Marcado láser de polímeros con fibra de vidrio: la importancia de las operaciones de moldeo por inyección

Marcado láser de polímeros con fibra de vidrio: la importancia de las operaciones de moldeo por inyección

El marcado láser de plásticos ofrece numerosas ventajas en una amplia gama de aplicaciones industriales. Las marcas decorativas y funcionales producidas por el láser deben ser totalmente legibles, como la identificación de componentes, esquemas, códigos Data Matrix y códigos de barras. La calidad del marcado depende del polímero, los aditivos y colorantes, los procesos de moldeo por inyección y la fuente láser. Los problemas en la superficie del polímero moldeado que impiden la legibilidad pueden afectar la seguridad, el desempeño y la función del producto. Un ejemplo son las fibras de vidrio añadidas como aditivo. La adición de fibras de vidrio puede afectar negativamente los procesos de moldeo, lo que a su vez afecta la calidad del marcado láser. Para lograr un marcado robusto se necesitan superficies de pieza ricas en resina. Las superficies ricas en fibra de vidrio producirán resultados inferiores.

Puntos clave

• El contenido de fibra de vidrio suele ser del 10–60 % en ABS, nylon, acetal, policarbonato, LCP, PBT, PET, PPS, PEEK y PEI.
• La fibra de vidrio no es un buen absorbente del infrarrojo cercano, por lo que las superficies ricas en vidrio se marcan mal por definición.
• Se requieren superficies ricas en resina, porque la energía del láser debe interactuar con la matriz del polímero.
• La emergencia de vidrio se manifiesta como marcas blancas en la superficie tras la condensación y el moldeo.
• El moldeo determina la marcabilidad: el defecto se origina antes del láser, por lo que debe corregirse en esa etapa.

Preguntas frecuentes

¿Qué es la emergencia de vidrio?

Un defecto superficial grave que afecta a los productos moldeados por inyección con relleno de fibra de vidrio, en el que se forma un exceso de vidrio en la superficie durante el llenado y moldeo del fundido. Tras la condensación y el moldeo aparecen marcas blancas en la superficie, y las fibras expuestas crean una superficie rica en fibra de vidrio que se marca mal.

¿Por qué las superficies ricas en vidrio se marcan tan mal?

Porque la fibra de vidrio no es un buen absorbente de la luz láser del infrarrojo cercano. El marcado requiere que la energía del láser interactúe con la matriz del polímero, por lo que las superficies deben ser ricas en resina. El problema empeora a medida que aumenta el contenido de fibra.

¿Qué polímeros contienen fibra de vidrio con más frecuencia?

ABS, nylon, acetal, policarbonato, polímero de cristal líquido, PBT, PET, PPS, PEEK y PEI. Los porcentajes de relleno varían, pero suelen estar entre 10 y 60 %.

¿De qué está hecha realmente la fibra de vidrio?

De sílice, piedra caliza y carbonato de sodio. La sílice forma el vidrio en sí, mientras que el carbonato de sodio y la piedra caliza reducen la temperatura de fusión durante la fabricación.

¿Cuáles son los mecanismos superficiales que producen una marca?

Tres: marcado negro por carbonización, marcado blanco por generación de espuma y cambio de color mediante reacciones químicas térmicas inducidas por láser en polímeros pigmentados. El que ocurra depende de la energía absorbida y de la ruta de degradación térmica propia del material.

Fibras de vidrio

Cuando un plástico estándar necesita mejorar su desempeño estructural, se le añaden fibras de vidrio. Las mejoras de resistencia se deben a que el polímero, más débil, transfiere la carga a las fibras de refuerzo, más fuertes. Los materiales utilizados para fabricar la fibra de vidrio son sílice, piedra caliza y carbonato de sodio. La sílice es el material principal para formar el vidrio, mientras que el carbonato de sodio y la piedra caliza se usan para reducir la temperatura de fusión.

La fibra de vidrio se añade comúnmente a ABS, nylon, acetal, policarbonato, polímero de cristal líquido (LCP), PBT, PET, PPS, PEEK y PEI. Aunque los porcentajes de relleno varían, suelen oscilar entre 10 y 60 %. Existen dos tipos de refuerzo de vidrio, fibra corta y fibra larga, y cada uno tiene ventajas e inconvenientes.

Defecto superficial de emergencia de vidrio

La “emergencia de vidrio” es un defecto superficial grave que afecta comúnmente a los productos moldeados por inyección con relleno de fibra de vidrio. La exposición de las fibras de vidrio genera una superficie rica en fibra de vidrio. Se forma un exceso de vidrio en la superficie durante el llenado y moldeo del plástico fundido. Tras la condensación y el moldeo aparecen marcas blancas en la superficie (véase la Foto 1).

