Marcação a laser de PPS com laser de fibra

Marcação a laser de PPS (sulfeto de polifenileno) com lasers de fibra

Resumo

A marcação e a gravação a laser em PPS (sulfeto de polifenileno) são muito difíceis porque o material suporta altas temperaturas quando aquecido pelo laser. Avanços recentes em tecnologia de corantes, negros de fumo específicos para laser e lasers de fibra permitem marcações de alto contraste, em tom claro e resistentes a riscos em PPS preto reforçado com fibra de vidro, com certificação Yellow Card. Esse avanço significativo viabiliza a marcação e a micromarcação de códigos Data Matrix, códigos de barras, códigos QR e identificação única de peças em diversos setores, incluindo automotivo, eletrônicos aeroespaciais/NASA MIL, bombas e válvulas, eletrodomésticos e outros. A configuração e a óptica dos lasers de fibra de itérbio exigem precisão para obter marcações robustas e resistentes a riscos.

Principais conclusões

• O PPS resiste à marcação porque resiste ao calor. A estabilidade em altas temperaturas torna difícil desencadear as reações superficiais que formam o contraste.
• Lasers de fibra de itérbio MOPA são a escolha correta, com durações de pulso de 20–40 ns e frequência de pulso acima de 100 kHz.
• O controle da temperatura da superfície define a resistência a riscos. Com os tempos de subida e descida errados, a marcação sai por atrito.
• Superfícies ricas em resina são obrigatórias. A emergência de vidro em PPS com 30–40% de fibra de vidro produz marcações inferiores.
• Molde a 275–300°F ou acima para obter cristalinidade plena; caso contrário, a peça sofre alterações dimensionais em serviço.

Marcação a laser otimizada. Para criar marcações resistentes a riscos, de alto contraste e em tom claro sobre PPS preto reforçado com fibra de vidro, os lasers de fibra de itérbio MOPA são a melhor escolha, porque permitem controlar com precisão a largura do pulso e a densidade de potência focalizada. Essa precisão possibilita um controle melhor do processo de espumação química da superfície em um comprimento de onda no infravermelho próximo de 1060-1070nm. A melhor duração de pulso fica entre 20 e 40 nanossegundos, com frequência de pulso acima de 100 quilohertz. Uma configuração precisa do laser é necessária para controlar a temperatura da superfície (tempos de subida e descida); caso contrário, a marcação pode ser facilmente removida por riscos.

Obter marcação a laser de alta qualidade em polímeros reforçados com fibra de vidro, incluindo o PPS, exige moldagem por injeção robusta e boa dispersão/distribuição de corantes otimizados para laser e de materiais pré-compostos. A adição de fibras de vidro pode afetar negativamente os processos de moldagem, o que, por sua vez, compromete a qualidade da marcação a laser. Superfícies de peça ricas em resina são necessárias para uma marcação robusta. Superfícies ricas em fibra de vidro produzem resultados de marcação inferiores.

Sulfeto de polifenileno (PPS)

O sulfeto de polifenileno (PPS) é um termoplástico de engenharia semicristalino para altas temperaturas. No setor, o PPS é conhecido como O plástico que se comporta como metal. As propriedades do PPS, assim como as de outros plásticos de alto desempenho para altas temperaturas, incluindo PEEK e LCP, dependem de seu comportamento de cristalização. São comercializadas duas formas distintas de PPS: estrutura molecular “ramificada” e “linear”. Entre as marcas mais conhecidas estão Celanese Fortron®, Solvay Ryton®, SABIC Supec, Toray Torelina e DIC PPS. A versão ramificada tende a ser mais rígida. A linear costuma oferecer melhor resistência mecânica e à flexão, além de maior estabilidade do fundido. O PPS linear também apresenta menos impurezas iônicas. Cargas de fibra de vidro (30 por cento e 40 por cento) e misturas de fibra de vidro/mineral adicionadas ao PPS padrão permitem aplicações especializadas e exigentes. Fabricantes de eletrônicos costumam escolher PPS com 40 por cento de fibra de vidro para produtos de isolamento e conectores.

Para atingir o estado totalmente cristalino, são necessárias temperaturas de molde de pelo menos 275 a 300 graus Fahrenheit. Quando o PPS é moldado abaixo de 275 graus Fahrenheit, as peças moldadas ficam amorfas, ou semicristalinas, e permanecem nesse estado até serem expostas a temperaturas de serviço mais altas. Se a temperatura de serviço exceder a temperatura de moldagem, as peças se tornarão mais cristalinas, resultando em alterações dimensionais e de propriedades.

