Marquage laser des polymères chargés de verre : l’importance des opérations de moulage par injection

Marquage laser des polymères chargés de verre : l'importance des opérations de moulage par injection

Le marquage laser des plastiques offre de nombreux avantages dans un large éventail d'applications industrielles. Les marquages décoratifs et fonctionnels produits par le laser doivent être parfaitement lisibles, qu'il s'agisse d'identification de composants, de schémas, de codes Data Matrix ou de codes-barres. La qualité du marquage dépend du polymère, des additifs et des colorants, des procédés de moulage par injection et de la source laser. Les défauts de surface des polymères moulés qui nuisent à la lisibilité peuvent affecter la sécurité, la performance et la fonction du produit. Les fibres de verre ajoutées en sont un exemple. L'ajout de fibres de verre peut nuire aux procédés de moulage, ce qui affecte à son tour la qualité du marquage laser. Des surfaces de pièce riches en résine sont nécessaires pour obtenir un marquage robuste. Les surfaces riches en fibres de verre donneront de moins bons résultats.

Points clés à retenir

• Le taux de charge en verre se situe généralement entre 10 et 60 % pour l'ABS, le nylon, l'acétal, le polycarbonate, le LCP, le PBT, le PET, le PPS, le PEEK et le PEI.
• La fibre de verre n'est pas un bon absorbeur du proche infrarouge : les surfaces riches en verre se marquent donc mal par nature.
• Des surfaces riches en résine sont indispensables, car l'énergie du laser doit interagir avec la matrice polymère.
• L'émergence du verre se manifeste par des marques blanches en surface après la condensation et le moulage.
• Le moulage détermine l'aptitude au marquage : le défaut naît en amont du laser et doit donc être corrigé en amont.

Foire aux questions

Qu'est-ce que l'émergence du verre ?

Un défaut de surface grave affectant les produits moulés par injection chargés de fibre de verre, où un excès de verre se forme en surface pendant le remplissage de la matière fondue et le moulage. Après la condensation et le moulage, des marques blanches apparaissent en surface, et les fibres exposées créent une surface riche en fibres de verre qui se marque mal.

Pourquoi les surfaces riches en verre se marquent-elles si mal ?

Parce que la fibre de verre n'absorbe pas bien la lumière laser du proche infrarouge. Le marquage exige que l'énergie du laser interagisse avec la matrice polymère ; les surfaces doivent donc être riches en résine. Le problème s'aggrave à mesure que la teneur en fibres augmente.

Quels polymères contiennent couramment de la fibre de verre ?

L'ABS, le nylon, l'acétal, le polycarbonate, le polymère à cristaux liquides, le PBT, le PET, le PPS, le PEEK et le PEI. Les taux de charge varient, mais se situent généralement entre 10 et 60 %.

De quoi la fibre de verre est-elle réellement faite ?

De silice, de calcaire et de carbonate de sodium. La silice forme le verre proprement dit, tandis que le carbonate de sodium et le calcaire abaissent la température de fusion lors de la fabrication.

Quels sont les mécanismes de surface qui produisent une marque ?

Il y en a trois : le marquage noir par carbonisation, le marquage blanc par génération de mousse, et le changement de couleur par des réactions thermochimiques induites par laser dans les polymères pigmentés. Le mécanisme dépend de l'énergie absorbée et de la voie de dégradation thermique propre au matériau.

Fibres de verre

Lorsqu'un plastique standard doit être amélioré pour ses performances structurelles, on y ajoute des fibres de verre. Le gain de résistance provient du transfert de la contrainte de charge du polymère, plus faible, vers les fibres de renfort, plus résistantes. Les matières utilisées pour fabriquer la fibre de verre sont la silice, le calcaire et le carbonate de sodium. La silice est le principal matériau formant le verre, tandis que le carbonate de sodium et le calcaire servent à abaisser la température de fusion.

La fibre de verre est couramment ajoutée à l'ABS, au nylon, à l'acétal, au polycarbonate, au polymère à cristaux liquides (LCP), au PBT, au PET, au PPS, au PEEK et au PEI. Bien que les taux de charge varient, ils se situent généralement entre 10 et 60 %. Il existe deux types de renforts en verre, à fibres courtes et à fibres longues, et chacun présente des avantages et des inconvénients.

Défaut de surface d'émergence du verre

L'« émergence du verre » est un défaut de surface grave qui affecte couramment les produits moulés par injection chargés de fibre de verre. L'exposition des fibres de verre crée une surface riche en fibres de verre. Un excès de verre se forme en surface pendant le remplissage de la matière plastique fondue et le moulage. Après la condensation et le moulage, des marques blanches apparaissent en surface (voir photo 1).

