materiales plásticos transparentes se pueden
utilizar conforme al invento de manera muy ventajosa para la
producción de cuerpos moldeados de materiales plásticos con
estructuras de imágenes tridimensionales producidas por debajo de
la superficie mediante grabado interno por láser. Junto a las
aplicaciones técnicas, se pueden realizar en particular también
objetos artísticos.
Los polímeros transparentes se pueden también
teñir en masa. Ventajosamente se utilizan unos colores que no
absorben la luz láser. La tinción puede ser realizada de modo
transparente, translúcida pero también cubierta y opaca.
Se obtienen objetos artísticos especialmente
interesantes cuando se utilizan colorantes fluorescentes. Mediante
iluminación de las aristas de tales objetos artísticos se pueden
producir unos objetos artísticos que aparecen como especialmente
valiosos.
A continuación se debe de explicar la producción
de las mezclas de nanopartículas y materiales plásticos y la
realización del grabado interno mediante una marcación profunda por
láser por ejemplo en sistemas de poli-(metacrilatos de metilo) y de
poliamidas.
1. Dispersamiento del óxido de indio y estaño
Nano®ITO IT-05 C5000 de la entidad Nanogate en una
masa de moldeo de PMMA PLEXIGLAS® 7N con un molino de dos cilindros
Polymix 110 L de la entidad Schwabenthan:
90 g de una masa de moldeo de PMMA PLEXIGLAS® 7N
se funden en el molino de dos cilindros previamente calentado. La
temperatura de los cilindros es en el cilindro delantero de 166ºC y
en el cilindro trasero de 148ºC. Otros 90 g de la masa de moldeo de
PMMA PLEXIGLAS® 7N se mezclan previamente con 20 g de Nano®ITO
IT-05 C5000 y se añaden sobre los cilindros junto
con aproximadamente 5 g de ácido esteárico. El cilindro trasero se
puede hacer girar con alguna mayor rapidez y produce de esta manera
una fricción. En el transcurso de 6 minutos, la lámina en bruto se
retira 10 veces desde el cilindro, se pliega y se vuelve a alimentar
sobre el cilindro. A continuación, la lámina en bruto se retira
desde el cilindro, se deja enfriar y se desmenuza.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Producción de una solución original con la
lámina en bruto:
En un frasco de boca ancha con una capacidad de
1 l se pesan e introducen:
- 50,0 g de una lámina en bruto al 10% (procedente de 1.)
- 87,5 g de un agente dispersante (p.ej. PLEX® 8684 F de DEGUSSA AG / Röhm)
- 750,0 g de MMA
- 750,0 g de un jarabe de MMA y PMMA con 25% de PMMA, que tiene un peso molecular PM de 170.000.
Para la disolución de la lámina en bruto y del
agente dispersante polimérico, la botella se cierra y se hace rodar
durante 50 h en un banco de rodadura.
\vskip1.000000\baselineskip
3. Preparación de la tanda de
polimerización:
Preparación de la tanda de polimerización de
1.000 g con 0,01% de Nano®ITO IT-05 C5000.
- 34,50 g de una solución original
- 0,80 g de un agente iniciador (2,2'-azo-bis-(2,4-dimetil-valeronitrilo)
- de 0,20 g a 1,0 g de un agente de separación (lecitina)
- 960,00 g de un jarabe de MMA y PMMA con 25% de PMMA, que tiene un peso molecular de 170.000.
La tanda de polimerización se agita durante 30
min., se deja reposar durante 10 min., se carga dentro de la cámara
de polimerización e inmediatamente después se introduce en un baño
de agua.
\vskip1.000000\baselineskip
4. Polimerización en una cámara de
polimerización:
A partir de dos lunas de vidrio flotado con un
grosor de 6 mm, de un cordón distanciador y de algunas pinzas
metálicas se construye una cámara de polimerización con un tamaño de
10 x 200 x 200 mm. La cámara de polimerización se coloca en
posición vertical, la tanda de polimerización se deja afluir
lentamente y se cierra la cámara. La cámara de polimerización llena
se introduce en posición horizontal dentro del baño de agua que ha
sido calentado a 45 hasta 50ºC, y se deja reposar durante tanto
tiempo hasta que la tanda de polimerización se haya polimerizado
para dar una masa sólida. Después de haber retirado las pinzas y el
cordón distanciador, en la cámara de polimerización se termina de
polimerizar durante 4 h dentro de un armario de atemperamiento
previamente calentado a 115ºC, a continuación se deja enfriar en el
armario de atemperamiento y se saca desde el molde.
La transmisión de la luz en la región visible es
de 90% y la turbiedad es de 1%.
