Marquage laser du nylon

Marquage laser, gravure et gravure chimique (etching) du nylon polyamide

Comment marquer au laser les plastiques en nylon polyamide à l'aide de lasers à fibre

Les plastiques en nylon, également appelés polyamide, constituent une classe importante de thermoplastiques utilisés dans des applications hautes performances telles que les armes à feu, l'électronique, les collecteurs automobiles, les composants de vélos, les tuyaux, les étiquettes d'identification animale, les semelles de chaussures de sport, et plus encore. Ce sont parmi les polymères les plus difficiles à marquer au laser, graver ou soumettre à une gravure chimique en raison de la diversité de leurs propriétés matérielles, de leurs conditions de moulage et des configurations laser. Les lasers à fibre ytterbium sont idéaux pour produire un marquage noir par carbonisation, un marquage blanc par génération de mousse, et des changements de couleur par réactions thermochimiques induites par laser sur des polymères pigmentés. L'irradiance laser, la fluence et l'optique du faisceau sont des facteurs importants lors du marquage des plastiques. Les lasers à fibre MOPA à impulsions variables offrent le meilleur contrôle de la largeur d'impulsion tout en limitant la chaleur excessive.

Les nylons sont disponibles dans une variété de types de matériaux (par exemple le Nylon 6,6 ; le Nylon 6,12 ; le Nylon 4,6 ; le Nylon 6 ; le Nylon 12, etc.), offrant une large gamme de matériaux et de propriétés disponibles, qu'il s'agisse d'homopolymère, de copolymère ou de matériau renforcé. Des fibres de verre longues et courtes sont fréquemment incorporées dans le nylon renforcé. Bien qu'avantageuse pour la performance structurelle, cette pratique présente l'inconvénient de défauts d'« émergence de fibres de verre » liés au moulage, qui réduisent la marquabilité au laser.

Les surfaces moulées doivent être riches en résine afin que l'énergie du laser puisse interagir avec la matrice polymère. Les nylons peuvent également être mélangés à d'autres plastiques techniques pour améliorer certaines caractéristiques de performance. Ces facteurs influencent intrinsèquement la manière dont chaque type de matériau réagit au marquage laser. Les couleurs, pigments et colorants, les propriétés des charges, le compoundage réalisé par différents fournisseurs, la dispersion et la distribution lors du moulage, ainsi que la texture de surface, sont autant de facteurs qui affectent la qualité du marquage.

Marquage laser de haute qualité à l'aide de lasers à fibre industriels : le marquage indélébile, fonctionnel et décoratif, apporte une valeur ajoutée aux produits tout en prévenant la contrefaçon. La clé pour obtenir un contraste de marquage et une durabilité élevés consiste à incorporer des additifs de marquage laser dans le matériau nylon pendant le processus de moulage, que ce soit sous forme de concentrés colorants ou de matériaux précompoundés. Des additifs spécialisés conçus pour les lasers proche infrarouge optimisent le contraste de marquage sans altérer les propriétés du matériau, augmentent la vitesse de marquage (temps de cycle plus court) et sont économiques.

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Qualité du faisceau laser : les lasers à fibre ytterbium fonctionnent dans le spectre proche infrarouge (NIR) avec des longueurs d'onde de 1060 à 1070 nm. Le facteur de qualité de faisceau M2 quantifie la capacité de focalisation d'un faisceau et est déterminant pour la performance de marquage. Le facteur M2 d'un faisceau laser limite le degré auquel le faisceau peut être focalisé pour une divergence de faisceau donnée, elle-même limitée par l'ouverture de la lentille de focalisation. M2 = 1 correspond au faisceau laser gaussien idéal. Associé à la puissance optique, le facteur de qualité de faisceau détermine la « radiance » (luminance énergétique) du faisceau laser. Un facteur M2 constant est plus important que sa valeur absolue, car différentes applications nécessitent différents modes de faisceau. Les lasers de performance inférieure souffrent fréquemment d'un manque de constance, ce qui entraîne des variations de marquage, d'aspect et de fonctionnalité. Les lasers industriels sont supérieurs aux lasers bon marché destinés aux amateurs (vendus par des revendeurs). Les lasers bon marché souffrent d'une qualité de marquage erratique, ainsi que d'une optique et d'une électronique de moindre qualité, entraînant des variations de la qualité du faisceau et un marquage incohérent. Tous les lasers ne se valent pas.

