Marcação a laser de fibra em plásticos de náilon (poliamida)

Marcação a laser de fibra em plásticos de náilon (poliamida)

A demanda por marcação a laser de alto contraste em produtos plásticos de náilon (poliamida) cresce rapidamente devido à ampla gama de aplicações industriais. As marcações funcionais e decorativas incluem identificação alfanumérica, códigos de visão Data Matrix/QR, diagramas e microestruturas.

As poliamidas, incluindo as poliftalamidas (PPA), estão entre os polímeros mais difíceis de marcar a laser, devido à diversidade de propriedades dos materiais, condições de moldagem e configurações de laser. Os aditivos inteligentes para lasers de infravermelho próximo resolvem problemas de contraste de marcação e aumentam a velocidade de marcação (ciclo mais curto) sem afetar as propriedades do material.

Este artigo apresenta uma visão dos náilons, dos aditivos químicos e dos lasers de fibra para obter cor de alto contraste e operações de marcação a laser econômicas.

Principais conclusões

• As poliamidas, incluindo a PPA, estão entre os polímeros mais difíceis de marcar, dadas as suas propriedades diversas, condições de moldagem e configurações de laser.
• O contraste não é apenas mudança de cor: a difração variável da luz também contribui, além da resolução de linhas finas e da nitidez.
• A cor do substrato é uma variável em si, pois o negro de fumo, o TiO₂ e os retardantes de chama absorvem a luz laser de formas diferentes.
• Os lasers de fibra focalizam abaixo de 20 mícrons, gerando a alta densidade de energia que a marcação fina em náilon exige.
• O MOPA de 20 a 50 ns é a janela eficaz para obter cor de contraste superior na maioria dos polímeros.

Um parâmetro básico para descrever a qualidade da marcação é o contraste de cor entre a superfície marcada e o substrato. Há três mecanismos de superfície para a mudança de cor com lasers NIR, incluindo lasers de fibra de itérbio, de vanadato (Nd:YVO4) e Nd:YAG: 1) marcação preta por carbonização, 2) marcação branca por geração de espuma e 3) mudanças de cor por reações químicas térmicas induzidas por laser em polímeros pigmentados¹. Entre as cores de contraste mais pedidas estão o branco opaco sobre preto, o preto intenso sobre branco e o branco opaco sobre azul médio. Essas combinações de cores costumam exigir aditivos químicos. Os aditivos melhoram o grau de contraste de cor (absorção da luz laser), que é intensificado ainda mais pela escolha ideal do laser e dos parâmetros de marcação.

Perguntas frequentes

O que torna o náilon difícil de marcar a laser?

As poliamidas, incluindo as poliftalamidas, têm propriedades de material, condições de moldagem e configurações de laser diversas e, como a maioria dos polímeros, não absorvem luz laser por natureza, o que impede a mudança de cor que forma a marcação. Os aditivos que potencializam o laser são o que resolve contraste, velocidade e durabilidade.

Como se avalia a qualidade da marcação, além do contraste?

Pela fidelidade: resolução de linhas finas e nitidez. O próprio contraste nem sempre é obtido só pela mudança de cor, pois a difração variável da luz também contribui, então os dois aspectos precisam ser avaliados em conjunto.

A cor do náilon afeta a marcação?

Sim. A cor do substrato é um fator real, pois compostos como negro de fumo, dióxido de titânio e retardantes de chama têm graus variados de absorção da luz laser, o que altera a resposta do material.

Por que os lasers de fibra de itérbio substituíram o YAG nesse trabalho?

Eles entraram no mercado de marcação industrial por volta de 2010, oferecendo qualidade de feixe superior e alto brilho, com foco em ponto abaixo de 20 mícrons e alta densidade de energia. Também são versáteis, econômicos e praticamente plug-and-play, com manutenção quase nula.

Qual faixa de largura de pulso funciona melhor?

Os lasers de fibra MOPA de pulso curto variável, na faixa de 20 a 50 ns, são excepcionalmente eficazes para obter cor de contraste superior na maioria dos polímeros, incluindo os náilons. Os lasers de fibra com Q-switch de 100 a 150 ns ficam limitados a cerca de 80 kHz de taxa de repetição.

O que é o náilon (poliamida)?

