Marcado Láser en Nylon

Marcado láser, grabado y grabado químico (etching) de nylon poliamida

Cómo realizar el marcado láser de plásticos de nylon poliamida con láseres de fibra

Los plásticos de nylon, también conocidos como poliamida, son una clase destacada de termoplásticos utilizados en aplicaciones de alto desempeño como armas de fuego, electrónica, múltiples de admisión automotrices, componentes de bicicletas, tuberías, etiquetas de identificación animal, suelas de calzado deportivo y más. Se encuentran entre los polímeros más difíciles de marcar, grabar o grabar químicamente con láser debido a la diversidad de sus propiedades del material, condiciones de moldeo y configuraciones láser. Los láseres de fibra de iterbio son ideales para producir marcas negras por carbonización, marcas blancas por generación de espuma, y cambios de color mediante reacciones termoquímicas inducidas por láser en polímeros pigmentados. La irradiancia láser, la fluencia y la óptica del haz son factores importantes al marcar plásticos. Los láseres de fibra MOPA de pulso variable ofrecen el mejor control del ancho de pulso mientras limitan el calor excesivo.

Los nylons están disponibles en una variedad de tipos de material (por ejemplo, Nylon 6,6; Nylon 6,12; Nylon 4,6; Nylon 6; Nylon 12, etc.), lo que permite una amplia gama de materiales y propiedades disponibles, ya sean homopolímeros, copolímeros o reforzados. Las fibras de vidrio largas y cortas se incorporan frecuentemente en el nylon reforzado. Si bien esto resulta ventajoso para el desempeño estructural, la desventaja es que los defectos de "emergencia de fibra de vidrio" provenientes del moldeo reducen la capacidad de marcado láser.

Las superficies moldeadas deben ser ricas en resina para que la energía del láser pueda interactuar con la matriz polimérica. Los nylons también pueden mezclarse con otros plásticos de ingeniería para mejorar características de desempeño específicas. Estos factores influyen inherentemente en la forma en que cada tipo de material responde al marcado láser. Los colores, pigmentos y colorantes, las propiedades de las cargas, la formulación de distintos proveedores, la dispersión y distribución durante el moldeo, y la textura de la superficie son factores que afectan la calidad del marcado.

Marcado láser de alta calidad con láseres de fibra industriales: el marcado indeleble funcional y decorativo agrega valor a los productos, a la vez que previene la falsificación. La clave para lograr un contraste de marcado de alta calidad y duración es incorporar aditivos potenciadores de marcado láser en el material de nylon durante el proceso de moldeo, ya sea mediante concentrados de color o materiales precompuestos. Los aditivos especializados diseñados para láseres de infrarrojo cercano optimizan el contraste del marcado sin afectar las propiedades del material, aumentan la velocidad de marcado (menor tiempo de ciclo) y son rentables.

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Calidad del haz láser: los láseres de fibra de iterbio operan en el espectro infrarrojo cercano (NIR) con longitudes de onda de 1060-1070 nm. El factor de calidad del haz M2 cuantifica la capacidad de enfoque de un haz y es fundamental para el desempeño del marcado. El factor M2 de un haz láser limita el grado en que dicho haz puede enfocarse para una divergencia de haz determinada, la cual está limitada por la apertura de la lente de enfoque. M2 = 1 corresponde al haz láser gaussiano ideal. Junto con la potencia óptica, el factor de calidad del haz determina el brillo o "radiancia" del haz láser. Un factor M2 consistente es más importante que el valor en sí, ya que distintas aplicaciones requieren distintos modos de haz. Los láseres de menor desempeño suelen sufrir de falta de consistencia, lo que provoca variaciones en el marcado, en la apariencia y en la funcionalidad. Los láseres industriales son superiores a los láseres económicos de tipo aficionado vendidos al mayoreo (revendedores). Los láseres económicos presentan una calidad de marcado errática, además de óptica y electrónica de bajo costo, lo que produce variaciones en la calidad del haz y un marcado inconsistente. No todos los láseres son iguales.

