Marcado con láser de fibra en plásticos de nylon (poliamida)

Marcado con láser de fibra en plásticos de nylon (poliamida)

La demanda de marcado láser de alto contraste en productos plásticos de nylon (poliamida) crece con rapidez debido a su amplia gama de aplicaciones industriales. Los marcados funcionales y decorativos incluyen la identificación alfanumérica, códigos de visión Data Matrix/QR, diagramas y microestructuras.

Las poliamidas, incluidas las poliftalamidas (PPA), se cuentan entre los polímeros más difíciles de marcar con láser por la diversidad de sus propiedades de material, condiciones de moldeo y configuraciones de láser. Los aditivos inteligentes para láseres del infrarrojo cercano resuelven los problemas de contraste de marcado y aumentan la velocidad de marcado (menor tiempo de ciclo) sin afectar las propiedades del material.

Este artículo ofrece una comprensión de los nylons, los aditivos químicos y los láseres de fibra para lograr color de alto contraste y operaciones de marcado láser económicas.

Puntos clave

• Las poliamidas, incluida la PPA, se cuentan entre los polímeros más difíciles de marcar, dada la diversidad de sus propiedades, condiciones de moldeo y configuraciones de láser.
• El contraste no es solo cambio de color: la difracción variable de la luz también contribuye, junto con la resolución de línea fina y la nitidez.
• El color del sustrato es en sí una variable, ya que el negro de humo, el TiO₂ y los retardantes de flama absorben la luz láser de manera distinta.
• Los láseres de fibra enfocan por debajo de 20 micras, lo que da la alta densidad de energía que requiere el marcado fino de nylon.
• El MOPA a 20–50 ns es la ventana efectiva para lograr un color de contraste superior en la mayoría de los polímeros.

Un parámetro básico para describir la calidad del marcado es el contraste de color entre la superficie marcada y el sustrato. Existen tres mecanismos superficiales de cambio de color con láseres NIR, incluidos los de fibra de iterbio, de vanadato (Nd:YVO4) y Nd:YAG: 1) marcado negro por carbonización, 2) marcado blanco por generación de espuma y 3) cambios de color por reacciones térmicas químicas inducidas por láser en polímeros pigmentados¹. Entre los colores de contraste más demandados están el blanco opaco sobre negro, el negro intenso sobre blanco y el blanco opaco sobre azul medio. Estas combinaciones de color suelen requerir aditivos químicos. Los aditivos mejoran el grado de contraste de color (absorción de la luz láser), que se intensifica aún más con una selección óptima del láser y de los parámetros de marcado.

Preguntas frecuentes

¿Qué hace que el nylon sea difícil de marcar con láser?

Las poliamidas, incluidas las poliftalamidas, tienen propiedades de material, condiciones de moldeo y configuraciones de láser diversas y, como la mayoría de los polímeros, no absorben la luz láser de forma inherente, lo que impide el cambio de color que forma una marca. Los aditivos que potencian el láser son los que resuelven el contraste, la velocidad y la durabilidad.

¿Cómo se juzga la calidad del marcado, además del contraste?

Por su fidelidad: la resolución de línea fina y la nitidez. El contraste en sí no siempre se logra solo con el cambio de color, ya que la difracción variable de la luz también contribuye, por lo que ambos aspectos deben evaluarse en conjunto.

¿El color del nylon afecta el marcado?

Sí. El color del sustrato es un factor real porque compuestos como el negro de humo, el dióxido de titanio y los retardantes de flama poseen distintos grados de absorción de la luz láser, lo que cambia la respuesta del material.

¿Por qué los láseres de fibra de iterbio reemplazaron al YAG en este trabajo?

Entraron al mercado del marcado industrial alrededor de 2010 y ofrecen una calidad de haz superior y un alto brillo, con enfoque a un punto menor a 20 micras para una alta densidad de energía. También son versátiles, rentables y prácticamente plug-and-play, con un mantenimiento casi nulo.

¿Qué rango de ancho de pulso funciona mejor?

Los láseres de fibra MOPA de pulso corto variable en el rango de 20 a 50 ns son excepcionalmente eficaces para lograr un color de contraste superior en la mayoría de los polímeros, incluidos los nylons. Los láseres de fibra con Q-switch de 100 a 150 ns se limitan a una frecuencia de repetición de unos 80 kHz.

