Des additifs de rupture améliorent le marquage laser des plastiques : contraste supérieur, finesse des bords de trait et vitesse

Des additifs de rupture améliorent le marquage laser des plastiques : contraste supérieur, finesse des bords de trait et vitesse

La toute dernière génération d'additifs de marquage laser formulés dans les polymères constitue une avancée technologique substantielle, dont l'intérêt est avéré, tant pour les possibilités offertes que pour les économies réalisées. Des formulations issues d'une science des matériaux évoluée permettent d'obtenir un contraste de marquage, une finesse des bords de trait et une vitesse supérieurs sur des plastiques traditionnellement difficiles, voire impossibles, à marquer au laser. Conçues pour des lasers à fibre, au vanadate et YAG abordables, ces formulations fonctionnent dans le spectre proche infrarouge à 1060-1070 nm. Cet article traite des applications de marquage laser à contraste foncé et à contraste clair conçues pour la « carbonisation thermochimique de surface ». Il s'agit de la réaction de surface la plus courante des polymères, et d'une voie chimique nettement distincte des mécanismes de « moussage » et de changement de « couleur ».

Les polymères transparents et semi-transparents, dont le PVC, le polycarbonate et les polyoléfines, sont désormais formulés de façon spécifique avec des additifs sans métaux lourds approuvés par la FDA. La clarté du polymère et ses propriétés de transmission spectrale ne sont pas altérées. Cette avancée produit un contraste de marquage laser noir profond, avec un résidu de carbonisation de surface minimal, sur des tubes et tuyaux extrudés, « à la volée » et lors d'opérations secondaires. Le marquage laser en ligne, sans encre, remplace désormais l'héliogravure rotative et la tampographie. (Voir la photo A.)

Points clés

• Conçus pour la bande proche infrarouge de 1060 à 1070 nm, qui couvre les lasers à fibre, au vanadate et YAG abordables.
• La carbonisation thermochimique de surface est la réaction de surface la plus courante des polymères et l'objet de ces formulations.
• Aucun additif unique ne résout tous les problèmes de marquage : la chimie et le réglage du laser varient selon le contraste visé.
• Le taux d'incorporation va de 0,01 % à 4,0 % en poids dans la pièce finale, la couleur étant ajustée à l'aide de pigments et de teintures.
• Un marquage jusqu'à 25 % plus rapide qu'avec des matériaux non optimisés, à des concentrations aussi faibles que 0,01 % à 2,0 %.

Questions fréquentes

De combien des additifs formulés de façon optimale peuvent-ils accélérer le marquage ?

Des études indépendantes montrent des gains statistiquement significatifs, souvent de 25 % ou plus par rapport à un matériau non optimisé, obtenus à de très faibles concentrations, d'environ 0,01 % à 2,0 %. Le temps de marquage étant un coût direct de temps de cycle, cela compense rapidement le surcoût de l'additif.

Qu'est-ce qui détermine la durée d'application d'une marque ?

Le substrat polymère, le nombre de lignes vectorielles tracées et la vitesse à laquelle le faisceau et la tête de balayage à galvanomètres tracent ces lignes. Le logiciel du laser et le type de remplissage vectoriel (unidirectionnel, bidirectionnel ou en serpentin) influent également sur le temps de marquage.

Pourquoi le substrat naturel paraît-il parfois grisâtre après l'ajout d'additif ?

Certains additifs contiennent des mélanges d'oxyde d'étain dopé à l'antimoine et de trioxyde d'antimoine, qui confèrent une teinte grisâtre à l'opacité du substrat naturel non coloré. Des ajustements de couleur à l'aide de pigments et de teintures ramènent la pièce à l'accord de couleur visé.

Les additifs sont-ils fournis en granulés ou en poudre ?

Les deux. Les granulés se mélangent directement à la résine polymère, tandis que les poudres sont transformées en mélange-maître. Les deux peuvent être fournis sous forme de matériau précomposé ou de concentré de couleur.

Quelle expertise une formulation de marquage laser exige-t-elle réellement ?

Une connaissance des polymères et des grades de propriétés au sein de chaque famille, ainsi que des colorants, pigments et teintures en matière de solubilité, de granulométrie, de seuils de concentration, d'accord de couleur et de certifications réglementaires, notamment GRAS et contact alimentaire direct et indirect FDA.

