Marcado láser de PPS con láser de fibra

Marcado láser de PPS (sulfuro de polifenileno) con láser de fibra

Resumen

El marcado y el grabado sobre PPS (sulfuro de polifenileno) son muy difíciles porque este material resiste temperaturas altas cuando se calienta con láser. Los avances recientes en tecnología de colorantes, negros de humo específicos para láser y láseres de fibra permiten lograr marcas de alto contraste, de color claro y resistentes al rayado sobre PPS negro reforzado con fibra de vidrio, con certificación Yellow Card. Este avance significativo permite el marcado y el micromarcado de matrices de datos, códigos de barras, códigos QR e identificación única de piezas en múltiples sectores, entre ellos automotriz, electrónica aeroespacial/NASA MIL, bombas y válvulas, electrodomésticos y más. La configuración y la óptica de los láseres de fibra de iterbio requieren precisión para lograr marcas robustas y resistentes al rayado.

Puntos clave

• El PPS resiste el marcado porque resiste el calor. Su estabilidad a alta temperatura hace difícil desencadenar las reacciones superficiales que generan el contraste.
• Los láseres de fibra de iterbio MOPA son la elección correcta, con duraciones de pulso de 20 a 40 ns y frecuencia de pulso superior a 100 kHz.
• El control de la temperatura superficial define la resistencia al rayado. Si los tiempos de subida y de bajada son incorrectos, la marca se desprende al frotarla.
• Las superficies ricas en resina son obligatorias. La emergencia de vidrio en PPS con 30 a 40 % de fibra de vidrio produce marcas de calidad inferior.
• Moldee a 275–300 °F (135–149 °C) o más para lograr cristalinidad completa; de lo contrario, la pieza cambiará dimensionalmente durante el servicio.

Marcado láser óptimo. Para crear marcas resistentes al rayado, de alto contraste y de color claro sobre PPS negro reforzado con fibra de vidrio, los láseres de fibra de iterbio MOPA son la mejor opción porque permiten controlar con precisión el ancho de pulso y la densidad de potencia enfocada. Esta precisión permite un mejor control del proceso de espumado químico superficial a una longitud de onda del infrarrojo cercano de 1060-1070 nm. La mejor duración de pulso está entre 20 y 40 nanosegundos, con una frecuencia de pulso superior a 100 kilohertz. Se requiere una configuración precisa del láser para controlar la temperatura de la superficie (tiempos de subida y de bajada); de lo contrario, la marca puede rayarse y desprenderse con facilidad.

Lograr un marcado láser de alta calidad sobre polímeros reforzados con fibra de vidrio, incluido el PPS, exige un moldeo por inyección robusto y una buena dispersión y distribución de los colorantes optimizados para láser y de los materiales precompuestos. La adición de fibras de vidrio puede afectar de forma perjudicial los procesos de moldeo, lo que a su vez afecta la calidad del marcado láser. Para lograr un marcado robusto es necesario que las superficies de la pieza sean ricas en resina. Las superficies ricas en fibra de vidrio producirán resultados de marcado inferiores.

Sulfuro de polifenileno (PPS)

El sulfuro de polifenileno (PPS) es un termoplástico de ingeniería semicristalino para altas temperaturas. Dentro de la industria, al PPS se le conoce como EL plástico que se desempeña como metal. Las propiedades del PPS, al igual que las de otros plásticos de alto desempeño a alta temperatura como el PEEK y el LCP, dependen de su comportamiento de cristalización. Se comercializan dos formas distintas de PPS: estructura molecular «ramificada» y «lineal». Entre las marcas más reconocidas están Celanese Fortron®, Solvay Ryton®, SABIC Supec, Toray Torelina y DIC PPS. La versión ramificada tiende a ser más rígida. La lineal suele ofrecer mejor resistencia mecánica y a la flexión, así como mayor estabilidad del fundido. El PPS lineal también tiene menos impurezas iónicas. Las fibras de vidrio de refuerzo (30 por ciento y 40 por ciento) y las mezclas de fibra de vidrio con mineral añadidas al PPS estándar permiten aplicaciones especializadas y exigentes. Los fabricantes de electrónica suelen elegir PPS con 40 por ciento de fibra de vidrio para productos de aislamiento y conectores.

Para alcanzar un estado completamente cristalino se requieren temperaturas de molde de al menos 275 a 300 grados Fahrenheit (135 a 149 °C). Cuando el PPS se moldea por debajo de 275 grados Fahrenheit, las piezas moldeadas quedan amorfas o semicristalinas y permanecen en ese estado hasta que se exponen a temperaturas de servicio más altas. Si la temperatura de servicio supera la temperatura de moldeo, las piezas se volverán más cristalinas, lo que provoca cambios dimensionales y de propiedades.

