Comment marquer le plastique au laser ? Marquage laser des plastiques avec des additifs laser

Comment marquer le plastique au laser ? Marquage laser des plastiques avec des additifs laser

Points clés à retenir

• Les polyamides comptent parmi les polymères les plus difficiles à marquer, en raison de la diversité de leurs propriétés, de leurs conditions de moulage et des configurations laser.
• Trois mécanismes de surface produisent le contraste : le noir par carbonisation, le blanc par génération de mousse et le changement de couleur dans les polymères pigmentés.
• Les contrastes les plus demandés sont le blanc opaque sur noir, le noir profond sur blanc et le blanc opaque sur bleu moyen.
• Une largeur d'impulsion MOPA de 20 à 50 ns est la plage idéale pour de nombreux polymères, dont les nylons.
• Une vérification de grade A est fréquemment exigée pour les produits militaires, aérospatiaux, automobiles et pharmaceutiques.

SABREEN propose les solutions de marquage laser des plastiques suivantes :

• Formulations de colorimétrie laser sur mesure, conformité réglementaire, échantillons prototypes
• Optimisation du procédé de moulage par injection, dispersion/distribution, essais analytiques
• Conception et intégration de systèmes laser, vision industrielle
• Résolution de problèmes sur site, optimisation du procédé laser, graphiques/illustrations vectorisés
• Certification de sécurité laser, responsable de la sécurité laser (LSO)

Confiez à notre équipe d'experts vos besoins de marquage laser des plastiques pour votre prochain projet. Nous gagnons la confiance de chaque client, en toutes circonstances. Notre culture est centrée sur l'excellence des solutions de fabrication et sur l'avancement des technologies, grâce à un engagement sans faille envers l'excellence. Chaque expert de The SABREEN Group est reconnu dans sa discipline. L'ÉCHEC N'EST PAS UNE OPTION !

Foire aux questions

Comment marquer le plastique au laser ?

Un laser proche infrarouge (à fibre à l'ytterbium, au vanadate ou Nd:YAG) délivre une énergie que le polymère absorbe et convertit en chaleur, ce qui produit l'un de ces trois changements de surface : le marquage noir par carbonisation, le marquage blanc par génération de mousse, ou un changement de couleur par réaction thermochimique des polymères pigmentés. La plupart des polymères ont besoin d'un additif d'amélioration laser pour absorber quoi que ce soit.

Pourquoi le nylon est-il si difficile à marquer au laser ?

Les polyamides, y compris les polyphtalamides, présentent des propriétés, des conditions de moulage et des configurations laser très diverses et, comme la plupart des polymères, n'absorbent pas naturellement la lumière laser, ce qui empêche le changement de couleur. Les additifs chimiques d'amélioration laser améliorent nettement le contraste, la vitesse et la durabilité.

Quelle largeur d'impulsion convient le mieux au nylon ?

Les lasers MOPA génèrent des largeurs d'impulsion de 1 ns à 250 ns et plus. The Sabreen Group a constaté qu'une plage de 20 à 50 ns est idéale pour obtenir un contraste de couleur optimal dans de nombreuses applications polymères, dont les nylons. Les lasers MOPA à impulsions courtes variables sont particulièrement efficaces sur les polymères sensibles à la température, où une carbonisation excessive doit être évitée.

Quel dosage d'additif est habituel ?

Entre 0,01 % et 3,0 % en poids dans la pièce finale. Les granulés se mélangent directement à la résine, tandis que la poudre est convertie en mélange-maître. Une distribution et une dispersion homogènes dans chaque pièce déterminent la régularité du contraste.

Pourquoi la qualité de marquage est-elle importante pour les codes Data Matrix ?

Parce que plus la chaîne de données est longue, plus les cellules de données sont condensées. La qualité de bord de ligne à haute résolution rend lisibles les petites cellules pour le marquage direct des pièces. Une vérification de grade A est souvent exigée dans les applications militaires, aérospatiales, automobiles et pharmaceutiques, et les codes à fort contraste se marquent aussi plus vite et peuvent être lus avec des lecteurs portatifs peu coûteux.

Marquage laser des plastiques : solutions complètes pour un marquage laser à fort contraste des plastiques

La demande de marquage laser à fort contraste sur les produits plastiques en nylon (polyamide) augmente rapidement en raison de leur large éventail d'applications industrielles. Les marquages fonctionnels et décoratifs comprennent l'identification alphanumérique, les codes de vision Data Matrix/QR, les schémas et les microstructures.