Marquage laser, gravure, vision industrielle et identification unique des articles (IUID) : la norme MIL-STD 130 est utile pour la gestion des stocks et le suivi des produits dans divers secteurs. Une qualité de marquage médiocre est particulièrement problématique et coûteuse lorsque les codes-barres 1D et les codes DPM 2D AIM ne peuvent pas être vérifiés et notés avec précision par la caméra. Les additifs de marquage laser font une différence déterminante lorsqu'une haute résolution, une qualité de bord de ligne et de petites cellules de données sont requises pour le marquage direct de pièces (DPM) par datamatrix et code-barres. Plus la chaîne de données est longue, plus les cellules de données deviennent condensées. La vérification de grade « A » (ISO 15415) est fréquemment exigée pour les produits militaires, aérospatiaux, automobiles et pharmaceutiques. Une bonne lisibilité des codes à contraste élevé offre des avantages supplémentaires, tels que des vitesses de marquage plus rapides et la possibilité d'utiliser des lecteurs portables à faible coût dans toute l'usine.

Questions fréquentes sur le marquage laser du nylon

Pourquoi certains matériaux en nylon produisent-ils un meilleur marquage que d'autres ? Bien qu'il existe de nombreuses théories sur les mécanismes du marquage laser des nylons synthétiques, il n'existe pas de réponse définitive. Certains experts estiment que les nylons se distinguent par leurs groupes amide (CONH). Les groupes amide moussent plus facilement, en partie en raison de l'azote, tandis que les groupes méthylène sont mieux adaptés à la carbonisation. Dans le PA12, la structure est plus proche du polyéthylène, avec un groupe amide tous les 12 unités monomères. En revanche, le PA6 contient un groupe amide tous les six unités monomères. En pratique, cela signifie que le PA12 a une tendance moindre à mousser et une tendance plus élevée à produire des marques sombres que le PA6. Il existe toutefois des exceptions à ces observations générales.

Les ingénieurs de conception produit doivent prendre en compte la performance de la pièce et sa marquabilité au laser lors du choix du nylon.

Que sont les polyamides nylon ?

Les polyamides, également appelés nylon, constituent une classe importante de thermoplastiques utilisés dans des applications hautes performances. Ils sont composés de liaisons amide, plus précisément –CO-NH–. Le nylon est synthétisé par polycondensation, un diamine réagissant avec un diacide, ou par polymérisation par ouverture de cycle de lactames contenant six, onze ou douze atomes de carbone. Les monomères de nylon peuvent être aliphatiques, semi-aromatiques ou aromatiques (aramides) et présenter une structure allant d'amorphe à semi-cristalline, avec un degré de cristallinité plus ou moins élevé. Les deux principaux polyamides sont le poly(hexaméthylène adipamide) (nylon 6,6) et le polycaprolactame (nylon 6). Les polyamides aliphatiques incluent le nylon 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 des plantes de ricin.

Les additifs en fibre de verre affectent-ils le marquage laser ?

La qualité du marquage dépend du polymère, des additifs et colorants, ainsi que du procédé de moulage par injection. Les défauts de surface du polymère moulé qui nuisent à la lisibilité peuvent affecter la sécurité, la performance et la fonction du produit. Les fibres de verre additives en sont un exemple. L'ajout de fibres de verre peut nuire au procédé de moulage, ce qui affecte à son tour la qualité du marquage laser. Les taux de charge en fibre de verre varient, généralement entre 10 et 60 %. Il existe deux types de renforts en fibre de verre — fibre courte et fibre longue — chacun ayant ses avantages et ses inconvénients. Les surfaces des pièces moulées doivent être « riches en résine » afin de produire un marquage de haute qualité, l'énergie du laser interagissant alors avec la matrice polymère. À l'inverse, les surfaces riches en fibre de verre se marquent mal, et le problème s'aggrave avec une teneur en fibre plus élevée. La fibre de verre elle-même n'est pas un bon absorbeur de la lumière laser proche infrarouge (NIR).

