Marcatura laser su nylon

Marcatura laser, incisione ed etching del nylon poliammide

Come marcare al laser le materie plastiche in nylon poliammide con laser a fibra

Le materie plastiche in nylon, note anche come poliammide, costituiscono una classe importante di termoplastici impiegati in applicazioni ad alte prestazioni quali armi da fuoco, elettronica, collettori automobilistici, componenti per biciclette, tubazioni, targhette identificative per animali, suole di calzature sportive e molto altro. Sono tra i polimeri più difficili da marcare, incidere o sottoporre a etching al laser, a causa della diversità delle proprietà del materiale, delle condizioni di stampaggio e delle configurazioni laser. I laser a fibra all'itterbio sono ideali per produrre marcature nere per carbonizzazione, marcature bianche per generazione di schiuma e variazioni cromatiche mediante reazioni termochimiche indotte dal laser nei polimeri pigmentati. L'irradianza laser, la fluenza e l'ottica del fascio sono fattori importanti nella marcatura delle materie plastiche. I laser a fibra MOPA a impulso variabile offrono il miglior controllo della larghezza dell'impulso, limitando al contempo il calore in eccesso.

I nylon sono disponibili in una varietà di tipologie di materiale (ad es. Nylon 6,6; Nylon 6,12; Nylon 4,6; Nylon 6; Nylon 12 ecc.), il che consente un'ampia gamma di materiali e proprietà disponibili, siano essi omopolimeri, copolimeri o rinforzati. Fibre di vetro lunghe e corte sono frequentemente incorporate nel nylon rinforzato. Sebbene vantaggiose per le prestazioni strutturali, presentano lo svantaggio dei difetti di "affioramento del vetro" derivanti dallo stampaggio, che riducono la marcabilità laser.

Le superfici stampate devono essere ricche di resina affinché l'energia del laser possa interagire con la matrice polimerica. I nylon possono inoltre essere miscelati con altre materie plastiche tecniche per migliorare specifiche caratteristiche prestazionali. Questi fattori influenzano intrinsecamente il modo in cui ciascuna tipologia di materiale reagisce alla marcatura laser. Colori, pigmenti e coloranti, proprietà delle cariche, compounding da parte di diversi fornitori, dispersione e distribuzione durante lo stampaggio e texture superficiale sono tutti fattori che influiscono sulla qualità della marcatura.

Marcatura laser di alta qualità con laser a fibra industriali: la marcatura indelebile, funzionale e decorativa, aggiunge valore ai prodotti prevenendo al contempo la contraffazione. La chiave per ottenere un contrasto di marcatura di alta qualità e duraturo nel tempo è incorporare additivi potenzianti per la marcatura laser nel materiale in nylon durante il processo di stampaggio, sia tramite concentrati di colore sia tramite materiali precompoundati. Additivi specializzati progettati per laser nel vicino infrarosso ottimizzano il contrasto di marcatura senza compromettere le proprietà del materiale, aumentano la velocità di marcatura (tempi di ciclo più brevi) e risultano economicamente vantaggiosi.

Esperti di marcatura laser industriale

Soluzioni complete da un unico fornitore per la marcatura laser delle materie plastiche — dalla scienza dei materiali all'integrazione di sistemi personalizzati.

Servizi tecnici

• Formulazioni e compound personalizzati per il color match laser, conformità normativa, campioni prototipo — masterbatch, materiali precompoundati (pre-color), laminati per laser.
• Progettazione di sistemi di apparecchiature laser, integrazione di sistemi chiavi in mano e formazione, visione artificiale, HMI personalizzate, documentazione di processo.
• Risoluzione dei problemi in loco (in qualsiasi sede nel mondo), analisi del processo laser e ottimizzazione del sistema, grafica vettoriale personalizzata.
• Certificazione di sicurezza laser, applicazione completa comprensiva di progettazione e cabina di protezione CDRH Classe 1, responsabile della sicurezza laser (LSO) per audit interni.
• Stampaggio a iniezione delle materie plastiche e analisi analitiche, analisi del flusso in stampo, dispersione/distribuzione di additivi e coloranti.
• Servizi di marcatura in conto terzi

