Marcação a Laser em Náilon

Marcação, Gravação e Corrosão a Laser em Náilon Poliamida

Como fazer marcação a laser em plásticos de náilon poliamida usando lasers de fibra

Os plásticos de náilon, também conhecidos como poliamida, são uma classe importante de termoplásticos usados em aplicações de alto desempenho, como armas de fogo, eletrônicos, coletores automotivos, componentes de bicicletas, tubos, brincos de identificação animal, solados de calçados esportivos e muito mais. Estão entre os polímeros mais difíceis de marcar, gravar ou corroer a laser devido à diversidade de propriedades do material, condições de moldagem e configurações do laser. Os lasers de fibra de itérbio são ideais para produzir marcação preta por carbonização, marcação branca por geração de espuma e mudanças de cor por reações termoquímicas induzidas a laser em polímeros pigmentados. A irradiância, a fluência e a óptica do feixe do laser são fatores importantes na marcação de plásticos. Os lasers de fibra MOPA de pulso variável oferecem o melhor controle da largura de pulso, limitando o calor excessivo.

Os náilons estão disponíveis em uma variedade de tipos de material (por exemplo, Náilon 6,6; Náilon 6,12; Náilon 4,6; Náilon 6; Náilon 12 etc.), o que permite uma ampla gama de materiais e propriedades disponíveis, sejam homopolímeros, copolímeros ou reforçados. Fibras de vidro longas e curtas são frequentemente incorporadas ao náilon reforçado. Embora vantajosas para o desempenho estrutural, a desvantagem é que os defeitos de “emergência de vidro” provenientes da moldagem reduzem a marcabilidade a laser.

As superfícies moldadas precisam ser ricas em resina para que a energia do laser possa interagir com a matriz polimérica. Os náilons também podem ser misturados com outros plásticos de engenharia para aprimorar características específicas de desempenho. Esses fatores influenciam intrinsecamente a forma como cada tipo de material é marcado a laser. Cores, pigmentos e corantes, propriedades das cargas, formulação por diferentes fornecedores, dispersão e distribuição na moldagem e textura de superfície são fatores que afetam a qualidade da marcação.

Marcação a laser de alta qualidade com lasers de fibra industriais: a marcação indelével, funcional e decorativa, agrega valor aos produtos e ajuda a prevenir a contrafação. A chave para obter contraste de marcação e durabilidade de alta qualidade é incorporar aditivos potencializadores de laser ao náilon durante o processo de moldagem, seja por meio de concentrados de cor ou de materiais pré-compostos. Aditivos especializados projetados para lasers de infravermelho próximo otimizam o contraste da marcação sem afetar as propriedades do material, aumentam a velocidade de marcação (tempo de ciclo mais curto) e apresentam bom custo-benefício.

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Qualidade do feixe de laser: os lasers de fibra de itérbio operam no espectro do infravermelho próximo (NIR), com comprimentos de onda de 1060 a 1070 nm. O fator de qualidade do feixe M2 quantifica a capacidade de foco de um feixe e é fundamental para o desempenho da marcação. O fator M2 de um feixe de laser limita o grau em que o feixe pode ser focalizado para uma determinada divergência, que por sua vez é limitada pela abertura da lente de foco. M2 = 1 representa o feixe de laser gaussiano ideal. Junto com a potência óptica, o fator de qualidade do feixe determina o brilho, ou “radiância”, do feixe de laser. Um fator M2 consistente é mais importante do que o valor em si, pois diferentes aplicações exigem diferentes modos de feixe. Lasers de menor desempenho frequentemente sofrem de falta de consistência, o que gera variações na marcação, na aparência e problemas de funcionalidade. Lasers industriais são superiores aos lasers baratos de revendedores voltados ao público amador. Lasers baratos apresentam qualidade de marcação irregular, além de ópticas e componentes eletrônicos de baixo custo, resultando em variações na qualidade do feixe e marcação inconsistente. Nem todos os lasers são criados da mesma forma.

Marcação a laser, gravação, visão de máquina e Identificação Única de Item (IUID): a norma MIL-STD 130 é útil para gestão de estoque e rastreamento de produtos em diversos setores. A baixa qualidade de marcação é especialmente problemática e onerosa quando códigos de barras 1D e códigos DPM AIM 2D não podem ser verificados e classificados com precisão pela câmera. Os aditivos para laser fazem diferença crucial quando são exigidos alta resolução, qualidade de borda de linha e células de dados pequenas para data matrix e código de barras de marcação direta de peças (DPM). Quanto maior a cadeia de dados, mais condensadas ficam as células de dados. A verificação de Grau “A” (ISO 15415) é frequentemente exigida para produtos militares, aeroespaciais, automotivos e farmacêuticos. A legibilidade de código de alto contraste proporciona benefícios adicionais, como maior velocidade de marcação e a possibilidade de usar leitores portáteis de baixo custo em toda a fábrica.