¿Qué es el nylon (poliamida)?

Las poliamidas, o nylon, son la principal clase de termoplásticos de ingeniería y de alto desempeño que contienen enlaces amida repetitivos, es decir, –CO-NH–. Se forman por condensación de unidades idénticas, y los copolímeros a partir de unidades distintas. El nylon se obtiene por policondensación de un diácido con una diamina o por polimerización por apertura de anillo de lactamas con seis, 11 o 12 átomos de carbono². Los monómeros de nylon pueden ser alifáticos, semiaromáticos o aromáticos (aramidas) y su estructura puede ser amorfa o semicristalina, con mayor o menor cristalinidad.

Las poliamidas alifáticas se producen en una escala mucho mayor que las poliamidas totalmente aromáticas y son una de las clases más importantes de termoplásticos de ingeniería. El contraste de color del marcado láser en nylon con 20% de fibra de vidrio y textura superficial mate es amorfo o solo moderadamente cristalino cuando se moldea por inyección, pero el grado de cristalinidad puede aumentarse.

Dos poliamidas importantes son la poli(hexametilen adipamida) (nylon 6,6) y la policaprolactama (nylon 6). Otras poliamidas alifáticas incluyen el nylon 12, 69, 6-10, 6-12, 46 y 1212. El nylon 11 es un plástico de ingeniería de origen biológico derivado de recursos renovables (plantas de ricino).

Las poliamidas semiaromáticas y semicristalinas obtenidas por condensación de amidas alifáticas incluyen la PA 6T y la PA 6I. Las poliamidas semiaromáticas suelen ser una alternativa rentable frente a las aramidas totalmente aromáticas, más costosas. Las poliamidas aromáticas, llamadas aramidas, tienen mayor resistencia, mejor resistencia a solventes, a la flama y al calor, y mayor estabilidad dimensional que las amidas alifáticas. Una amida aromática ampliamente conocida es el Kevlar, la poli(p-fenilen tereftalamida).

Las poliamidas, incluidas las poliftalamidas (PPA), se cuentan entre los polímeros más difíciles de marcar con láser por la diversidad de sus propiedades de material, condiciones de moldeo y configuraciones de láser.

La poliftalamida (PPA) es un subconjunto de las resinas sintéticas termoplásticas de la familia de las poliamidas (nylon), definida cuando 55% o más de los moles de la porción de ácido carboxílico de la unidad repetitiva de la cadena polimérica está compuesta por ácidos aromáticos. La PPA es semiaromática y semicristalina. Las PPA cubren la brecha de desempeño entre los nylons alifáticos, como la PA6,6 y la PA6, y las poliaramidas, mucho más costosas.

Aditivos «inteligentes»

Un parámetro para describir la calidad del marcado es el contraste de color entre la superficie marcada y el fondo. El contraste no siempre se logra solo con el cambio de color, ya que también puede obtenerse por la difracción variable de la luz.

Igual de importantes son la calidad y/o la fidelidad del marcado, es decir, la resolución de línea fina o la nitidez. Muchos polímeros, incluidos los nylons, no absorben la luz láser de forma inherente, lo que impide el cambio de color. Los aditivos químicos que potencian el láser mejoran significativamente el contraste, la velocidad y la durabilidad del marcado (véase la Imagen 1). El color del sustrato es un factor, ya que compuestos como el negro de humo, el TiO₂ y los retardantes de flama poseen distintos grados de absorción de la luz láser.

Los aditivos láser se suministran en gránulos (pellets) y en polvo. Los productos granulados se mezclan directamente con la resina polimérica, mientras que las presentaciones en polvo se convierten en masterbatch. La concentración de carga en peso (en la pieza final) suele ir de 0.01 a 3.0%. Una distribución y dispersión homogéneas de los aditivos láser en toda la pieza es fundamental para lograr un contraste de color óptimo.

Algunos aditivos contienen mezclas de óxido de estaño dopado con antimonio y trióxido de antimonio que pueden impartir un tinte «grisáceo» a la opacidad natural (sin color) del sustrato. Otros aditivos pueden contener partículas de aluminio, óxidos metálicos mixtos y compuestos patentados.

