Marquage laser du PPS au laser à fibre

Marquage laser du PPS (polysulfure de phénylène) au laser à fibre

Résumé

Le marquage et la gravure du PPS (polysulfure de phénylène) sont très difficiles, car ce matériau supporte des températures élevées lorsqu'il est chauffé par un laser. Les progrès récents des technologies de colorants, des noirs de carbone spécifiques au laser et des lasers à fibre permettent d'obtenir sur le PPS noir chargé de verre des marquages clairs, à fort contraste et résistants aux rayures, certifiés Yellow Card. Cette avancée majeure rend possibles le marquage et le micro-marquage de matrices de données, de codes-barres, de QR codes et d'identifiants uniques de pièces dans de nombreux secteurs : automobile, aérospatiale et électronique NASA MIL, pompes et vannes, électroménager, et bien d'autres. La configuration et l'optique des lasers à fibre au ytterbium exigent une grande précision pour obtenir des marquages robustes et résistants aux rayures.

Points clés

• Le PPS résiste au marquage parce qu'il résiste à la chaleur. Sa stabilité à haute température rend difficiles à déclencher les réactions de surface qui créent le contraste.
• Les lasers à fibre au ytterbium MOPA sont le choix approprié, avec des durées d'impulsion de 20 à 40 ns et une fréquence d'impulsion supérieure à 100 kHz.
• Le contrôle de la température de surface détermine la résistance aux rayures. Si les temps de montée et de descente sont mal réglés, la marque s'efface au frottement.
• Des surfaces riches en résine sont impératives. L'émergence de verre sur un PPS chargé à 30-40 % de fibres de verre produit des marquages de qualité inférieure.
• Moulez à 275-300 °F ou au-delà pour obtenir une cristallinité complète, faute de quoi la pièce subira des variations dimensionnelles en service.

Marquage laser optimal. Pour créer sur le PPS noir chargé de verre des marquages clairs, à fort contraste et résistants aux rayures, les lasers à fibre au ytterbium MOPA constituent le meilleur choix, car ils permettent de contrôler précisément la largeur d'impulsion et la densité de puissance focalisée. Cette précision permet de mieux maîtriser le processus de moussage chimique de surface à une longueur d'onde proche infrarouge de 1060-1070 nm. La durée d'impulsion optimale se situe entre 20 et 40 nanosecondes, avec une fréquence d'impulsion supérieure à 100 kilohertz. Un réglage précis du laser est nécessaire pour contrôler la température de surface (temps de montée et de descente) ; sans quoi le marquage peut facilement être enlevé par rayure.

Obtenir un marquage laser de haute qualité sur des polymères chargés de verre, dont le PPS, exige un moulage par injection robuste ainsi qu'une bonne dispersion et distribution des colorants optimisés pour le laser et des matières précompoundées. L'ajout de fibres de verre peut nuire aux procédés de moulage, ce qui affecte à son tour la qualité du marquage laser. Des surfaces de pièce riches en résine sont nécessaires pour obtenir un marquage robuste. Les surfaces riches en fibres de verre donneront des résultats de marquage inférieurs.

Le polysulfure de phénylène (PPS)

Le polysulfure de phénylène (PPS) est un thermoplastique technique semi-cristallin haute température. Dans l'industrie, le PPS est connu comme LE plastique qui se comporte comme un métal. Les propriétés du PPS, comme celles d'autres plastiques hautes performances haute température tels que le PEEK et le LCP (polymère à cristaux liquides), dépendent de son comportement de cristallisation. Deux formes distinctes de PPS sont commercialisées : la structure moléculaire « ramifiée » et la structure « linéaire ». Parmi les marques les plus connues figurent Celanese Fortron®, Solvay Ryton®, SABIC Supec, Toray Torelina et DIC PPS. La version ramifiée tend à être plus rigide. La version linéaire offre généralement de meilleures résistances mécanique et à la flexion, ainsi qu'une meilleure stabilité à l'état fondu. Le PPS linéaire contient également moins d'impuretés ioniques. L'ajout au PPS standard de fibres de verre (30 et 40 pour cent) et de mélanges fibres de verre/minéraux permet des applications spécialisées et exigeantes. Les fabricants d'électronique choisissent couramment le PPS chargé à 40 pour cent de fibres de verre pour les produits d'isolation et de connectique.