Los materiales que se usan para fabricar fibra de vidrio son sílice, caliza y carbonato de sodio. La sílice es el material principal que forma el vidrio, mientras que el carbonato de sodio y la caliza se usan para bajar la temperatura de fusión. La «emergencia de vidrio» es un defecto superficial grave que afecta comúnmente a los productos moldeados por inyección reforzados con fibra de vidrio. La exposición de las fibras de vidrio genera una superficie rica en fibra de vidrio. El exceso de vidrio se forma en la superficie durante el llenado con el plástico fundido y el moldeo. Después de la condensación y el moldeo, aparecen marcas blancas en la superficie. Las superficies de la pieza moldeada deben ser «ricas en resina» para producir un marcado de alta calidad, en el que la energía del láser interactúa con la matriz polimérica. Por el contrario, las superficies ricas en fibra de vidrio se marcan mal, y el problema empeora conforme aumenta el contenido de fibra. La fibra de vidrio en sí no es un buen absorbedor de la luz láser del infrarrojo cercano (NIR).

Láseres de fibra industriales

Los láseres de fibra de iterbio de nanosegundos (MOPA y de pulso fijo) son ideales para marcar, grabar y realizar grabado químico (etching) en plásticos gracias a su calidad de haz superior (M2) y a su alta brillantez o «radiancia». Pueden enfocarse a un tamaño de punto pequeño (menor a 20 micras), lo que produce una alta densidad de energía. Una ventaja importante de los láseres MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) es la capacidad de ajustar con precisión el ancho de pulso. La irradiancia (W/cm2) y la fluencia (J/cm2) del láser son parámetros importantes en el marcado de plásticos. La irradiancia es, en esencia, la intensidad del haz láser, que es función del tamaño del punto enfocado. La fluencia determina la cantidad de energía que se transfiere a la superficie del material. Si la fluencia es demasiado baja, el material puede no verse afectado en absoluto. Si es demasiado alta, el material puede dañarse en exceso, más allá del efecto de marcado deseado.

La tasa de repetición de pulsos del láser y la densidad de potencia pico son críticas para formar la marca y lograr el contraste y la velocidad óptimos. Las curvas aritméticas de potencia contra tasa de repetición de pulsos son inversamente proporcionales. Una potencia pico alta a baja frecuencia eleva rápidamente la temperatura de la superficie y vaporiza el material mientras conduce un calor mínimo hacia el sustrato. Conforme aumenta la repetición de pulsos, la menor potencia pico produce una vaporización mínima pero conduce más calor.

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Preguntas frecuentes

¿Por qué es tan difícil el marcado láser del PPS?

El PPS es un termoplástico semicristalino para altas temperaturas que resiste el calor que aplica el láser, por lo que las reacciones de carbonización y espumado que generan el contraste en los plásticos comunes son mucho más difíciles de desencadenar. El refuerzo con fibra de vidrio, común en las piezas de PPS, agrava el problema.

¿Qué parámetros de láser producen marcas resistentes al rayado sobre PPS negro reforzado con fibra de vidrio?

Un láser de fibra de iterbio MOPA con duración de pulso de entre 20 y 40 nanosegundos y frecuencia de pulso superior a 100 kHz. La configuración precisa es lo que controla los tiempos de subida y de bajada de la temperatura superficial; sin ese control, la marca se raya y se desprende con facilidad.

¿El contenido de vidrio afecta la calidad del marcado en PPS?

De forma sustancial. La fibra de vidrio no absorbe el infrarrojo cercano, por lo que las superficies ricas en vidrio se marcan mal y el problema empeora conforme aumenta el contenido de fibra. Los conectores electrónicos suelen usar PPS con 40 % de fibra de vidrio, lo que convierte la formación de una superficie rica en resina en una prioridad del moldeo.

¿Qué temperatura de molde requiere el PPS?

Al menos 275 a 300 °F (135 a 149 °C) para alcanzar un estado completamente cristalino. Si se moldean por debajo de ese rango, las piezas quedan amorfas o semicristalinas y cristalizarán después si la temperatura de servicio supera la temperatura de moldeo, lo que provoca cambios dimensionales y de propiedades.

¿Cuál es la diferencia entre el PPS lineal y el ramificado?

El PPS ramificado tiende a ser más rígido. El PPS lineal generalmente ofrece mejor resistencia mecánica y a la flexión, mayor estabilidad del fundido y menos impurezas iónicas.

Scott R. Sabreen es fundador y presidente de The Sabreen Group, Inc., una empresa de ingeniería especializada en procesos de transformación secundaria de plásticos: pretratamiento de superficies, pegado, decoración y acabado, marcado láser y seguridad del producto. Ha desarrollado nuevas tecnologías y resuelto problemas de manufactura durante más de 30 años. Puede contactar a Sabreen al 972.820.6777 o visitar www.sabreen.com o https://sabreen.com/solutions/plastics-laser-marking/

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