Marcatura laser a fibra su materie plastiche nylon (poliammide)

Marcatura laser a fibra su materie plastiche nylon (poliammide)

La domanda di marcatura laser ad alto contrasto su prodotti in plastica nylon (poliammide) è in rapida crescita per l'ampia gamma di applicazioni industriali. Le marcature funzionali e decorative comprendono identificazione alfanumerica, codici di visione Data Matrix/QR, schemi e microstrutture.

Le poliammidi, compresi i poliftalammidi (PPA), sono tra i polimeri più difficili da marcare con il laser, a causa delle diverse proprietà dei materiali, delle condizioni di stampaggio e delle configurazioni laser. Gli additivi intelligenti per laser nel vicino infrarosso risolvono i problemi di contrasto di marcatura e aumentano la velocità di marcatura (tempo di ciclo più rapido) senza alterare le proprietà del materiale.

Questo articolo offre una comprensione di nylon, additivi chimici e laser a fibra per ottenere colore ad alto contrasto e operazioni di marcatura laser economiche.

Punti chiave

• Le poliammidi, PPA compresi, sono tra i polimeri più difficili da marcare, date le loro proprietà diverse, le condizioni di stampaggio e le configurazioni laser.
• Il contrasto non dipende solo dal cambiamento di colore: contribuisce anche la diffrazione variabile della luce, insieme alla risoluzione delle linee sottili e alla nitidezza.
• Il colore del substrato è di per sé una variabile, perché nerofumo, TiO2 e ritardanti di fiamma assorbono la luce laser in modo diverso.
• I laser a fibra focalizzano al di sotto dei 20 micron, offrendo l'elevata densità di energia che la marcatura fine del nylon richiede.
• Il MOPA a 20–50 ns è la finestra efficace per ottenere un colore di contrasto superiore sulla maggior parte dei polimeri.

Un parametro di base per descrivere la qualità della marcatura è il contrasto cromatico tra la superficie marcata e il substrato. Con i laser NIR, tra cui i laser a fibra all'itterbio, a vanadato (Nd:YVO4) e Nd:YAG, esistono tre meccanismi superficiali di cambiamento di colore: 1) marcatura nera per carbonizzazione, 2) marcatura bianca per generazione di schiuma e 3) cambiamenti di colore tramite reazioni termochimiche indotte dal laser nei polimeri pigmentati¹. Tra i colori di contrasto più richiesti vi sono il bianco opaco su nero, il nero intenso su bianco e il bianco opaco su blu medio. Queste combinazioni di colori richiedono spesso additivi chimici. Gli additivi migliorano il grado di contrasto cromatico (assorbimento della luce laser), che viene ulteriormente intensificato dalla scelta ottimale del laser e dei parametri di marcatura.

Domande frequenti

Che cosa rende difficile la marcatura laser del nylon?

Le poliammidi, compresi i poliftalammidi, hanno proprietà dei materiali, condizioni di stampaggio e configurazioni laser diverse e, come la maggior parte dei polimeri, non assorbono per natura la luce laser, il che impedisce il cambiamento di colore che forma la marcatura. Gli additivi che potenziano l'effetto del laser risolvono i problemi di contrasto, velocità e durabilità.

Come si giudica la qualità della marcatura, oltre al contrasto?

In base alla fedeltà, ovvero alla risoluzione delle linee sottili e alla nitidezza. Il contrasto stesso non si ottiene sempre solo con il cambiamento di colore, perché contribuisce anche la diffrazione variabile della luce, quindi entrambi gli aspetti vanno valutati insieme.

Il colore del nylon influisce sulla marcatura?

Sì. Il colore del substrato è un fattore reale perché composti come nerofumo, biossido di titanio e ritardanti di fiamma possiedono ciascuno gradi diversi di assorbimento della luce laser, il che cambia la risposta del materiale.

Perché i laser a fibra all'itterbio hanno sostituito gli YAG per questo lavoro?

Sono entrati nel mercato della marcatura industriale intorno al 2010, offrendo una qualità del fascio superiore e un'elevata luminosità, con focalizzazione su uno spot inferiore a 20 micron per un'elevata densità di energia. Sono inoltre versatili, convenienti e sostanzialmente plug-and-play, con manutenzione quasi nulla.

Quale intervallo di durata dell'impulso funziona meglio?

