Marcatura laser del PPS con laser a fibra

Marcatura laser del PPS (polisolfuro di fenilene) con laser a fibra

Sintesi

La marcatura e l'incisione del PPS (polisolfuro di fenilene) sono molto difficili perché il materiale resiste alle alte temperature generate dal riscaldamento laser. I recenti progressi nella tecnologia dei coloranti, nei neri di carbonio specifici per laser e nei laser a fibra consentono di ottenere marcature ad alto contrasto, di colore chiaro e resistenti al graffio su PPS nero caricato con fibra di vetro, con certificazione Yellow Card. Questo importante progresso rende possibili la marcatura e la micro-marcatura di data matrix, codici a barre, codici QR e identificativi univoci dei componenti in numerosi settori, tra cui automotive, elettronica aerospaziale/NASA MIL, pompe e valvole, elettrodomestici e altro ancora. La configurazione e l'ottica dei laser a fibra di itterbio richiedono precisione per ottenere marcature robuste e resistenti al graffio.

Punti chiave

• Il PPS resiste alla marcatura perché resiste al calore: la stabilità alle alte temperature rende difficile innescare le reazioni superficiali che generano il contrasto.
• I laser a fibra di itterbio MOPA sono la scelta corretta, con durate d'impulso di 20–40 ns e frequenza d'impulso superiore a 100 kHz.
• Il controllo della temperatura superficiale determina la resistenza al graffio: se i tempi di salita e di discesa non sono corretti, la marcatura si asporta per sfregamento.
• Le superfici ricche di resina sono indispensabili: l'affioramento del vetro sul PPS caricato al 30–40% di fibra di vetro produce marcature di qualità inferiore.
• Stampare a 275–300°F o a temperature superiori per ottenere la piena cristallinità, altrimenti il componente subisce variazioni dimensionali in esercizio.

Marcatura laser ottimale. Per creare marcature resistenti al graffio, ad alto contrasto e di colore chiaro su PPS nero caricato con fibra di vetro, i laser a fibra di itterbio MOPA sono la scelta migliore perché consentono di controllare con precisione la durata dell'impulso e la densità di potenza focalizzata. Questa precisione permette un migliore controllo del processo di schiumatura chimica superficiale alla lunghezza d'onda del vicino infrarosso di 1060-1070 nm. La durata d'impulso ottimale è compresa tra 20 e 40 nanosecondi, con una frequenza d'impulso superiore a 100 kilohertz. È necessaria una configurazione laser precisa per controllare la temperatura superficiale (tempi di salita e di discesa); in caso contrario la marcatura può essere facilmente asportata con un graffio.

Ottenere una marcatura laser di alta qualità su polimeri caricati con fibra di vetro, PPS compreso, richiede uno stampaggio a iniezione robusto e una corretta dispersione/distribuzione dei coloranti ottimizzati per laser e dei materiali precompoundati. L'aggiunta di fibre di vetro può influire negativamente sui processi di stampaggio e, di conseguenza, sulla qualità della marcatura laser. Per ottenere una marcatura robusta sono necessarie superfici del pezzo ricche di resina. Le superfici ricche di fibra di vetro producono risultati di marcatura inferiori.

Polisolfuro di fenilene (PPS)

Il polisolfuro di fenilene (PPS) è un termoplastico tecnico semicristallino per alte temperature. Nel settore il PPS è noto come LA plastica che si comporta come il metallo. Le proprietà del PPS, analogamente ad altre plastiche ad alte prestazioni termiche come PEEK e LCP, dipendono dal suo comportamento di cristallizzazione. Sono commercializzate due forme distinte di PPS: struttura molecolare «ramificata» e «lineare». Tra i marchi più noti figurano Celanese Fortron®, Solvay Ryton®, SABIC Supec, Toray Torelina e DIC PPS. La versione ramificata tende a essere più rigida. Quella lineare offre in genere una migliore resistenza meccanica e a flessione, oltre a una maggiore stabilità del fuso. Il PPS lineare presenta inoltre un minor contenuto di impurezze ioniche. Le cariche di fibra di vetro (30 e 40 per cento) e le miscele fibra di vetro/minerale aggiunte al PPS standard consentono applicazioni specialistiche e gravose. I produttori di elettronica scelgono comunemente PPS caricato al 40 per cento di fibra di vetro per isolanti e connettori.

Per raggiungere uno stato completamente cristallino sono necessarie temperature dello stampo di almeno 275-300 gradi Fahrenheit. Quando il PPS viene stampato al di sotto dei 275 gradi Fahrenheit, i pezzi stampati risultano amorfi o semicristallini e permangono in questo stato finché non vengono esposti a temperature di esercizio più elevate. Se la temperatura di esercizio supera quella di stampaggio, i pezzi diventano più cristallini, con conseguenti variazioni dimensionali e delle proprietà.

