Le laser à fibre permet le marquage des plastiques avancés

Le laser à fibre permet le marquage des plastiques avancés

Des additifs incorporés aux polymères lors de la transformation primaire, révolutionnaires et approuvés par la FDA, optimisent le marquage laser des plastiques. Vitesse élevée, contraste supérieur et économies comptent parmi les avantages notables. De nouveaux additifs chimiques peuvent produire un contraste noir profond, de teinte claire ou de couleur personnalisée, aussi bien « à la volée » qu'en opérations secondaires. Conçu pour des lasers à fibre d'ytterbium abordables, le marquage laser en ligne sans encre remplace désormais l'héliogravure rotative et la tampographie traditionnelles.

Points clés à retenir

• La plupart des polymères n'ont aucune absorption dans le proche infrarouge ; ce sont donc les additifs qui rendent possible le marquage à 1060–1080 nm.
• Les additifs sans métaux lourds, approuvés par la FDA et l'EFSA, offrent un contraste élevé sans altérer la clarté, la transmission spectrale ni les propriétés physiques.
• Les additifs réduisent le temps de marquage de 20 % ou plus par rapport aux formulations non optimisées, ce qui compense rapidement leur coût.
• Le MOPA l'emporte sur le Q-switch en fréquence de répétition : jusqu'à 500 kHz contre environ 80 kHz, et les impulsions courtes de moins de 40 ns conviennent aux polymères sensibles.
• Les vitesses à la volée atteignent 2 000 pièces/min sur les bouchages et 500 pi/min, voire plus, sur les produits extrudés linéaires.

Foire aux questions

Quel taux d'additif laser faut-il prévoir ?

Entre 0,01 % et 4,0 % en masse dans la pièce finale, selon l'additif et le polymère. Le granulé se mélange directement à la résine ; la poudre est d'abord convertie en mélange-maître. Un matériau colorant précomposé assure une meilleure uniformité qu'un concentré de couleur pour l'extrusion, le moulage par injection et le thermoformage.

Les additifs laser affectent-ils la clarté ou les propriétés physiques ?

Pas lorsqu'ils sont correctement formulés. La clarté du polymère, la transmission spectrale et les propriétés physiques de base ne sont pas affectées, ce qui rend le marquage des polymères transparents et semi-transparents praticable sans compromettre le produit.

À quelle vitesse le marquage laser à la volée peut-il réellement fonctionner ?

Les vitesses de marquage des bouchons de vin synthétiques en polyoléfine et des promotions sous capsule sur les bouchages de boissons sans joint atteignent 2 000 pièces par minute pour le texte alphanumérique et les graphismes. Le marquage linéaire de texte et de codes de vision industrielle atteint 500 pi/min, voire plus.

Quelle est la différence entre les lasers à fibre Q-switch et MOPA ?

Les lasers à fibre Q-switch fonctionnent généralement avec des durées d'impulsion de 100 à 120 ns et sont limités à une fréquence de répétition d'environ 80 kHz par la technologie de Q-switch elle-même. Les lasers MOPA à modulation directe fonctionnent jusqu'à 500 kHz avec des durées d'impulsion de l'ordre de la nanoseconde, et des fréquences de répétition plus élevées se traduisent généralement par un marquage plus rapide.

Ces additifs sont-ils homologués pour le contact alimentaire et les dispositifs médicaux ?

Certains additifs sont approuvés par la FDA pour le contact alimentaire et l'emballage alimentaire dans les conditions A à H du 21 CFR 178.3297, Colorants pour polymères, avec des déclarations de conformité équivalentes dans l'UE. Une qualification supplémentaire de la pièce finie peut permettre d'atteindre la biocompatibilité des dispositifs médicaux. La certification dépend du type de polymère, du seuil de taux de charge et du contact, direct ou indirect.

Applications produits

Les polymères transparents, semi-transparents et opaques colorés, dont les nylons, le polyéthylène téréphtalate (PET), les polycarbonates, les polyoléfines, le polychlorure de vinyle (PVC), les styréniques, les élastomères thermoplastiques (TPE) et les polyuréthanes thermoplastiques (TPU), sont formulés de façon spécifique avec des additifs sans métaux lourds approuvés par la FDA et l'Autorité européenne de sécurité des aliments (EFSA) afin d'obtenir un marquage à contraste élevé (voir la figure 1). La clarté du polymère, la transmission spectrale et les propriétés physiques de base ne sont pas affectées. Le marquage laser numérique sans contact remplace les étiquettes adhésives coûteuses et les procédés d'impression à base d'encres chimiques. Il en résulte, dans l'application, un rendu esthétique supérieur, économique et respectueux de l'environnement.

