Marcação a laser de náilon (poliamida) com laser de fibra

Como fazer marcação e gravação a laser de plásticos de náilon (poliamida) com lasers de fibra

Resumo

Usuários de lasers de fibra têm dificuldade para marcar ou gravar náilon. A chave para obter alto contraste de marcação é incorporar aditivos potencializadores de laser ao material de náilon durante o processo de moldagem, seja usando concentrado de cor, seja usando materiais pré-compostos. Os benefícios da marcação a laser de náilon transformaram muitos setores, incluindo o de armas de fogo, ao permitir a identificação única de peças, códigos Data Matrix e QR e a personalização.

Principais conclusões

• O náilon não modificado marca mal. A poliamida absorve pouca energia entre 1060 e 1070 nm, portanto o contraste depende de aditivos para marcação a laser.
• As melhores combinações de contraste são branco opaco sobre preto, preto intenso sobre branco e branco opaco sobre azul médio.
• Lasers de fibra de itérbio MOPA são a ferramenta certa; larguras de pulso abaixo de cerca de 90 ns são adequadas para plásticos.
• A concentração de carga fica entre 0,01% e 3,0% em peso, e é a dispersão uniforme por toda a peça que torna o contraste repetível.
• O náilon reforçado com fibra de vidro é ainda mais difícil: superfícies ricas em fibra marcam mal, por isso superfícies ricas em resina são essenciais.

Os plásticos de náilon têm uma ampla gama de aplicações, incluindo armas de fogo, automotivo, elétrico e eletrônicos, industrial, consumíveis e óleo e gás. No entanto, as variações nas propriedades físicas, químicas e de superfície do náilon (poliamida), especialmente dos náilons reforçados com fibra de vidro, tornam a marcação e a gravação a laser desafiadoras. As cores de contraste mais populares são branco opaco sobre preto, preto intenso sobre branco e branco opaco sobre azul médio. Quando os aditivos para marcação a laser são combinados com os pigmentos e corantes adequados, produzem qualidade de marcação superior a baixo custo. Os aditivos para marcação a laser são usados em diversos plásticos, incluindo ABS, acetal (POM), PET, PVC, policarbonato, polipropileno e polietileno.

Náilon (poliamidas)

As poliamidas, também conhecidas como náilon, são uma classe importante de termoplásticos usada em aplicações de alto desempenho. São formadas por ligações amida, especificamente –CO-NH–. O náilon é sintetizado pelo processo de policondensação, no qual uma diamina reage com um diácido, ou pela polimerização por abertura de anel de lactamas com seis, onze ou doze átomos de carbono. Os monômeros de náilon podem ser alifáticos, semiaromáticos ou aromáticos (aramidas) e sua estrutura pode variar de amorfa a semicristalina, com maior ou menor grau de cristalinidade. Duas poliamidas principais são a poli(hexametileno adipamida) (náilon 6,6) e a policaprolactama (náilon 6). Entre as poliamidas alifáticas estão os náilons 12, 69, 6-10, 6-12, 46 e 1212. O plástico de engenharia de base biológica conhecido como náilon 11 é obtido de fontes renováveis, especificamente da mamona.

Mecanismos de superfície na marcação a laser

Os plásticos marcáveis a laser caracterizam-se pela 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 nm e 1070 nm. Três tipos comuns de laser 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, diferentes químicas podem ser usadas para produzir reações de superfície como carbonização, espumação por alteração química e mudança de cor. O mesmo laser pode realizar todas essas reações de superfície ajustando-se os parâmetros no software de marcação (potência, taxa de repetição de pulso e velocidade de marcação). Lasers de CO2 de onda contínua (CW) têm comprimento de onda de 10,6 mícrons (espectro do infravermelho distante). Lasers de CO2 CW têm menor potência de pico e não conseguem produzir marcações de alto contraste em plásticos.

Aditivos para marcação a laser

Como a maioria dos polímeros tem absorção limitada nesse comprimento de onda (NIR) e não consegue produzir contraste perceptível, os especialistas usam diversos aditivos, cargas, pigmentos e corantes para aumentar a absorção e obter alta qualidade de contraste. Os aditivos elevam o grau de contraste de cor (absorção da luz do laser), que é ainda mais reforçado pela escolha ideal do laser e dos parâmetros de marcação. Ao contrário do que se costuma acreditar, não existe um único aditivo universal.

