Marcatura laser di polimeri caricati con fibra di vetro: l’importanza delle operazioni di stampaggio a iniezione

Marcatura laser di polimeri caricati con fibra di vetro: l'importanza delle operazioni di stampaggio a iniezione

La marcatura laser delle materie plastiche offre numerosi vantaggi in un'ampia gamma di applicazioni industriali. Le marcature decorative e funzionali prodotte dal laser, come identificazione dei componenti, schemi, data matrix e codici a barre, devono essere perfettamente leggibili. La qualità della marcatura dipende dal polimero, dagli additivi e dai coloranti, dai processi di stampaggio a iniezione e dalla sorgente laser. I problemi della superficie del polimero stampato che ne compromettono la leggibilità possono incidere su sicurezza, prestazioni e funzionalità del prodotto. Un esempio sono le fibre di vetro aggiunte come additivo. L'aggiunta di fibre di vetro può influire negativamente sui processi di stampaggio, il che a sua volta incide sulla qualità della marcatura laser. Per ottenere una marcatura robusta sono necessarie superfici del pezzo ricche di resina. Le superfici ricche di fibra di vetro producono risultati inferiori.

Punti chiave

• Il contenuto di vetro è in genere del 10-60% in ABS, nylon, acetale, policarbonato, LCP, PBT, PET, PPS, PEEK e PEI.
• La fibra di vetro non è un buon assorbitore nel vicino infrarosso, quindi le superfici ricche di vetro si marcano male per definizione.
• Sono necessarie superfici ricche di resina, perché l'energia del laser deve interagire con la matrice polimerica.
• L'affioramento del vetro si manifesta con segni bianchi sulla superficie dopo la condensazione e lo stampaggio.
• È lo stampaggio a determinare la marcabilità: il difetto nasce a monte del laser e va quindi corretto a monte.

Domande frequenti

Che cos'è l'affioramento del vetro?

Un grave difetto superficiale che interessa i prodotti stampati a iniezione riempiti di fibra di vetro, in cui il vetro in eccesso si forma in superficie durante il riempimento del fuso e lo stampaggio. Dopo la condensazione e lo stampaggio compaiono segni bianchi sulla superficie e le fibre esposte creano una superficie ricca di fibra di vetro che si marca male.

Perché le superfici ricche di vetro si marcano così male?

Perché la fibra di vetro non è un buon assorbitore della luce laser nel vicino infrarosso. La marcatura richiede che l'energia del laser interagisca con la matrice polimerica, quindi le superfici devono essere ricche di resina. Il problema peggiora all'aumentare del contenuto di fibre.

Quali polimeri contengono comunemente fibra di vetro?

ABS, nylon, acetale, policarbonato, polimero a cristalli liquidi, PBT, PET, PPS, PEEK e PEI. Le percentuali di riempimento variano ma in genere sono comprese tra il 10 e il 60%.

Di che cosa è fatta in realtà la fibra di vetro?

Silice, calcare e carbonato di sodio. La silice forma il vetro vero e proprio, mentre il carbonato di sodio e il calcare abbassano la temperatura di fusione durante la produzione.

Quali sono i meccanismi superficiali che producono una marcatura?

Tre: marcatura nera per carbonizzazione, marcatura bianca per formazione di schiuma e variazione di colore mediante reazioni chimiche termiche indotte dal laser nei polimeri pigmentati. Quale si verifichi dipende dall'energia assorbita e dal particolare percorso di degradazione termica del materiale.

Fibre di vetro

Quando una plastica standard deve essere potenziata per le prestazioni strutturali, si aggiungono fibre di vetro. I miglioramenti di resistenza derivano dal fatto che il polimero, più debole, trasferisce le sollecitazioni alle fibre di rinforzo, più resistenti. I materiali utilizzati per produrre la fibra di vetro sono silice, calcare e carbonato di sodio. La silice è il materiale principale con cui si forma il vetro, mentre il carbonato di sodio e il calcare servono ad abbassare la temperatura di fusione.

La fibra di vetro viene comunemente aggiunta a ABS, nylon, acetale, policarbonato, polimero a cristalli liquidi (LCP), PBT, PET, PPS, PEEK e PEI. Sebbene le percentuali di riempimento varino, in genere sono comprese tra il 10 e il 60%. Esistono due tipi di rinforzo in vetro, a fibra corta e a fibra lunga, ciascuno con vantaggi e svantaggi.

Difetto superficiale da affioramento del vetro

L'«affioramento del vetro» è un grave difetto superficiale che interessa comunemente i prodotti stampati a iniezione riempiti di fibra di vetro. L'esposizione delle fibre di vetro genera una superficie ricca di fibra di vetro. Il vetro in eccesso si forma in superficie durante il riempimento del fuso di plastica e lo stampaggio. Dopo la condensazione e lo stampaggio compaiono segni bianchi sulla superficie (vedere Foto 1).