Perguntas Frequentes sobre Marcação a Laser em Náilon

Por que alguns materiais de náilon produzem uma marcação melhor do que outros? Embora existam muitas teorias sobre os mecanismos envolvidos na marcação a laser de náilons sintéticos, não há uma resposta definitiva. Alguns especialistas acreditam que os náilons se distinguem por seus grupos amida (CONH). Os grupos amida formam espuma mais facilmente, o que se deve em parte ao nitrogênio, enquanto os grupos metileno são mais adequados para a carbonização. No PA12, a estrutura é mais semelhante à do polietileno, com um grupo amida a cada 12 unidades de monômero. Já o PA6 contém um grupo amida a cada seis unidades de monômero. Na prática, isso significa que o PA12 tem menor tendência a formar espuma e maior tendência a produzir marcas escuras do que o PA6. No entanto, existem algumas exceções às observações gerais.

Os engenheiros de projeto de produto devem considerar o desempenho da peça e sua marcabilidade a laser ao selecionar o náilon.

O que são poliamidas de náilon?

As poliamidas, também conhecidas como náilon, são uma classe importante de termoplásticos usados em aplicações de alto desempenho. Consistem em ligações amida, especificamente –CO-NH–. O náilon é sintetizado por meio do processo de policondensação, no qual uma diamina reage com um diácido, ou por meio da polimerização por abertura de anel de lactamas contendo seis, onze ou doze átomos de carbono. Os monômeros de náilon podem ser alifáticos, semiaromáticos ou aromáticos (aramidas) e podem variar em estrutura entre amorfos, semicristalinos e com maior ou menor cristalinidade. Duas das principais poliamidas são a poli(hexametileno adipamida) (náilon 6,6) e a policaprolactama (náilon 6). As poliamidas alifáticas incluem náilon 12, 69, 6-10, 6-12, 46 e 1212. O plástico de engenharia de base biológica conhecido como Náilon 11 é obtido a partir de recursos renováveis, especificamente da mamona.

Os aditivos de fibra de vidro afetam a marcação a laser?

A qualidade da marcação depende do polímero, dos aditivos e corantes, e do processo de moldagem por injeção. Problemas na superfície do polímero moldado que prejudicam a legibilidade podem afetar a segurança, o desempenho e a função do produto. Um exemplo são os aditivos de fibra de vidro. A adição de fibras de vidro pode afetar negativamente os processos de moldagem, o que, por sua vez, prejudica a qualidade da marcação a laser. Os percentuais de carga de fibra de vidro variam, tipicamente entre 10% e 60%. Existem dois tipos de reforço de vidro — fibra curta e fibra longa — cada um com vantagens e desvantagens. As superfícies das peças moldadas precisam ser “ricas em resina” para produzir marcação de alta qualidade, permitindo que a energia do laser interaja com a matriz polimérica. Por outro lado, superfícies ricas em fibra de vidro marcam mal, e o problema piora com teores mais altos de fibra. A fibra de vidro em si não é um bom absorvedor de luz laser no infravermelho próximo (NIR).

Como funcionam os aditivos potencializadores de laser?

Como a maioria dos polímeros tem propriedades de absorção limitadas nesse comprimento de onda (NIR) e não consegue produzir contraste perceptível, os especialistas utilizam uma variedade de aditivos, cargas, pigmentos e corantes para aumentar a absorção e obter alta qualidade de contraste. Os aditivos aumentam o grau de contraste de cor (absorção da luz laser), o que é ainda mais potencializado pela seleção adequada do laser e dos parâmetros de marcação. Ao contrário do que muitos acreditam, não existe um único aditivo universal.

Alguns aditivos contêm misturas de óxido de estanho dopado com antimônio e trióxido de antimônio, o que pode fazer com que a opacidade natural (sem cor) do substrato pareça “acinzentada”. Outros aditivos podem conter partículas de alumínio, óxidos metálicos mistos ou compostos proprietários. Os ajustes de cor são feitos com pigmentos e corantes para obter a aparência de combinação de cor desejada. Aditivos específicos foram aprovados pela FDA para uso em contato com alimentos e embalagens alimentícias sob as condições A-H da norma 21 CFR 178.3297 Colorants for Polymers.

Os compostos aditivos para laser estão disponíveis na forma de grânulos (pellets) e pó. Os produtos granulados são misturados diretamente com a resina polimérica, enquanto as formas em pó são convertidas em masterbatch. O nível de concentração de carga em peso (na peça final) geralmente varia entre 0,01% e 3,0%. Para obter o melhor contraste de cor, os aditivos para laser precisam ser distribuídos/dispersos de forma uniforme em toda a peça.