I laser a fibra MOPA a impulso breve variabile nell'intervallo da 20 a 50 ns sono eccezionalmente efficaci per ottenere un colore di contrasto superiore sulla maggior parte dei polimeri, nylon compresi. I laser a fibra Q-switched da 100 a 150 ns sono limitati a una frequenza di ripetizione di circa 80 kHz.

Che cos'è il nylon (poliammide)?

Le poliammidi, o nylon, sono la principale classe di termoplastici tecnici e ad alte prestazioni contenente legami ammidici ripetuti, ovvero –CO-NH–. Si formano per condensazione di unità identiche, mentre i copolimeri si formano da unità diverse. Il nylon si ottiene per policondensazione di un diacido con una diammina o per polimerizzazione per apertura d'anello di lattami con sei, 11 o 12 atomi di carbonio². I monomeri del nylon possono essere alifatici, semiaromatici o aromatici (aramidi) e possono avere strutture da amorfe a semicristalline, con una cristallinità maggiore o minore.

Le poliammidi alifatiche sono prodotte su scala molto più ampia delle poliammidi completamente aromatiche e sono una delle classi più importanti di termoplastici tecnici. Il contrasto cromatico della marcatura laser sul nylon con il 20% di fibra di vetro e con texture superficiale opaca è amorfo o solo moderatamente cristallino quando stampato a iniezione, ma il grado di cristallinità può essere aumentato.

Due poliammidi importanti sono la poli(esametilene adipammide) (nylon 6,6) e la policaprolattame (nylon 6). Altre poliammidi alifatiche sono i nylon 12, 69, 6-10, 6-12, 46 e 1212. Il nylon 11 è una plastica tecnica biobased derivata da risorse rinnovabili (piante di ricino).

Le poliammidi semiaromatiche e semicristalline ottenute dalla condensazione di ammidi alifatiche comprendono PA 6T e PA 6I. Le poliammidi semiaromatiche sono spesso un'alternativa economica alle aramidi completamente aromatiche, più costose. Le poliammidi aromatiche, dette aramidi, hanno maggiore resistenza, migliore resistenza ai solventi, alla fiamma e al calore e maggiore stabilità dimensionale rispetto alle ammidi alifatiche. Un'ammide aromatica comunemente nota è il Kevlar, poli(p-fenilene tereftalammide).

Le poliammidi, compresi i poliftalammidi (PPA), sono tra i polimeri più difficili da marcare con il laser, a causa delle diverse proprietà dei materiali, delle condizioni di stampaggio e delle configurazioni laser.

La poliftalammide (PPA) è un sottoinsieme delle resine sintetiche termoplastiche della famiglia delle poliammidi (nylon), definita quando il 55% o più delle moli della parte di acido carbossilico dell'unità ripetitiva nella catena polimerica è composto da acidi aromatici. La PPA è semiaromatica e semicristallina. Le PPA colmano il divario di prestazioni tra i nylon alifatici, come PA6,6 e PA6, e le poliaramidi, molto più costose.

Additivi “intelligenti”

Un parametro per descrivere la qualità della marcatura è il contrasto cromatico tra la superficie marcata e lo sfondo. Il contrasto non si ottiene sempre con il solo cambiamento di colore, perché può derivare anche dalla diffrazione variabile della luce.

Altrettanto importanti sono la qualità e/o la fedeltà della marcatura, ovvero la risoluzione delle linee sottili o la nitidezza. Molti polimeri, compresi i nylon, non assorbono per natura la luce laser, il che impedisce il cambiamento di colore. Gli additivi chimici che potenziano l'effetto del laser migliorano in modo significativo contrasto, velocità e durabilità della marcatura (vedere Immagine 1). Il colore del substrato è un fattore perché composti come nerofumo, TiO2 e ritardanti di fiamma possiedono gradi diversi di assorbimento della luce laser.

Gli additivi laser sono forniti in forma di granulato in pellet e di polvere. I prodotti in granulato vengono miscelati direttamente con la resina polimerica, mentre le forme in polvere vengono trasformate in masterbatch. La concentrazione di carica in peso (nel pezzo finale) varia in genere tra 0,01 e 3,0%. Una distribuzione/dispersione omogenea degli additivi laser in tutto il pezzo è fondamentale per ottenere un contrasto cromatico ottimale.

Alcuni additivi contengono miscele di ossido di stagno drogato con antimonio e triossido di antimonio, che possono conferire una tonalità “grigiastra” all'opacità naturale (non colorata) del substrato. Altri additivi possono contenere particelle di alluminio, ossidi metallici misti e composti proprietari.