Comment fonctionnent les additifs améliorant le marquage laser ?

Étant donné que la plupart des polymères ont des propriétés d'absorption limitées dans cette longueur d'onde (NIR) et ne peuvent pas produire de contraste notable, les experts utilisent divers additifs, charges, pigments et colorants pour augmenter l'absorption et obtenir un contraste élevé. Les additifs augmentent le degré de contraste de couleur (absorption de la lumière laser), encore renforcé par une sélection optimale du laser et des paramètres de marquage. Contrairement à une croyance 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 à l'opacité naturelle (non colorée) du substrat un aspect « grisâtre ». D'autres additifs peuvent contenir des particules d'aluminium, des oxydes métalliques mixtes ou des composés propriétaires. Les ajustements de couleur sont réalisés à l'aide de pigments et de colorants afin d'obtenir la correspondance de couleur souhaitée. Certains additifs spécifiques ont été approuvés par la FDA pour une utilisation en contact alimentaire et dans l'emballage alimentaire, conformément aux conditions A-H du 21 CFR 178.3297 relatif aux colorants pour polymères.

Les composés d'additifs de marquage laser sont disponibles sous forme de granulés et de poudre. Les produits en granulés sont mélangés directement avec la résine polymère, tandis que les formes en poudre sont converties en mélange-maître. 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/dispersés de manière uniforme dans chaque pièce.

Quels sont les types de mécanismes de marquage laser des polymères ?

Les plastiques marquables au laser se caractérisent par leur capacité à absorber la lumière laser et à la convertir ensuite en énergie thermique dans la plage de longueurs d'onde proche infrarouge (NIR) comprise entre 1060 et 1070 nm. Trois types de lasers courants sont l'ytterbium à fibre (MOPA et impulsion fixe), le vanadate (Nd:YVO4) et le Nd:YAG. Selon le type de laser et le contraste de marquage souhaité, diverses réactions chimiques peuvent être utilisées pour produire des réactions de surface telles que la carbonisation, le changement chimique par moussage et le changement de couleur. La qualité du marquage dépend de l'énergie absorbée et du mécanisme unique de dégradation thermique du matériau. Chaque grade de polymère, même au sein d'une même famille polymère, peut produire des résultats différents. Un même laser peut réaliser toutes ces réactions de surface en ajustant les paramètres dans le logiciel de marquage (puissance, taux de répétition des impulsions et vitesse de marquage). Les lasers CO2 à onde continue (CW) ont une longueur d'onde de 10,6 microns (spectre infrarouge lointain). Les lasers CO2 à onde continue ont une puissance de crête plus faible et ne peuvent pas produire de marquages à contraste élevé sur les plastiques.

Quelle est la différence entre les lasers à fibre et les lasers à transmission par fibre ?

Les lasers à fibre ytterbium à impulsions nanosecondes comptent parmi les avancées les plus significatives pour le marquage, le soudage et la découpe. Fondamentalement, les lasers à fibre diffèrent des autres lasers de marquage à état solide pompés par diode (DPSS). Dans les lasers à fibre, le milieu actif générant le faisceau laser est réparti au sein d'un câble à fibre optique spécialisé. Contrairement aux lasers à transmission par fibre, tout le trajet du faisceau se fait dans un câble à fibre optique jusqu'à l'optique de délivrance du faisceau. Cette structure entièrement fibrée est largement responsable de la fiabilité et de la robustesse de ces lasers, ce qui explique leur croissance rapide.

Comment le taux de répétition des impulsions et la puissance de crête affectent-ils le marquage ?