Os materiais usados na fabricação da fibra de vidro são sílica, calcário e barrilha (carbonato de sódio). A sílica é a matéria-prima principal para formar o vidro, enquanto a barrilha e o calcário reduzem a temperatura de fusão. A “emergência de vidro” (glass emergence) é um defeito superficial sério que afeta com frequência produtos moldados por injeção reforçados com fibra de vidro. A exposição das fibras de vidro cria uma superfície rica em fibra de vidro. O excesso de vidro se forma na superfície durante o preenchimento com o plástico fundido e a moldagem. Após a condensação e a moldagem, surgem marcas brancas na superfície. As superfícies das peças moldadas precisam ser “ricas em resina” para produzir marcação de alta qualidade, na qual a energia do laser interage com a matriz polimérica. Por outro lado, superfícies ricas em fibra de vidro marcam mal, e o problema piora com maior teor de fibra. A própria fibra de vidro não é uma boa absorvedora de luz laser no infravermelho próximo (NIR).

Lasers de fibra industriais

Os lasers de fibra de itérbio de nanossegundos (MOPA e de pulso fixo) são ideais para marcação, gravação e gravação química (etching) de plásticos devido à sua qualidade de feixe superior (M2) e ao alto brilho (“radiância”). Eles conseguem focalizar em um ponto muito pequeno (menos de 20 mícrons), resultando em alta densidade de energia. Uma vantagem significativa do uso de lasers MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) é a capacidade de ajustar finamente a largura do pulso. A irradiância do laser (W/cm2) e a fluência (J/cm2) são parâmetros importantes na marcação de plásticos. A irradiância é essencialmente a intensidade do feixe laser, que é função do tamanho do ponto focal. A fluência determina a quantidade de energia transferida para a superfície do material. Se a fluência for baixa demais, o material pode não ser afetado. Se for alta demais, o material pode ser danificado excessivamente, além do efeito de marcação desejado.

A taxa de repetição de pulsos do laser e a densidade de potência de pico são críticas para formar a marca e obter o contraste e a velocidade ideais. As curvas aritméticas de potência versus taxa de repetição de pulsos são inversamente proporcionais. Alta potência de pico em baixa frequência eleva rapidamente a temperatura da superfície, vaporizando o material e conduzindo um mínimo de calor para o substrato. À medida que a repetição de pulsos aumenta, a menor potência de pico produz vaporização mínima, porém conduz mais calor.

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Perguntas frequentes

Por que o PPS é tão difícil de marcar a laser?

O PPS é um termoplástico semicristalino de alta temperatura que suporta o calor aplicado pelo laser, de modo que as reações de carbonização e espumação que criam contraste nos plásticos comuns são muito mais difíceis de desencadear. A carga de fibra de vidro, comum em peças de PPS, agrava o problema.

Quais parâmetros de laser produzem marcações resistentes a riscos em PPS preto reforçado com fibra de vidro?

Um laser de fibra de itérbio MOPA com duração de pulso entre 20 e 40 nanossegundos e frequência de pulso acima de 100 kHz. A configuração precisa é o que controla os tempos de subida e descida da temperatura da superfície; sem esse controle, a marcação sai facilmente com riscos.

O teor de fibra de vidro afeta a qualidade da marcação no PPS?

Consideravelmente. A fibra de vidro não absorve o infravermelho próximo, portanto superfícies ricas em vidro marcam mal e o problema piora conforme o teor de fibra aumenta. Conectores eletrônicos usam com frequência PPS com 40% de fibra de vidro, o que torna a formação de uma superfície rica em resina uma prioridade na moldagem.

Qual temperatura de molde o PPS exige?

No mínimo 275 a 300°F para atingir o estado totalmente cristalino. Moldadas abaixo disso, as peças permanecem amorfas ou semicristalinas e cristalizam mais tarde se a temperatura de serviço exceder a temperatura de moldagem, causando alterações dimensionais e de propriedades.

Qual é a diferença entre PPS linear e ramificado?

O PPS ramificado tende a ser mais rígido. O PPS linear geralmente oferece melhor resistência mecânica e à flexão, maior estabilidade do fundido e menos impurezas iônicas.

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. Você pode entrar em contato com Sabreen pelo telefone 972.820.6777 ou pelos sites www.sabreen.com e https://sabreen.com/solutions/plastics-laser-marking/

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