Mécanisme de réaction du marquage laser des polymères

Les progrès réalisés dans la formulation d'additifs chimiques laser destinés aux lasers proche infrarouge (NIR) (longueur d'onde de 1060–1080 nm) tiennent à leur compatibilité avec les lasers à fibre d'ytterbium, les lasers à vanadate et leurs prédécesseurs Nd:YAG. La plupart des polymères ne possèdent pas de propriétés d'absorption NIR sans additifs chimiques¹. Les polymères pouvant être marqués par laser sont ceux qui absorbent la lumière laser et la convertissent d'énergie lumineuse en énergie thermique. Les experts emploient des additifs, des charges, des pigments et des colorants pour renforcer l'absorption de l'énergie laser en vue de changements de couleur localisés. Des chimies de formulation et des paramètres d'optique/de configuration laser très différents sont utilisés selon le contraste et la fonctionnalité de marquage souhaités.

Le mécanisme de réaction de surface le plus courant est appelé « carbonisation » ou « calcination » thermochimique : l'énergie absorbée dans le substrat élève suffisamment la température locale du matériau entourant le site d'absorption pour provoquer la dégradation thermique du polymère. Le caractère foncé ou clair de la marque dépend de l'énergie absorbée ainsi que de la voie de dégradation thermique propre au matériau. En optimisant la configuration du laser, les résidus de carbonisation en surface sont minimes.

Additifs laser

Les additifs pour laser proche infrarouge améliorent le degré de contraste, qui peut être encore accentué en modifiant les paramètres de configuration du laser. Les polymères possèdent des caractéristiques propres qui donnent un contraste de marquage « de teinte foncée » ou « de teinte claire ». Certains composés colorants contenant de faibles quantités de dioxyde de titane (TiO2) et de noir de carbone peuvent également absorber la lumière laser et, dans certains cas, améliorer le contraste de marquage. Chaque grade de polymère, même au sein d'une même famille, peut donner des résultats différents. Les formulations d'additifs ne doivent pas être toxiques ni nuire à l'aspect des produits, ni à leurs propriétés physiques ou fonctionnelles.

Par rapport aux procédés d'impression à l'encre (tampographie/sérigraphie et jet d'encre), les additifs laser permettent des économies et peuvent offrir des vitesses de marquage supérieures de 20 % ou plus à celles de matériaux non optimisés. Les additifs laser sont fournis sous forme de granulés et de poudre. Les granulés peuvent être mélangés directement à la résine polymère, tandis que les poudres sont converties en mélange-maître. La plupart se dispersent facilement dans les polymères. Selon l'additif et le polymère, la concentration en masse (dans la pièce finale) varie entre 0,01 et 4,0 %.

Les formes granulée et en poudre peuvent toutes deux être incorporées à un matériau colorant précomposé ou à un concentré de couleur. Le choix de l'additif à incorporer dépend de la composition du polymère, de la couleur du substrat, de la couleur de contraste de marquage souhaitée et des exigences de certification de l'usage final. Pour l'extrusion, le moulage par injection et le thermoformage, les matériaux précolorés composés donnent une meilleure uniformité que le concentré de couleur. Le mélange manuel est à proscrire. L'écoulement dans le moule et le type/l'emplacement des seuils sont des facteurs importants. Une distribution/dispersion homogène des additifs laser dans chaque pièce est essentielle pour obtenir des performances de marquage optimales.

Certains additifs contiennent des mélanges d'oxyde d'étain dopé à l'antimoine et de trioxyde d'antimoine, qui peuvent conférer une teinte « grisâtre » à l'opacité naturelle (non colorée) du substrat. D'autres additifs peuvent contenir des particules d'aluminium, des oxydes métalliques mixtes et des composés propriétaires. Les ajustements de couleur se font à l'aide de pigments et de colorants pour obtenir l'aspect final de la teinte. Des additifs spécifiques disponibles dans le commerce (également utilisés pour le soudage laser) ont reçu l'approbation de la FDA pour le contact alimentaire et l'emballage alimentaire dans les conditions A à H du 21 CFR 178.3297 – Colorants pour polymères. Pour l'Union européenne, il existe des déclarations de conformité similaires. Les conditions de certification dépendent du type de polymère, du seuil de taux de charge et du contact, direct ou indirect. Une qualification supplémentaire des additifs approuvés par la FDA incorporés dans une « pièce finale » peut permettre d'atteindre la biocompatibilité des dispositifs médicaux².