As poliamidas, ou náilon, são a principal classe de termoplásticos de engenharia e de alto desempenho que contêm ligações amida repetidas, isto é, –CO-NH–. Elas se formam pela condensação de unidades idênticas e, no caso dos copolímeros, de unidades diferentes. O náilon é obtido por policondensação de um diácido com uma diamina ou por polimerização por abertura de anel de lactamas com seis, 11 ou 12 átomos de carbono². Os monômeros de náilon podem ser alifáticos, semiaromáticos ou aromáticos (aramidas) e podem ter estrutura amorfa ou semicristalina, com maior ou menor cristalinidade.

As poliamidas alifáticas são produzidas em escala muito maior que as poliamidas totalmente aromáticas e são uma das classes mais importantes de termoplásticos de engenharia. Contraste de cor da marcação a laser em náilon com 20% de fibra de vidro e textura de superfície fosca: as poliamidas são amorfas ou apenas moderadamente cristalinas quando moldadas por injeção, mas o grau de cristalinidade pode ser aumentado.

Duas poliamidas importantes são a poli(hexametileno adipamida) (náilon 6,6) e a policaprolactama (náilon 6). Outras poliamidas alifáticas incluem os náilons 12, 69, 6-10, 6-12, 46 e 1212. O náilon 11 é um plástico de engenharia de base biológica, derivado de fontes renováveis (mamona).

As poliamidas semiaromáticas e semicristalinas obtidas da condensação de amidas alifáticas incluem a PA 6T e a PA 6I. As poliamidas semiaromáticas costumam ser uma alternativa econômica às aramidas totalmente aromáticas, mais caras. As poliamidas aromáticas, chamadas de aramidas, têm maior resistência, melhor resistência a solventes, chama e calor e maior estabilidade dimensional que as amidas alifáticas. Uma amida aromática conhecida é o Kevlar, poli(p-fenileno tereftalamida).

As poliamidas, incluindo as poliftalamidas (PPA), estão entre os polímeros mais difíceis de marcar a laser, devido à diversidade de propriedades dos materiais, condições de moldagem e configurações de laser.

A poliftalamida (PPA) é um subconjunto das resinas sintéticas termoplásticas da família das poliamidas (náilon), definida quando 55% ou mais dos mols da porção de ácido carboxílico da unidade repetitiva na cadeia polimérica são compostos por unidades aromáticas. A PPA é semiaromática e semicristalina. As PPAs preenchem a lacuna de desempenho entre os náilons alifáticos, como a PA6,6 e a PA6, e as poliaramidas, bem mais caras.

Aditivos “inteligentes”

Um parâmetro para descrever a qualidade da marcação é o contraste de cor entre a superfície marcada e o fundo. O contraste nem sempre é obtido pela mudança de cor em si, pois também pode ser obtido pela difração variável da luz.

Igualmente importante é a qualidade e/ou fidelidade da marcação, ou seja, a resolução de linhas finas ou a nitidez. Muitos polímeros, incluindo os náilons, não absorvem luz laser por natureza, o que impede a mudança de cor. Os aditivos químicos que potencializam o laser melhoram significativamente o contraste, a velocidade e a durabilidade da marcação (ver Imagem 1). A cor do substrato é um fator, pois compostos como negro de fumo, TiO₂ e retardantes de chama têm graus variados de absorção da luz laser.

Os aditivos para laser são fornecidos em grânulos (pellets) e em pó. Os produtos granulados são misturados diretamente à resina polimérica, enquanto as formas em pó são convertidas em masterbatch. A concentração em peso (na peça final) normalmente varia entre 0,01 e 3,0%. A distribuição e a dispersão homogêneas dos aditivos para laser em toda a peça são essenciais para obter o contraste de cor ideal.

Alguns aditivos contêm misturas de óxido de estanho dopado com antimônio e trióxido de antimônio, que podem conferir um tom “acinzentado” à opacidade natural (sem cor) do substrato. Outros aditivos podem conter partículas de alumínio, óxidos metálicos mistos e compostos proprietários.

Os ajustes de cor são feitos com pigmentos e corantes para obter a aparência final de colormatch. Aditivos específicos receberam aprovação da FDA para contato com alimentos e uso em embalagens de alimentos nas condições A a H da norma 21 CFR 178.3297 (Colorants for Polymers)¹.

