Marquage laser des plastiques chargés de verre et de minéraux : ce que change l’ajout de charge

Marquage laser des plastiques chargés de verre et de minéraux : ce que change l'ajout de charge

Points clés

• La charge améliore généralement le contraste, car elle absorbe et diffuse l'énergie que le polymère de base laisserait passer.
• L'apparition des fibres est le défaut caractéristique : le polymère se vaporise à une énergie que le verre ne subit pas.
• La correction standard est de réduire l'énergie et d'ajouter des passes, et non d'augmenter la puissance.
• Les grades chargés et non chargés d'une même résine nécessitent des recettes distinctes, et une qualification distincte.

Une grande partie des conseils sur le marquage laser est rédigée comme si un polymère était un matériau unique. En production, il l'est rarement. La plupart des thermoplastiques techniques qui arrivent dans une cellule de marquage contiennent 10 à 50 % de fibres de verre, de billes de verre, de talc, de mica ou de wollastonite, et cette charge modifie le résultat de marquage plus que presque toute autre variable de formulation, souvent en mieux, parfois d'une manière qui ruine un procédé par ailleurs correct.

Pourquoi la charge aide plus souvent qu'elle ne nuit

La difficulté fondamentale pour marquer les plastiques avec un laser à fibre de 1064 nm est que la plupart des polymères n'absorbent presque pas à cette longueur d'onde. Le faisceau traverse au lieu de déposer de l'énergie en surface. Tout ce qui, dans la formulation, absorbe ou diffuse joue donc en faveur du marquage, et la charge fait les deux.

C'est pourquoi les résines techniques chargées se marquent si fréquemment de façon acceptable dès la sortie du moule, alors que leurs équivalents naturels non chargés nécessitent un additif laser incorporé. Avant de spécifier un additif pour un grade chargé, marquez-le tel quel : le coût a peut-être déjà été payé par la charge.

L'apparition des fibres : le défaut caractéristique

Le verre et le polymère ne réagissent pas au laser à la même énergie. Le polymère atteint sa température de décomposition et se vaporise, tandis que le verre, dont le point de fusion est bien plus élevé, ne le fait pas. Il reste une marque dont les extrémités de fibres dépassent de la surface environnante : visuellement rugueuse, tactile et, pour les codes, un problème de lisibilité, car les fibres en relief diffusent l'éclairage du lecteur.

L'instinct est d'augmenter la puissance pour « nettoyer ». Cela aggrave les choses, en enlevant plus de polymère et en exposant plus de fibres. Les corrections qui fonctionnent :

• Réduisez l'énergie par passe et ajoutez des passes. Plusieurs passes légères enlèvent le polymère plus progressivement et laissent moins de relief qu'une seule passe agressive.
• Raccourcissez la durée d'impulsion lorsque la source le permet. Une source MOPA réglée sur des impulsions courtes réduit la profondeur thermique et donc la quantité de polymère perdue autour de chaque fibre.
• Visez un mécanisme de changement de couleur plutôt qu'un enlèvement de matière. Lorsque la carbonisation peut produire un contraste suffisant sans ablater de matière, l'apparition des fibres disparaît en grande partie.
• Envisagez l'emplacement de la marque. L'orientation des fibres suit l'écoulement : une marque placée là où les fibres sont parallèles à la surface est plus esthétique que là où elles se présentent par l'extrémité.
• Acceptez-le lorsqu'il est purement esthétique. Sur une surface cachée portant un code de traçabilité, une marque légèrement rugueuse qui obtient une classe acceptable n'est pas un défaut.

La teneur en charge n'est pas uniforme dans la pièce

Le facteur le plus souvent oublié est qu'une pièce moulée « à 30 % de verre » n'est pas à 30 % de verre partout. Le moulage par injection produit une structure peau-cœur : une peau riche en résine là où la matière a figé contre l'outil, et un cœur où les fibres se concentrent. Le marquage enlève ou modifie cette peau.