Qualità del fascio laser: i laser a fibra all'itterbio operano nello spettro del vicino infrarosso (NIR) con lunghezze d'onda comprese tra 1060 e 1070 nm. Il fattore di qualità del fascio M2 quantifica la capacità di focalizzazione di un fascio ed è determinante per le prestazioni di marcatura. Il fattore M2 di un fascio laser limita il grado con cui il fascio può essere focalizzato per una data divergenza, limitata a sua volta dall'apertura della lente di focalizzazione. M2 = 1 rappresenta il fascio laser gaussiano ideale. Insieme alla potenza ottica, il fattore di qualità del fascio determina la luminanza "radianza" del fascio laser. Un fattore M2 costante è più importante del valore in sé, poiché applicazioni diverse richiedono modalità di fascio diverse. I laser a prestazioni inferiori soffrono spesso di una mancanza di costanza, che comporta variazioni nella marcatura, problemi di aspetto e di funzionalità. I laser industriali sono superiori ai laser economici di tipo hobbistico venduti all'ingrosso (rivenditori). I laser economici presentano una qualità di marcatura irregolare, oltre a ottiche ed elettronica di scarso valore, con conseguenti variazioni nella qualità del fascio e marcature incoerenti. Non tutti i laser sono uguali.

Marcatura laser, incisione, visione artificiale e identificazione univoca dell'articolo (IUID): lo standard MIL-STD 130 è utile per la gestione dell'inventario e la tracciabilità dei prodotti in numerosi settori. Una qualità di marcatura scadente è particolarmente problematica e costosa quando i codici a barre 1D e i codici DPM AIM 2D non possono essere verificati e classificati con precisione dalla telecamera. Gli additivi laser fanno una differenza determinante quando sono richiesti alta risoluzione, qualità dei bordi delle linee e celle dati ridotte per la marcatura diretta dei componenti (DPM) con data matrix e codici a barre. Più lunga è la stringa di dati, più le celle dati risultano condensate. La verifica di Grado "A" (ISO 15415) è spesso richiesta per prodotti militari, aerospaziali, automobilistici e farmaceutici. La leggibilità dei codici ad alto contrasto offre ulteriori vantaggi, come velocità di marcatura più elevate e la possibilità di utilizzare lettori portatili a basso costo in tutto lo stabilimento.

Domande frequenti sulla marcatura laser del nylon

Perché alcuni materiali in nylon producono una marcatura migliore rispetto ad altri? Sebbene esistano numerose teorie sui meccanismi di marcatura laser dei nylon sintetici, non esiste una risposta definitiva. Alcuni esperti ritengono che i nylon si distinguano per i loro gruppi ammidici (CONH). I gruppi ammidici tendono a formare schiuma più facilmente, in parte a causa dell'azoto, mentre i gruppi metilenici sono più adatti alla carbonizzazione. Nel PA12 la struttura è più simile al polietilene, con un gruppo ammidico ogni 12 unità monomeriche. Il PA6, al contrario, contiene un gruppo ammidico ogni sei unità monomeriche. In pratica, questo significa che il PA12 presenta una minore tendenza a formare schiuma e una maggiore tendenza a produrre marcature scure rispetto al PA6. Esistono tuttavia alcune eccezioni a queste osservazioni generali.

Gli ingegneri di progettazione dei prodotti devono considerare le prestazioni del componente e la sua marcabilità laser al momento della scelta del nylon.

Cosa sono le poliammidi di nylon?

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

Gli additivi in fibra di vetro influiscono sulla marcatura laser?