Quais são os tipos de mecanismos de marcação a laser em polímeros?

Os plásticos marcáveis a laser se caracterizam por sua capacidade de absorver a luz do laser e convertê-la em energia térmica na faixa do infravermelho próximo (NIR), com comprimentos de onda entre 1060 e 1070 nm. Três tipos comuns de lasers são o de fibra de itérbio (MOPA e pulso fixo), o de vanadato (Nd:YVO4) e o Nd:YAG. Dependendo do tipo de laser e do contraste de marcação desejado, diversas reações químicas podem ser usadas para produzir reações de superfície, como carbonização, formação de espuma por alteração química e mudança de cor. A qualidade da marcação depende da energia absorvida e do caminho único de degradação térmica de cada material. Cada grau de polímero, mesmo dentro da mesma família polimérica, pode produzir resultados diferentes. O mesmo laser pode realizar todas as reações de superfície ajustando as configurações no software de marcação (potência, taxa de repetição de pulso e velocidade de marcação). Os lasers de CO2 de onda contínua (CW) têm comprimento de onda de 10,6 mícrons (espectro do infravermelho distante). Os lasers de CO2 CW têm menor potência de pico e não conseguem produzir marcações de alto contraste em plásticos.

Qual é a diferença entre lasers de fibra e lasers com entrega por fibra?

Os lasers de fibra de itérbio de nanossegundos estão entre os avanços mais significativos para marcação, soldagem e corte. Fundamentalmente, os lasers de fibra são diferentes de outros lasers de marcação de estado sólido bombeados por diodo (DPSS). Nos lasers de fibra, o meio ativo que gera o feixe de laser está disperso dentro de um cabo de fibra óptica especializado. Diferentemente dos lasers com entrega por fibra, todo o percurso do feixe permanece dentro de um cabo de fibra óptica até chegar à óptica de entrega do feixe. Essa estrutura totalmente em fibra é, em grande parte, responsável pela confiabilidade e robustez desses lasers, o que explica seu rápido crescimento.

Como a taxa de repetição de pulso e a potência de pico afetam a marcação?

A taxa de repetição de pulso e a densidade de potência de pico são parâmetros críticos para a formação da marca e para obter o contraste e a velocidade ideais. Uma alta potência de pico em baixa frequência aumenta rapidamente a temperatura da superfície, vaporizando o material com condução mínima de calor para o substrato. Conforme a taxa de repetição de pulso aumenta, uma potência de pico menor produz vaporização mínima, mas conduz mais calor. As curvas de potência versus taxa de repetição de pulso são inversamente proporcionais. Outros fatores que contribuem, como a velocidade do feixe de marcação e a distância de separação entre linhas vetoriais, determinam o contraste e a qualidade da marcação. Ao ajustar e controlar cuidadosamente esses parâmetros, a marcação a laser pode ser usada para criar marcas precisas e de alta qualidade em diversos materiais plásticos. É um equilíbrio que depende das propriedades do material, da profundidade de marca desejada e da velocidade de marcação exigida. A adição de absorvedores de laser ao plástico amplia consideravelmente a gama de materiais plásticos marcáveis, melhora a qualidade da marca e expande a janela de processo para garantir a consistência da marcação.

O que é irradiância do laser?

Irradiância do laser: a irradiância é a potência do laser por unidade de área, medida em watts por centímetro quadrado (W/cm2). É, essencialmente, a intensidade do feixe de laser, que é função do tamanho do ponto focalizado. Para uma determinada lente de distância focal e comprimento de onda do laser, o tamanho do ponto focalizado é função da divergência do feixe de laser. Um tamanho de ponto maior resulta em menor densidade de energia. Uma irradiância alta pode levar ao aquecimento rápido e à vaporização do material, enquanto uma irradiância baixa pode não criar nenhuma marca visível. A irradiância afeta a velocidade e a qualidade do processo de marcação. Uma irradiância alta pode resultar em marcação mais rápida, já que o material é aquecido e vaporizado rapidamente. No entanto, se a irradiância for excessiva, pode causar danos ao material, como rachaduras ou queima excessiva. Por outro lado, uma irradiância baixa pode resultar em velocidade de marcação lenta ou na ausência de marca visível.

A intensidade é influenciada por:

• Frequência de pulso (Hz, kHz) — taxa de repetição de pulso
• Potência do laser (watt) — diferente da densidade de potência W/cm2
• Tamanho do ponto focal — também chamado de diâmetro focal
• Largura de pulso — o intervalo de tempo entre o início e o fim de um impulso, medido em nanossegundos, picossegundos ou femtossegundos. É um fator de controle da densidade de energia e é essencial para a otimização do processo. O ajuste da duração do pulso em lasers MOPA é mais flexível do que em lasers de fibra Q-switched (pulso fixo).