Los ajustes de color se realizan con pigmentos y tintes para lograr la apariencia final de igualación de color. Ciertos aditivos específicos han recibido la aprobación de la FDA para contacto con alimentos y uso en empaques alimentarios bajo las condiciones A-H de 21 CFR 178.3297 Colorants for Polymers¹.

Láseres de fibra de iterbio

Los láseres de fibra de iterbio NIR entraron al mercado del marcado industrial alrededor de 2010, en sustitución de los láseres YAG tradicionales. Los láseres de fibra poseen una calidad de haz (M²) superior y un alto brillo, y pueden enfocarse a un tamaño de punto pequeño (menor a 20 micras), lo que produce una alta densidad de energía. Los láseres de fibra son extremadamente versátiles, rentables y plug-and-play, con un mantenimiento casi nulo.

Varias empresas de láseres, entre ellas IPG Photonics y SPI Lasers, comercializan láseres de fibra de nanosegundos de pulso fijo (Q-switch) y de pulso variable (MOPA). Los láseres de fibra con Q-switch, normalmente con un ancho de pulso de 100 a 150 ns, se emplean en algunas aplicaciones de marcado de polímeros, pero su frecuencia de repetición se limita a unos 80 kHz debido a la restricción inherente de la tecnología Q-switch.

Los láseres de fibra MOPA de modulación directa (DM-MOPA) operan a frecuencias de repetición de hasta 500 kHz con anchos de pulso de nanosegundos. El ancho de pulso [ns] es una medida del tiempo entre el inicio y el final del pulso, normalmente basada en el ancho a media altura (FWHM) de la forma del pulso.

Las altas frecuencias de repetición generalmente se traducen en una mayor velocidad de marcado (en conjunto con otros parámetros del láser y de la forma de onda). Existen diferencias significativas en las formas de onda y en el grado de carbonización de la superficie³ (véase la Imagen 1).

El control espacial y temporal localizado del aporte de calor del láser y de la velocidad de dicho aporte permite alcanzar el máximo desempeño. Para los polímeros sensibles a la temperatura, los láseres de fibra de pulso corto variable (MOPA) son particularmente eficaces para lograr un alto contraste sin una carbonización excesiva.

El marcado subsuperficial es posible en plásticos transparentes para aplicaciones médicas. En general, los láseres MOPA generan anchos de pulso (duración de pulso) de 1 ns a 250 ns (y mayores). The Sabreen Group ha encontrado que de 20 ns a 50 ns es un rango ideal para un contraste de color óptimo en muchas aplicaciones de polímeros, incluidos los nylons.

En el contraste de marcado cosmético y funcional, los aditivos láser marcan una diferencia crítica cuando se requieren alta resolución, calidad de bordes de línea y celdas de datos pequeñas para el marcado directo de piezas (DPM) con 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» suele requerirse para productos militares, aeroespaciales, automotrices y farmacéuticos. La legibilidad de códigos de alto contraste ofrece beneficios adicionales: mayores velocidades de marcado y la posibilidad de usar lectores portátiles de bajo costo en toda la planta.

Conclusión

Las poliamidas se cuentan entre los polímeros más difíciles de marcar con láser. Los aditivos láser inteligentes resuelven los problemas de contraste, aumentan las velocidades de marcado y generan ahorro de costos. Para el marcado directo de piezas (DPM) con Data Matrix y código de barras, los aditivos láser aportan mejoras críticas. Los láseres de fibra de pulso corto variable (MOPA), en el rango de 20 ns a 50 ns, son excepcionalmente eficaces para lograr un color de contraste superior en la mayoría de los polímeros.

Referencias

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

Scott R. Sabreen es fundador y presidente de The Sabreen Group, Inc., una empresa de consultoría en ingeniería especializada en procesos de transformación secundaria de plásticos: pretratamientos de superficies, unión por adhesión, impresión por inyección de tinta, marcado láser, decoración y acabado, y seguridad del producto. Sabreen desarrolla tecnologías pioneras y resuelve problemas de manufactura desde hace más de 30 años. Puede comunicarse al 972.820.6777 o visitando www.sabreen.com.

---