Marcado láser, grabado, visión artificial e identificación única de artículos (IUID): la norma MIL-STD 130 es útil para la gestión de inventarios y el rastreo de productos en diversas industrias. Una calidad de marcado deficiente resulta especialmente problemática y costosa cuando los códigos de barras 1D y los códigos AIM DPM 2D no pueden ser verificados y calificados con precisión por la cámara. Los aditivos para marcado láser marcan una diferencia crítica cuando se requiere alta resolución, calidad de borde de línea y celdas de datos pequeñas para el marcado directo de piezas (DPM) mediante data matrix y código de barras. Cuanto más larga es la cadena de datos, más condensadas se vuelven las celdas de datos. La verificación de grado "A" (ISO 15415) se requiere con frecuencia para productos militares, aeroespaciales, automotrices y farmacéuticos. La legibilidad de códigos de alto contraste ofrece beneficios adicionales, como velocidades de marcado más rápidas y la posibilidad de usar lectores portátiles de bajo costo en toda la planta.

Preguntas frecuentes sobre el marcado láser en nylon

¿Por qué algunos materiales de nylon producen un mejor marcado que otros? Si bien existen numerosas teorías sobre los mecanismos del marcado láser en nylons sintéticos, no hay una respuesta definitiva. Algunos expertos consideran que los nylons se distinguen por sus grupos amida (CONH). Los grupos amida generan espuma con mayor facilidad, en parte debido al nitrógeno, mientras que los grupos metileno son más adecuados para la carbonización. En el PA12, la estructura es más similar al polietileno, con un grupo amida cada 12 unidades monoméricas. En cambio, el PA6 contiene un grupo amida cada seis unidades monoméricas. En la práctica, esto significa que el PA12 tiene una menor tendencia a generar espuma y una mayor tendencia a producir marcas oscuras que el PA6. Sin embargo, existen algunas excepciones a estas observaciones generales.

Los ingenieros de diseño de producto deben considerar el desempeño de la pieza y su capacidad de marcado láser al seleccionar el nylon.

¿Qué son las poliamidas de nylon?

Las poliamidas, también conocidas como nylon, son una clase destacada de termoplásticos utilizados en aplicaciones de alto desempeño. Están compuestas por enlaces amida, específicamente –CO-NH–. El nylon se sintetiza mediante el proceso de policondensación, en el cual una diamina reacciona con un diácido, o bien mediante la polimerización por apertura de anillo de lactamas que contienen seis, once o doce átomos de carbono. Los monómeros de nylon pueden ser alifáticos, semiaromáticos o aromáticos (aramidas), y su estructura puede variar entre amorfa, semicristalina y de mayor o menor cristalinidad. Dos poliamidas principales son la poli(hexametilén adipamida) (nylon 6,6) y la policaprolactama (nylon 6). Las poliamidas alifáticas incluyen el nylon 12, 69, 6-10, 6-12, 46 y 1212. El plástico de ingeniería de origen biológico conocido como Nylon 11 se obtiene de recursos renovables, específicamente de la planta de ricino.

¿Los aditivos de fibra de vidrio afectan el marcado láser?

La calidad del marcado depende del polímero, los aditivos y colorantes, y el proceso de moldeo por inyección. Los problemas de superficie del polímero moldeado que dificultan la legibilidad pueden afectar la seguridad, el desempeño y la función del producto. Un ejemplo son las fibras de vidrio como aditivo. La incorporación de fibras de vidrio puede afectar negativamente los procesos de moldeo, lo que a su vez afecta la calidad del marcado láser. Los porcentajes de carga de fibra de vidrio varían, y generalmente oscilan entre el 10 y el 60%. Existen dos tipos de refuerzos de vidrio: fibra corta y fibra larga, cada uno con ventajas y desventajas. Las superficies de las piezas moldeadas deben ser "ricas en resina" para producir un marcado de alta calidad, de modo que la energía del láser interactúe con la matriz polimérica. Por el contrario, las superficies ricas en fibra de vidrio marcan de forma deficiente, y el problema se agrava conforme aumenta el contenido de fibra. La fibra de vidrio en sí misma no es un buen absorbente de la luz láser de infrarrojo cercano (NIR).