Le regolazioni del colore si effettuano con pigmenti e tinture per ottenere l'aspetto finale di abbinamento cromatico. Additivi specifici hanno ottenuto l'approvazione FDA per il contatto con gli alimenti e per l'uso nel confezionamento alimentare secondo le condizioni A-H della norma 21 CFR 178.3297 Colorants for Polymers¹.

Laser a fibra all'itterbio

I laser a fibra all'itterbio NIR sono entrati nel mercato della marcatura industriale intorno al 2010, sostituendo i tradizionali laser YAG. I laser a fibra possiedono una qualità del fascio (M2) superiore e un'elevata luminosità e possono focalizzare su uno spot di piccole dimensioni (inferiore a 20 micron), con conseguente elevata densità di energia. I laser a fibra sono estremamente versatili, convenienti e plug-and-play, con manutenzione quasi nulla.

I laser a fibra a nanosecondi a impulso fisso (Q-switched) e a impulso variabile (MOPA) sono venduti da diverse aziende del settore laser, tra cui IPG Photonics e SPI Lasers. I laser a fibra Q-switched, tipicamente con una durata dell'impulso da 100 a 150 ns, vengono impiegati per alcune applicazioni di marcatura dei polimeri, ma la loro frequenza di ripetizione è limitata a circa 80 kHz a causa del limite intrinseco della tecnologia Q-switch.

I laser a fibra MOPA a modulazione diretta (DM-MOPA) operano a frequenze di ripetizione fino a 500 kHz con durate dell'impulso nell'ordine dei nanosecondi. La durata dell'impulso [ns] è una misura del tempo tra l'inizio e la fine dell'impulso, in genere basata sulla larghezza a metà altezza (FWHM) della forma dell'impulso.

Frequenze di ripetizione elevate si traducono in genere in una maggiore velocità di marcatura (in combinazione con gli altri parametri del laser/della forma d'onda). Esistono differenze significative nelle forme d'onda e nel grado di carbonizzazione superficiale³ (vedere Immagine 1).

Il controllo spaziale e temporale localizzato dell'apporto di calore del laser e della sua velocità consente di ottenere le massime prestazioni. Per i polimeri sensibili alla temperatura, i laser a fibra a impulso breve variabile (MOPA) sono particolarmente efficaci nell'ottenere un contrasto elevato senza carbonizzazione eccessiva.

La marcatura sottosuperficiale è ottenibile su plastiche trasparenti per applicazioni mediche. In genere, i laser MOPA generano durate dell'impulso (durata dell'impulso) da 1 ns a 250 ns (e oltre). The Sabreen Group ha rilevato che l'intervallo da 20 ns a 50 ns è ideale per un contrasto cromatico ottimale in molte applicazioni con polimeri, nylon compresi.

Nel contrasto di marcatura estetico e funzionale, gli additivi laser fanno una differenza decisiva quando servono alta risoluzione, qualità dei bordi delle linee e celle dati di piccole dimensioni 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 diventano compatte.

La verifica di grado “A” è spesso richiesta per prodotti militari, aerospaziali, automotive e farmaceutici. La leggibilità dei codici ad alto contrasto offre ulteriori vantaggi: velocità di marcatura più elevate e possibilità di utilizzare lettori portatili a basso costo in tutto lo stabilimento.

Conclusione

Le poliammidi sono tra i polimeri più difficili da marcare con il laser. Gli additivi laser intelligenti risolvono i problemi di contrasto, aumentano le velocità di marcatura e offrono risparmi sui costi. Per la marcatura diretta dei componenti (DPM) con Data Matrix e codici a barre, gli additivi laser offrono miglioramenti fondamentali. I laser a fibra a impulso breve variabile (MOPA), nell'intervallo da 20 ns a 50 ns, sono eccezionalmente efficaci nell'ottenere un colore di contrasto superiore sulla maggior parte dei polimeri.

Riferimenti

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 è fondatore e presidente di The Sabreen Group, Inc., una società di consulenza ingegneristica specializzata nei processi di trasformazione secondaria delle materie plastiche: pretrattamenti superficiali, incollaggio per adesione, stampa a getto d'inchiostro, marcatura laser, decorazione e finitura e sicurezza del prodotto. Sabreen sviluppa tecnologie pionieristiche e risolve problemi di produzione da più di 30 anni. Può essere contattato al numero 972.820.6777 oppure visitando www.sabreen.com.

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