Mécanisme réactionnel du marquage laser des polymères

Les polymères pouvant être marqués par laser sont ceux qui absorbent la lumière laser et la convertissent d'énergie lumineuse en énergie thermique. Comme la plupart des polymères n'ont pas de propriétés d'absorption à 1060-1070 nm, les experts utilisent des additifs, des charges, des pigments et des teintures qui améliorent l'absorption de l'énergie laser pour provoquer des changements de couleur localisés. La chimie issue de la science des matériaux permettant d'obtenir un marquage laser à fort contraste et en couleur relève à la fois de l'art et de la science. Contrairement à une idée répandue, il n'existe pas d'additif laser unique qui résolve tous les problèmes de marquage. On utilise des chimies de formulation et des paramètres d'optique et de réglage du laser très différents, selon le contraste de marquage et la fonctionnalité souhaités.

Le mécanisme de réaction de surface le plus courant est appelé « carbonisation » thermochimique (ou « calcination ») (voir la photo B) : l'énergie absorbée dans le substrat élève la température locale du matériau entourant le site d'absorption à un niveau suffisant pour provoquer la dégradation thermique du polymère. Si cela peut entraîner la combustion du polymère en présence d'oxygène, l'apport limité en oxygène à l'intérieur du substrat provoque la carbonisation du polymère et forme un contraste de marquage noir ou foncé. L'intensité, sombre ou claire, de la marque dépend de l'énergie absorbée ainsi que de la voie de dégradation thermique propre au matériau.

Les additifs laser améliorent le degré de contraste, qui peut être encore renforcé en modifiant les paramètres de réglage du laser. Les polymères possèdent des caractéristiques intrinsèques qui les conduisent à un contraste de marquage « foncé » ou « clair » (voir la photo B). Chaque grade de colorant pour polymère, même au sein d'une même famille de polymères, peut donner des résultats différents. Les composés colorants contenant de faibles quantités de TiO2, de noir de carbone et d'oxydes métalliques mixtes absorbent aussi la lumière laser et, dans certains cas, améliorent le contraste de marquage.

Transformation primaire, additifs laser et accord de couleur

Les additifs laser disponibles dans le commerce sont fournis sous forme de granulés et de poudre. Les granulés peuvent être mélangés directement à la résine polymère, tandis que les poudres sont transformées en mélange-maître.

Certains de ces additifs contiennent des mélanges d'oxyde d'étain dopé à l'antimoine et/ou de trioxyde d'antimoine qui confèrent une teinte « grisâtre » à l'opacité du substrat naturel (non coloré). Des ajustements de couleur sont réalisés à l'aide de pigments et de teintures pour obtenir l'accord de couleur final. Selon l'additif et le polymère, la concentration en poids (dans la pièce finale) peut aller de 0,01 % à 4,0 %. Les granulés comme la poudre peuvent être fournis sous forme de matériau coloré précomposé ou de concentré de couleur.

Lors de l'incorporation de l'additif laser et de la chimie d'accord de couleur, il n'est pas rare qu'un produit fini contienne moins d'additif laser que la quantité calculée. Ce problème est presque toujours lié à une répartition non uniforme pendant l'extrusion ou le moulage. De simples réglages de la machine de moulage, comme l'augmentation de la contre-pression et de la vitesse de rotation de la vis, résolvent la plupart des cas. Une répartition et une dispersion homogènes des additifs laser dans chaque pièce sont essentielles pour obtenir des performances de marquage optimales. Pour les opérations d'extrusion, de moulage par injection et de thermoformage, les matériaux précolorés composés offrent une meilleure uniformité que les concentrés de couleur. Le mélange manuel est à proscrire. L'écoulement dans le moule ainsi que le type et l'emplacement du point d'injection sont des facteurs importants.

Des vitesses de marquage plus rapides = des économies

Le temps nécessaire pour marquer une pièce dépend du substrat polymère, du nombre de lignes vectorielles tracées et de la vitesse à laquelle le faisceau laser et la tête de balayage à galvanomètres tracent toutes les lignes. Le logiciel du laser et le type de remplissage vectoriel (unidirectionnel, bidirectionnel ou en serpentin) influent également sur le temps de marquage.

De nouvelles études indépendantes démontrent que des vitesses de marquage statistiquement plus rapides sont possibles en incorporant des formulations d'additifs laser à de très faibles concentrations, généralement de 0,01 % à 2,0 %. Des additifs laser formulés de façon optimale permettent de réaliser des économies et offrent souvent des vitesses de marquage supérieures de 25 % ou plus par rapport à des formulations de matériaux non optimisées. Ce gain de vitesse et de qualité compense largement le surcoût de l'additif.

La Science des additifs laser (figure 1, page 34) présente une courbe d'analyse thermogravimétrique (ATG) de deux polyéthylènes haute densité utilisés pour des bouchons de boissons sans joint de 28 mm. Les deux polymères présentent des températures de dégradation thermique différentes, le processus qui crée la marque laser. Le polymère à température plus élevée exigera plus d'énergie laser, des vitesses de marquage plus faibles ou davantage d'additif absorbant pour obtenir le même aspect de marque.