Le taux de répétition des impulsions et la densité de puissance de crête sont des paramètres déterminants pour la formation de la marque et l'obtention d'un contraste et d'une vitesse optimaux. Une puissance de crête élevée à basse fréquence augmente rapidement la température de surface, vaporisant le matériau tout en transmettant un minimum de chaleur au substrat. Lorsque le taux de répétition des impulsions augmente, une puissance de crête plus faible produit une vaporisation minimale mais transmet davantage de chaleur. Les courbes arithmétiques de la puissance en fonction du taux de répétition des impulsions sont inversement proportionnelles. D'autres facteurs contributifs, tels que la vitesse du faisceau de marquage et la distance de séparation des lignes vectorielles, déterminent le contraste et la qualité du marquage. En ajustant et en contrôlant soigneusement ces paramètres, le marquage laser permet de créer des marques précises et de haute qualité sur toute une gamme de matériaux plastiques. Il s'agit d'un équilibre qui dépend des propriétés du matériau, de la profondeur de marque souhaitée et de la vitesse de marquage requise. L'ajout d'absorbeurs laser au plastique élargit considérablement la gamme de matériaux plastiques marquables, améliore la qualité de la marque et élargit la fenêtre de procédé afin d'assurer la constance du marquage.

Qu'est-ce que l'irradiance laser ?

Irradiance laser : l'irradiance est la puissance du laser par unité de surface, mesurée en watts par centimètre carré (W/cm2). Il s'agit essentiellement de l'intensité du faisceau laser, fonction de la taille du point focalisé. Pour une lentille de focale et une longueur d'onde laser données, la taille du point focalisé est fonction de la divergence du faisceau laser. Une taille de point plus grande entraîne une densité d'énergie plus faible. Une irradiance élevée peut entraîner un échauffement et une vaporisation rapides du matériau, tandis qu'une irradiance faible peut ne créer aucune marque visible. L'irradiance affecte la vitesse et la qualité du procédé de marquage. Une irradiance élevée peut permettre un marquage plus rapide, le matériau étant chauffé et vaporisé rapidement. Cependant, si l'irradiance est trop élevée, elle peut endommager le matériau, par exemple en le fissurant ou en le brûlant excessivement. À l'inverse, une irradiance faible peut entraîner une vitesse de marquage lente, voire l'absence de marque visible.

L'intensité est influencée par :

• Fréquence des impulsions (Hz, kHz) – taux de répétition des impulsions
• Puissance laser (watt) – différente de la densité de puissance W/cm2
• Taille du point focal – également appelée diamètre focal
• Largeur d'impulsion – le temps entre le début et la fin d'une impulsion, mesuré en nanosecondes, picosecondes ou femtosecondes. Un facteur de contrôle de la densité d'énergie, déterminant pour l'optimisation du procédé. L'ajustement de la durée d'impulsion est plus flexible sur les lasers MOPA que sur les lasers à fibre à impulsion fixe (Q-switch).

Qu'est-ce que la fluence laser ?

Fluence laser : la fluence est une mesure de l'énergie laser par unité de surface. Elle est généralement mesurée en joules par centimètre carré (J/cm2). La fluence détermine la quantité d'énergie transférée à la surface du matériau. Si la fluence est trop faible, le matériau peut ne pas être affecté du tout. Si elle est trop élevée, le matériau peut être endommagé de manière excessive, au-delà de l'effet de marquage souhaité. La fluence doit être adaptée au matériau spécifique marqué. Certains matériaux peuvent nécessiter une fluence plus élevée pour absorber suffisamment d'énergie afin de produire une marque visible, tandis que d'autres peuvent nécessiter une fluence plus faible pour éviter tout dommage. La profondeur de la marque peut également être influencée par la fluence ; en général, une fluence plus élevée produit des marques plus profondes.

La fluence est influencée par :

• Intensité du faisceau
• Vitesse du scanner
• Chevauchement des impulsions
• Diamètre du faisceau focalisé

Quels sont les avantages du laser à fibre MOPA par rapport au Q-switch à impulsion fixe ?

