Les « additifs laser » à double usage permettent le marquage et le soudage des polymères

Les « additifs laser » à double usage permettent le marquage et le soudage des polymères

Les additifs laser à double usage, incorporés aux polymères lors de la transformation primaire, permettent le marquage et le soudage par transmission des polymères transparents et opaques. Des additifs chimiques innovants, y compris ceux conformes aux exigences FDA et médicales, permettent d'obtenir des joints soudés hermétiques à haute résistance et un contraste de marquage opaque indélébile. Les procédés de marquage laser et de soudage laser sont sans contact, faciles à maîtriser et écologiques. Conçus pour des lasers et des équipements abordables et rapides, le marquage et le soudage des polymères répondent aux défis des applications complexes d'aujourd'hui.

Points clés

• Un seul compound, deux procédés. Les additifs à double usage permettent le marquage et le soudage par transmission dans un même matériau.
• Le soudage laser par transmission (TTLW) se déroule en trois étapes (chauffage, fusion progressive et soudage), avec des temps de soudage typiques de une à huit secondes.
• Les deux pièces requièrent des propriétés optiques opposées : la pièce supérieure doit transmettre la longueur d'onde, la pièce inférieure doit l'absorber sur une couche mince.
• Une absorption de niveau intermédiaire est le pire cas : elle chauffe toute l'épaisseur et fait de la pièce un mauvais candidat pour l'un ou l'autre côté du joint.
• Le soudage laser produit des soudures hermétiques sans bavure, sans particules, avec une zone affectée thermiquement minimale et sans altération de la surface de la pièce.

Foire aux questions

Que signifie « transmission » dans le soudage laser ?

Le laser traverse la pièce supérieure transparente au laser et est absorbé à la surface de la pièce inférieure absorbante. Les pièces sont pré-assemblées et serrées de manière que les surfaces à joindre soient en contact intime, et la soudure se forme à cette interface.

Quelles sont les étapes d'une soudure laser par transmission ?

Trois. Lors de l'étape de chauffage, le laser chauffe le polymère absorbant à l'interface, qui se dilate et augmente la pression de soudage. Lors de l'étape de fusion progressive, la dilatation supplémentaire augmente la pression et une petite quantité de soudage se produit. Lors de l'étape de soudage, une quantité suffisante de matière fondue s'affaisse pour former une véritable soudure, généralement de l'ordre de 0,13 mm.

Peut-on souder au laser des matériaux chargés de verre ?

Des matériaux chargés jusqu'à 50 % de verre ont été soudés, mais pas pour des soudures hermétiques. Les charges, additifs et pigments modifient tous la réponse d'un polymère au faisceau laser ; l'adéquation du matériau est donc plus sensible avec le soudage laser qu'avec tout autre procédé d'assemblage.

Pourquoi choisir le soudage laser plutôt que le soudage par ultrasons ou par plaque chauffante ?

Il est sans contact, avec un serrage léger sous une plaque de verre lisse : rien ne marque la pièce et aucune vibration n'est transmise. La soudure est sous la surface et presque invisible, la zone affectée thermiquement est très réduite, si bien que les composants fragiles déjà en place résistent, il n'y a pas de bavure à ébarber, et des soudures hermétiques étanches aux gaz sont réalisables.

Peut-on souder au laser des plastiques dissemblables ?

Oui, à condition qu'ils répondent aux critères optiques et thermiques requis. Chaque polymère transmet différemment les trois principales longueurs d'onde de soudage ; les deux matériaux doivent donc être évalués ensemble plutôt qu'individuellement.

Applications des produits

Les polymères colorés transparents, semi-transparents et opaques, notamment les nylons, le polyéthylène téréphtalate (PET), les polycarbonates, les polyoléfines, le polychlorure de vinyle (PVC), les styréniques, les élastomères thermoplastiques (TPE) et les polyuréthanes thermoplastiques (TPU), sont formulés de façon spécifique avec des additifs sans métaux lourds, approuvés par la FDA et l'Autorité européenne de sécurité des aliments (EFSA), afin d'obtenir un marquage à haut contraste, y compris sur les produits soudés au laser (figure 1). La clarté du polymère, sa transmission spectrale et ses propriétés physiques de base ne sont pas affectées. Le marquage laser numérique sans contact remplace les étiquettes adhésives coûteuses et les procédés d'impression à base d'encres chimiques. Le résultat est un rendu esthétique supérieur, économique et respectueux de l'environnement.

