Les « additifs intelligents » améliorent le marquage laser des plastiques

Les « additifs intelligents » améliorent le marquage laser des plastiques

Contraste, finesse des bords de trait et vitesse améliorés

La toute dernière génération d'« additifs intelligents » de marquage laser incorporés aux polymères constitue un bond quantique en technologie, qui offre à la fois de nouvelles possibilités et des économies. Ces formulations avancées issues de la science des matériaux permettent d'atteindre un contraste de marquage, une finesse des bords de trait et une vitesse sans précédent sur des plastiques traditionnellement difficiles, voire impossibles, à marquer au laser. Conçues pour des réactions thermochimiques de surface, ces formulations conviennent idéalement aux lasers à fibre, YAG et au vanadate fonctionnant à une longueur d'onde de 1060 à 1070 nm (spectre proche infrarouge).

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, des types de laser (fibre, YAG, vanadate) et des paramètres d'optique et de réglage du laser très différents, selon le contraste de marquage et la fonctionnalité souhaités.

La FIGURE 1 montre un « contraste de marquage foncé » sur du polyéthylène (à gauche), un « contraste de marquage blanc » sur du nylon (au centre) et une couleur personnalisée jaune doré sur de l'ABS (à droite). Elle illustre aussi trois mécanismes de réaction de surface distincts. Premièrement, le processus 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. 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 du noir dépend de l'énergie absorbée ainsi que de la voie de dégradation thermique propre au matériau. Lorsqu'ils sont mélangés à la matrice colorante de la résine, les additifs qui produisent un contraste de marquage foncé contiennent souvent des mélanges d'oxyde d'étain dopé à l'antimoine, de trioxyde d'antimoine ou de particules d'aluminium. Tous se dispersent facilement dans les polymères. Les concentrations typiques en poids vont de 0,01 % à 3,0 %. Bon nombre des formulations finales ont reçu l'approbation de la FDA pour un usage dans les conditions A à H de la norme 21 CFR 178.3297 Colorants pour polymères.

Une deuxième réaction de surface est la transformation chimique, par l'emploi d'additifs qui libèrent de la vapeur d'eau lors de leur dégradation, ce qui 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 haute qualité et durables, sur des substrats foncés. Un mauvais contrôle du laser peut produire une marque friable ou peu contrastée, facilement rayée (faible durabilité).

Troisièmement, l'énergie laser sert à chauffer ou dégrader l'un des colorants d'un mélange de colorants, provoquant 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 laisse subsister le colorant inorganique. Ces systèmes de colorants mixtes dépendent de la stabilité spécifique des colorants, et tous les changements de couleur ne sont pas possibles.

Les formulations laser ne doivent pas être toxiques ni altérer l'aspect ou les propriétés physiques ou fonctionnelles des produits. Elles doivent absorber suffisamment d'énergie laser pour élever la température locale du polymère à un niveau suffisant pour obtenir sa carbonisation ou son moussage, et créer ainsi la marque. Cette température varie selon les polymères, même au sein d'une même famille.

Points clés

• Il n'existe pas d'additif universel. Contrairement à une idée répandue, la chimie doit être adaptée au polymère, à la couleur et au laser.
• Trois mécanismes (carbonisation, moussage et changement de couleur des colorants) couvrent les marques foncées, blanches et de couleur personnalisée.
• Le taux d'incorporation est faible, généralement de 0,01 % à 3,0 % en poids, et de nombreuses formulations sont approuvées par la FDA selon la norme 21 CFR 178.3297.
• Des gains de vitesse de 15 % ou plus sont obtenus avec des additifs à des concentrations aussi faibles que 0,01 % à 2,0 %.
• La température de dégradation thermique permet de prévoir la marquabilité. Deux grades de PEHD peuvent se marquer très différemment pour cette seule raison.

Questions fréquentes

Existe-t-il un additif laser unique qui résolve tous les problèmes de marquage ?

Non. Contrairement à une idée répandue, il n'existe pas d'additif universel. Des chimies de formulation, des types de laser (fibre, YAG ou vanadate) et des paramètres d'optique et de réglage très différents sont nécessaires selon le contraste et la fonctionnalité souhaités.

Comment les additifs produisent-ils des marques blanches sur un plastique foncé ?

Par moussage. Un additif libère de la vapeur en se dégradant, et l'énergie laser est absorbée par un absorbeur situé près de l'agent moussant. L'hydroxyde d'aluminium et divers carbonates sont des agents moussants typiques. Le polymère doit se dégrader à une température supérieure à celle de l'additif moussant, faute de quoi c'est une carbonisation qui se produit.

Pourquoi deux grades d'un même polymère se marquent-ils différemment ?

En raison de températures de dégradation thermique différentes. L'analyse thermogravimétrique de deux échantillons de PEHD montre un début de dégradation nettement différent, et le polymère à température plus élevée exige plus d'énergie laser, un marquage plus lent ou davantage d'additif absorbant pour obtenir le même aspect de marque.

De combien le marquage est-il plus rapide avec des additifs optimisés ?

Des gains statistiquement significatifs de 15 % ou plus par rapport à des formulations non optimisées, obtenus à de faibles concentrations, d'environ 0,01 % à 2,0 %. Le marquage « à la volée » de promotions sous capsule sur des bouchons de boissons sans joint atteint des cadences allant jusqu'à 1 500 bouchons par minute.

Pourquoi une marque claire peut-elle s'enlever facilement en la rayant ?

À cause d'un mauvais contrôle du laser pendant le moussage. Sans contrôle rigoureux des paramètres, on obtient une marque friable ou peu contrastée, de faible durabilité, au lieu de la marque claire, de haute qualité et durable que ce mécanisme peut produire.

Obtenir des vitesses de marquage plus rapides

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) peuvent aussi influer sur le temps de marquage. De nouvelles études indépendantes montrent 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 %.

La FIGURE 2 présente une courbe d'analyse thermogravimétrique (ATG) de deux polyéthylènes haute densité. 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. Les additifs intelligents permettent de réaliser des économies et offrent des vitesses de marquage supérieures de 15 % ou plus à celles de formulations de matériaux non optimisées. 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 bouchons par minute. Des exemples sont présentés dans la FIGURE 3.

Technologie laser

Les progrès de la technologie laser ont joué un rôle déterminant dans le développement rapide des additifs laser intelligents. La technologie des lasers à fibre nanoseconde est un domaine émergent et l'une des avancées les plus importantes en matière de lasers pour le marquage, le soudage et la découpe. Les lasers à fibre diffèrent fondamentalement 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 le 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 MOPA, 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.

Tous les lasers à fibre, YAG et au vanadate 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 (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 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 laser 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. 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.

Conclusion

La toute dernière génération d'« additifs intelligents » de marquage laser incorporés aux polymères offre un contraste de marquage, une finesse des bords de trait et une vitesse sans précédent. 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.

Références

• Engelhard Corporation Mark-it™ Laser Marking Pigment Technical Bulletin 2002, with technical content contributions from The Sabreen Group Inc.
• 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, & Carl Baasel Lasertechnik GmbH, “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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