Lasers de fibra de itérbio

Os lasers de fibra de itérbio NIR entraram no mercado de marcação industrial por volta de 2010, substituindo os lasers YAG tradicionais. Os lasers de fibra têm qualidade de feixe (M²) superior e alto brilho e conseguem focalizar em um ponto pequeno (menos de 20 mícrons), o que leva a alta densidade de energia. Os lasers de fibra são extremamente versáteis, econômicos e plug-and-play, com manutenção quase nula.

Lasers de fibra de nanossegundos de pulso fixo (Q-switch) e de pulso variável (MOPA) são vendidos por várias empresas de laser, incluindo a IPG Photonics e a SPI Lasers. Os lasers de fibra com Q-switch, tipicamente com largura de pulso de 100 a 150 ns, são empregados em algumas aplicações de marcação de polímeros, mas sua taxa de repetição é limitada a cerca de 80 kHz por uma restrição inerente à tecnologia Q-switch.

Os lasers de fibra MOPA com modulação direta (DM-MOPA) operam em taxas de repetição de até 500 kHz com larguras de pulso na faixa de nanossegundos. A largura de pulso [ns] mede o tempo entre o início e o fim do pulso, normalmente com base na largura total à meia altura (FWHM) do formato do pulso.

Taxas de repetição altas geralmente se traduzem em maior velocidade de marcação (em conjunto com outros parâmetros do laser e da forma de onda). Há diferenças significativas nas formas de onda e no grau de carbonização da superfície³ (ver Imagem 1).

O controle espacial e temporal localizado do aporte de calor do laser e da taxa desse aporte permite o desempenho máximo. Em polímeros sensíveis à temperatura, os lasers de fibra de pulso curto variável (MOPA) são especialmente eficazes para obter alto contraste sem carbonização excessiva.

É possível fazer marcação subsuperficial em plásticos transparentes para aplicações médicas. Em geral, os lasers MOPA geram larguras de pulso (duração do pulso) de 1 ns a 250 ns (ou mais). A The Sabreen Group constatou que de 20 ns a 50 ns é uma faixa ideal para o contraste de cor ideal em muitas aplicações com polímeros, incluindo os náilons.

No contraste de marcação cosmético e funcional, os aditivos para laser fazem diferença decisiva quando se exigem alta resolução, qualidade de borda de linha e células de dados pequenas na marcação direta de peças (DPM) com Data Matrix e código de barras. Quanto maior a cadeia de dados, mais condensadas ficam as células de dados.

A verificação de grau “A” costuma ser exigida em produtos militares, aeroespaciais, automotivos e farmacêuticos. A legibilidade de códigos de alto contraste traz benefícios adicionais: velocidades de marcação maiores e leitores portáteis de baixo custo que podem ser usados em toda a fábrica.

Conclusão

As poliamidas estão entre os polímeros mais difíceis de marcar a laser. Os aditivos inteligentes para laser resolvem problemas de contraste, aumentam as velocidades de marcação e geram economia de custos. Na marcação direta de peças (DPM) com Data Matrix e código de barras, os aditivos para laser trazem melhorias decisivas. Os lasers de fibra de pulso curto variável (MOPA), na faixa de 20 ns a 50 ns, são excepcionalmente eficazes para obter cor de contraste superior na maioria dos polímeros.

Referências

1. Sabreen, S. Fiber Lasers: Selection and Additives, Plastics Decorating, novembro de 2017. 2. Polyamide (PA) Nylon Complete Guide, SpecialChem 2019. 3. Brodsky, M. Wave Forms: A New Laser Tool, Optics & Photonics, março de 2012.

Scott R. Sabreen é fundador e presidente da The Sabreen Group, Inc., empresa de consultoria em engenharia especializada em processos de transformação secundária de plásticos: pré-tratamentos de superfície, união por adesão, impressão a jato de tinta, marcação a laser, decoração e acabamento e segurança de produtos. Sabreen desenvolve tecnologias pioneiras e resolve problemas de manufatura há mais de 30 anos. Ele pode ser contatado pelo telefone 972.820.6777 ou pelo site www.sabreen.com.

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