Marquage laser du nylon (polyamide) au laser à fibre

Comment marquer et graver au laser les plastiques nylon (polyamide) avec des lasers à fibre

Résumé

Les utilisateurs de lasers à fibre éprouvent des difficultés à marquer ou à graver le nylon. La clé pour obtenir un contraste de marquage de haute qualité consiste à incorporer des additifs de marquage laser dans le nylon pendant le moulage, qu'il s'agisse d'un concentré de couleur ou de matières pré-compoundées. Les avantages du marquage laser du nylon ont transformé de nombreux secteurs, dont celui des armes à feu, en permettant l'identification unique des pièces, les codes Data Matrix et QR, ainsi que la personnalisation.

Points clés

• Le nylon non modifié se marque mal. Le polyamide absorbe peu d'énergie à 1060–1070 nm : le contraste dépend donc des additifs de marquage laser.
• Les meilleures associations de contraste sont le blanc opaque sur noir, le noir de jais sur blanc et le blanc opaque sur bleu moyen.
• Les lasers à fibre ytterbium MOPA sont l'outil adapté ; des durées d'impulsion inférieures à environ 90 ns conviennent aux plastiques.
• Le taux de charge se situe entre 0,01 et 3,0 % en poids, et c'est la dispersion uniforme dans toute la pièce qui rend le contraste reproductible.
• Le nylon chargé de fibres de verre est encore plus difficile : les surfaces riches en fibres se marquent mal, d'où la nécessité de surfaces riches en résine.

Les plastiques nylon trouvent de nombreuses applications, notamment dans les armes à feu, l'automobile, l'électricité et l'électronique, l'industrie, les consommables ainsi que le pétrole et le gaz. Toutefois, la variabilité des propriétés physiques, chimiques et de surface du nylon (polyamide), en particulier des nylons chargés de fibres de verre, rend le marquage et la gravure laser difficiles. Les couleurs de contraste les plus courantes sont le blanc opaque sur noir, le noir de jais sur blanc et le blanc opaque sur bleu moyen. Associés aux pigments et colorants appropriés, les additifs de marquage laser offrent une qualité de marquage supérieure à faible coût. Les additifs de marquage laser sont utilisés dans de nombreux plastiques, dont l'ABS, l'acétal (POM), le PET, le PVC, le polycarbonate, le polypropylène et le polyéthylène.

Les polyamides (nylon)

Les polyamides, également appelés nylon, constituent une famille importante de thermoplastiques utilisés dans des applications hautes performances. Ils sont constitués de liaisons amide, plus précisément –CO-NH–. Le nylon est synthétisé par polycondensation, une diamine réagissant avec un diacide, ou par polymérisation par ouverture de cycle de lactames comportant six, onze ou douze atomes de carbone. Les monomères de nylon peuvent être aliphatiques, semi-aromatiques ou aromatiques (aramides) et leur structure va de l'amorphe au semi-cristallin, avec une cristallinité plus ou moins élevée. Deux polyamides majeurs sont le poly(hexaméthylène adipamide) (nylon 6,6) et le polycaprolactame (nylon 6). Les polyamides aliphatiques comprennent les nylons 12, 69, 6-10, 6-12, 46 et 1212. Le plastique technique biosourcé connu sous le nom de nylon 11 est issu de ressources renouvelables, en particulier du ricin.

Mécanismes de surface du marquage laser

Les plastiques marquables au laser se caractérisent par leur capacité à absorber la lumière laser puis à la convertir en énergie thermique dans le proche infrarouge (NIR), pour des longueurs d'onde comprises entre 1060 nm et 1070 nm. Trois types de lasers sont couramment utilisés : le laser à fibre ytterbium (MOPA et impulsion fixe), le vanadate (Nd:YVO4) et le Nd:YAG. Selon le type de laser et le contraste de marquage recherché, différentes chimies permettent de produire des réactions de surface telles que la carbonisation, le moussage par changement chimique et le changement de couleur. Un même laser peut réaliser toutes ces réactions de surface par ajustement des réglages du logiciel de marquage (puissance, fréquence de répétition des impulsions et vitesse de marquage). Les lasers CO₂ à onde continue (CW) ont une longueur d'onde de 10,6 microns (infrarouge lointain). Leur puissance crête est plus faible et ils ne peuvent pas produire de marquages à fort contraste sur les plastiques.

Additifs de marquage laser

La plupart des polymères présentant des propriétés d'absorption limitées à cette longueur d'onde (NIR) et ne pouvant produire de contraste perceptible, les spécialistes recourent à divers additifs, charges, pigments et colorants pour accroître l'absorption et obtenir un contraste de haute qualité. Les additifs augmentent le degré de contraste de couleur (absorption de la lumière laser), encore renforcé par un choix optimal du laser et des paramètres de marquage. Contrairement à une idée répandue, il n'existe pas d'additif universel unique.