L'émergence des lasers à fibre ytterbium à impulsions nanosecondes de conception MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) constitue l'une des avancées les plus significatives du marquage laser des plastiques. Cette conception laser, qui transforme le secteur, délivre désormais l'énergie pulsée différemment des cavités traditionnelles à miroir/Q-switch. La conception exploite des « formes d'onde » comme outil laser pour un traitement rapide et un contrôle fin des impulsions. Le graphique 1 montre 40 impulsions de formes d'onde de couleurs différentes issues des lasers à fibre MOPA TRUMPF TruPulse Nano. Chaque couleur du graphique représente une forme d'onde d'impulsion MOPA distincte, pouvant être utilisée pour équilibrer la fluence et l'irradiance afin d'optimiser les résultats de marquage sur plastique. Comme pour de nombreuses technologies concurrentes, il existe souvent une confusion et une présentation erronée involontaire de terminologies et de facteurs distinctifs importants.

Un laser à fibre MOPA, schéma 1, amplifie une diode laser modulée de qualité télécom et de faible puissance afin de produire des impulsions laser précises et de haute puissance. En utilisant un générateur d'impulsions interne pour moduler la diode de faible puissance, le laser peut définir, maintenir ou ajuster de manière sélective la largeur d'impulsion et l'énergie d'impulsion résultante sur une large plage de modulation d'impulsion.

Schéma 1. Conception d'amplificateur à fibre GTWave de Trumpf pour une qualité de faisceau M2 constante

Cette architecture découple efficacement les paramètres laser par rapport au Q-switch et offre une meilleure optimisation du procédé ainsi qu'une meilleure répétabilité pour des résultats de marquage plus performants et plus constants. Les conceptions standard de laser à fibre MOPA peuvent présenter des problèmes de variation de qualité de faisceau (M2) similaires à ceux des lasers à fibre Q-switch. TRUMPF, fabricant leader de lasers à fibre, propose une conception brevetée d'amplificateur à fibre GTWave à double étage qui maintient un M2 constant sur toute sa plage de taux de répétition d'impulsions spécifiée. Contrairement aux lasers à fibre MOPA, un laser à fibre à Q-switch actif fonctionne en interrompant le gain dans la cavité laser, ce qui permet une accumulation de gain dans l'amplificateur et l'émission d'impulsions laser de haute puissance lorsque l'interruption est supprimée. Les paramètres clés des lasers à fibre Q-switch sont étroitement couplés.

Le courant de la diode peut être augmenté ou diminué pour modifier la puissance de sortie. L'augmentation du taux de répétition des impulsions devrait augmenter la puissance moyenne ; cependant, ce n'est pas le cas avec les lasers à fibre Q-switch, où la puissance d'impulsion diminue. Le graphique 2 montre la puissance et les taux de répétition en fonction du temps. Le M2 (qualité de faisceau) des lasers à fibre Q-switch peut varier considérablement avec tout changement de puissance laser et de taux de répétition des impulsions. Faire varier le M2 entre 1,1 et 1,5 entraîne un changement de 2x de la densité de puissance focalisée, ce qui peut modifier considérablement la qualité de marquage sur les plastiques.

Schéma 2. Laser à fibre à Q-switch actif

Applications du marquage laser du nylon

Les plastiques en nylon ont un large éventail d'applications, notamment les armes à feu, l'automobile, l'électrique et l'électronique, l'industrie, les consommables et le secteur pétrolier et gazier. Les couleurs de contraste les plus répandues et les plus difficiles à obtenir sont le blanc opaque sur noir, le noir de jais sur blanc et le blanc opaque sur bleu moyen.

Contraste de marquage laser noir de jais. Le nouvel additif est conforme aux exigences de la FDA. Il ne contient pas d'oxyde/trioxyde d'antimoine-étain (métal lourd). Idéal pour les animaux.

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