Mécanismes de réaction de surface du marquage laser

Les progrès réalisés dans la formulation d'additifs chimiques laser destinés aux lasers proche infrarouge (NIR) (longueur d'onde de 1 060-1 080 nm) incluent leur compatibilité avec les lasers à fibre d'ytterbium, à vanadate et Nd:YAG. La plupart des polymères ne possèdent pas de propriétés d'absorption dans le proche infrarouge sans additifs chimiques. Les polymères pouvant être marqués au laser sont ceux qui absorbent la lumière laser et la convertissent d'énergie lumineuse en énergie thermique. Des additifs, charges, pigments et colorants sont utilisés pour améliorer l'absorption de l'énergie laser en vue de changements de couleur localisés. Des chimies de formulation et des paramètres optiques et de réglage du laser très différents sont configurés selon le contraste de marquage et la fonctionnalité souhaités.

Deux mécanismes courants de réaction de surface sont illustrés à la figure 1. Le premier est la « carbonisation » ou « charbonnage » thermochimique, où l'énergie absorbée dans le substrat élève la température locale de la matière autour du site d'absorption suffisamment pour provoquer la dégradation thermique du polymère. Le caractère sombre ou clair du marquage dépend de l'énergie absorbée ainsi que de la voie de dégradation thermique propre au matériau. En optimisant le réglage du laser, les résidus de carbonisation en surface sont minimes.

Une seconde réaction de surface, le « moussage », est un changement chimique obtenu grâce à des additifs qui libèrent de la vapeur lors de leur dégradation, provoquant le moussage du polymère. Pendant le moussage, l'énergie laser est absorbée par un additif situé à proximité immédiate de l'agent moussant. La chaleur de l'absorbeur provoque la dégradation de l'agent moussant, qui libère de la vapeur. Grâce à un contrôle rigoureux des paramètres de fonctionnement du laser, il est possible de générer des marquages « blancs » clairs, de haute qualité et durables sur des substrats sombres.

Une troisième réaction (non illustrée) utilise l'énergie laser pour chauffer et dégrader un colorant au sein d'un mélange de colorants, ce qui entraîne un changement de couleur. Un exemple est un mélange de noir de carbone et d'un colorant inorganique stable. Lors du chauffage, le noir de carbone est éliminé, laissant le colorant inorganique. Ces systèmes de colorants mixtes dépendent de la stabilité spécifique de chaque colorant, et tous les changements de couleur ne sont pas possibles. Les formulations à base de noir de carbone sont essentielles dans le soudage laser.

Chimies des additifs laser pour le marquage et le soudage

Les additifs laser proche infrarouge améliorent le degré de contraste, qui peut être encore accentué en modifiant les paramètres de réglage du laser. Les polymères possèdent des caractéristiques intrinsèques qui donnent un contraste de marquage « foncé » ou « clair ». Certains composés colorants contenant de faibles quantités de dioxyde de titane (TiO2) et de noir de carbone absorbent également la lumière laser et peuvent améliorer le contraste de marquage. Chaque grade de polymère, même au sein d'une même famille, peut donner des résultats différents. Les formulations d'additifs ne doivent pas être toxiques ni nuire à l'aspect, aux propriétés physiques ou fonctionnelles des produits.

Comparés aux procédés d'impression à l'encre (tampographie, sérigraphie et jet d'encre), les additifs laser permettent de réaliser des économies et peuvent atteindre des vitesses de marquage supérieures de 20 % et plus à celles de matériaux non optimisés. Les additifs laser sont fournis sous forme de granulés et de poudre. Les granulés peuvent être mélangés directement à la résine polymère, tandis que les poudres sont converties en mélange-maître. La plupart se dispersent facilement dans les polymères. Selon l'additif et le polymère, la concentration en poids (dans la pièce finale) varie entre 0,01 et 4,0 pour cent.

Les formes granulée et poudre peuvent toutes deux être incorporées à une matière colorée pré-compoundée ou à un concentré de couleur. Le choix de l'additif dépend de la composition du polymère, de la couleur du substrat, de la couleur de contraste de marquage souhaitée et des exigences de certification de l'usage final. Pour l'extrusion, le moulage par injection et le thermoformage, les matières colorées pré-compoundées offrent une meilleure uniformité que les concentrés de couleur. Le mélange manuel est à proscrire. L'écoulement dans le moule ainsi que le type et l'emplacement du point d'injection sont des facteurs importants. Une répartition et une dispersion homogènes des additifs laser dans toute la pièce sont essentielles pour obtenir une qualité de marquage optimale.