La qualità della marcatura dipende dal polimero, dagli additivi e coloranti e dal processo di stampaggio a iniezione. I problemi superficiali del polimero stampato che ne compromettono la leggibilità possono incidere sulla sicurezza, sulle prestazioni e sulla funzionalità del prodotto. Un esempio è rappresentato dalle fibre di vetro come additivo. L'aggiunta di fibre di vetro può influire negativamente sui processi di stampaggio, con conseguenze sulla qualità della marcatura laser. Le percentuali di carica in fibra di vetro variano, tipicamente tra il 10 e il 60%. Esistono due tipi di rinforzo in vetro — fibra corta e fibra lunga — ciascuno con vantaggi e svantaggi. Le superfici dei componenti stampati devono essere "ricche di resina" per produrre una marcatura di alta qualità, in modo che l'energia del laser possa interagire con la matrice polimerica. Al contrario, le superfici ricche di fibra di vetro si marcano male, e il problema si aggrava all'aumentare del contenuto di fibra. La fibra di vetro in sé non è un buon assorbitore della luce laser nel vicino infrarosso (NIR).

Come funzionano gli additivi potenzianti per la marcatura laser?

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

Alcuni additivi contengono ossido di stagno drogato con antimonio e miscele di 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 regolazioni cromatiche vengono effettuate con pigmenti e coloranti per ottenere l'aspetto di color match desiderato. Alcuni additivi specifici sono stati approvati dalla FDA per l'uso a contatto con alimenti e nel packaging alimentare secondo le condizioni A-H del 21 CFR 178.3297, Colorants for Polymers.

I compound additivi per laser sono disponibili in forma di granulato in pellet e in polvere. I prodotti granulati vengono miscelati direttamente con la resina polimerica, mentre le forme in polvere vengono trasformate in masterbatch. Il livello di concentrazione di carico in peso (nel componente finale) varia in genere tra lo 0,01 e il 3,0%. Per ottenere il miglior contrasto cromatico, gli additivi laser devono essere distribuiti/dispersi in modo uniforme in ciascun componente.

Quali sono i tipi di meccanismi di marcatura laser dei polimeri?

Le materie plastiche marcabili al laser sono caratterizzate dalla capacità di assorbire la luce laser e convertirla successivamente in energia termica nell'intervallo del vicino infrarosso (NIR), con lunghezze d'onda comprese tra 1060 e 1070 nm. Tre tipologie comuni di laser sono quelli a fibra all'itterbio (MOPA e a impulso fisso), Vanadate (Nd:YVO4) e Nd:YAG. A seconda del tipo di laser e del contrasto di marcatura desiderato, è possibile utilizzare diverse chimiche per produrre reazioni superficiali quali carbonizzazione, formazione di schiuma per reazione chimica e variazione cromatica. La qualità della marcatura dipende dall'energia assorbita e dal percorso di degradazione termica specifico del materiale. Ogni grado di polimero, anche all'interno della stessa famiglia polimerica, può produrre risultati diversi. Lo stesso laser può eseguire 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.

Qual è la differenza tra laser a fibra e laser a trasmissione in fibra?

I laser a fibra all'itterbio a impulsi nanosecondi rappresentano uno dei progressi più significativi per la marcatura, la saldatura e il taglio. In sostanza, i laser a fibra differiscono dagli altri laser di marcatura a stato solido pompati a diodo (DPSS). Nei laser a fibra, il mezzo attivo che genera il fascio laser è disperso all'interno di un cavo in fibra ottica specializzato. A differenza dei laser a trasmissione in fibra, l'intero percorso del fascio si sviluppa all'interno di un cavo in fibra ottica fino all'ottica di erogazione del fascio. Questa struttura interamente in fibra è in gran parte responsabile dell'affidabilità e della robustezza di questi laser, il che ne spiega la rapida diffusione.

In che modo la frequenza di ripetizione degli impulsi e la potenza di picco influiscono sulla marcatura?