El material se marcó interiormente por láser con
un sistema de láser de Nd:YAG duplicado en frecuencia (longitud de
onda de emisión de 532 nm, una etapa de potencia de 3, y una
duración de 4 min.).
\newpage
Ejemplo comparativo
2
Se procede de una manera análoga a la
prescripción del Ejemplo 1. En este caso se llevan a cabo solamente
las etapas 3ª y 4ª del procedimiento. También se puede prescindir de
la producción de una lámina en bruto. La cantidad correspondiente de
una solución original procedente de la etapa 3ª se puede reemplazar
por una cantidad correspondiente de un jarabe de MMA y PMMA.
La transmisión de la luz en la región visible es
de 90% y la turbiedad es de 1%.
El material se marcó interiormente por láser con
un sistema de láser de Nd:YAG duplicado en frecuencia (longitud de
onda de emisión 532 nm, etapa de potencia 3, duración 4 min).
\vskip1.000000\baselineskip
El Trogamid® CX 7323, que es un producto
comercial de la entidad Degussa AG, Sector comercial de polímeros
de alto rendimiento, Marl, se compone y granula con el óxido de
indio y estaño nanoescalar Nano®ITO IT-05 C5000 de
la entidad Nanogate en una concentración de 0,01% en peso dentro de
un extrusor de Berstorff ZE 2533 D a 300ºC y se granula. A partir
del granulado se produjeron por el procedimiento de moldeo por
inyección unas planchas con las dimensiones de 10 x 100 x 100
mm.
La transmisión de la luz en la región visible es
de 90% y la turbiedad es de 1,5%.
El material se marcó interiormente por láser con
un sistema de láser de Nd:YAG duplicado en frecuencia (longitud de
onda de emisión 532 nm, etapa de potencia 4, duración 1 min).
\vskip1.000000\baselineskip
Ejemplo comparativo
4
A partir del Trogamid® CX 7323, que es un
producto comercial de la entidad Degussa AG, Sector comercial de
polímeros de alto rendimiento, Marl, se produjeron por el
procedimiento de moldeo por inyección unas planchas con las
dimensiones de 10 x 100 x 100 mm.
La transmisión de la luz en la región visible es
de 90% y la turbiedad es de 1,5%.
El material se marcó interiormente por láser con
un sistema de láser de Nd:YAG duplicado en frecuencia (longitud de
onda de emisión 532 nm, etapa de potencia 4, duración 1 min).
\vskip1.000000\baselineskip
Las siguientes Figuras se produjeron a partir de
cuerpos moldeados grabados interiormente con un sistema de láser de
Nd:YAG duplicado en frecuencia (longitud de onda de emisión 532
nm).
La Figura 1 muestra el resultado obtenido con el
material del Ejemplo 1. En el material polimérico dopado con ITO se
produjo un modelo claro de líneas.
La Figura 2 muestra el resultado obtenido con el
material polimérico sin dopar del Ejemplo 2. Una estructura de
líneas se puede reconocer solamente con dificultades. Las
diferencias en la exactitud de la reproducción se pueden reconocer
manifiestamente.
También al escribir letras se puede reconocer
una exactitud manifiestamente mejor de las muestras de PMMA
dopadas.
La Figura 3 muestra el resultado obtenido con el
material del Ejemplo 1. En el caso del material dopado se puede
reconocer manifiestamente cada uno de los puntos individuales en la
letra. Todos los puntos están separados entre sí. No se observa un
confluencia recíproca de los puntos por medio de una formación
incontrolada de grietas.
La Figura 4 muestra el resultado obtenido con el
material polimérico sin dopar del Ejemplo 2. Aquí la letra "a"
está atravesada por grietas y el borde aparece de una manera muy
poco nítida.
También en la comparación con un vidrio de
cristal de plomo, que se utiliza usualmente para la producción de
objetos artísticos mediante grabado interno por láser, se puede
observar manifiestamente la superioridad de la exactitud de
reproducción de un PMMA dopado al realizar el grabado interno por
láser.
Mientras que en el caso de la Figura 5 (con un
material del Ejemplo 1) el modelo de nube de puntos se puede
reconocer con una alta exactitud de reproducción, en el vidrio de
cristal de plomo se obtiene un modelo de líneas muy poco nítido. La
Figura 6 muestra el resultado del grabado interno en el vidrio de
cristal de plomo (con el mismo archivo de datos de la nube de
puntos que en la Figura 5).
La sobresaliente exactitud de reproducción del
PMMA dopado se muestra también en la 3ª dimensión.