Las superficies de las piezas moldeadas deben ser “ricas en resina” para producir un marcado de alta calidad, de modo que la energía del láser interactúe con la matriz del polímero. Por el contrario, las superficies ricas en fibra de vidrio se marcan mal, y el problema se agrava con un mayor contenido de fibra. La fibra de vidrio en sí no es un buen absorbente de la luz láser del infrarrojo cercano (NIR).

No se puede subestimar la importancia de contar con procesos de moldeo por inyección adecuados. La Tabla 1 enumera los defectos superficiales que, además de la emergencia de vidrio, pueden afectar negativamente la calidad de los marcados láser.

Mecanismos de marcado láser en polímeros

En los láseres NIR con dirección de haz, de longitud de onda de 1060–1070 nm, el mecanismo de marcado láser consiste en irradiar el polímero con una fuente de radiación localizada de alta energía (láser). Las fuentes láser incluyen fibra de iterbio, vanadato y YAG. El material absorbe la energía radiante y la convierte en energía térmica, lo que provoca reacciones en el material. Los mecanismos superficiales de cambio de color incluyen: 1) marcado negro por carbonización, 2) marcado blanco por generación de espuma y 3) cambios de color por reacciones químicas térmicas inducidas por láser en polímeros pigmentados. La calidad del marcado depende de la energía absorbida y de la ruta de degradación térmica propia del material. Cada grado de polímero, incluso dentro de la misma familia, puede producir resultados diferentes.

Para lograr un marcado de alta calidad, la distribución/dispersión homogénea de colorantes y aditivos es tan crucial como contar con superficies ricas en resina. Para determinar si existen problemas de distribución/dispersión, se recomienda configurar el láser para marcar/escanear de forma continua toda la superficie de la pieza. Véase la Foto 2.

El resultado muestra (de izquierda a derecha) una pluma moldeada con un excelente marcado cromático oro sobre negro (izquierda), las dos imágenes centrales con mala distribución del croma y, a la derecha, una distribución uniforme excelente.

Dado que la mayoría de los polímeros no poseen propiedades de absorción NIR sin aditivos químicos, los expertos utilizan aditivos, cargas, pigmentos y tintes para mejorar la absorción de la energía láser. Se emplean químicas de formulación y parámetros de óptica/configuración del láser muy diferentes según el contraste y la funcionalidad de marcado deseados. Los aditivos para marcado láser optimizan el grado de contraste y aumentan de forma significativa la velocidad de marcado. Tanto en forma de gránulos como de polvo, pueden mezclarse en material de color precompuesto o en concentrado de color. Los materiales de color precompuestos producen un marcado más consistente que el concentrado de color. La selección del aditivo por incorporar depende de la composición del polímero, el color del sustrato, el color de contraste de marcado deseado y los requisitos de certificación del uso final.

Los sistemas de marcado láser son muy precisos y repetibles. Una vez configurado el proceso, el láser aplicará y repetirá con precisión exactamente la misma energía de salida. Por lo tanto, cualquier defecto superficial provocará inconsistencias en el marcado.

Una aplicación desafiante es lograr un contraste blanco robusto sobre poliamida (nylon) azul y negra con 30 % de fibra de vidrio. Véase la Foto 3.

La frecuencia de repetición de pulsos del láser y la densidad de potencia pico son parámetros críticos para formar la marca y lograr el contraste y la velocidad óptimos. Las curvas aritméticas de potencia frente a frecuencia de repetición de pulsos son inversamente proporcionales.

Una potencia pico alta a baja frecuencia eleva rápidamente la temperatura superficial y vaporiza el material, conduciendo un calor mínimo hacia el sustrato. Al aumentar la frecuencia de repetición, una potencia pico menor produce una vaporización mínima, pero conduce más calor. Otros factores que influyen en el contraste y la calidad del marcado son el ancho de pulso, la distancia focal, la velocidad del haz y la distancia de separación entre líneas de vector.

Conclusión

En conclusión, el marcado láser de plásticos es un proceso excelente. La calidad del marcado depende de la matriz del polímero, los aditivos y colorantes, el proceso de moldeo por inyección y la fuente láser. Los problemas superficiales del polímero moldeado que impiden la legibilidad pueden afectar la seguridad, el desempeño y la función del producto. La emergencia de vidrio es un tipo de defecto superficial de moldeo que afecta negativamente la calidad del marcado. Las superficies de pieza ricas en resina y la dispersión/distribución uniforme son críticas para lograr un marcado láser robusto.

Scott R. Sabreen es fundador y presidente de The Sabreen Group, Inc., una empresa de consultoría en ingeniería especializada en procesos secundarios de manufactura de plásticos: pretratamiento de superficies, unión por adhesión, impresión por inyección de tinta, marcado láser, recubrimientos industriales, decoración y acabado, y seguridad del producto. Desarrolla tecnologías pioneras y resuelve problemas de manufactura desde hace más de 30 años. Puede contactarlo al 972.820.6777 o visitando www.sabreen.com.

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