Marquage par laser à fibre des plastiques nylon (polyamide)

Marquage par laser à fibre des plastiques nylon (polyamide)

La demande de marquage laser à fort contraste sur les produits plastiques en nylon (polyamide) augmente rapidement en raison de leur large éventail d'applications industrielles. Les marquages fonctionnels et décoratifs comprennent l'identification alphanumérique, les codes de vision Data Matrix/QR, les schémas et les microstructures.

Les polyamides, y compris les polyphtalamides (PPA), comptent parmi les polymères les plus difficiles à marquer au laser en raison de la diversité de leurs propriétés, de leurs conditions de moulage et des configurations laser. Les additifs intelligents pour lasers proche infrarouge résolvent les problèmes de contraste de marquage et augmentent la vitesse de marquage (temps de cycle plus court) sans altérer les propriétés du matériau.

Cet article aide à comprendre les nylons, les additifs chimiques et les lasers à fibre afin d'obtenir des couleurs à fort contraste et des opérations de marquage laser économiques.

Points clés

• Les polyamides, PPA compris, figurent parmi les polymères les plus difficiles à marquer, en raison de la diversité de leurs propriétés, de leurs conditions de moulage et des configurations laser.
• Le contraste ne se limite pas au changement de couleur : la diffraction variable de la lumière y contribue, de même que la résolution des traits fins et la netteté.
• La couleur du substrat est en soi une variable, car le noir de carbone, le TiO2 et les ignifugeants absorbent chacun la lumière laser différemment.
• Les lasers à fibre focalisent sur moins de 20 microns, ce qui donne la densité d'énergie élevée qu'exige le marquage fin du nylon.
• Le MOPA à 20-50 ns est la fenêtre efficace pour obtenir une couleur à contraste supérieur sur la plupart des polymères.

Un paramètre de base pour décrire la qualité du marquage est le contraste de couleur entre la surface marquée et le substrat. Il existe trois mécanismes de surface de changement de couleur avec les lasers proche infrarouge (NIR), notamment les lasers à fibre à ytterbium, au vanadate (Nd:YVO4) et Nd:YAG : 1) le marquage noir par carbonisation, 2) le marquage blanc par génération de mousse et 3) les changements de couleur par réactions thermochimiques induites par laser sur des polymères pigmentés¹. Parmi les couleurs de contraste les plus demandées figurent le blanc opaque sur noir, le noir profond sur blanc et le blanc opaque sur bleu moyen. Ces combinaisons de couleurs exigent souvent des additifs chimiques. Les additifs améliorent le degré de contraste de couleur (absorption de la lumière laser), renforcé encore par un choix optimal du laser et des paramètres de marquage.

Questions fréquentes

Qu'est-ce qui rend le nylon difficile à marquer au laser ?

Les polyamides, y compris les polyphtalamides, ont des propriétés matérielles, des conditions de moulage et des configurations laser variées et, comme la plupart des polymères, n'absorbent pas naturellement la lumière laser, ce qui empêche le changement de couleur qui forme la marque. Ce sont les additifs d'amélioration laser qui résolvent les questions de contraste, de vitesse et de durabilité.

Comment juge-t-on la qualité du marquage, au-delà du contraste ?

Par la fidélité : la résolution des traits fins et la netteté. Le contraste lui-même n'est pas toujours obtenu par le seul changement de couleur, car la diffraction variable de la lumière y contribue aussi ; il faut donc évaluer les deux aspects ensemble.

La couleur du nylon influe-t-elle sur le marquage ?

Oui. La couleur du substrat est un facteur réel, car des composés tels que le noir de carbone, le dioxyde de titane et les ignifugeants possèdent chacun des degrés variables d'absorption de la lumière laser, ce qui modifie la réponse du matériau.

Pourquoi les lasers à fibre à ytterbium ont-ils remplacé le YAG pour ce travail ?

Ils sont arrivés sur le marché du marquage industriel vers 2010, avec une qualité de faisceau supérieure et une brillance élevée, et focalisent sur un spot de moins de 20 microns pour une densité d'énergie élevée. Ils sont aussi polyvalents, économiques et quasiment prêts à l'emploi, avec une maintenance pratiquement nulle.

Quelle plage de durées d'impulsion est la plus efficace ?