Alguns aditivos contêm misturas de óxido de estanho dopado com antimônio e trióxido de antimônio, que podem fazer com que a opacidade do substrato natural (sem coloração) 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 alcançar a correspondência de cor desejada. Aditivos específicos foram aprovados pela FDA para uso em contato com alimentos e em embalagens de alimentos sob as condições A-H do 21 CFR 178.3297, Colorants for Polymers.

Os compostos de aditivos para marcação a laser estão disponíveis nas formas de granulado (pellets) e de pó. Os produtos granulados são misturados diretamente à resina polimérica, enquanto as formas em pó são convertidas em masterbatch. O nível de concentração em peso (na peça final) normalmente fica entre 0,01% e 3,0%. Para obter o melhor contraste de cor, os aditivos para marcação a laser devem ser distribuídos/dispersos uniformemente por toda a peça.

Lasers de fibra

Os lasers de fibra de itérbio de nanossegundos (MOPA e pulso fixo) são ideais para marcação, gravação e gravação química a laser (etching) de plásticos, graças à qualidade de feixe superior (M2) e ao alto brilho (“radiância”). Eles podem focalizar em um diâmetro de spot pequeno (menos de 20 mícrons), o que resulta em alta densidade de energia. Uma vantagem importante dos lasers MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) é a possibilidade de ajustar com precisão a largura de pulso. Larguras de pulso baixas, normalmente inferiores a 90 nanossegundos, são ideais para a marcação de materiais plásticos.

A irradiância do laser (W/cm2) e a fluência (J/cm2) são parâmetros importantes na marcação de plásticos. A intensidade é influenciada pela frequência de pulso, pela potência do laser, pelo diâmetro do spot focal e pela largura de pulso. A fluência é influenciada pela intensidade do feixe, pela velocidade de varredura, pela sobreposição de pulsos e pelo diâmetro do feixe no foco. 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. Alta potência de pico em baixa frequência eleva rapidamente a temperatura da superfície, vaporizando o material e conduzindo o mínimo de calor para o substrato. À medida que a taxa de repetição de pulso aumenta, uma potência de pico menor produz vaporização mínima, mas conduz mais calor. As curvas aritméticas de potência versus taxa de repetição de pulso são inversamente proporcionais.

Perguntas frequentes

Por que meu laser de fibra não marca o náilon com nitidez?

A poliamida tem absorção limitada na faixa do infravermelho próximo em que operam os lasers de fibra de itérbio, de modo que a maior parte da energia não se converte na reação térmica que forma a marca. A solução é um aditivo potencializador de laser composto no material, e não mais potência de laser.

Quais aditivos são usados na marcação a laser de náilon?

Misturas de óxido de estanho dopado com antimônio e trióxido de antimônio são comuns, embora possam dar um tom acinzentado a substratos sem coloração. Outras opções usam partículas de alumínio, óxidos metálicos mistos ou compostos proprietários, com pigmentos e corantes adicionados para atingir a correspondência de cor final.

O náilon marcado a laser pode ser usado em peças com contato com alimentos?

Sim, com o aditivo correto. Aditivos específicos são aprovados pela FDA para contato com alimentos e embalagens de alimentos sob as condições A–H do 21 CFR 178.3297, Colorants for Polymers. Confirme se a aprovação abrange o grade específico do seu material e o nível de carga utilizado.

Qual largura de pulso devo usar no náilon?

Pulsos curtos. Em um laser MOPA, larguras abaixo de cerca de 90 nanossegundos são adequadas para plásticos, entregando alta potência de pico, que eleva rapidamente a temperatura da superfície enquanto conduz o mínimo de calor para o substrato.

Por que o náilon reforçado com fibra de vidro é mais difícil de marcar do que o não reforçado?

As fibras de vidro não absorvem o infravermelho próximo e espalham o feixe, portanto superfícies ricas em fibra marcam de forma fraca e inconsistente. A moldagem precisa ser ajustada para produzir superfícies ricas em resina. Veja afloramento de fibra de vidro e marcação a laser.

Scott R. Sabreen é fundador e presidente da The Sabreen Group, Inc., uma empresa de engenharia especializada em processos de transformação secundária de plásticos – pré-tratamentos de superfície, colagem, decoração e acabamento, marcação a laser e segurança de produtos. Ele desenvolve novas tecnologias e resolve problemas de fabricação há mais de 30 anos. Entre em contato com Sabreen pelo telefone 972.820.6777 ou visite www.sabreen.com ou www.adhesionbonding.com.

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