Marcatura laser del nylon (poliammide) con laser a fibra

Come eseguire la marcatura e l'incisione laser del nylon (poliammide) con laser a fibra

Sintesi

Gli utilizzatori di laser a fibra incontrano difficoltà nella marcatura o nell'incisione del nylon. La chiave per ottenere un contrasto di marcatura di alta qualità consiste nell'incorporare additivi per marcatura laser nel materiale in nylon durante il processo di stampaggio, sia utilizzando concentrati di colore sia materiali precompoundati. I vantaggi della marcatura laser del nylon hanno trasformato numerosi settori, incluso quello delle armi da fuoco, rendendo possibili l'identificazione univoca dei componenti, i codici Data Matrix e QR e la personalizzazione.

Punti chiave

• Il nylon non modificato si marca male. La poliammide assorbe poca energia tra 1060 e 1070 nm, quindi il contrasto dipende dagli additivi per marcatura laser.
• Le migliori combinazioni di contrasto sono bianco coprente su nero, nero intenso su bianco e bianco coprente su blu medio.
• I laser a fibra all'itterbio MOPA sono lo strumento adatto; durate dell'impulso inferiori a circa 90 ns sono indicate per le materie plastiche.
• La concentrazione di carica è compresa tra 0.01 e 3.0% in peso e la dispersione uniforme in tutto il pezzo è ciò che rende ripetibile il contrasto.
• Il nylon caricato vetro è ancora più difficile: le superfici ricche di fibre si marcano male, per cui sono indispensabili superfici ricche di resina.

Le materie plastiche in nylon trovano un'ampia gamma di applicazioni: armi da fuoco, automotive, elettrico ed elettronica, industriale, materiali di consumo e oil & gas. Tuttavia, la variabilità delle proprietà fisiche, chimiche e superficiali del nylon (poliammide), in particolare dei nylon caricati vetro, rende impegnative la marcatura e l'incisione laser. I colori di contrasto più diffusi sono bianco coprente su nero, nero intenso su bianco e bianco coprente su blu medio. Quando gli additivi per marcatura laser sono combinati con i pigmenti e i coloranti appropriati, garantiscono una qualità della marcatura superiore a costi contenuti. Gli additivi per marcatura laser sono impiegati in numerose materie plastiche, tra cui ABS, acetale (POM), PET, PVC, policarbonato, polipropilene e polietilene.

Poliammidi (nylon)

Le poliammidi, note anche come nylon, sono un'importante classe di termoplastici impiegati in applicazioni ad alte prestazioni. Sono costituite da legami ammidici, nello specifico –CO-NH–. Il nylon è sintetizzato mediante policondensazione, in cui una diammina reagisce con un diacido, oppure mediante polimerizzazione ad apertura di anello di lattami contenenti sei, undici o dodici atomi di carbonio. I monomeri del nylon possono essere alifatici, semiaromatici o aromatici (aramidi) e possono presentare struttura amorfa o semicristallina, con grado di cristallinità maggiore o minore. Due poliammidi principali sono il poli(esametilene adipammide) (nylon 6,6) e il policaprolattame (nylon 6). Le poliammidi alifatiche comprendono il nylon 12, 69, 6-10, 6-12, 46 e 1212. La plastica tecnica di origine biologica nota come nylon 11 è ottenuta da fonti rinnovabili, in particolare dalla pianta di ricino.

Meccanismi superficiali della marcatura laser

Le materie plastiche marcabili al laser si caratterizzano per la capacità di assorbire la luce laser e di convertirla successivamente in energia termica nell'intervallo del vicino infrarosso (NIR), a lunghezze d'onda comprese tra 1060nm e 1070nm. Tre tipi di laser comuni sono il laser a fibra all'itterbio (MOPA e a impulso fisso), il vanadato (Nd:YVO4) e l'Nd:YAG. A seconda del tipo di laser e del contrasto della marcatura desiderato, è possibile impiegare diverse chimiche per produrre reazioni superficiali quali carbonizzazione (charring), schiumatura per variazione chimica e cambiamento di colore. Lo stesso laser può realizzare tutte le reazioni superficiali regolando le impostazioni nel software di marcatura (potenza, frequenza di ripetizione degli impulsi e velocità di marcatura). I laser CO₂ a onda continua (CW) hanno una lunghezza d'onda di 10.6 micron (spettro dell'infrarosso lontano). I laser CO₂ CW hanno una potenza di picco inferiore e non sono in grado di produrre marcature ad alto contrasto sulle materie plastiche.

Additivi per marcatura laser

Poiché la maggior parte dei polimeri presenta una capacità di assorbimento limitata a questa lunghezza d'onda (NIR) e non è in grado di produrre un contrasto apprezzabile, gli esperti ricorrono a diversi additivi, cariche, pigmenti e coloranti per aumentare l'assorbimento e ottenere un contrasto di elevata qualità. Gli additivi aumentano il grado di contrasto cromatico (assorbimento della luce laser), ulteriormente migliorato dalla scelta ottimale del laser e dei parametri di marcatura. Contrariamente a quanto si crede comunemente, non esiste un unico additivo universale.