¿Cómo funcionan los aditivos potenciadores de marcado láser?

Dado que la mayoría de los polímeros tienen propiedades de absorción limitadas en esta longitud de onda (NIR) y no pueden producir un contraste notable, los expertos utilizan una variedad de aditivos, cargas, pigmentos y colorantes para aumentar la absorción y lograr una alta calidad de contraste. Los aditivos incrementan el grado de contraste de color (absorción de luz láser), lo cual se potencia aún más mediante una selección óptima del láser y de los parámetros de marcado. Contrario a la creencia popular, no existe un único aditivo universal.

Algunos aditivos contienen óxido de estaño dopado con antimonio y mezclas de trióxido de antimonio, lo cual puede provocar que la opacidad natural (sin colorear) del sustrato adquiera un tono "grisáceo". Otros aditivos pueden contener partículas de aluminio, óxidos metálicos mixtos o compuestos patentados. Los ajustes de color se realizan con pigmentos y colorantes para lograr la apariencia de igualación de color deseada. Algunos aditivos específicos han sido aprobados por la FDA para uso en contacto con alimentos y empaques de alimentos bajo las condiciones A-H de la norma 21 CFR 178.3297, Colorantes para polímeros.

Los compuestos aditivos para marcado láser están disponibles en forma de gránulos (pellets) y en polvo. Los productos granulados se mezclan directamente con la resina polimérica, mientras que las formas en polvo se convierten en masterbatch. El nivel de concentración de carga por peso (en la pieza final) generalmente oscila entre 0.01 y 3.0%. Para lograr el mejor contraste de color, los aditivos para marcado láser deben distribuirse/dispersarse de manera uniforme en toda la pieza.

¿Cuáles son los tipos de mecanismos de marcado láser en polímeros?

Los plásticos marcables por láser se caracterizan por su capacidad de absorber la luz láser y convertirla posteriormente en energía térmica dentro del rango de infrarrojo cercano (NIR), con longitudes de onda entre 1060nm y 1070nm. Tres tipos comunes de láseres son el de fibra de iterbio (MOPA y de pulso fijo), el de vanadato (Nd:YVO4) y el Nd:YAG. Dependiendo del tipo de láser y del contraste de marcado deseado, se pueden utilizar diversas reacciones químicas para producir efectos superficiales como carbonización, formación de espuma por cambio químico y cambio de color. La calidad del marcado depende de la energía absorbida y de la vía única de degradación térmica de cada material. Cada grado de polímero, incluso dentro de la misma familia polimérica, puede producir resultados diferentes. El mismo láser puede realizar todas las reacciones superficiales ajustando los parámetros en el software de marcado (potencia, frecuencia de repetición de pulso y velocidad de marcado). Los láseres CO2 de onda continua (CW) tienen una longitud de onda de 10.6 micrones (espectro de infrarrojo lejano). Los láseres CO2 de onda continua tienen una potencia pico menor y no pueden producir marcados de alto contraste en plásticos.

¿Cuál es la diferencia entre los láseres de fibra y los láseres con entrega por fibra?

Los láseres de fibra de iterbio de nanosegundos se encuentran entre los avances más significativos para el marcado, la soldadura y el corte. Fundamentalmente, los láseres de fibra son diferentes de otros láseres de marcado de estado sólido bombeados por diodo (DPSS). En los láseres de fibra, el medio activo que genera el haz láser se encuentra disperso dentro de un cable de fibra óptica especializado. A diferencia de los láseres con entrega por fibra, en estos la totalidad de la trayectoria del haz permanece dentro de un cable de fibra óptica hasta llegar a la óptica de entrega del haz. Esta estructura totalmente de fibra es en gran parte responsable de la fiabilidad y robustez de estos láseres, lo cual explica su rápido crecimiento.

