Lasers à fibre : sélection et additifs

Lasers à fibre : sélection et additifs

Note de la rédaction : dans cet article technologique, Scott Sabreen aborde deux sujets liés aux lasers à fibre : le choix du type de laser à fibre pour le marquage des plastiques et l'amélioration du contraste de marquage grâce aux additifs.

Points clés

• Les lasers à fibre diffèrent fondamentalement des autres lasers à pompage par diodes (DPSS) : le milieu actif est dispersé dans le câble à fibre optique lui-même.
• La structure entièrement à fibre explique leur fiabilité et leur robustesse, et donc leur croissance rapide.
• Les lasers à déclenchement Q-switch plafonnent à environ 80 kHz, une contrainte inhérente à la technologie, pour une durée d'impulsion de 100 à 120 ns.
• Le DM-MOPA atteint 500 kHz avec des durées d'impulsion de l'ordre de la nanoseconde, ce qui se traduit généralement par un marquage plus rapide.
• Il n'existe pas de solution laser universelle. Le développement d'applications dépend étroitement du matériau.

Questions fréquentes

Qu'est-ce qui distingue un laser à fibre des autres lasers à solide ?

Le milieu actif qui génère le faisceau est dispersé dans un câble à fibre optique spécialisé et, contrairement aux lasers à fibre de transport, tout le trajet du faisceau reste dans ce câble jusqu'à l'optique de distribution. Cette structure entièrement à fibre explique en grande partie leur fiabilité et leur robustesse.

Impulsion fixe ou MOPA : lequel choisir ?

Cela dépend du matériau. Les lasers à impulsion fixe à déclenchement Q-switch (100 à 120 ns) sont utilisés pour certaines applications de marquage, mais la technologie elle-même limite leur fréquence de répétition à environ 80 kHz. Les lasers MOPA à modulation directe atteignent jusqu'à 500 kHz avec des durées d'impulsion de l'ordre de la nanoseconde, ce qui signifie généralement un marquage plus rapide.

Une fréquence de répétition plus élevée signifie-t-elle toujours un marquage plus rapide ?

En général oui, mais seulement en combinaison avec les autres paramètres du laser et du guide d'ondes. La fréquence de répétition seule ne détermine pas la cadence : l'énergie d'impulsion, la puissance crête, la vitesse du faisceau et la réponse du matériau y contribuent aussi.

Existe-t-il un laser unique idéal pour les plastiques ?

Non. Le développement d'applications est très spécifique, et le type de laser à intégrer est déterminé par l'interaction des caractéristiques de sortie du laser avec le matériau polymère optimisé. Le matériau et le laser doivent être choisis ensemble.

Comment les additifs modifient-ils ce qu'un laser à fibre peut marquer ?

Ils améliorent le degré de contraste, qui peut ensuite être encore renforcé par les paramètres de réglage du laser. Les polymères ont une tendance intrinsèque à un contraste foncé ou clair, et même des grades d'une même famille donnent des résultats différents ; l'additif est donc adapté au grade précis.

Choisir un laser à fibre pour le marquage des plastiques : quel laser est le meilleur ?

Les lasers à fibre à ytterbium nanoseconde comptent parmi les avancées les plus marquantes pour le marquage, le soudage et la découpe. Fondamentalement, les lasers à fibre diffèrent des autres lasers de marquage à solide pompés par diodes (DPSS). 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. 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.

Quel type de laser à fibre, à impulsion fixe ou MOPA, convient le mieux au marquage des plastiques ?

IPG Photonics, développeur et fabricant de premier plan de lasers à fibre hautes performances, propose à la fois des lasers à impulsion fixe de la série YLP (parfois appelés « Q-switch ») et des lasers à impulsion courte variable YLPN (MOPA). Les lasers à fibre à déclenchement Q-switch, avec une durée d'impulsion typique 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 durées d'impulsion de l'ordre de la nanoseconde. Des fréquences de répétition élevées se traduisent généralement par une vitesse de marquage supérieure (en combinaison avec les autres paramètres du laser et du guide d'ondes).

Le développement d'applications est très spécifique, et il n'existe pas de solution laser universelle. Les lasers MOPA à impulsions courtes permettent d'exploiter pleinement les performances des additifs chimiques sensibles incorporés aux polymères. Le contrôle spatial et temporel localisé de l'apport de chaleur laser et de sa vitesse permet d'atteindre les performances maximales.

Le choix du type de laser à intégrer est déterminé par l'interaction des caractéristiques de sortie du laser avec le matériau polymère optimisé. La figure 2 représente les formes d'impulsion temporelles des lasers à fibre à ytterbium à durée d'impulsion fixe et variable (MOPA).

Pour les deux graphiques, la combinaison particulière des paramètres d'entrée détermine les propriétés de sortie du faisceau laser, à savoir l'énergie d'impulsion, la puissance crête (le pic instantané le plus élevé 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).

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.

Additifs laser pour le marquage des plastiques avec des lasers à fibre

Les additifs laser proche infrarouge 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 ». Certains composés colorants contenant de faibles quantités de dioxyde de titane (TiO2) et de noir de carbone peuvent aussi 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 altérer l'aspect ou les propriétés physiques ou fonctionnelles des produits.

Par rapport aux procédés d'impression à l'encre (tampographie, sérigraphie et jet d'encre), les additifs laser permettent de réaliser des économies et peuvent offrir des vitesses de marquage supérieures de 20 % 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 transformées en mélange-maître. La plupart se dispersent facilement dans les polymères. Selon l'additif et le polymère, la concentration en poids (dans la pièce finale) varie entre 0,01 et 4,0 %.

Les granulés comme la poudre peuvent être incorporés à un matériau coloré précomposé ou à un concentré de couleur. Le choix de l'additif 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 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. Une répartition et une dispersion homogènes des additifs laser dans chaque pièce sont essentielles 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 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 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 de la norme 21 CFR 178.3297 – Colorants pour polymères. Pour l'Union européenne, il existe des déclarations de conformité similaires. Les conditions de certification sont propres au type de polymère, au seuil de concentration et au contact direct ou indirect. Une qualification supplémentaire des additifs approuvés par la FDA incorporés dans une « pièce finale » peut permettre d'atteindre la biocompatibilité de dispositifs médicaux.

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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