La frequenza di ripetizione degli impulsi e la densità di potenza di picco sono parametri critici per la formazione della marcatura e per ottenere un contrasto e una velocità ottimali. Un'elevata potenza di picco a bassa frequenza aumenta rapidamente la temperatura superficiale, vaporizzando il materiale e conducendo un calore minimo verso il substrato. Con l'aumento della frequenza di ripetizione degli impulsi, una potenza di picco inferiore produce una vaporizzazione minima ma conduce più calore. Le curve aritmetiche della potenza rispetto alla frequenza di ripetizione degli impulsi sono inversamente proporzionali. Ulteriori fattori determinanti, quali la velocità del fascio di marcatura e la distanza di separazione delle linee vettoriali, definiscono il contrasto e la qualità della marcatura. Regolando e controllando con attenzione questi parametri, la marcatura laser può essere utilizzata per creare marcature precise e di alta qualità su una vasta gamma di materiali plastici. Si tratta di un equilibrio che dipende dalle proprietà del materiale, dalla profondità di marcatura desiderata e dalla velocità di marcatura richiesta. L'aggiunta di assorbitori laser alla materia plastica amplia notevolmente la gamma di materiali plastici marcabili, migliora la qualità della marcatura e allarga la finestra di processo per garantire la costanza della marcatura.

Cos'è l'irradianza laser?

Irradianza laser: l'irradianza è la potenza del laser per unità di superficie, misurata in watt per centimetro quadrato (W/cm2). È essenzialmente l'intensità del fascio laser, funzione delle dimensioni dello spot focalizzato. Le dimensioni dello spot laser focalizzato, per una determinata lente a lunghezza focale e lunghezza d'onda del laser, sono funzione della divergenza del fascio laser. Uno spot di dimensioni maggiori determina una densità di energia inferiore. Un'elevata irradianza può causare un rapido riscaldamento e la vaporizzazione del materiale, mentre una bassa irradianza potrebbe non produrre alcuna marcatura visibile. L'irradianza influisce sulla velocità e sulla qualità del processo di marcatura. Un'elevata irradianza può determinare una marcatura più rapida, poiché il materiale viene riscaldato e vaporizzato velocemente. Tuttavia, se l'irradianza è eccessiva, può danneggiare il materiale, causando ad esempio incrinature o bruciature eccessive. Al contrario, una bassa irradianza può comportare una velocità di marcatura ridotta o l'assenza di marcatura visibile.

L'intensità è influenzata da:

• Frequenza degli impulsi (Hz, kHz) — frequenza di ripetizione degli impulsi
• Potenza del laser (watt) — diversa dalla densità di potenza W/cm2
• Dimensione dello spot focale — detta anche diametro focale
• Larghezza dell'impulso — il tempo tra l'inizio e la fine di un impulso, misurato in nanosecondi, picosecondi o femtosecondi. Un fattore per il controllo della densità di energia, determinante per l'ottimizzazione del processo. La regolazione della durata dell'impulso nei laser MOPA è più flessibile rispetto ai laser a fibra Q-switched (a impulso fisso).

Cos'è la fluenza laser?

Fluenza laser: la fluenza è una misura dell'energia laser per unità di superficie. Viene generalmente misurata in joule per centimetro quadrato (J/cm2). La fluenza determina la quantità di energia trasferita alla superficie del materiale. Se la fluenza è troppo bassa, il materiale potrebbe non essere affatto interessato. Se è troppo elevata, il materiale può subire danni eccessivi, oltre l'effetto di marcatura desiderato. La fluenza deve essere impostata a un livello appropriato per lo specifico materiale da marcare. Alcuni materiali possono richiedere una fluenza più elevata per assorbire energia sufficiente a produrre una marcatura visibile, mentre altri possono richiedere una fluenza inferiore per evitare danni. Anche la profondità della marcatura può essere influenzata dalla fluenza; in genere, una fluenza più elevata produce marcature più profonde.

La fluenza è influenzata da:

• Intensità del fascio
• Velocità dello scanner
• Sovrapposizione degli impulsi
• Diametro del fascio focalizzato

Quali sono i vantaggi del laser a fibra MOPA rispetto al Q-switch a impulso fisso?