¿Cómo afectan la frecuencia de repetición de pulso y la potencia pico al marcado?

La frecuencia de repetición de pulso y la densidad de potencia pico son parámetros críticos para formar la marca y lograr el contraste y la velocidad óptimos. Una potencia pico alta a baja frecuencia incrementa rápidamente la temperatura superficial, vaporizando el material mientras conduce un mínimo de calor hacia el sustrato. Conforme aumenta la repetición de pulso, una potencia pico más baja produce una vaporización mínima pero conduce más calor. Las curvas aritméticas de potencia frente a frecuencia de repetición de pulso son inversamente proporcionales. Otros factores que contribuyen, como la velocidad del haz de marcado y la distancia de separación de las líneas vectoriales, determinan el contraste y la calidad del marcado. Ajustando y controlando cuidadosamente estos parámetros, el marcado láser puede utilizarse para crear marcas precisas y de alta calidad en una amplia gama de materiales plásticos. Se trata de un equilibrio que depende de las propiedades del material, la profundidad de marca deseada y la velocidad de marcado requerida. La incorporación de absorbentes láser al plástico incrementa considerablemente la gama de materiales plásticos marcables, mejora la calidad de la marca y amplía la ventana de proceso para asegurar la consistencia del marcado.

¿Qué es la irradiancia láser?

Irradiancia láser: la irradiancia es la potencia del láser por unidad de área, medida en watts por centímetro cuadrado (W/cm2). Es, en esencia, la intensidad del haz láser, la cual es función del tamaño del punto enfocado. El tamaño del punto láser enfocado, para una lente de distancia focal y una longitud de onda dadas, es función de la divergencia del haz láser. Un tamaño de punto mayor resulta en una menor densidad de energía. Una irradiancia alta puede provocar un calentamiento y vaporización rápidos del material, mientras que una irradiancia baja podría no generar ninguna marca visible. La irradiancia afecta la velocidad y la calidad del proceso de marcado. Una irradiancia alta puede producir un marcado más rápido, ya que el material se calienta y vaporiza rápidamente. Sin embargo, si la irradiancia es demasiado alta, puede dañar el material, provocando agrietamiento o quemaduras excesivas. Por otro lado, una irradiancia baja puede resultar en una velocidad de marcado lenta o en la ausencia total de una marca visible.

La intensidad está influenciada por:

• Frecuencia de pulso (Hz, kHz): frecuencia de repetición de pulso
• Potencia del láser (watts): diferente de la densidad de potencia W/cm2
• Tamaño del punto focal: también conocido como diámetro focal
• Ancho de pulso: el tiempo transcurrido entre el inicio y el fin de un impulso, medido en nanosegundos, picosegundos o femtosegundos. Es un factor para controlar la densidad de energía y resulta fundamental para la optimización del proceso. El ajuste de la duración de pulso en los láseres MOPA es más flexible que en los láseres de fibra Q-switched (de pulso fijo).

¿Qué es la fluencia láser?

Fluencia láser: la fluencia es una medida de la energía láser por unidad de área. Generalmente se mide en joules por centímetro cuadrado (J/cm2). La fluencia determina la cantidad de energía que se transfiere a la superficie del material. Si la fluencia es demasiado baja, es posible que el material no se vea afectado en absoluto. Si es demasiado alta, el material puede dañarse en exceso, más allá del efecto de marcado deseado. La fluencia debe mantenerse en un nivel adecuado para el material específico que se está marcando. Algunos materiales pueden requerir una mayor fluencia para absorber suficiente energía y producir una marca visible, mientras que otros pueden requerir una menor fluencia para evitar daños. La profundidad de la marca también puede verse influenciada por la fluencia; generalmente, una mayor fluencia produce marcas más profundas.

La fluencia está influenciada por:

• Intensidad del haz
• Velocidad del escáner
• Traslape de pulso
• Diámetro del haz enfocado

¿Cuáles son las ventajas del láser de fibra MOPA frente al de pulso fijo Q-switch?