Technologie du laser à fibre d'ytterbium nanoseconde

Les améliorations de la technologie laser ont joué un rôle déterminant dans le développement rapide de la dernière génération d'additifs laser approuvés par la FDA. L'émergence des lasers à fibre d'ytterbium 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 pompé par diodes (DPSS). Avec les lasers à fibre, le milieu actif qui génère le faisceau laser est dispersé dans un câble à fibre optique spécialisé. Contrairement aux lasers à fibre déportée, tout le trajet du faisceau se situe dans un câble à fibre optique, jusqu'aux optiques de distribution du faisceau. Cette structure entièrement à fibre est en grande partie responsable de la fiabilité et de la robustesse de ces lasers, ce qui explique leur croissance rapide.

Les lasers à fibre offrent une qualité de faisceau (M2) et une brillance supérieures à celles des lasers Nd:YAG. Un laser à qualité de faisceau supérieure peut être focalisé sur un petit diamètre de tache, ce qui conduit à une densité d'énergie élevée. Les lasers à fibre MOPA (oscillateur maître et amplificateur de puissance) à impulsion fixe ou variable, avec une énergie d'impulsion allant jusqu'à 1 mJ et une forte densité de puissance, peuvent marquer de nombreux polymères historiquement difficiles (voir la figure 2)³.

Les lasers à vanadate possèdent également une faible valeur de M2, avec une durée d'impulsion plus courte que les lasers à fibre fixes et YAG. La durée d'impulsion influe sur le degré de chaleur et de carbonisation dans le matériau. Les impulsions courtes, généralement < 40 ns, permettent un apport d'énergie mieux maîtrisé lors du traitement de matériaux polymères sensibles. Ces impulsions conservent la puissance crête nécessaire pour franchir les seuils du matériau, mais ont une énergie d'impulsion plus faible qui réduit les dommages thermiques localisés.

IPG Photonics, l'un des principaux concepteurs et fabricants de lasers à fibre hautes performances, propose à la fois des lasers YLP à impulsion fixe (parfois appelés « Q-switch ») et des lasers YLPN (MOPA) à impulsion courte variable. Les lasers à fibre Q-switch, généralement à largeur d'impulsion de 100 à 120 ns, sont employés pour certaines applications de marquage, mais leur fréquence de répétition est limitée à environ 80 kHz en raison de la contrainte inhérente à la technologie Q-switch. Les lasers à fibre MOPA à modulation directe (DM-MOPA) peuvent fonctionner à des fréquences de répétition allant jusqu'à 500 kHz avec des largeurs d'impulsion de l'ordre de la nanoseconde. Des fréquences de répétition élevées se traduisent généralement par une vitesse de marquage supérieure (conjointement avec d'autres paramètres du laser et du guide d'ondes).

Le développement d'applications est très spécifique, car il n'existe pas de solution laser universelle. Les lasers MOPA à durée d'impulsion courte sont capables d'exploiter pleinement les performances des additifs chimiques sensibles approuvés par la FDA. Le contrôle spatial et temporel localisé de l'apport de chaleur du laser et de sa vitesse permet d'atteindre les performances maximales. Le choix du type de laser à intégrer est déterminé par les caractéristiques de sortie du laser en interaction avec le matériau polymère optimisé. La FIGURE 3 représente les formes d'impulsion temporelles des lasers à fibre d'ytterbium à durée d'impulsion fixe et variable (MOPA) [3].

Pour régler un laser à fibre à durée d'impulsion fixe pour le marquage, deux paramètres d'entrée doivent être définis :

• la fréquence de répétition des impulsions (souvent appelée fréquence d'impulsion), et
• la puissance de pompage en pourcentage : 100 % correspond à l'apport électrique maximal possible aux diodes de pompage.

Pour régler un laser à fibre MOPA à impulsion courte variable pour le marquage, trois paramètres d'entrée sont définis :

• la durée d'impulsion (souvent appelée longueur d'impulsion) ;
• la fréquence de répétition des impulsions (fréquence d'impulsion) ; et
• la puissance de pompage en pourcentage, comme expliqué ci-dessus.

Pour les deux graphiques, la combinaison particulière des paramètres d'entrée commande les propriétés de sortie du faisceau laser, à savoir l'énergie d'impulsion, la puissance crête (le maximum instantané de l'énergie d'impulsion, en joules/durée d'impulsion) et la puissance moyenne (puissance moyenne en watts = énergie d'impulsion en joules × fréquence de répétition des impulsions en hertz).

Marquage laser « à la volée »

Le marquage laser « à la volée » est l'une des applications les plus spécialisées réalisées sur des produits moulés et extrudés tels que les fils/câbles, les tubes et les tuyaux. Les vitesses de marquage des bouchons de vin synthétiques en polyoléfine et des promotions sous capsule sur les bouchages de boissons sans joint atteignent 2000 pièces/min pour le texte alphanumérique et les graphismes (voir la figure 4). Les vitesses de marquage linéaire de texte et de codes de vision industrielle peuvent atteindre 500 pi/min, voire plus, le marquage laser sans encre remplaçant désormais l'héliogravure rotative et la tampographie.