O que é fluência do laser?

Fluência do laser: a fluência é uma medida da energia do laser por unidade de área. Geralmente é medida em joules por centímetro quadrado (J/cm2). A fluência determina a quantidade de energia transferida para a superfície do material. Se a fluência for muito baixa, o material pode não ser afetado. Se for muito alta, o material pode sofrer danos excessivos, além do efeito de marcação desejado. A fluência deve estar em um nível adequado para o material específico que está sendo marcado. Alguns materiais podem exigir maior fluência para absorver energia suficiente para uma marca visível, enquanto outros podem exigir menor fluência para evitar danos. A profundidade da marca também pode ser influenciada pela fluência; em geral, uma fluência maior resulta em marcas mais profundas.

A fluência é influenciada por:

• Intensidade do feixe
• Velocidade do scanner
• Sobreposição de pulso
• Diâmetro do feixe focalizado

Quais são as vantagens do laser de fibra MOPA em relação ao Q-switch de pulso fixo?

O surgimento dos lasers de fibra de itérbio de nanossegundos com design MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) é um dos avanços mais significativos na marcação a laser de plásticos. Esse design, que vem transformando o setor, fornece energia pulsada de forma diferente das cavidades tradicionais de espelho/Q-switch. O design utiliza “formas de onda” como ferramenta do laser para processamento rápido e controle preciso do pulso. O Gráfico 1 mostra os 40 pulsos de forma de onda de cores diferentes dos lasers de fibra MOPA TRUMPF TruPulse Nano. Cada cor no gráfico representa uma forma de onda de pulso MOPA distinta, que pode ser usada para equilibrar a fluência e a irradiância e otimizar os resultados da marcação em plásticos. Como ocorre com muitas tecnologias concorrentes, frequentemente há confusão e representações equivocadas não intencionais de terminologias importantes e de fatores distintivos.

Um laser de fibra MOPA, conforme mostrado no Diagrama 1, amplifica um diodo laser modulado de baixa potência e qualidade de telecomunicações para produzir pulsos de laser precisos e de alta potência. Ao utilizar um gerador de pulso interno para modular o diodo de baixa potência, o laser pode definir, manter ou ajustar seletivamente a largura de pulso e a energia de pulso resultante em uma ampla faixa de taxa de modulação de pulso.

Diagrama 1. Design do amplificador de fibra GTWave da Trumpf para qualidade de feixe M2 consistente

Essa arquitetura efetivamente desacopla os parâmetros do laser em comparação com o Q-switched e proporciona maior otimização e repetibilidade do processo, resultando em marcações melhores e mais consistentes. Os designs padrão de laser de fibra MOPA podem apresentar problemas de variação de qualidade de feixe (M2) semelhantes aos dos lasers de fibra Q-switched. A TRUMPF, fabricante líder de lasers de fibra, oferece um design patenteado de amplificador de fibra GTWave de dois estágios que mantém o M2 consistente em toda a sua faixa especificada de taxa de repetição de pulso. Ao contrário dos lasers de fibra MOPA, um laser de fibra Q-switched ativo funciona interrompendo o ganho na cavidade do laser, permitindo o acúmulo de ganho no amplificador e a emissão de pulsos de laser de alta potência quando a interrupção é removida. Os principais parâmetros dos lasers de fibra Q-switched são fortemente interdependentes.

A corrente do diodo pode ser aumentada ou diminuída para alterar a potência de saída. Aumentar a taxa de repetição de pulso deveria aumentar a potência média; no entanto, isso não ocorre nos lasers de fibra Q-switched, pois a potência do pulso diminui. O Gráfico 2 mostra a potência e as taxas de repetição em função do tempo. O M2 (qualidade do feixe) em lasers de fibra Q-switched pode variar consideravelmente com qualquer alteração na potência do laser e na taxa de repetição de pulso. Uma variação do M2 entre 1,1 e 1,5 resulta em uma mudança de 2x na densidade de potência focalizada, o que pode alterar drasticamente a qualidade da marcação em plásticos.

Diagrama 2. Laser de fibra Q-switched ativo

Aplicações da marcação a laser em náilon

Os plásticos de náilon têm uma ampla gama de aplicações, incluindo armas de fogo, automotivo, elétrico e eletrônico, industrial, bens de consumo e óleo e gás. As cores de contraste mais populares e desafiadoras são o branco opaco sobre preto, o preto intenso sobre branco e o branco opaco sobre azul médio.

Contraste de marcação a laser preto intenso. Novo aditivo em conformidade com a FDA. Não contém óxido/trióxido de estanho-antimônio (metal pesado). Ideal para uso em animais.

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