Les lasers à fibre MOPA à impulsion courte variable, de 20 à 50 ns, sont exceptionnellement efficaces pour obtenir une couleur à contraste supérieur sur la plupart des polymères, nylons compris. Les lasers à fibre à déclenchement Q-switch, de 100 à 150 ns, sont limités à une fréquence de répétition d'environ 80 kHz.

Qu'est-ce que le nylon (polyamide) ?

Les polyamides, ou nylon, constituent la grande classe des thermoplastiques techniques et hautes performances qui contiennent des liaisons amide répétées, c'est-à-dire –CO-NH–. Ils sont formés par condensation d'unités identiques (homopolymères) ou d'unités différentes (copolymères). Le nylon est obtenu par polycondensation d'un diacide avec une diamine ou par polymérisation par ouverture de cycle de lactames à six, 11 ou 12 atomes de carbone². Les monomères de nylon peuvent être aliphatiques, semi-aromatiques ou aromatiques (aramides) et leur structure peut aller de l'amorphe au semi-cristallin, avec une cristallinité plus ou moins grande.

Les polyamides aliphatiques sont produits à bien plus grande échelle que les polyamides entièrement aromatiques et constituent l'une des classes les plus importantes de thermoplastiques techniques. Pour le contraste de couleur du marquage laser du nylon chargé à 20 % de fibres de verre, à texture de surface mate, les polyamides sont amorphes ou seulement modérément cristallins lorsqu'ils sont moulés par injection, mais leur degré de cristallinité peut être augmenté.

Deux polyamides importants sont le poly(hexaméthylène adipamide) (nylon 6,6) et le polycaprolactame (nylon 6). Parmi les autres polyamides aliphatiques figurent les nylons 12, 69, 6-10, 6-12, 46 et 1212. Le nylon 11 est un plastique technique biosourcé, issu de ressources renouvelables (ricin).

Les polyamides semi-aromatiques semi-cristallins issus de la condensation d'amides aliphatiques comprennent les PA 6T et PA 6I. Les polyamides semi-aromatiques constituent souvent une alternative économique aux aramides entièrement aromatiques, plus coûteux. Les polyamides aromatiques, appelés aramides, ont une résistance supérieure, une meilleure tenue aux solvants, à la flamme et à la chaleur, et une plus grande stabilité dimensionnelle que les amides aliphatiques. Un amide aromatique bien connu est le Kevlar, le poly(p-phénylène téréphtalamide).

Les polyamides, y compris les polyphtalamides (PPA), comptent parmi les polymères les plus difficiles à marquer au laser en raison de la diversité de leurs propriétés, de leurs conditions de moulage et des configurations laser.

Le polyphtalamide (PPA) est un sous-ensemble des résines synthétiques thermoplastiques de la famille des polyamides (nylon), défini comme un polymère dont 55 % ou plus des moles de la partie acide carboxylique de l'unité répétitive de la chaîne polymère sont composées d'acides aromatiques. Le PPA est semi-aromatique et semi-cristallin. Les PPA comblent l'écart de performances entre les nylons aliphatiques, tels que le PA6,6 et le PA6, et les polyaramides, beaucoup plus coûteux.

Additifs « intelligents »

Un paramètre pour décrire la qualité du marquage est le contraste de couleur entre la surface marquée et le fond. Le contraste n'est pas toujours obtenu par le seul changement de couleur, car il peut aussi résulter de la diffraction variable de la lumière.

La qualité ou la fidélité du marquage, c'est-à-dire la résolution des traits fins ou la netteté, est tout aussi importante. De nombreux polymères, dont les nylons, n'absorbent pas naturellement la lumière laser, ce qui empêche le changement de couleur. Les additifs chimiques d'amélioration laser améliorent nettement le contraste, la vitesse et la durabilité du marquage (voir l'image 1). La couleur du substrat est un facteur, car des composés comme le noir de carbone, le TiO2 et les ignifugeants possèdent des degrés variables d'absorption de la lumière laser.

Les additifs laser sont fournis sous forme de granulés et de poudre. Les granulés sont mélangés directement à la résine polymère, tandis que les poudres sont transformées en mélange-maître. La concentration en poids (dans la pièce finale) va généralement de 0,01 à 3,0 %. Une répartition et une dispersion homogènes des additifs laser dans chaque pièce sont essentielles pour obtenir un contraste de couleur optimal.

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 du substrat naturel (non coloré). D'autres additifs peuvent contenir des particules d'aluminium, des oxydes métalliques mixtes et des composés exclusifs.