La vitesse de marquage dépend de nombreuses variables, dont le type de polymère, la couleur du substrat, le type et le taux de charge de l'additif laser, la taille (le poids) du câble, le type et la puissance du laser, le logiciel, le nombre de caractères alphanumériques, la hauteur du texte, la longueur de la chaîne de texte, l'espacement entre les caractères, le code-barres/Data Matrix, les logos/graphismes, les polices à trait unique ou TrueType remplies, le sens de remplissage, et le texte continu ou répété. L'usage d'un additif colorant correctement formulé garantit que la « densité de puissance » à la surface de marquage n'est pas le facteur limitant. Ce sont alors les galvanomètres de déviation du faisceau qui fonctionnent à vitesse maximale.

En raison de la complexité des facteurs influençant la capacité de marquage en production à la volée, chaque application doit être examinée avec précision. Il existe peu de règles, voire aucune, que l'on puisse extrapoler. Toutefois, à titre indicatif, considérons l'exemple suivant d'un polymère nylon avec un laser à fibre de 50 W, une lentille à champ plan de 254 mm, 100 caractères alphanumériques, une hauteur de 2 mm, une longueur de chaîne de texte répétée de 14,68 po et un temps de marquage de 0,232 s. La vitesse calculée est d'environ 315 pi linéaires/min.

Systèmes d'équipement laser

Les composants matériels et logiciels qu'un fabricant de lasers intègre à ses systèmes ont une incidence considérable sur le contraste, la qualité et la vitesse de marquage. Un attribut essentiel est la densité de puissance (W/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 dépendent de facteurs tels que la divergence du faisceau et la répartition de la puissance sur le diamètre du faisceau laser.

La densité de puissance dépend de la taille de la tache laser focalisée. Pour une distance focale de lentille et une longueur d'onde laser données, la taille de la tache laser focalisée dépend de la divergence du faisceau, qui est contrôlée par la configuration du laser, la taille de l'ouverture de sélection de mode et le grossissement du collimateur amont (expanseur de faisceau). La fréquence de répétition des impulsions et la densité de puissance crête sont des paramètres déterminants pour former la marque et obtenir un contraste et une vitesse optimaux. Les courbes arithmétiques de la puissance en fonction de la fréquence 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 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, bien sûr, la vitesse du faisceau et la distance de séparation des lignes vectorielles.

Conclusion

Les additifs laser révolutionnaires approuvés par la FDA, incorporés aux polymères, offrent un contraste de marquage, un détail des bords de ligne et une vitesse supérieurs. Les produits intégrant des additifs d'amélioration laser permettent des vitesses de marquage supérieures de 20 % ou plus. Les avantages compensent rapidement le surcoût de l'additif. Les progrès de la technologie abordable des lasers à fibre d'ytterbium nanoseconde ont joué un rôle déterminant. Le marquage laser en ligne, à la volée, remplace désormais l'héliogravure rotative et la tampographie. Une chimie de science des matériaux optimisée pour le marquage laser des plastiques exige une expertise en polymères, colorants et pigments concernant la solubilité, la taille des particules, les limites de concentration seuil, l'accord de teinte et les certifications réglementaires (GRAS, contact alimentaire direct/indirect FDA). Tous les lasers à fibre ne se valent pas.

Remerciements et références

L'auteur remercie BASF Corporation pour son Mark-it Laser Marking Pigment Technical Bulletin 2002, dont le contenu technique a bénéficié de la contribution de The Sabreen Group ; Bruce Mulholland de Hoechst Technical Polymers et The Sabreen Group pour « Enlightened laser marking », Lasers & Optronics (juil. 1997) ; et Daniel S. Burgess de Baasel Lasertechnik GmbH et The Sabreen Group pour « Laser marking: A clean economical packaging solution », Photonics Spectra (nov. 2001).

• Sabreen, S. Fiber Lasers: Selection and Additives, Plastics Decorating, November 2017.
• Polyamide (PA) Nylon Complete Guide, SpecialChem 2019.
• Brodsky, M. Wave Forms: A New Laser Tool, Optics & Photonics, March 2012.

Scott R. Sabreen est le fondateur et président de The Sabreen Group, Inc., société de conseil en ingénierie spécialisée dans les procédés de transformation secondaire des plastiques : prétraitement de surface, liaison par adhérence, impression jet d'encre, marquage laser, décoration et finition, et sécurité des produits. Il développe des technologies pionnières et résout des problèmes de fabrication depuis plus de 30 ans. Vous pouvez le joindre au 972.820.6777 ou consulter www.sabreen.com.

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