Notions de base en science des matériaux pour le marquage laser des plastiques

Notions de base en science des matériaux pour le marquage laser des plastiques

Les progrès du marquage laser direct des plastiques offrent une qualité, un contraste et une vitesse de marquage sans précédent. Bien appliqué, le marquage laser des plastiques procure de nombreux avantages de fabrication et valorise l'aspect et la fonction d'un produit. La toute dernière génération de science des matériaux plastiques et d'équipements laser suscite une forte demande de l'industrie pour un marquage laser indélébile, alternative à l'impression à l'encre conventionnelle. Cet article présente les concepts et informations de base relatifs aux réactions chimiques entre les polymères, les additifs laser et des longueurs d'onde de lumière laser spécifiques (émises par diverses sources laser).

Les praticiens supposent souvent que les additifs de matériau pour laser sont indispensables à toutes les applications de marquage laser des plastiques. Or, selon le type de plastique à marquer et ses exigences d'usage en matière de contraste et de finesse des détails et des traits, il n'est pas toujours nécessaire d'utiliser des formulations de matériaux optimisées pour le laser. Un choix approprié de la longueur d'onde et du type de laser permet alors d'atteindre le degré de marquabilité requis. Les résultats dépendent de facteurs tels que : a) la qualité et les propriétés spécifiques de la résine ; b) le type de laser (longueur d'onde, mode de sortie et qualité du faisceau, configuration optique, densité de puissance, puissance crête/moyenne, vitesse de marquage) ; c) les colorants et les charges ; d) la brillance et la texture de surface ; et e) la teneur en matière broyée recyclée. Les composés colorants tels que le TiO2 et le noir de carbone possèdent un certain pouvoir d'absorption à des longueurs d'onde particulières. La granulométrie et le degré de noirceur de ces composés jouent aussi un rôle. Par ailleurs, des grades de résine spécifiques, même au sein d'une même famille générique, peuvent donner des résultats très différents, par exemple les styréniques.

En revanche, un avantage souvent négligé lorsqu'on se demande s'il faut incorporer des additifs laser est que des formulations optimisées pour le laser peuvent améliorer la vitesse de marquage, et pas seulement le contraste et la qualité du marquage décoratif ou fonctionnel. L'utilisation d'additifs laser réduit presque toujours les temps de cycle de marquage et permet d'employer une puissance laser plus faible. Ces facteurs permettent en définitive de réaliser des économies et d'augmenter la production.

Obtenir une formulation chimique optimale en science des matériaux pour le marquage laser des plastiques exige une expertise des polymères, des grades de propriétés au sein des familles de polymères, des colorants, pigments et teintures (solubilité, granulométrie, seuils de concentration, accord de couleur en présence d'additifs laser) et des certifications réglementaires (GRAS, contact alimentaire direct/indirect FDA). Les solutions issues de la science des matériaux doivent être économiques, faciles à utiliser et n'avoir aucun effet néfaste sur les propriétés physiques et chimiques des produits en polymère. Il est donc absolument nécessaire que les chimistes et formulateurs maîtrisent une grande variété de technologies laser afin de garantir un marquage robuste à des cadences de production rapides.

Cet article porte sur les lasers à balayage de faisceau fonctionnant dans la plage de 1060 à 1070 nm. Cela comprend les lasers Nd:YAG (pompés par lampe à arc et par diodes), au vanadate et à fibre. Les lasers « YAG » traditionnels sont les plus répandus dans l'industrie du marquage laser depuis plusieurs décennies, en raison de leur longueur d'onde d'émission, de leur puissance et de leur grande polyvalence. Les lasers au vanadate et à fibre sont des technologies beaucoup plus récentes, et leur choix dépend souvent davantage de l'application. Ils peuvent néanmoins offrir d'excellents résultats dans les applications appropriées.

Le mécanisme de base du marquage laser à balayage de faisceau, avec une longueur d'onde de 1060 à 1070 nm, consiste à irradier le polymère avec une source de rayonnement de haute énergie (le laser). L'énergie rayonnante est absorbée localement par le matériau et convertie en énergie thermique. Cette énergie thermique induit à son tour des réactions dans le matériau. Plusieurs types de réactions sont possibles dans cette région du proche infrarouge, dont au moins : 1) la carbonisation ; 2) l'ablation ; et 3) la transformation chimique. Selon le contraste de marquage recherché, des chimies et des paramètres de système laser très différents peuvent être choisis pour obtenir le type de réaction souhaité. Contrairement à une idée répandue, il n'existe pas d'additif laser unique qui résolve tous les problèmes de marquage !

Une réaction de carbonisation se produit lorsque l'énergie absorbée élève la température locale du matériau entourant le site d'absorption à un niveau suffisant pour provoquer la dégradation thermique du polymère. En présence d'oxygène, il en résulte une combustion du polymère ; mais à l'intérieur de la pièce, l'apport limité en oxygène provoque une carbonisation du polymère qui forme une marque noire. L'intensité du noir dépend de l'énergie absorbée ainsi que de la voie de dégradation thermique du matériau.