Les polyamides, y compris les polyphtalamides (PPA), comptent parmi les polymères les plus difficiles à marquer au laser en raison de la diversité de leurs propriétés, de leurs conditions de moulage et des configurations laser. Les additifs intelligents pour lasers proche infrarouge résolvent les problèmes de contraste de marquage et augmentent la vitesse de marquage (cycle plus court) sans affecter les propriétés du matériau.

Cet article présente les nylons, les additifs chimiques et les lasers à fibre pour obtenir des couleurs à fort contraste et des opérations de marquage laser économiques.

Un paramètre de base pour décrire la qualité du marquage est le contraste de couleur entre la surface marquée et le substrat. Il existe trois mécanismes de surface de changement de couleur avec les lasers NIR, notamment les lasers à fibre à l'ytterbium, au vanadate (Nd:YVO4) et Nd:YAG : 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 pigmentés1. Parmi les couleurs de contraste les plus demandées figurent le blanc opaque sur noir, le noir profond sur blanc et le blanc opaque sur bleu moyen. Ces combinaisons de couleurs nécessitent souvent des additifs chimiques. Les additifs améliorent le degré de contraste de couleur (absorption de la lumière laser), qui est encore accentué par un choix optimal du laser et des paramètres de marquage.

Qu'est-ce que le nylon (polyamide) ?

Les polyamides, ou nylons, constituent la principale classe de thermoplastiques techniques et hautes performances contenant des liaisons amide répétées, c'est-à-dire –CO-NH–. Ils sont formés par condensation d'unités identiques (homopolymères) ou d'unités différentes (copolymères).

Le nylon est obtenu par polycondensation d'un diacide avec une diamine ou par polymérisation par ouverture de cycle de lactames comportant six, 11 ou 12 atomes de carbone2. Les monomères du nylon peuvent être aliphatiques, semi-aromatiques ou aromatiques (aramides), et leur structure peut être amorphe ou semi-cristalline, avec une cristallinité plus ou moins élevée.

Les polyamides aliphatiques sont produits à bien plus grande échelle que les polyamides entièrement aromatiques et constituent l'une des classes les plus importantes de thermoplastiques techniques.

Deux polyamides importants sont le poly(hexaméthylène adipamide) (nylon 6,6) et la polycaprolactame (nylon 6). Parmi les autres polyamides aliphatiques figurent les nylons 12, 69, 6-10, 6-12, 46 et 1212. Le nylon 11 est un plastique technique biosourcé issu de ressources renouvelables (ricin).

Les polyamides semi-aromatiques et semi-cristallins issus de la condensation d'amides aliphatiques comprennent les PA 6T et PA 6I. Les polyamides semi-aromatiques constituent souvent une alternative économique aux aramides entièrement aromatiques, plus coûteux. Les polyamides aromatiques, appelés aramides, présentent une résistance plus élevée, une meilleure tenue aux solvants, à la flamme et à la chaleur, et une plus grande stabilité dimensionnelle que les amides aliphatiques. Un amide aromatique bien connu est le Kevlar, le poly(p-phénylène téréphtalamide).

Les polyamides, y compris les polyphtalamides (PPA), comptent parmi les polymères les plus difficiles à marquer au laser en raison de la diversité de leurs propriétés, de leurs conditions de moulage et des configurations laser.

Le polyphtalamide (PPA) est un sous-ensemble des résines synthétiques thermoplastiques de la famille des polyamides (nylons), défini par une proportion d'au moins 55 % en moles d'acide carboxylique aromatique dans le motif répété de la chaîne polymère. Le PPA est semi-aromatique et semi-cristallin. Les PPA comblent l'écart de performance entre les nylons aliphatiques, tels que les PA6,6 et PA6, et les polyaramides, beaucoup plus coûteux.

Additifs « intelligents »

Un paramètre pour décrire la qualité du marquage est le contraste de couleur entre la surface marquée et l'arrière-plan. Le contraste n'est pas toujours obtenu par le changement de couleur lui-même : il peut aussi résulter d'une diffraction variable de la lumière.

