Marcado láser de nylon con láser de fibra: guía técnica

Cómo realizar marcado láser y grabado láser en plásticos de nylon (poliamida) con láser de fibra

Resumen

Los usuarios de láseres de fibra tienen dificultades para marcar o grabar nylon. La clave para lograr un contraste de marcado de alta calidad es incorporar aditivos potenciadores para marcado láser en el material de nylon durante el proceso de moldeo, ya sea mediante concentrado de color o materiales precompuestos. Los beneficios del marcado láser de nylon han transformado muchas industrias, incluida la de armas de fuego, al permitir la identificación única de piezas, códigos data matrix y QR, y la personalización.

Puntos clave

• El nylon sin modificar se marca mal. La poliamida absorbe poca energía a 1060–1070 nm, por lo que el contraste depende de los aditivos para marcado láser.
• Las mejores combinaciones de contraste son blanco opaco sobre negro, negro intenso sobre blanco y blanco opaco sobre azul medio.
• Los láseres de fibra de iterbio MOPA son la herramienta adecuada; los anchos de pulso por debajo de unos 90 ns son los indicados para plásticos.
• La carga va de 0.01 a 3.0 % en peso, y la dispersión uniforme en toda la pieza es lo que hace repetible el contraste.
• El nylon reforzado con fibra de vidrio es aún más difícil: las superficies ricas en fibra se marcan mal, por lo que resultan indispensables las superficies ricas en resina.

Los plásticos de nylon tienen una amplia gama de aplicaciones, entre ellas armas de fuego, automotriz, eléctrica y electrónica, industrial, consumibles, y petróleo y gas. Sin embargo, la variabilidad de las propiedades físicas, químicas y de superficie del nylon (poliamida), en particular de los nylons reforzados con fibra de vidrio, hace que el marcado láser y el grabado láser sean un reto. Los colores de contraste más populares son blanco opaco sobre negro, negro intenso sobre blanco y blanco opaco sobre azul medio. Cuando los aditivos para marcado láser se combinan con los pigmentos y colorantes adecuados, producen una calidad de marcado superior a bajo costo. Los aditivos para marcado láser se utilizan en una variedad de plásticos, incluidos ABS, acetal, PET, PVC, policarbonato, polipropileno y polietileno.

Poliamidas de nylon

Las poliamidas, también conocidas como nylon, son una clase destacada de termoplásticos empleados en aplicaciones de alto desempeño. Están constituidas por enlaces amida, específicamente –CO-NH–. El nylon se sintetiza mediante policondensación, en la que una diamina reacciona con un diácido, o mediante polimerización por apertura de anillo de lactamas que contienen seis, once o doce átomos de carbono. Los monómeros de nylon pueden ser alifáticos, semiaromáticos o aromáticos (aramidas) y su estructura puede ir de amorfa a semicristalina, con mayor o menor cristalinidad. Dos poliamidas principales son la poli(hexametilén adipamida) (nylon 6,6) y la policaprolactama (nylon 6). Entre las poliamidas alifáticas se encuentran el nylon 12, 69, 6-10, 6-12, 46 y 1212. El plástico de ingeniería de base biológica conocido como nylon 11 se obtiene de recursos renovables, específicamente de la planta de ricino.

Mecanismos superficiales del marcado láser

Los plásticos marcables con láser se caracterizan por su capacidad de absorber la luz láser y convertirla después en energía térmica dentro del rango de longitudes de onda del infrarrojo cercano (NIR), entre 1060 nm y 1070 nm. Tres tipos comunes de láser son el de fibra de iterbio (MOPA y de pulso fijo), el de vanadato (Nd:YVO4) y el Nd:YAG. Según el tipo de láser y el contraste de marcado deseado, pueden emplearse diversas químicas para producir reacciones superficiales como la carbonización por chamuscado, el espumado por cambio químico y el cambio de color. Un mismo láser puede producir todas las reacciones superficiales ajustando la configuración en el software de marcado (potencia, frecuencia de repetición de pulso y velocidad de marcado). Los láseres CO₂ de onda continua (CW) tienen una longitud de onda de 10.6 micras (espectro infrarrojo lejano). Los láseres CO₂ CW tienen menor potencia pico y no pueden producir marcas de alto contraste sobre plásticos.

Aditivos para marcado láser

Dado que la mayoría de los polímeros tienen propiedades de absorción limitadas en esta longitud de onda (NIR) y no logran producir un contraste perceptible, los expertos recurren a diversos aditivos, cargas, pigmentos y colorantes para aumentar la absorción y alcanzar una alta calidad de contraste. Los aditivos incrementan el grado de contraste de color (absorción de la luz láser), que se potencia aún más con la selección óptima del láser y de los parámetros de marcado. A diferencia de lo que se cree comúnmente, no existe un aditivo universal único.