Certains additifs contiennent des mélanges d'oxyde d'étain dopé à l'antimoine et de trioxyde d'antimoine, qui peuvent donner un aspect « grisâtre » à l'opacité du substrat naturel (non coloré). D'autres additifs peuvent contenir des particules d'aluminium, des oxydes métalliques mixtes ou des composés propriétaires. Les ajustements de couleur se font au moyen de pigments et de colorants afin d'obtenir la correspondance colorimétrique souhaitée. Certains additifs spécifiques sont approuvés par la FDA pour le contact alimentaire et l'emballage alimentaire selon les conditions A-H du 21 CFR 178.3297, Colorants for Polymers.

Les composés d'additifs de marquage laser sont disponibles sous forme de granulés et de poudre. Les granulés sont mélangés directement à la résine polymère, tandis que les poudres sont transformées en mélange-maître (masterbatch). Le taux de charge en poids (dans la pièce finale) se situe généralement entre 0,01 et 3,0 %. Pour obtenir le meilleur contraste de couleur, les additifs de marquage laser doivent être répartis et dispersés uniformément dans toute la pièce.

Lasers à fibre

Les lasers à fibre ytterbium nanoseconde (MOPA et impulsion fixe) sont idéaux pour le marquage, la gravure laser et la gravure chimique laser (etching) des plastiques grâce à leur qualité de faisceau supérieure (M2) et à leur forte brillance (« radiance »). Ils peuvent être focalisés sur un très petit diamètre de spot (moins de 20 microns), d'où une densité d'énergie élevée. Un avantage majeur des lasers MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) réside dans la possibilité d'ajuster finement la durée d'impulsion. Une faible durée d'impulsion, généralement inférieure à 90 nanosecondes, est idéale pour le marquage des matières plastiques.

L'irradiance laser (W/cm2) et la fluence (J/cm2) sont des paramètres importants du marquage des plastiques. L'intensité dépend de la fréquence des impulsions, de la puissance du laser, du diamètre du spot focal et de la durée d'impulsion. La fluence dépend de l'intensité du faisceau, de la vitesse de balayage, du recouvrement des impulsions et du diamètre du faisceau focalisé. La fréquence de répétition des impulsions et la densité de puissance crête sont des paramètres critiques pour former la marque et obtenir le contraste et la vitesse optimaux. Une puissance crête élevée à basse fréquence élève rapidement la température de surface, vaporisant la matière tout en ne conduisant qu'un minimum de chaleur dans le substrat. Lorsque la fréquence de répétition augmente, une puissance crête plus faible produit une vaporisation minimale mais conduit davantage de chaleur. Les courbes arithmétiques de la puissance en fonction de la fréquence de répétition des impulsions sont inversement proportionnelles.

Questions fréquentes

Pourquoi mon laser à fibre ne marque-t-il pas nettement le nylon ?

Le polyamide présente une absorption limitée dans le proche infrarouge, la bande dans laquelle fonctionnent les lasers à fibre ytterbium : l'essentiel de l'énergie ne se convertit donc pas en la réaction thermique qui forme la marque. La solution est un additif de marquage laser incorporé à la matière, et non une puissance laser plus élevée.

Quels additifs utiliser pour le marquage laser du nylon ?

Les mélanges d'oxyde d'étain dopé à l'antimoine et de trioxyde d'antimoine sont courants, même s'ils peuvent donner une teinte grisâtre aux substrats non colorés. D'autres font appel à des particules d'aluminium, à des oxydes métalliques mixtes ou à des composés propriétaires, avec ajout de pigments et de colorants pour atteindre la correspondance colorimétrique finale.

Le nylon marqué au laser peut-il être utilisé pour des pièces en contact alimentaire ?

Oui, avec l'additif approprié. Certains additifs sont approuvés par la FDA pour le contact alimentaire et l'emballage alimentaire selon les conditions A–H du 21 CFR 178.3297, Colorants for Polymers. Vérifiez que cette approbation couvre bien votre grade et votre taux de charge.

Quelle durée d'impulsion utiliser sur le nylon ?

Des impulsions courtes. Sur un laser MOPA, des durées inférieures à environ 90 nanosecondes conviennent aux plastiques : elles délivrent une puissance crête élevée qui fait monter rapidement la température de surface tout en ne conduisant qu'un minimum de chaleur dans le substrat.

Pourquoi le nylon chargé de fibres de verre est-il plus difficile à marquer que le nylon non chargé ?

Les fibres de verre n'absorbent pas le proche infrarouge et diffusent le faisceau : les surfaces riches en fibres se marquent donc faiblement et de façon irrégulière. Le moulage doit être réglé de manière à produire des surfaces riches en résine. Voir l'émergence des fibres de verre et le marquage laser.

Scott R. Sabreen est fondateur et président de The Sabreen Group, Inc., société d'ingénierie spécialisée dans les procédés de transformation secondaire des plastiques : prétraitements de surface, collage, décoration et finition, marquage laser et sécurité des produits. Il développe de nouvelles technologies et résout des problèmes de fabrication depuis plus de 30 ans. Vous pouvez contacter Scott Sabreen au 972.820.6777 ou consulter www.sabreen.com ou www.adhesionbonding.com.

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