La qualité et/ou la fidélité du marquage, c'est-à-dire la résolution ou la netteté des traits fins, est tout aussi importante. De nombreux polymères, dont les nylons, n'absorbent pas naturellement la lumière laser, ce qui empêche le changement de couleur. Les additifs chimiques d'amélioration laser améliorent nettement le contraste, la vitesse et la durabilité du marquage (voir image 1). La couleur du substrat est un facteur, car des composés comme le noir de carbone, le TiO2 et les ignifugeants absorbent la lumière laser à des degrés divers.

Les additifs laser sont fournis sous forme de granulés et de poudre. Les produits en granulés se mélangent directement à la résine polymère, tandis que les poudres sont converties en mélange-maître. Le taux de charge en poids (dans la pièce finale) se situe généralement entre 0,01 et 3,0 %. Une distribution/dispersion homogène des additifs laser dans chaque pièce est essentielle pour obtenir un contraste de couleur optimal.

Des ajustements de couleur sont réalisés avec des pigments et des colorants afin d'obtenir l'aspect final de la colorimétrie. Certains additifs 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 1.

Lasers à fibre à l'ytterbium

Les lasers à fibre NIR à l'ytterbium sont arrivés sur le marché du marquage industriel vers 2010, en remplacement des lasers YAG traditionnels. Les lasers à fibre offrent une qualité de faisceau supérieure (M2) et une brillance élevée, et peuvent se focaliser sur un très petit point (moins de 20 microns), ce qui donne une densité d'énergie élevée. Ils sont extrêmement polyvalents, économiques et prêts à l'emploi, avec une maintenance quasi nulle.

Des lasers à fibre nanoseconde à impulsion fixe (Q-switch) et à impulsion variable (MOPA) sont vendus par plusieurs fabricants de lasers, dont IPG Photonics et SPI Lasers. Les lasers à fibre Q-switch, dont la largeur d'impulsion est généralement de 100 à 150 ns, sont utilisés pour certaines applications de marquage des polymères, mais leur fréquence de répétition est limitée à environ 80 kHz en raison de la contrainte inhérente à la technologie Q-switch.

Les lasers à fibre MOPA à modulation directe (DM-MOPA) fonctionnent à des fréquences de répétition allant jusqu'à 500 kHz avec des largeurs d'impulsion de l'ordre de la nanoseconde. La largeur d'impulsion [ns] mesure le temps entre le début et la fin de l'impulsion, généralement définie à mi-hauteur de la forme de l'impulsion (FWHM).

Des fréquences de répétition élevées se traduisent généralement par une vitesse de marquage plus rapide (en conjonction avec d'autres paramètres du laser et de la forme d'onde). Il existe des différences importantes entre les formes d'onde et le degré de carbonisation de surface3 (voir image 1).

Un contrôle spatial et temporel localisé de l'apport de chaleur du laser et de sa vitesse permet d'obtenir des performances maximales. Pour les polymères sensibles à la température, les lasers à fibre à impulsions courtes variables (MOPA) sont particulièrement efficaces pour obtenir un contraste élevé sans carbonisation excessive.

Le marquage sous la surface est réalisable sur les plastiques transparents pour les applications médicales. En général, les lasers MOPA génèrent des largeurs d'impulsion (durées d'impulsion) de 1 ns à 250 ns (et plus). The Sabreen Group a constaté qu'une plage de 20 à 50 ns est idéale pour obtenir un contraste de couleur optimal dans de nombreuses applications polymères, dont les nylons.

Pour le contraste de marquage esthétique et fonctionnel, les additifs laser font une différence décisive lorsque la haute résolution, la qualité de bord de ligne et de petites cellules de données sont requises pour le marquage direct des pièces (DPM) Data Matrix et code-barres. Plus la chaîne de données est longue, plus les cellules de données sont condensées.

Une vérification de grade « A » est souvent exigée pour les produits militaires, aérospatiaux, automobiles et pharmaceutiques. La lisibilité de codes à fort contraste présente d'autres avantages : des vitesses de marquage plus rapides et l'utilisation de lecteurs portatifs peu coûteux dans toute l'usine.

Conclusion

Références

• Sabreen, S. Fiber Lasers: Selection and Additives, Plastics Decorating, November 2017.
• Polyamide (PA) Nylon Complete Guide, SpecialChem 2019.
• Brodsky, M. Wave Forms: A New Laser Tool, Optics & Photonics, March 2012.

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. 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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