La comparsa dei laser a fibra all'itterbio a impulsi nanosecondi con tecnologia MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) rappresenta uno degli sviluppi più significativi nella marcatura laser delle materie plastiche. Una progettazione laser rivoluzionaria per il settore fornisce ora l'energia pulsata in modo diverso rispetto alle tradizionali cavità a specchio/Q-switch. La progettazione utilizza le "forme d'onda" come strumento laser per una lavorazione rapida e un controllo fine dell'impulso. Il Grafico 1 mostra i 40 diversi impulsi a forma d'onda colorati dei laser a fibra TRUMPF TruPulse Nano MOPA. Ogni colore nel grafico rappresenta una distinta forma d'onda d'impulso MOPA, utilizzabile per bilanciare fluenza e irradianza al fine di ottimizzare i risultati di marcatura sulle materie plastiche. Come per molte tecnologie concorrenti, si riscontra spesso confusione e un'errata rappresentazione involontaria della terminologia e dei fattori distintivi importanti.

Un laser a fibra MOPA, Schema 1, amplifica un diodo laser modulato a bassa potenza di qualità telecom per produrre impulsi laser precisi ad alta potenza. Utilizzando un generatore di impulsi interno per modulare il diodo a bassa potenza, il laser può impostare, mantenere o regolare selettivamente la larghezza dell'impulso e la conseguente energia dell'impulso su un ampio intervallo di frequenza di modulazione.

Schema 1. Design dell'amplificatore in fibra GTWave di Trumpf per una qualità del fascio M2 costante

Questa architettura disaccoppia efficacemente i parametri laser rispetto ai sistemi Q-switched, offrendo una maggiore ottimizzazione del processo e ripetibilità per risultati di marcatura migliori e più costanti. Le progettazioni standard di laser a fibra MOPA possono presentare problemi di variazione della qualità del fascio (M2) simili a quelli dei laser a fibra Q-switched. TRUMPF, tra i principali produttori di laser a fibra, offre un design brevettato di amplificatore in fibra GTWave a doppio stadio che mantiene un M2 costante sull'intero intervallo di frequenza di ripetizione degli impulsi specificato. A differenza dei laser a fibra MOPA, un laser a fibra Q-switched attivo funziona interrompendo il guadagno nella cavità laser, consentendo così l'accumulo di guadagno nell'amplificatore e l'emissione di impulsi laser ad alta potenza quando l'interruzione viene rimossa. I parametri chiave dei laser a fibra Q-switched sono strettamente correlati tra loro.

La corrente del diodo può essere aumentata o diminuita per modificare la potenza in uscita. L'aumento della frequenza di ripetizione degli impulsi dovrebbe incrementare la potenza media; tuttavia, non è così per i laser a fibra Q-switched, poiché la potenza dell'impulso diminuisce. Il Grafico 2 mostra la potenza e le frequenze di ripetizione in funzione del tempo. L'M2 (qualità del fascio) nei laser a fibra Q-switched può variare considerevolmente al variare della potenza laser e della frequenza di ripetizione degli impulsi. Una variazione dell'M2 tra 1,1 e 1,5 comporta una variazione di 2 volte nella densità di potenza focalizzata, il che può alterare drasticamente la qualità della marcatura sulle materie plastiche.

Schema 2. Laser a fibra Q-switched attivo

Applicazioni della marcatura laser sul nylon

Le materie plastiche in nylon trovano un'ampia gamma di applicazioni, tra cui armi da fuoco, automotive, elettrico ed elettronico, industriale, beni di consumo e oil & gas. I contrasti cromatici più diffusi e complessi sono il bianco opaco su nero, il nero intenso su bianco e il bianco opaco su blu medio.

Contrasto di marcatura laser nero intenso. Il nuovo additivo è conforme alle normative FDA. Non contiene ossido/triossido di antimonio-stagno a base di metalli pesanti. Ideale per il settore degli animali.

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