La Figura 7 muestra la vista en alzado lateral
de la letra "S" de la Figura 5 (con el material del Ejemplo
1). Se puede observar un modelo de líneas a base de aproximadamente
10 líneas, las cuales están separadas totalmente unas de otras.
La Figura 8 muestra la misma estructura de
imágenes en el bloque de vidrio de cristal de plomo. Las
aproximadamente 10 líneas son manifiestamente más anchas y están
más fuertemente desfasadas que las líneas en la
Figura 7.
Figura 7.
Claims (15)
1. Cuerpo moldeado de material plástico con
estructuras de imágenes bi- o tridimensionales producidas en su
interior mediante grabado interno por láser, estando
caracterizados los cuerpos moldeados de materiales plásticos
porque se componen de materiales plásticos, que tienen un cierto
contenido de óxidos metálicos nanoescalares con un tamaño de
partículas de 1 a 500 nm, siendo tanto el material plástico, como
también el óxido metálico contenido en él, transparentes para la
luz láser utilizada para la producción de las estructuras de
imágenes.
2. Cuerpo moldeado de material plástico de
acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el
tamaño de partículas de los óxidos metálicos contenidos en el
material plástico es de 5 a 100 nm.
3. Cuerpo moldeado de material plástico de
acuerdo con las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque
el contenido de óxidos metálicos es de 0,0001 a 0,1% en peso, de
manera preferida de 0,001 a 0,01% en peso, referido al material
plástico.
4. Cuerpo moldeado de material plástico de
acuerdo con las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque
en el material plástico está contenido como óxido metálico
nanoescalar un óxido de indio dopado, un óxido de estaño dopado, un
óxido de zinc dopado, un óxido de aluminio dopado o un óxido de
antimonio dopado.
5. Cuerpo moldeado de material plástico de
acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque en el
material plástico está contenido como óxido metálico nanoescalar un
óxido de indio y estaño, un óxido de antimonio y estaño, u óxidos de
indio o antimonio y estaño dopados.
6. Cuerpo moldeado de material plástico de
acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque en el
material plástico está contenido como óxido metálico nanoescalar un
óxido de indio y estaño azul.
7. Cuerpo moldeado de material plástico de
acuerdo con las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque
la matriz de material plástico está basada en
poli((met)acrilatos), poliamidas, poliuretanos, poliolefinas,
polímeros de estireno y copolímeros de estireno, policarbonatos,
siliconas, poliimidas, polisulfonas,
poli(éter-sulfonas), policetonas,
poli(éter-cetonas), poli(sulfuros de
fenileno), poliésteres, poli(óxidos de etileno), poliuretanos,
poliolefinas y polímeros que contienen cloro o flúor.
8. Cuerpo moldeado de material plástico de
acuerdo con las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque
la matriz de material plástico está basada en un
poli(metacrilato de metilo).
9. Cuerpo moldeado de material plástico de
acuerdo con las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque
la matriz de material plástico está basada en un policarbonato de
bisfenol A.
10. Cuerpo moldeado de material plástico de
acuerdo con las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque
la matriz de material plástico está basada en una poliamida.
11. Cuerpo moldeado de material plástico de
acuerdo con las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque
la matriz de material plástico está basada en copolímeros de
cicloolefinas a base de norborneno y
\alpha-olefinas.
12. Cuerpo moldeado de material plástico de
acuerdo con las reivindicaciones 1 a 11, estando
caracterizado el cuerpo moldeado de material plástico porque
es transparente para una luz láser con la longitud de onda de 300 a
1.300 nm.
13. Cuerpo moldeado de material plástico de
acuerdo con la reivindicación 12, estando caracterizado el
cuerpo moldeado de material plástico porque es transparente para
una luz láser con la longitud de onda de 400 a 800 nm.
14. Cuerpo moldeado de material plástico de
acuerdo con la reivindicación 12, estando caracterizado el
cuerpo moldeado de material plástico porque es transparente para
una luz láser con la longitud de onda de 800 a 1.300 nm.
15. Procedimiento para la producción de
estructuras de imágenes bi- o tridimensionales en el interior de
cuerpos moldeados de materiales plásticos mediante un grabado
interno por láser, caracterizado porque unos cuerpos
moldeados, que se componen de unos materiales plásticos que tienen
un cierto contenido de óxidos metálicos nanoescalares con unos
tamaños de partículas de 1 a 500 nm, se irradian produciendo
imágenes con una luz láser para la que son transparentes tanto el
material plástico como también el óxido metálico contenido en
él.
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|
| ES2308743T3 true ES2308743T3 (es) | 2008-12-01 |
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Family Applications (1)
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