Algunos aditivos contienen mezclas de óxido de estaño dopado con antimonio y trióxido de antimonio, que pueden hacer que la opacidad del sustrato natural (sin colorear) se vea “grisácea”. Otros aditivos pueden contener partículas de aluminio, óxidos metálicos mixtos o compuestos patentados. Los ajustes de color se realizan con pigmentos y colorantes para lograr la igualación de color deseada. Ciertos aditivos han sido aprobados por la FDA para uso en contacto con alimentos y en empaque de alimentos bajo las condiciones A-H de 21 CFR 178.3297, Colorants for Polymers.

Los compuestos de aditivos para marcado láser están disponibles en forma de granulado en pellet y en polvo. Los productos granulados se mezclan directamente con la resina polimérica, mientras que las formas en polvo se convierten en masterbatch (concentrado de color). El nivel de concentración de carga en peso (en la pieza final) suele situarse entre 0.01 y 3.0 %. Para lograr el mejor contraste de color, los aditivos para marcado láser deben distribuirse/dispersarse de manera uniforme en toda la pieza.

Láseres de fibra

Los láseres de fibra de iterbio de nanosegundos (MOPA y de pulso fijo) son ideales para el marcado láser, el grabado láser y el grabado químico láser (etching) de plásticos debido a su calidad de haz superior (M2) y a su alto brillo o “radiancia”. Pueden enfocarse a un tamaño de punto pequeño (menor a 20 micras), lo que da como resultado una alta densidad de energía. Una ventaja significativa de usar láseres MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) es la capacidad de ajustar con precisión el ancho de pulso. Un ancho de pulso bajo, típicamente menor a 90 nanosegundos, es ideal para marcar materiales plásticos.

La irradiancia láser (W/cm2) y la fluencia (J/cm2) son parámetros importantes en el marcado de plásticos. La intensidad está influida por la frecuencia de pulso, la potencia del láser, el tamaño del punto focal y el ancho de pulso. La fluencia está influida por la intensidad del haz, la velocidad de barrido, el traslape de pulsos y el diámetro del haz enfocado. La frecuencia de repetición de pulso y la densidad de potencia pico son parámetros críticos para formar la marca y alcanzar el contraste y la velocidad óptimos. Una potencia pico alta a baja frecuencia eleva rápidamente la temperatura de la superficie y vaporiza el material, conduciendo un mínimo de calor hacia el sustrato. A medida que aumenta la repetición de pulsos, una potencia pico menor produce una vaporización mínima pero conduce más calor. Las curvas aritméticas de potencia contra frecuencia de repetición de pulso son inversamente proporcionales.

Preguntas frecuentes

¿Por qué mi láser de fibra no marca el nylon con claridad?

La poliamida tiene una absorción limitada en la banda del infrarrojo cercano en la que operan los láseres de fibra de iterbio, por lo que la mayor parte de la energía no se convierte en la reacción térmica que forma la marca. La solución es un aditivo potenciador para marcado láser compuesto dentro del material, no más potencia de láser.

¿Qué aditivos se usan para el marcado láser de nylon?

Son comunes las mezclas de óxido de estaño dopado con antimonio y trióxido de antimonio, aunque pueden dar a los sustratos sin colorear un tono grisáceo. Otros emplean partículas de aluminio, óxidos metálicos mixtos o compuestos patentados, con pigmentos y colorantes agregados para lograr la igualación de color final.

¿Se puede usar nylon con marcado láser en piezas en contacto con alimentos?

Sí, con el aditivo correcto. Ciertos aditivos están aprobados por la FDA para contacto con alimentos y empaque de alimentos bajo las condiciones A–H de 21 CFR 178.3297, Colorants for Polymers. Confirme que la aprobación cubra su grado y su nivel de carga.

¿Qué ancho de pulso debo usar en nylon?

Pulsos cortos. En un láser MOPA, los anchos por debajo de aproximadamente 90 nanosegundos son adecuados para plásticos: entregan una potencia pico alta que eleva rápidamente la temperatura de la superficie mientras conduce un mínimo de calor hacia el sustrato.

¿Por qué el nylon reforzado con fibra de vidrio es más difícil de marcar que el nylon sin refuerzo?

Las fibras de vidrio no absorben el infrarrojo cercano y dispersan el haz, por lo que las superficies ricas en fibra se marcan de forma débil e inconsistente. El moldeo debe ajustarse para producir superficies ricas en resina. Consulte la emergencia de fibra de vidrio y el marcado láser.

Scott R. Sabreen es fundador y presidente de The Sabreen Group, Inc., una empresa de ingeniería especializada en procesos de transformación secundaria de plásticos: pretratamiento de superficies, pegado, decoración y acabado, marcado láser y seguridad del producto. Ha desarrollado nuevas tecnologías y resuelto problemas de manufactura durante más de 30 años. Puede contactar a Sabreen al 972.820.6777 o visitando www.sabreen.com o www.adhesionbonding.com.

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