Pour atteindre un état entièrement cristallin, des températures de moule d'au moins 275 à 300 degrés Fahrenheit sont nécessaires. Lorsque le PPS est moulé en dessous de 275 degrés Fahrenheit, les pièces moulées sont amorphes ou semi-cristallines et le restent jusqu'à ce qu'elles soient exposées à des températures de service plus élevées. Si la température de service dépasse la température de moulage, les pièces deviennent plus cristallines, ce qui entraîne des variations dimensionnelles et des modifications de propriétés.

Les matières premières de la fibre de verre sont la silice, le calcaire et le carbonate de sodium. La silice est le principal constituant qui forme le verre, tandis que le carbonate de sodium et le calcaire servent à abaisser la température de fusion. L'« émergence de verre » est un défaut de surface sérieux qui affecte couramment les pièces injectées chargées de fibres de verre. L'exposition des fibres de verre crée une surface riche en fibres de verre. Un excès de verre se forme en surface pendant le remplissage et le moulage de la matière fondue. Après condensation et moulage, des marques blanches apparaissent en surface. Les surfaces des pièces moulées doivent être « riches en résine » pour produire un marquage de haute qualité, l'énergie du laser interagissant alors avec la matrice polymère. À l'inverse, les surfaces riches en fibres de verre se marquent mal, et le problème s'aggrave à mesure que la teneur en fibres augmente. La fibre de verre elle-même n'absorbe pas bien la lumière laser proche infrarouge (NIR).

Les lasers à fibre industriels

Les lasers à fibre au ytterbium nanoseconde (MOPA et à 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), ce qui produit une densité d'énergie élevée. Un avantage important des lasers MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) est la possibilité d'ajuster finement la largeur d'impulsion. L'irradiance du laser (W/cm2) et la fluence (J/cm2) sont des paramètres importants du marquage des plastiques. L'irradiance correspond essentiellement à l'intensité du faisceau laser, qui dépend de la taille du spot focalisé. La fluence détermine la quantité d'énergie transférée à la surface du matériau. Si la fluence est trop faible, le matériau peut n'être pas affecté du tout. Si elle est trop élevée, le matériau peut être endommagé de manière excessive, au-delà de l'effet de marquage recherché.

La cadence de répétition des impulsions laser et la densité de puissance crête sont déterminantes pour la formation de la marque et l'obtention du contraste et de la vitesse optimaux. Les courbes arithmétiques de la puissance en fonction de la cadence de répétition des impulsions sont inversement proportionnelles. Une puissance crête élevée à basse fréquence élève rapidement la température de surface, vaporisant le matériau tout en conduisant un minimum de chaleur dans le substrat. Lorsque la cadence de répétition augmente, une puissance crête plus faible produit une vaporisation minimale mais conduit davantage de chaleur.

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Questions fréquentes

Pourquoi le PPS est-il si difficile à marquer au laser ?

Le PPS est un thermoplastique semi-cristallin haute température qui supporte la chaleur appliquée par le laser : les réactions de carbonisation et de moussage qui créent le contraste sur les plastiques ordinaires sont donc bien plus difficiles à déclencher. La charge de fibres de verre, courante dans les pièces en PPS, aggrave le problème.

Quels réglages laser produisent des marquages résistants aux rayures sur le PPS noir chargé de verre ?

Un laser à fibre au ytterbium MOPA avec une durée d'impulsion comprise entre 20 et 40 nanosecondes et une fréquence d'impulsion supérieure à 100 kHz. C'est le réglage précis qui contrôle les temps de montée et de descente de la température de surface ; sans ce contrôle, le marquage s'enlève facilement par rayure.

La teneur en fibres de verre influe-t-elle sur la qualité de marquage du PPS ?

Considérablement. La fibre de verre n'absorbe pas le proche infrarouge : les surfaces riches en verre se marquent donc mal, et le problème s'aggrave à mesure que la teneur en fibres augmente. Les connecteurs électroniques utilisent couramment un PPS chargé à 40 % de fibres de verre, ce qui fait de l'obtention d'une surface riche en résine une priorité de moulage.

Quelle température de moule le PPS exige-t-il ?

Au moins 275 à 300 °F pour atteindre un état entièrement cristallin. Moulées en dessous de cette plage, les pièces restent amorphes ou semi-cristallines et cristalliseront ultérieurement si la température de service dépasse la température de moulage, entraînant des variations dimensionnelles et de propriétés.

Quelle est la différence entre le PPS linéaire et le PPS ramifié ?

Le PPS ramifié tend à être plus rigide. Le PPS linéaire offre généralement de meilleures résistances mécanique et à la flexion, une meilleure stabilité à l'état fondu et moins d'impuretés ioniques.

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 https://sabreen.com/solutions/plastics-laser-marking/

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