La aparición de los láseres de fibra de iterbio de nanosegundos con diseño MOPA (Master Oscillator Power Amplifier, amplificador de potencia de oscilador maestro) es uno de los avances más significativos en el marcado láser de plásticos. Este diseño láser, que ha transformado la industria, ahora entrega energía pulsada de una manera distinta a las cavidades tradicionales de espejo/Q-switch. El diseño utiliza "formas de onda" como herramienta láser para un procesamiento rápido y un control fino del pulso. La gráfica 1 muestra los 40 pulsos de forma de onda de diferentes colores de los láseres de fibra MOPA TRUMPF TruPulse Nano. Cada color en la gráfica representa una forma de onda de pulso MOPA distinta, que puede utilizarse para equilibrar la fluencia y la irradiancia y así optimizar los resultados de marcado en plásticos. Como ocurre con muchas tecnologías competidoras, con frecuencia existe confusión y una representación involuntariamente incorrecta de términos y factores distintivos importantes.

Un láser de fibra MOPA, como se muestra en el diagrama 1, amplifica un diodo láser modulado de baja potencia y calidad de telecomunicaciones para producir pulsos láser precisos de alta potencia. Al utilizar un generador de pulsos interno para modular el diodo de baja potencia, el láser puede establecer, mantener o ajustar de manera selectiva el ancho de pulso y la energía de pulso resultante en un amplio rango de frecuencia de modulación de pulso.

Diagrama 1. Diseño del amplificador de fibra GTWave de Trumpf para una calidad de haz M2 consistente

Esta arquitectura desacopla eficazmente los parámetros del láser en comparación con los sistemas Q-switched, y proporciona una mayor optimización del proceso y repetibilidad para obtener resultados de marcado mejores y más consistentes. Los diseños estándar de láser de fibra MOPA pueden presentar problemas de variación en la calidad del haz (M2) similares a los de los láseres de fibra Q-switched. TRUMPF, un fabricante líder de láseres de fibra, ofrece un diseño patentado de amplificador de fibra GTWave de doble etapa que mantiene un M2 consistente en todo su rango especificado de frecuencia de repetición de pulso. A diferencia de los láseres de fibra MOPA, un láser de fibra Q-switched activo funciona interrumpiendo la ganancia en la cavidad láser, lo que permite que la ganancia se acumule en el amplificador y que se emitan pulsos láser de alta potencia al eliminarse dicha interrupción. Los parámetros clave en los láseres de fibra Q-switched están estrechamente acoplados entre sí.

La corriente del diodo puede incrementarse o reducirse para modificar la potencia de salida. Aumentar la frecuencia de repetición de pulso debería incrementar la potencia promedio; sin embargo, esto no ocurre así en los láseres de fibra Q-switched, ya que la potencia de pulso disminuye. La gráfica 2 muestra la potencia y las frecuencias de repetición en función del tiempo. El M2 (calidad del haz) en los láseres de fibra Q-switched puede variar considerablemente ante cualquier cambio en la potencia del láser y la frecuencia de repetición de pulso. Variar el M2 entre 1.1 y 1.5 provoca un cambio de 2 veces en la densidad de potencia enfocada, lo cual puede alterar drásticamente la calidad del marcado en plásticos.

Diagrama 2. Láser de fibra Q-switched activo

Aplicaciones del marcado láser en nylon

Los plásticos de nylon tienen una amplia gama de aplicaciones, incluidas armas de fuego, automotriz, eléctrico y electrónico, industrial, consumibles y petróleo y gas. Los colores de contraste más populares y a la vez más desafiantes son el blanco opaco sobre negro, el negro intenso sobre blanco y el blanco opaco sobre azul medio.

Contraste de marcado láser negro intenso. El nuevo aditivo cumple con la FDA. No contiene óxido/trióxido de antimonio-estaño (metal pesado). Ideal para uso en animales.

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