I materiali utilizzati per produrre la fibra di vetro sono silice, calcare e carbonato di sodio. La silice è il materiale principale che forma il vetro, mentre carbonato di sodio e calcare servono ad abbassare la temperatura di fusione. L'«affioramento del vetro» (glass emergence) è un grave difetto superficiale che interessa comunemente i pezzi stampati a iniezione caricati con fibra di vetro. L'esposizione delle fibre di vetro genera una superficie ricca di fibra di vetro. Il vetro in eccesso si forma sulla superficie durante il riempimento con il fuso e lo stampaggio. Dopo la condensazione e lo stampaggio, sulla superficie compaiono segni bianchi. Le superfici dei pezzi stampati devono essere «ricche di resina» per produrre una marcatura di alta qualità, in modo che l'energia del laser interagisca con la matrice polimerica. Al contrario, le superfici ricche di fibra di vetro si marcano male e il problema peggiora all'aumentare del contenuto di fibra. La fibra di vetro non è di per sé un buon assorbitore della luce laser nel vicino infrarosso (NIR).

Laser a fibra industriali

I laser a fibra di itterbio a nanosecondi (MOPA e a impulso fisso) sono ideali per la marcatura, l'incisione e l'etching delle materie plastiche grazie alla qualità superiore del fascio (M2) e all'elevata brillanza («radianza»). Possono essere focalizzati su uno spot di piccole dimensioni (inferiore a 20 micron), ottenendo un'elevata densità di energia. Un vantaggio significativo dei laser MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) è la possibilità di regolare finemente la durata dell'impulso. L'irradianza laser (W/cm2) e la fluenza (J/cm2) sono parametri importanti nella marcatura delle materie plastiche. L'irradianza è essenzialmente l'intensità del fascio laser ed è funzione delle dimensioni dello spot focalizzato. La fluenza determina la quantità di energia trasferita alla superficie del materiale. Se la fluenza è troppo bassa, il materiale può non subire alcun effetto. Se è troppo elevata, il materiale può essere danneggiato in modo eccessivo, oltre l'effetto di marcatura desiderato.

La frequenza di ripetizione degli impulsi e la densità di potenza di picco sono determinanti nella formazione della marcatura e nel raggiungimento di contrasto e velocità ottimali. Le curve aritmetiche della potenza in funzione della frequenza di ripetizione degli impulsi sono inversamente proporzionali. Un'elevata potenza di picco a bassa frequenza aumenta rapidamente la temperatura superficiale, vaporizzando il materiale e conducendo un calore minimo nel substrato. All'aumentare della frequenza di ripetizione, la minore potenza di picco produce una vaporizzazione ridotta ma conduce più calore.

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Domande frequenti

Perché il PPS è così difficile da marcare a laser?

Il PPS è un termoplastico semicristallino per alte temperature che resiste al calore applicato dal laser: le reazioni di carbonizzazione e di schiumatura che generano il contrasto nelle plastiche comuni sono quindi molto più difficili da innescare. La carica di fibra di vetro, frequente nei componenti in PPS, aggrava il problema.

Quali parametri laser producono marcature resistenti al graffio sul PPS nero caricato con fibra di vetro?

Un laser a fibra di itterbio MOPA con durata d'impulso compresa tra 20 e 40 nanosecondi e frequenza d'impulso superiore a 100 kHz. È la precisione della configurazione a controllare i tempi di salita e di discesa della temperatura superficiale; senza tale controllo la marcatura si asporta facilmente con un graffio.

Il contenuto di fibra di vetro influisce sulla qualità della marcatura del PPS?

In modo sostanziale. La fibra di vetro non assorbe il vicino infrarosso, quindi le superfici ricche di vetro si marcano male e il problema peggiora all'aumentare del contenuto di fibra. I connettori elettronici utilizzano comunemente PPS caricato al 40% di fibra di vetro: ottenere superfici ricche di resina diventa perciò una priorità dello stampaggio.

Quale temperatura dello stampo richiede il PPS?

Almeno 275-300°F per raggiungere uno stato completamente cristallino. Se stampati al di sotto di tali valori, i pezzi restano amorfi o semicristallini e cristallizzano successivamente qualora la temperatura di esercizio superi quella di stampaggio, causando variazioni dimensionali e delle proprietà.

Qual è la differenza tra PPS lineare e ramificato?

Il PPS ramificato tende a essere più rigido. Il PPS lineare offre in genere una migliore resistenza meccanica e a flessione, una maggiore stabilità del fuso e un minor contenuto di impurezze ioniche.

Scott R. Sabreen è fondatore e presidente di The Sabreen Group, Inc., società di consulenza ingegneristica specializzata nei processi di trasformazione secondaria delle materie plastiche: pretrattamenti superficiali, incollaggio, decorazione e finitura, marcatura laser e sicurezza del prodotto. Da oltre 30 anni sviluppa nuove tecnologie e risolve problemi di produzione. È possibile contattare Sabreen al numero 972.820.6777 oppure visitando www.sabreen.com o https://sabreen.com/solutions/plastics-laser-marking/

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