Sans additifs laser, certains produits industriels bien connus ne pourraient pas être fabriqués de façon rentable. Une application intéressante est le marquage laser « à la volée » pour les promotions sous capsule sur des bouchons de boissons sans joint. Des systèmes clés en main sont capables de marquer des graphiques uniques et du texte alphanumérique à des cadences pouvant atteindre 1 500 à 2 000 bouchons par minute. (Voir la photo B.)

Technologie laser

Les progrès de la technologie laser ont joué un rôle déterminant dans le développement rapide de la dernière génération d'additifs laser. L'apparition des lasers à fibre nanoseconde est l'une des avancées les plus importantes pour le marquage, le soudage et la découpe. Fondamentalement, les lasers à fibre diffèrent des autres lasers de marquage à solide. Dans un laser à fibre, le milieu actif qui génère le faisceau laser est dispersé dans un câble à fibre optique spécialisé. Contrairement aux lasers à fibre de transport, tout le trajet du faisceau se trouve dans un câble à fibre optique jusqu'à l'optique de distribution du faisceau.

Les lasers à fibre offrent une qualité et une brillance de faisceau supérieures. La mesure de la qualité du faisceau est le M2. Plus la valeur de M2 est petite, meilleure est la qualité du faisceau, M2 = 1 correspondant au faisceau laser gaussien idéal. Un laser de qualité de faisceau supérieure peut être focalisé sur un spot de petite taille, ce qui conduit à une densité d'énergie élevée. Les lasers à fibre à impulsion fixe et variable, avec une énergie d'impulsion pouvant atteindre 1 mJ et une densité de puissance élevée, peuvent marquer de nombreux polymères historiquement difficiles, dont les nylons, les uréthanes et les acétals. Les lasers au vanadate possèdent aussi une petite valeur de M2 avec une durée d'impulsion plus courte que les lasers à fibre à impulsion fixe et les lasers YAG. La durée d'impulsion influe sur le degré de chaleur et de carbonisation dans le matériau. Une durée d'impulsion courte peut être avantageuse pour les applications sur polymères sensibles.

Tous les lasers à fibre, au vanadate et YAG à balayage de faisceau ne se valent pas. Les composants matériels et logiciels qu'un fabricant de lasers intègre à ses systèmes font une différence significative en matière de contraste, de qualité et de vitesse de marquage. Un attribut essentiel est la densité de puissance (watts/cm²) à la surface de marquage (qui diffère de la puissance de sortie brute du laser). Le mode de sortie du faisceau laser est déterminant pour les performances de marquage. Ces modes de sortie influent notamment sur la divergence du faisceau et sur la répartition de la puissance sur le diamètre du faisceau laser.

La densité de puissance dépend de la taille du spot laser focalisé. Pour une focale de lentille et une longueur d'onde laser données, la taille du spot focalisé dépend de la divergence du faisceau, contrôlée par la configuration du laser, la taille du diaphragme de sélection de mode et le grossissement de l'expanseur de faisceau (upcollimator).

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. Les courbes arithmétiques de la puissance en fonction de la fréquence de répétition sont inversement proportionnelles. Une puissance crête élevée à basse fréquence élève rapidement la température de surface et vaporise le matériau tout en conduisant un minimum de chaleur dans le substrat. À mesure que la fréquence de répétition augmente, une puissance crête plus faible produit une vaporisation minimale, mais conduit davantage de chaleur. Parmi les autres facteurs qui influent sur le contraste et la qualité du marquage figurent naturellement la vitesse du faisceau et l'écart entre les lignes vectorielles.

Conclusion

La toute dernière génération d'additifs de marquage laser incorporés aux polymères offre un contraste de marquage, une finesse des bords de trait et une vitesse supérieurs. Le marquage laser en ligne, sans encre, remplace désormais l'héliogravure rotative et la tampographie. Ces avantages compensent rapidement le surcoût de l'additif. 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) 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 du polymère.

Remerciements

• Dr. Tony Hoult, IPG Photonics, “Laser Marking with Fiber Lasers”, Industrial Laser Solutions, September 2012.
• BASF Corporation Mark-it™ Laser Marking Pigment Technical Bulletin 2002, with technical content contributions from The Sabreen Group, Inc. Lasers&Optronics, July 1997.
• Bruce Mulholland (Hoechst Technical Polymers) and Scott Sabreen (The Sabreen Group, Inc.), “Enlightened Laser Marking”, Lasers&Optronics, July 1997.
• Daniel S. Burgess, Scott R. Sabreen and Carl Baasel Lasertechnik GmbH, Feature Article, “Laser Marking: A Clean Economical Packaging Solution”, Photonics Spectra, November 2001.

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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