Marcação a laser de polímeros com fibra de vidro: a importância das operações de moldagem por injeção

Marcação a laser de polímeros com fibra de vidro: a importância das operações de moldagem por injeção

A marcação a laser de plásticos oferece inúmeras vantagens em uma ampla gama de aplicações industriais. As marcações decorativas e funcionais produzidas pelo laser precisam ser totalmente legíveis, como identificação de componentes, esquemas, data matrix e código de barras. A qualidade da marcação depende do polímero, dos aditivos e corantes, dos processos de moldagem por injeção e da fonte de laser. Problemas na superfície do polímero moldado que prejudicam a legibilidade podem afetar a segurança, o desempenho e a função do produto. Um exemplo são as fibras de vidro adicionadas. A adição de fibras de vidro pode prejudicar os processos de moldagem, o que, por sua vez, afeta a qualidade da marcação a laser. Superfícies de peças ricas em resina são necessárias para obter uma marcação robusta. Superfícies ricas em fibra de vidro produzem resultados inferiores.

Principais conclusões

• A carga de fibra de vidro costuma variar de 10 a 60% em ABS, náilon, acetal, policarbonato, LCP, PBT, PET, PPS, PEEK e PEI.
• A fibra de vidro não é um bom absorvedor de infravermelho próximo; portanto, superfícies ricas em vidro marcam mal por definição.
• Superfícies ricas em resina são o requisito, pois a energia do laser precisa interagir com a matriz polimérica.
• A emergência de vidro aparece como manchas brancas na superfície após a condensação e a moldagem.
• A moldagem determina a marcabilidade: o defeito nasce antes do laser, portanto deve ser corrigido antes dele.

Perguntas frequentes

O que é emergência de vidro?

Um defeito superficial grave que afeta produtos moldados por injeção com carga de fibra de vidro, em que o excesso de vidro se forma na superfície durante o preenchimento com o material fundido e a moldagem. Após a condensação e a moldagem, surgem manchas brancas na superfície, e as fibras expostas criam uma superfície rica em fibra de vidro que marca mal.

Por que superfícies ricas em vidro marcam tão mal?

Porque a fibra de vidro não é um bom absorvedor de luz laser no infravermelho próximo. A marcação exige que a energia do laser interaja com a matriz polimérica, portanto as superfícies precisam ser ricas em resina. O problema se agrava à medida que o teor de fibra aumenta.

Quais polímeros costumam conter fibra de vidro?

ABS, náilon, acetal, policarbonato, polímero de cristal líquido, PBT, PET, PPS, PEEK e PEI. Os percentuais de carga variam, mas normalmente ficam entre 10 e 60%.

De que é feita a fibra de vidro, afinal?

Sílica, calcário e barrilha. A sílica forma o vidro em si, enquanto a barrilha e o calcário reduzem a temperatura de fusão durante a fabricação.

Quais são os mecanismos de superfície que produzem uma marca?

Três: marcação preta por carbonização, marcação branca por geração de espuma e mudança de cor por reações químicas térmicas induzidas por laser em polímeros pigmentados. O que ocorre depende da energia absorvida e da via de degradação térmica própria do material.

Fibras de vidro

Quando um plástico padrão precisa ter o desempenho estrutural aprimorado, adicionam-se fibras de vidro. O ganho de resistência resulta de o polímero, mais fraco, transferir a tensão da carga para as fibras de reforço, mais fortes. Os materiais usados para fabricar a fibra de vidro são sílica, calcário e barrilha. A sílica é o principal material que forma o vidro, enquanto a barrilha e o calcário reduzem a temperatura de fusão.

A fibra de vidro costuma ser adicionada a ABS, náilon, acetal, policarbonato, polímero de cristal líquido (LCP), PBT, PET, PPS, PEEK e PEI. Embora os percentuais de carga variem, normalmente ficam entre 10 e 60%. Há dois tipos de reforço de vidro, fibra curta e fibra longa, e cada um tem vantagens e desvantagens.

Defeito superficial de emergência de vidro

A “emergência de vidro” é um defeito superficial grave que costuma afetar produtos moldados por injeção com carga de fibra de vidro. A exposição das fibras de vidro gera uma superfície rica em fibra de vidro. O excesso de vidro se forma na superfície durante o preenchimento com o plástico fundido e a moldagem. Após a condensação e a moldagem, surgem manchas brancas na superfície (veja a Foto 1).