Des ajustements de couleur sont réalisés à l'aide de pigments et de teintures pour obtenir l'accord de couleur final. Certains additifs spécifiques ont reçu l'approbation de la FDA pour le contact alimentaire et l'emballage alimentaire dans les conditions A à H de la norme 21 CFR 178.3297 Colorants pour polymères¹.

Lasers à fibre à ytterbium

Les lasers à fibre NIR à ytterbium sont arrivés sur le marché du marquage industriel vers 2010, en remplacement des lasers YAG traditionnels. Les lasers à fibre offrent une qualité de faisceau (M2) supérieure et une brillance élevée, et peuvent focaliser sur un spot de petite taille (moins de 20 microns), ce qui conduit à une densité d'énergie élevée. Les lasers à fibre sont extrêmement polyvalents, économiques et prêts à l'emploi, avec une maintenance quasi nulle.

Des lasers à fibre nanoseconde à impulsion fixe (Q-switch) et à impulsion variable (MOPA) sont commercialisés par plusieurs fabricants, dont IPG Photonics et SPI Lasers. Les lasers à fibre à déclenchement Q-switch, avec une durée d'impulsion typique de 100 à 150 ns, sont employés pour certaines applications de marquage de polymères, 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) fonctionnent à des fréquences de répétition allant jusqu'à 500 kHz avec des durées d'impulsion de l'ordre de la nanoseconde. La durée d'impulsion [ns] mesure le temps entre le début et la fin de l'impulsion, généralement à partir de la largeur à mi-hauteur (FWHM) de la forme d'impulsion.

Des fréquences de répétition élevées se traduisent généralement par une vitesse de marquage supérieure (en combinaison avec les autres paramètres du laser et de la forme d'onde). Il existe des différences significatives de formes d'onde et de degré de carbonisation de surface³ (voir l'image 1).

Le contrôle spatial et temporel localisé de l'apport de chaleur laser et de sa vitesse permet d'atteindre les performances maximales. Pour les polymères sensibles à la température, les lasers à fibre à impulsion courte variable (MOPA) sont particulièrement efficaces pour obtenir un fort contraste sans carbonisation excessive.

Le marquage sous la surface est réalisable sur des plastiques transparents pour des applications médicales. En général, les lasers MOPA génèrent des durées d'impulsion (durée de l'impulsion) de 1 ns à 250 ns (et plus). The Sabreen Group a constaté qu'une plage de 20 ns à 50 ns est idéale pour obtenir un contraste de couleur optimal dans de nombreuses applications sur polymères, nylons compris.

Pour le contraste de marquage esthétique et fonctionnel, les additifs laser font une différence déterminante lorsque la haute résolution, la qualité des bords de trait et de petites cellules de données sont nécessaires pour le marquage direct des pièces (DPM) par Data Matrix et code-barres. Plus la chaîne de données est longue, plus les cellules de données sont condensées.

Une vérification de grade « A » est souvent exigée pour les produits militaires, aérospatiaux, automobiles et pharmaceutiques. La lisibilité de codes à fort contraste offre des avantages supplémentaires : des vitesses de marquage plus rapides et la possibilité d'utiliser dans toute l'usine des lecteurs portables peu coûteux.

Conclusion

Les polyamides comptent parmi les polymères les plus difficiles à marquer au laser. Les additifs laser intelligents résolvent les problèmes de contraste, augmentent les vitesses de marquage et permettent de réaliser des économies. Pour le marquage direct des pièces (DPM) par Data Matrix et code-barres, les additifs laser apportent des améliorations déterminantes. Les lasers à fibre à impulsion courte variable (MOPA), dans la plage de 20 ns à 50 ns, sont exceptionnellement efficaces pour obtenir une couleur à contraste supérieur sur la plupart des polymères.

Références

1. Sabreen, S. Fiber Lasers: Selection and Additives, Plastics Decorating, November 2017. 2. Polyamide (PA) Nylon Complete Guide, SpecialChem 2019. 3. Brodsky, M. Wave Forms: A New Laser Tool, Optics & Photonics, March 2012.

Scott R. Sabreen est le fondateur et le président de The Sabreen Group, Inc., une société de conseil en ingénierie spécialisée dans les procédés de transformation secondaire des plastiques : prétraitements de surface, liaison par adhérence, impression jet d'encre, marquage laser, 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.

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