Les conséquences pratiques méritent d'être anticipées dès la conception :

• La profondeur de marque change ce avec quoi le laser interagit. Une marque très superficielle voit surtout de la résine ; une marque plus profonde atteint le cœur riche en fibres et se comporte différemment.
• Le contraste varie avec l'épaisseur de paroi, car l'épaisseur de peau varie.
• La proximité du point d'injection compte. L'orientation et la concentration des fibres diffèrent près du point d'injection, et les marques placées là peuvent se lire différemment de la même marque ailleurs.
• Les conditions de moulage modifient le résultat. La température de la matière et la vitesse d'injection changent l'épaisseur de peau : une recette de marquage peut donc dériver parce que le procédé de moulage a dérivé, sans aucun changement de matériau.

Qualifier un grade chargé

• Marquez le matériau de production, au taux de charge, à la couleur et à la fraction maximale de broyé autorisée de la production. Le broyé compte davantage dans les résines chargées, car les traitements répétés raccourcissent les fibres et modifient à la fois l'aspect et l'écoulement.
• Réalisez une matrice puissance-vitesse sur une plaque moulée, en mesurant L* dans chaque cellule plutôt qu'en jugeant à l'œil.
• Choisissez le milieu de la plus large zone acceptable, et non la cellule de contraste maximal : les grades chargés varient d'un lot à l'autre et c'est le plateau qui résiste à cette variation.
• Examinez la surface au grossissement, pas seulement pour le contraste. L'apparition des fibres est souvent invisible à l'œil nu et évidente pour un lecteur de code.
• Évaluez la qualité de tout code lisible par machine selon l'ISO/IEC 15415 plutôt que de l'inspecter visuellement.
• Qualifiez séparément les variantes chargées et non chargées. Ce sont des matériaux différents pour le marquage, quel que soit le nom que leur donne la fiche technique.

Lectures complémentaires

• Apparition des fibres de verre : résoudre les problèmes de marquage laser des plastiques
• Plastiques marquables au laser
• Paramètres de procédé influençant la qualité de marquage
• Marquage laser des polymères chargés de verre et moulage par injection
• Solutions de marquage laser des plastiques

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Questions fréquentes

La charge de verre facilite-t-elle ou complique-t-elle le marquage laser des plastiques ?

Elle le facilite, pour obtenir du contraste. La charge absorbe et diffuse l'énergie que le polymère de base laisserait passer, ce qui explique que les résines techniques chargées se marquent fréquemment bien sans additif laser alors que leurs équivalents non chargés en nécessitent un. La contrepartie est la qualité de surface : la charge introduit l'apparition des fibres et une marque plus rugueuse, la difficulté passant de l'obtention d'une marque à l'obtention d'une marque propre.

Comment éviter que les fibres de verre apparaissent dans la marque ?

Réduisez l'énergie par passe et utilisez davantage de passes plutôt que d'augmenter la puissance. Les fibres apparaissent parce que le polymère se vaporise à une énergie que le verre ne subit pas : enlever plus de polymère expose donc plus de fibres. Raccourcir la durée d'impulsion aide lorsque la source le permet, et viser un mécanisme de changement de couleur plutôt qu'un enlèvement de matière évite en grande partie le problème lorsque le contraste le permet.

Pourquoi la qualité de marquage varie-t-elle sur une même pièce moulée chargée ?

Parce que la teneur en charge n'est pas uniforme dans la pièce. Le moulage par injection produit une peau riche en résine sur un cœur riche en fibres, et l'épaisseur de peau varie avec la section de paroi, la proximité du point d'injection et le refroidissement. Le marquage entaille cette structure à des profondeurs différentes selon les endroits : le laser interagit donc, en pratique, avec une composition différente selon l'emplacement de la marque.

Puis-je utiliser la même recette pour les grades chargés et non chargés d'une même résine ?

Non. Ils se comportent comme des matériaux différents pour le marquage, quel que soit le nom que leur donne la fiche technique, car la charge modifie l'absorption, la conductivité thermique et le comportement de surface. Qualifiez chacun séparément, et traitez un changement de taux ou de type de charge comme un changement nécessitant une requalification plutôt que comme une substitution mineure.

Le broyé affecte-t-il le marquage des résines chargées ?

Plus que sur les résines non chargées. Les traitements répétés raccourcissent les fibres, ce qui modifie l'écoulement, l'aspect de surface et la répartition de la charge dans la peau. Criblez à la fraction maximale de broyé que la ligne est autorisée à utiliser, et traitez une augmentation de la fraction autorisée comme un changement de procédé plutôt que comme une décision d'achat.

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