L'ablation se produit lorsque le polymère est chauffé suffisamment pour provoquer sa dégradation et l'évaporation des sous-produits de dégradation, ce qui laisse une zone gravée. Ce type de marquage donne normalement des marques peu contrastées. À titre de référence, les lasers CO₂ à onde continue (CW) fonctionnent à une longueur d'onde de 10,6 µm (infrarouge lointain). Les lasers CO₂ CW génèrent une puissance crête nettement inférieure et ne peuvent normalement pas produire de marquages à fort contraste sur la plupart des plastiques.

La transformation chimique, par l'emploi d'additifs qui libèrent de la vapeur d'eau lors de leur dégradation, provoque le moussage du polymère. Pendant ce processus, l'énergie laser est absorbée par un additif situé à proximité immédiate de l'agent moussant. La chaleur de l'absorbeur provoque la dégradation de l'agent moussant, qui libère de la vapeur. Des exemples d'agents moussants sont l'hydroxyde d'aluminium ou divers carbonates. Pour éviter la carbonisation, ce mécanisme exige que le polymère se dégrade à une température supérieure à celle de l'additif moussant. Grâce à un contrôle rigoureux des paramètres de fonctionnement du laser, on peut générer des marques claires de qualité sur des substrats foncés. Un mauvais contrôle du laser peut produire une marque friable ou peu contrastée.

Une autre méthode de marquage laser consiste à utiliser l'énergie laser proche infrarouge pour chauffer ou dégrader l'un des colorants d'un mélange de colorants, provoquant ainsi un changement de couleur. Un exemple est le mélange de noir de carbone et d'un colorant inorganique stable. Lorsqu'il est chauffé, le noir de carbone disparaît et le colorant inorganique subsiste. Ces systèmes de colorants mixtes dépendent de la stabilité spécifique des colorants, et tous les changements de couleur ne sont pas possibles.

En conclusion, il est important de reconnaître que tous les lasers à balayage de faisceau ne se valent pas. La chimie issue de la science des matériaux ne peut à elle seule résoudre tous les problèmes de qualité de marquage. Les composants matériels et logiciels qu'un fabricant de lasers intègre à ses équipements font des différences notables en matière de qualité de marquage, de vitesse et de polyvalence. Lors de l'achat d'un équipement laser, il faut garder à l'esprit qu'il n'existe pas de solution universelle unique. Chaque application est particulière selon la composition et la couleur du substrat en résine plastique et le contraste de marquage recherché (« sombre sur clair », « clair sur sombre » ou « couleur personnalisée »). Les avancées actuelles de la science des matériaux polymères et des guides d'ondes laser représentent des bonds quantiques par rapport à ce qui était jugé impossible il y a quelques années à peine.

Points clés

• Le marquage est une réaction chimique entre le polymère, tout additif laser éventuel et la longueur d'onde spécifique de la source laser.
• Les additifs ne sont pas toujours nécessaires : c'est une idée reçue qu'il vaut mieux tester pour chaque matériau plutôt que d'accepter d'emblée.
• Le marquage laser est une alternative à l'impression à l'encre conventionnelle, et c'est la science des matériaux qui le rend viable.
• La longueur d'onde doit être adaptée au matériau, et non choisie en fonction de la disponibilité des équipements.
• Bien appliqué, le marquage valorise l'aspect et la fonction du produit, et pas seulement son identification.

Questions fréquentes

Tous les plastiques ont-ils besoin d'un additif laser pour être marqués ?

Non, et c'est une idée reçue qu'il convient de vérifier. Les praticiens supposent souvent que les additifs sont toujours nécessaires, mais leur nécessité dépend du polymère, de ses colorants et charges, et de la longueur d'onde de la source laser utilisée.

Qu'est-ce qui crée réellement la marque ?

Une réaction chimique entre le polymère, les éventuels additifs laser présents et la longueur d'onde spécifique de la lumière laser émise par la source. Comprendre cette interaction permet de prévoir si une combinaison donnée de matériau et de laser produira une marque exploitable.

Pourquoi le marquage laser remplace-t-il l'impression à l'encre conventionnelle ?

Parce que la dernière génération de science des matériaux plastiques et d'équipements laser offre une qualité, un contraste et une vitesse de marquage sans précédent, sans encres ni solvants consommables. Bien appliqué, il procure des avantages de fabrication et valorise l'aspect et la fonction d'un produit.

Le type de source laser modifie-t-il le résultat ?

Oui. Les différentes sources laser émettent des longueurs d'onde différentes, et les réactions chimiques entre polymères, additifs et lumière laser dépendent de la longueur d'onde. Le choix de la source relève donc de la science des matériaux, pas seulement de l'équipement.

Par où commencer un projet de marquage laser ?

Par le matériau. Déterminer comment le grade de polymère spécifique, ses colorants et ses additifs réagissent aux longueurs d'onde envisagées conditionne tout le reste : la nécessité ou non d'additifs, le contraste réalisable et la vitesse réaliste.

Scott R. Sabreen est le fondateur et le président de The Sabreen Group, Inc., une société d'ingénierie spécialisée dans les procédés de transformation secondaire des plastiques : marquage laser, prétraitements de surface, collage, décoration et finition, et sécurité des produits. Scott Sabreen met au point des technologies pionnières et résout des problèmes de fabrication depuis plus de 30 ans. Vous pouvez le joindre au 972.820.6777 ou en consultant www.sabreen.com ou www.plasticslasermarking.com.

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