Le superfici dei pezzi stampati devono essere «ricche di resina» per produrre una marcatura di alta qualità, in cui l'energia del laser interagisca con la matrice polimerica. Al contrario, le superfici ricche di fibra di vetro si marcano male, e il problema peggiora con contenuti di fibre più elevati. La fibra di vetro stessa non è un buon assorbitore della luce laser nel vicino infrarosso (NIR).

L'importanza di corretti processi di stampaggio a iniezione non sarà mai sottolineata abbastanza. La Tabella 1 elenca, oltre all'affioramento del vetro, i difetti superficiali che possono compromettere la qualità delle marcature laser.

Meccanismi di marcatura laser dei polimeri

Per i laser NIR a scansione del fascio, con lunghezza d'onda di 1060-1070 nm, il meccanismo di marcatura laser consiste nell'irradiare il polimero con una sorgente di radiazione localizzata ad alta energia (il laser). Le sorgenti laser comprendono fibra all'itterbio, vanadato e YAG. L'energia radiante viene quindi assorbita dal materiale e convertita in energia termica, provocando reazioni nel materiale. I meccanismi superficiali di variazione del colore comprendono: 1) marcatura nera per carbonizzazione, 2) marcatura bianca per formazione di schiuma e 3) variazioni di colore mediante reazioni chimiche termiche indotte dal laser nei polimeri pigmentati. La qualità della marcatura dipende dall'energia assorbita e dal particolare percorso di degradazione termica del materiale. Ogni grado di polimero, anche all'interno della stessa famiglia polimerica, può produrre risultati diversi.

Per una marcatura di alta qualità, la distribuzione/dispersione omogenea di coloranti e additivi è fondamentale quanto le superfici ricche di resina. Per stabilire se sono presenti problemi di distribuzione/dispersione, si raccomanda di impostare il laser in modo che marchi/scansioni in continuo l'intera superficie del pezzo. Vedere Foto 2.

Il risultato mostra (da sinistra a destra) una penna stampata con un'eccellente marcatura cromatica oro su nero (a sinistra), le due immagini centrali con una scarsa distribuzione del colore e quella all'estrema destra con un'eccellente distribuzione uniforme.

Poiché la maggior parte dei polimeri non possiede proprietà di assorbimento NIR senza additivi chimici, gli esperti utilizzano additivi, cariche, pigmenti e coloranti per migliorare l'assorbimento dell'energia laser. Si impiegano chimiche di formulazione e parametri di ottica/impostazione del laser molto diversi a seconda del contrasto di marcatura e della funzionalità desiderati. Gli additivi per laser ottimizzano il grado di contrasto e aumentano in modo significativo la velocità di marcatura. Sia il granulato sia la polvere possono essere miscelati in materiale colorato precompound o in concentrato di colore. I materiali precompound già colorati producono una marcatura più uniforme rispetto al concentrato di colore. La scelta dell'additivo da incorporare dipende dalla composizione del polimero, dal colore del substrato, dal colore di contrasto della marcatura desiderato e dai requisiti di certificazione per l'uso finale.

I sistemi di marcatura laser sono molto precisi e ripetibili. Una volta impostato il processo, il laser applica e ripete con precisione la stessa identica energia in uscita. Pertanto, qualsiasi difetto superficiale causa incoerenze nella marcatura.

Un'applicazione impegnativa consiste nell'ottenere un robusto contrasto bianco su poliammide (nylon) blu e nero caricato al 30% con vetro. Vedere Foto 3.

La frequenza di ripetizione degli impulsi laser e la densità di potenza di picco sono parametri critici per formare la marcatura e ottenere contrasto e velocità ottimali. Le curve aritmetiche di potenza rispetto alla frequenza di ripetizione degli impulsi sono inversamente proporzionali.

Un'elevata potenza di picco a bassa frequenza aumenta rapidamente la temperatura superficiale, vaporizzando il materiale e conducendo un calore minimo nel substrato. All'aumentare della frequenza di ripetizione, una potenza di picco inferiore produce una vaporizzazione minima, ma conduce più calore. Tra i fattori che influiscono su contrasto e qualità della marcatura figurano la durata dell'impulso, la distanza focale, la velocità del fascio e la distanza tra le linee vettoriali.

Conclusioni

In conclusione, la marcatura laser delle materie plastiche è un processo eccellente. La qualità della marcatura dipende dalla matrice polimerica, dagli additivi e dai coloranti, dal processo di stampaggio a iniezione e dalla sorgente laser. I problemi della superficie del polimero stampato che ne compromettono la leggibilità possono incidere su sicurezza, prestazioni e funzionalità del prodotto. L'affioramento del vetro è uno dei difetti superficiali di stampaggio che influiscono negativamente sulla qualità della marcatura. Superfici del pezzo ricche di resina e una dispersione/distribuzione uniforme sono fondamentali per ottenere una marcatura laser robusta.

Scott R. Sabreen è il 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, rivestimenti industriali, decorazione e finitura e sicurezza del prodotto. Sviluppa tecnologie innovative e risolve problemi di produzione da oltre 30 anni. Può essere contattato al numero 972.820.6777 o visitando www.sabreen.com.

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