Les surfaces des pièces moulées doivent être « riches en résine » pour produire un marquage de haute qualité, l'énergie du laser interagissant alors avec la matrice polymère. À l'inverse, les surfaces riches en fibres de verre se marquent mal, et le problème s'aggrave avec la teneur en fibres. La fibre de verre elle-même n'absorbe pas bien la lumière laser du proche infrarouge (NIR).

L'importance de procédés de moulage par injection appropriés ne saurait être surestimée. Le tableau 1 recense les défauts de surface qui peuvent nuire à la qualité des marquages laser, en plus de l'émergence du verre.

Mécanismes de marquage laser des polymères

Pour les lasers NIR à balayage de faisceau, de longueur d'onde 1060-1070 nm, le mécanisme de marquage laser consiste à irradier le polymère avec une source de rayonnement localisée à haute énergie (le laser). Les sources laser comprennent les lasers à fibre à l'ytterbium, au vanadate et YAG. L'énergie rayonnante est ensuite absorbée par le matériau et convertie en énergie thermique, provoquant des réactions dans le matériau. Les mécanismes de surface à l'origine du changement de couleur sont : 1) le marquage noir par carbonisation, 2) le marquage blanc par génération de mousse, et 3) les changements de couleur par des réactions thermochimiques induites par laser dans les polymères pigmentés. La qualité du marquage dépend de l'énergie absorbée et de la voie de dégradation thermique propre au matériau. Chaque grade de polymère, même au sein d'une même famille, peut donner des résultats différents.

Pour obtenir un marquage de haute qualité, une distribution/dispersion homogène des colorants et des additifs est tout aussi cruciale que des surfaces riches en résine. Pour déterminer s'il existe des problèmes de distribution/dispersion, il est recommandé de régler le laser pour qu'il marque/balaye en continu toute la surface de la pièce. Voir photo 2.

Le résultat montre (de gauche à droite) un stylo moulé présentant un excellent marquage chromatique or sur noir (à gauche), les deux photos du milieu montrant une mauvaise distribution chromatique, et celle de l'extrême droite montrant une excellente distribution uniforme.

Comme la plupart des polymères ne possèdent pas de propriétés d'absorption du NIR sans additifs chimiques, les experts utilisent des additifs, des charges, des pigments et des colorants pour améliorer l'absorption de l'énergie laser. Des chimies de formulation et des paramètres optiques/de réglage du laser très différents sont employés selon le contraste de marquage et la fonctionnalité souhaités. Les additifs laser optimisent le degré de contraste et augmentent considérablement la vitesse de marquage. Les formes granulés et poudre peuvent toutes deux être mélangées à une matière colorée précomposée ou à un concentré de couleur. Les matières précomposées colorées produisent un marquage plus régulier que le concentré de couleur. Le choix de l'additif à incorporer 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.

Les systèmes de marquage laser sont très précis et répétables. Une fois le procédé réglé, le laser applique et reproduit précisément la même énergie de sortie. Par conséquent, tout défaut de surface entraînera des incohérences de marquage.

Une application difficile consiste à obtenir un contraste blanc robuste sur du polyamide (nylon) bleu et noir chargé à 30 % de verre. Voir photo 3.

La fréquence de répétition des impulsions laser et la densité de puissance crête sont des paramètres critiques pour former la marque et obtenir un contraste et une vitesse optimaux. Les courbes arithmétiques de la puissance en fonction de la fréquence de répétition des impulsions sont inversement proportionnelles.

Une puissance crête élevée à basse fréquence fait monter rapidement la température de surface et vaporise le matériau tout en conduisant très peu de chaleur dans le substrat. À mesure que la fréquence de répétition augmente, une puissance crête plus faible produit une vaporisation minimale, mais conduit davantage de chaleur. Parmi les facteurs qui influencent le contraste et la qualité du marquage figurent la largeur d'impulsion, la distance focale, la vitesse du faisceau et l'écart entre les lignes vectorielles.

Conclusion

En conclusion, le marquage laser des plastiques est un excellent procédé. La qualité du marquage dépend de la matrice polymère, des additifs et des colorants, du procédé de moulage par injection et de la source laser. Les défauts de surface des polymères moulés qui nuisent à la lisibilité peuvent affecter la sécurité, la performance et la fonction du produit. L'émergence du verre est un type de défaut de surface de moulage qui nuit à la qualité du marquage. Des surfaces de pièce riches en résine et une dispersion/distribution uniforme sont essentielles pour obtenir un marquage laser robuste.

Scott R. Sabreen est le fondateur et président de The Sabreen Group, Inc., une société de conseil en ingénierie spécialisée dans les procédés de transformation secondaire des plastiques : prétraitements de surface, liaison par adhérence, impression jet d'encre, marquage laser, revêtements industriels, décoration et finition, et sécurité des produits. Il 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.

---