Certains additifs contiennent des mélanges d'oxyde d'étain dopé à l'antimoine et de trioxyde d'antimoine, qui peuvent conférer une teinte « grisâtre » à l'opacité naturelle (non colorée) du substrat. D'autres additifs peuvent contenir des particules d'aluminium, des oxydes métalliques mixtes et des composés exclusifs. Les ajustements de couleur sont réalisés avec des pigments et des colorants afin d'obtenir l'aspect final recherché. Tels que fournis dans le commerce, certains additifs spécifiques (également utilisés pour le soudage laser) ont reçu l'approbation de la FDA pour le contact alimentaire et l'emballage alimentaire dans les conditions A à H de la norme 21 CFR 178.3297 (colorants pour polymères). Pour l'Union européenne, il existe des déclarations de conformité similaires. Les conditions de certification sont propres au type de polymère, au seuil de concentration et au contact direct ou indirect. Une qualification supplémentaire des additifs approuvés par la FDA incorporés dans une « pièce finale » peut permettre d'obtenir la biocompatibilité des dispositifs médicaux.

Lors du dosage de l'additif laser et de la chimie de la correspondance de couleur, il n'est pas rare qu'un produit fini contienne moins d'additif laser que la quantité calculée. Ce problème est presque toujours lié à une répartition non uniforme pendant l'extrusion ou le moulage. De simples ajustements de la machine de moulage, comme l'augmentation de la contre-pression et de la vitesse de rotation de la vis, résolvent la plupart des problèmes. Une répartition et une dispersion homogènes des additifs laser dans toute la pièce sont essentielles pour obtenir une qualité de marquage optimale. Pour l'extrusion, le moulage par injection et le thermoformage, les matières pré-colorées et compoundées offrent une meilleure uniformité que les concentrés de couleur. Le mélange manuel est à proscrire. L'écoulement dans le moule ainsi que le type et l'emplacement du point d'injection sont des facteurs importants.

Principes du soudage laser par transmission

Le terme « par transmission » vient du fait que le laser traverse la pièce supérieure transparente au laser pour atteindre la surface de la pièce inférieure absorbante, comme illustré à la figure 2. Le soudage laser par transmission (TTLW) des plastiques comprend trois étapes. En TTLW, les pièces sont pré-assemblées et serrées ensemble afin d'assurer un contact intime entre leurs surfaces à joindre. Dans cet article, on utilise des lasers à diodes de forte puissance (λ = 800-1 000 nm) et des lasers à état solide (laser à fibre d'ytterbium et laser Nd:YAG, λ = 1 060-1 080 nm).

Pendant l'étape de chauffage, l'énergie laser chauffe le polymère absorbant à l'interface, provoquant la dilatation de la pièce, ce qui augmente la pression de soudage. Au point focal du faisceau, la puissance laser est maximale et la pièce commence à fondre à cet endroit, créant une zone fondue. C'est le début de la deuxième étape, celle de la fusion progressive. La dilatation des pièces se poursuit, entraînant une dilatation supplémentaire avec une hausse correspondante de la pression. À ce stade, une petite quantité de soudage s'est produite.

L'étape de soudage est la dernière. Une quantité suffisante de matière fondue est générée pour créer une véritable soudure. Il se produit un affaissement de la matière fondue, comparable à celui du soudage par plaque chauffante ou par fusion. Pour la plupart des applications, il est de l'ordre de 0,13 mm (0.005 in). Les temps de soudage typiques sont de l'ordre de une à huit secondes pour la plupart des applications, mais les pièces plus grandes peuvent nécessiter plus de temps. Il existe quatre principaux procédés de soudage laser TTLW : le soudage par contour, par masque, simultané et quasi simultané.

Les deux pièces à souder doivent présenter des propriétés d'absorption optique différentes pour une longueur d'onde de soudage donnée. La pièce supérieure, transparente au laser, doit transmettre le plus possible la longueur d'onde, tandis que la pièce inférieure, absorbante, doit l'absorber au maximum sur une couche mince. On obtient ainsi la combinaison la plus efficace sur le plan énergétique, car une grande quantité d'énergie est absorbée à l'interface, alors que, dans le cas contraire, elle pourrait dégrader la pièce supérieure avant que la pièce inférieure ne soit suffisamment ramollie pour le soudage. Une réflectivité excessive augmente également la quantité d'énergie nécessaire au soudage.

L'adéquation du matériau est plus sensible avec le soudage laser qu'avec tout autre procédé d'assemblage. Le soudage laser permet théoriquement de souder tous les thermoplastiques transparents au faisceau laser. Toutefois, la capacité de chaque polymère à transmettre la lumière des lasers aux trois principales longueurs d'onde utilisées en soudage laser est différente. De plus, la réponse d'un polymère donné aux faisceaux laser sera modifiée par la présence de charges, d'additifs et de pigments.