As superfícies das peças moldadas precisam ser “ricas em resina” para produzir marcação de alta qualidade, de modo que a energia do laser interaja com a matriz polimérica. Por outro lado, superfícies ricas em fibra de vidro marcam mal, e o problema piora com teores maiores de fibra. A fibra de vidro em si não é um bom absorvedor de luz laser no infravermelho próximo (NIR).

Nunca é demais destacar a importância de processos de moldagem por injeção adequados. A Tabela 1 lista defeitos superficiais que podem prejudicar a qualidade das marcações a laser, além da emergência de vidro.

Mecanismos de marcação a laser em polímeros

Em lasers NIR com direcionamento de feixe, com comprimento de onda de 1060-1070 nm, o mecanismo de marcação a laser consiste em irradiar o polímero com uma fonte localizada de radiação de alta energia (o laser). As fontes de laser incluem fibra de itérbio, vanadato e YAG. A energia radiante é então absorvida pelo material e convertida em energia térmica, provocando reações no material. Os mecanismos de superfície para a mudança de cor incluem: 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 pigmentados. A qualidade da marcação depende da energia absorvida e da via de degradação térmica própria do material. Cada grade de polímero, mesmo dentro da mesma família polimérica, pode produzir resultados diferentes.

Para uma marcação de alta qualidade, a distribuição/dispersão homogênea de corantes e aditivos é tão importante quanto superfícies ricas em resina. Para verificar se há problemas de distribuição/dispersão, recomenda-se configurar o laser para marcar/varrer continuamente toda a superfície da peça. Veja a Foto 2.

O resultado mostra (da esquerda para a direita) uma caneta moldada com excelente marcação de croma dourado sobre preto (à esquerda), as duas imagens centrais com distribuição de croma deficiente e a imagem da extrema direita com excelente distribuição uniforme.

Como a maioria dos polímeros não tem propriedades de absorção no NIR sem aditivos químicos, os especialistas utilizam aditivos, cargas, pigmentos e corantes para aumentar a absorção da energia do laser. São usadas químicas de formulação e parâmetros de óptica/configuração do laser muito diferentes, conforme o contraste e a funcionalidade de marcação desejados. Os aditivos para laser otimizam o grau de contraste e aumentam significativamente a velocidade de marcação. Tanto a forma granulada quanto o pó podem ser misturados a material de cor pré-composto ou a concentrado de cor. Materiais pré-compostos com cor produzem marcação mais consistente que o concentrado de cor. A escolha do aditivo a incorporar depende da composição do polímero, da cor do substrato, da cor de contraste desejada para a marcação e dos requisitos de certificação do uso final.

Os sistemas de marcação a laser são altamente precisos e repetíveis. Depois que o processo é configurado, o laser aplica e repete com precisão exatamente a mesma energia de saída. Portanto, qualquer defeito superficial causará inconsistências na marcação.

Uma aplicação desafiadora é obter um contraste branco robusto em poliamida (náilon) azul e preta com 30% de fibra de vidro. Veja a Foto 3.

A taxa de repetição de pulsos do laser e a densidade de potência de pico são parâmetros críticos para formar a marca e obter o contraste e a velocidade ideais. As curvas aritméticas de potência versus taxa de repetição de pulsos são inversamente proporcionais.

Uma potência de pico alta em baixa frequência eleva rapidamente a temperatura da superfície, vaporizando o material e conduzindo o mínimo de calor para o substrato. À medida que a taxa de repetição dos pulsos aumenta, uma potência de pico menor produz vaporização mínima, mas conduz mais calor. Entre os fatores que influenciam o contraste e a qualidade da marcação estão a largura do pulso, a distância focal, a velocidade do feixe e a distância de separação entre as linhas vetoriais.

Conclusão

Em conclusão, a marcação a laser de plásticos é um excelente processo. A qualidade da marcação depende da matriz polimérica, dos aditivos e corantes, do processo de moldagem por injeção e da fonte de laser. Problemas na superfície do polímero moldado que prejudicam a legibilidade podem afetar a segurança, o desempenho e a função do produto. A emergência de vidro é um tipo de defeito superficial de moldagem que prejudica a qualidade da marcação. Superfícies de peças ricas em resina e dispersão/distribuição uniforme são fundamentais para obter uma marcação a laser robusta.

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-tratamento de superfície, união por adesão, impressão a jato de tinta, marcação a laser, revestimentos industriais, decoração e acabamento, e segurança de produtos. Ele desenvolve tecnologias pioneiras e resolve problemas de fabricação há mais de 30 anos. Pode ser contatado pelo telefone 972.820.6777 ou pelo site www.sabreen.com.

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