Alcuni additivi contengono miscele di ossido di stagno drogato con antimonio e triossido di antimonio, che possono conferire al substrato naturale (non colorato) un'opacità dall'aspetto «grigiastro». Altri additivi possono contenere particelle di alluminio, ossidi metallici misti o composti proprietari. Le correzioni di colore si effettuano con pigmenti e coloranti per ottenere la corrispondenza cromatica desiderata. Additivi specifici sono stati approvati dalla FDA per l'impiego a contatto con gli alimenti e nell'imballaggio alimentare secondo le condizioni A-H del 21 CFR 178.3297 Colorants for Polymers.

I compound con additivi per marcatura laser sono disponibili in forma di granulo (pellet) e in polvere. I prodotti in granuli vengono miscelati direttamente con la resina polimerica, mentre le forme in polvere sono trasformate in masterbatch (concentrato di colore). Il livello di concentrazione in peso (nel pezzo finito) è generalmente compreso tra 0.01 e 3.0%. Per ottenere il migliore contrasto cromatico, gli additivi per marcatura laser devono essere distribuiti/dispersi in modo uniforme in tutto il pezzo.

Laser a fibra

I laser a fibra all'itterbio in regime di nanosecondi (MOPA e a impulso fisso) sono ideali per la marcatura, l'incisione laser e l'incisione chimica laser (etching) delle materie plastiche grazie alla qualità del fascio superiore (M2) e all'elevata brillanza («radiance»). Possono focalizzare su uno spot di dimensioni ridotte (inferiori a 20 micron), con conseguente elevata densità di energia. Un vantaggio significativo dei laser MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) è la possibilità di regolare finemente la durata dell'impulso. Durate dell'impulso ridotte, tipicamente inferiori a 90 nanosecondi, sono ideali per la marcatura dei materiali plastici.

L'irradianza laser (W/cm2) e la fluenza (J/cm2) sono parametri importanti nella marcatura delle materie plastiche. L'intensità è influenzata dalla frequenza degli impulsi, dalla potenza del laser, dalle dimensioni dello spot focale e dalla durata dell'impulso. La fluenza è influenzata dall'intensità del fascio, dalla velocità di scansione, dalla sovrapposizione degli impulsi e dal diametro del fascio focalizzato. La frequenza di ripetizione degli impulsi e la densità di potenza di picco sono parametri critici per la formazione della marcatura e per ottenere contrasto e velocità ottimali. Un'elevata potenza di picco a bassa frequenza innalza rapidamente la temperatura superficiale, vaporizzando il materiale e trasmettendo per conduzione una quantità minima di calore nel substrato. All'aumentare della frequenza di ripetizione degli impulsi, una potenza di picco inferiore produce una vaporizzazione minima ma conduce più calore. Le curve aritmetiche della potenza in funzione della frequenza di ripetizione degli impulsi sono inversamente proporzionali.

Domande frequenti

Perché il mio laser a fibra non marca il nylon in modo nitido?

La poliammide presenta un assorbimento limitato nella banda del vicino infrarosso in cui operano i laser a fibra all'itterbio, per cui la maggior parte dell'energia non si converte nella reazione termica che forma la marcatura. La soluzione è un additivo per marcatura laser compoundato nel materiale, non una maggiore potenza del laser.

Quali additivi si utilizzano per la marcatura laser del nylon?

Sono diffuse le miscele di ossido di stagno drogato con antimonio e triossido di antimonio, che tuttavia possono conferire ai substrati non colorati una tonalità grigiastra. Altri impiegano particelle di alluminio, ossidi metallici misti o composti proprietari, con l'aggiunta di pigmenti e coloranti per raggiungere la corrispondenza cromatica finale.

Il nylon marcato al laser può essere impiegato per componenti a contatto con gli alimenti?

Sì, con l'additivo corretto. Additivi specifici sono approvati dalla FDA per il contatto con gli alimenti e per l'imballaggio alimentare secondo le condizioni A–H del 21 CFR 178.3297, Colorants for Polymers. Verifichi che l'approvazione copra il Suo grado di materiale e il relativo livello di carica.

Quale durata dell'impulso utilizzare sul nylon?

Impulsi brevi. Su un laser MOPA, durate inferiori a circa 90 nanosecondi sono indicate per le materie plastiche: erogano un'elevata potenza di picco che innalza rapidamente la temperatura superficiale trasmettendo per conduzione una quantità minima di calore nel substrato.

Perché il nylon caricato vetro è più difficile da marcare rispetto a quello non caricato?

Le fibre di vetro non assorbono il vicino infrarosso e diffondono il fascio, per cui le superfici ricche di fibre si marcano in modo debole e non uniforme. Lo stampaggio deve essere messo a punto per ottenere superfici ricche di resina. Si veda affioramento delle fibre di vetro e marcatura laser.

Scott R. Sabreen è fondatore e presidente di The Sabreen Group, Inc., società di consulenza ingegneristica specializzata nei processi di trasformazione secondaria delle materie plastiche: pretrattamenti superficiali, incollaggio, decorazione e finitura, marcatura laser e sicurezza del prodotto. Da oltre 30 anni sviluppa nuove tecnologie e risolve problemi di produzione. È possibile contattare Sabreen al numero 972.820.6777 oppure visitando www.sabreen.com o www.adhesionbonding.com.

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