Les matériaux à fort taux d'absorption sont idéaux pour la pièce inférieure en soudage TTLW, car ils absorbent la majeure partie de l'énergie à l'interface de soudure et créent une fine couche de surface chauffée, idéale pour le soudage laser. Les matériaux dont le taux d'absorption se situe dans les valeurs intermédiaires peuvent poser problème, car ils absorbent l'énergie laser sur toute l'épaisseur du matériau, ce qui provoque l'échauffement de toute l'épaisseur. Ces matériaux laissent passer très peu d'énergie ; ils sont donc de mauvais candidats pour la pièce supérieure en soudage laser TTLW. De plus, ils n'absorbent pas beaucoup d'énergie à leur bord supérieur et constituent donc un mauvais choix pour la pièce inférieure. Des matériaux chargés jusqu'à 50 pour cent de verre ont été soudés, mais pas pour des soudures hermétiques.

Les principaux avantages du TTLW sont les suivants :

• Soudage sans contact. Le soudage laser utilise une plaque de verre lisse pour maintenir les pièces à souder avec une force de serrage légère de 100 lb ou moins, et l'outil de soudage n'entre pas en contact avec elles. Rien ne vient donc marquer la surface des pièces soudées, et aucune pression de soudage susceptible d'endommager des pièces délicates n'est nécessaire.
• Soudage sous la surface. La soudure se produit à l'interface entre les deux pièces. Elle est presque invisible avec des pièces transparentes et totalement invisible avec des pièces opaques. Elle peut se situer juste sous la surface ou en profondeur dans les pièces.
• Soudage précis. La taille et l'emplacement de la soudure laser peuvent être très précis, et aucune vibration n'est transmise à la pièce à souder. Pour les variantes du procédé qui exigent un mouvement relatif entre le laser et les pièces, c'est le laser qui se déplace. Le soudage laser est par conséquent le plus précis des procédés de soudage.
• Zone affectée thermiquement minimale. Le point de soudure est très petit et la zone affectée thermiquement est bien circonscrite. Il est donc possible de souder très près d'autres composants sans les affecter, ce qui permet de souder des sous-ensembles comportant des pièces sensibles et fragiles déjà en place. De plus, la déformation et la dégradation dues à la chaleur sont extrêmement limitées, et les contraintes résiduelles sont réduites.
• Possibilité de souder des plastiques dissemblables. Des plastiques dissemblables répondant aux critères nécessaires peuvent être soudés entre eux.
• Pas de bavure. En soudage laser, la soudure est totalement enfermée et il ne se forme aucune bavure à ébarber. Il n'y a pas de particules libres.
• Soudures hermétiques. Le soudage laser permet de réaliser une soudure hermétique, étanche aux gaz.
• Efficacité énergétique. Par rapport aux autres procédés de soudage, le soudage laser est très économe en énergie. Cela signifie également qu'aucun excès de chaleur n'est généré et n'a à être évacué de l'atelier.

Conclusion

Les additifs laser à double usage incorporés aux polymères procurent un contraste de marquage, une finesse de contour des lignes et une vitesse supérieurs. Ces additifs optimisent le soudage laser de thermoplastiques identiques ou dissemblables. Les progrès de la technologie des lasers à fibre abordables ont joué un rôle déterminant. Ces avantages compensent rapidement le surcoût de l'additif. Une chimie des matériaux optimisée pour le marquage et le soudage laser exige une expertise des polymères, colorants et pigments en matière de solubilité, de tailles de particules, de limites de concentration seuil, de correspondance de couleur et de certifications réglementaires (GRAS, contact alimentaire direct/indirect FDA). Le marquage laser et le TTLW des polymères répondent aux défis des applications actuelles.

Références

• Scott R. Sabreen, “FDA-Approved Additives Boost Inline Laser Marking,” Plastics Decorating Magazine, April/May 2015
• Jordan Rotheiser, specialist consultant for The Sabreen Group Inc. Welding excerpts from Joining of Plastics, Handbook for Designers and Engineers, Third Edition, Jordan Rotheiser, Carl Hanser Verlag, Munich, 2009

Scott R. Sabreen est le fondateur et président de The Sabreen Group, Inc., une société d'ingénierie spécialisée dans les procédés de transformation secondaire des plastiques : marquage laser, prétraitements de surface, collage, décoration et finition, et sécurité des produits. Scott Sabreen développe des technologies pionnières et résout des problèmes de fabrication depuis plus de 30 ans. Vous pouvez le joindre au 972.820.6777 ou en visitant www.sabreen.com ou www.plasticslasermarking.com.

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