Como marcar plástico com laser? Marcação a laser de plásticos com aditivos para laser

Como marcar plástico com laser? Marcação a laser de plásticos com aditivos para laser

Principais conclusões

• As poliamidas estão entre os polímeros mais difíceis de marcar, devido à diversidade de propriedades dos materiais, das condições de moldagem e das configurações de laser.
• Três mecanismos de superfície produzem contraste: preto por carbonização, branco por geração de espuma e mudança de cor em polímeros pigmentados.
• Os contrastes mais demandados são branco opaco sobre preto, preto intenso sobre branco e branco opaco sobre azul médio.
• De 20 ns a 50 ns é a faixa ideal de largura de pulso MOPA para muitos polímeros, incluindo náilons.
• A verificação Grade A costuma ser exigida em produtos militares, aeroespaciais, automotivos e farmacêuticos.

A SABREEN oferece as seguintes soluções de marcação a laser de plásticos:

• Formulações personalizadas de colormatch para laser, conformidade regulatória, amostras de protótipos
• Otimização do processo de moldagem por injeção, dispersão/distribuição, ensaios analíticos
• Projeto e integração de sistemas de equipamentos a laser, visão de máquina
• Solução de problemas no local, otimização do processo a laser, arte vetorizada/gráficos
• Certificação de segurança a laser, oficial de segurança a laser (LSO)

Deixe que nossa equipe de especialistas cuide das suas necessidades de marcação a laser de plásticos no seu próximo projeto. Conquistamos a confiança de cada cliente, em todas as circunstâncias. Nossa cultura busca soluções de fabricação superiores e o avanço da tecnologia, com um compromisso inabalável com a excelência. Cada especialista do grupo SABREEN é reconhecido em sua área. FALHAR NÃO É UMA OPÇÃO!

Perguntas frequentes

Como marcar plástico com laser?

Um laser de infravermelho próximo (laser de fibra de itérbio, vanadato ou Nd:YAG) fornece energia que o polímero absorve e converte em calor, produzindo uma de três alterações de superfície: marcação preta por carbonização, marcação branca por geração de espuma ou mudança de cor por reação química térmica de polímeros pigmentados. A maioria dos polímeros precisa de um aditivo para laser para absorver a energia.

Por que o náilon é tão difícil de marcar a laser?

As poliamidas, incluindo as poliftalamidas, têm propriedades de material, condições de moldagem e configurações de laser diversas e, como a maioria dos polímeros, não absorvem luz laser por natureza, o que impede a mudança de cor. Os aditivos químicos para laser melhoram significativamente o contraste, a velocidade e a durabilidade.

Qual largura de pulso funciona melhor no náilon?

Os lasers MOPA geram larguras de pulso de 1 ns a 250 ns ou mais. A The Sabreen Group constatou que 20 ns a 50 ns é a faixa ideal para o melhor contraste de cor em muitas aplicações com polímeros, incluindo náilons. Lasers MOPA de pulso curto variável são especialmente eficazes em polímeros sensíveis à temperatura, nos quais é preciso evitar carbonização excessiva.

Qual é a dosagem típica de aditivo?

Entre 0,01% e 3,0% em peso na peça final. O granulado é misturado diretamente à resina; o pó é convertido em masterbatch. É a distribuição e a dispersão homogêneas em cada peça que determinam se o contraste será consistente.

Por que a qualidade da marcação importa para códigos data matrix?

Porque, quanto mais longa a sequência de dados, mais condensadas ficam as células de dados. A qualidade de borda de linha em alta resolução é o que torna legíveis as células pequenas na marcação direta de peças. A verificação Grade A costuma ser exigida em aplicações militares, aeroespaciais, automotivas e farmacêuticas, e códigos de alto contraste também são marcados mais rápido e podem ser lidos com leitores portáteis de baixo custo.

Marcação a laser de plásticos: soluções completas para marcação de alto contraste

A demanda por marcação a laser de alto contraste em produtos plásticos de náilon (poliamida) cresce rapidamente devido à ampla gama de aplicações industriais. As marcações funcionais e decorativas incluem identificação alfanumérica, códigos de visão data matrix/QR, diagramas e microestruturas.

As poliamidas, incluindo as poliftalamidas (PPA), estão entre os polímeros mais desafiadores para marcação a laser, devido à diversidade de propriedades dos materiais, das condições de moldagem e das configurações de laser. Aditivos inteligentes para lasers de infravermelho próximo resolvem os problemas de contraste da marcação e aumentam a velocidade (ciclo mais rápido) sem afetar as propriedades do material.

Este artigo explica os náilons, os aditivos químicos e os lasers de fibra para obter cor de alto contraste e operações de marcação a laser econômicas.

Um parâmetro básico para descrever a qualidade da marcação é o contraste de cor entre a superfície marcada e o substrato. Há três mecanismos de superfície para a mudança de cor com lasers NIR, incluindo fibra de itérbio, vanadato (Nd:YVO4) e Nd:YAG: 1) marcação preta por carbonização, 2) marcação branca por geração de espuma e 3) mudanças de cor por reações químicas térmicas induzidas por laser em polímeros pigmentados1. Entre as cores de contraste mais demandadas estão branco opaco sobre preto, preto intenso sobre branco e branco opaco sobre azul médio. Essas combinações de cores costumam exigir aditivos químicos. Os aditivos melhoram o grau de contraste de cor (absorção da luz laser), que é ainda mais intensificado pela seleção ideal do laser e dos parâmetros de marcação.

O que é náilon (poliamida)?

As poliamidas, ou náilon, são a principal classe de termoplásticos de engenharia e de alto desempenho que contêm ligações amida repetidas, ou seja, –CO-NH–. São formadas pela condensação de unidades idênticas; os copolímeros, de unidades diferentes.

O náilon é produzido por policondensação de um diácido com uma diamina ou por polimerização com abertura de anel de lactamas com seis, 11 ou 12 átomos de carbono2. Os monômeros do náilon podem ser alifáticos, semiaromáticos ou aromáticos (aramidas) e variar em estrutura, de amorfa a semicristalina, com maior ou menor cristalinidade.

As poliamidas alifáticas são produzidas em escala muito maior que as poliamidas totalmente aromáticas e são uma das classes mais importantes de termoplásticos de engenharia.

Duas poliamidas importantes são a poli(hexametileno adipamida) (náilon 6,6) e a policaprolactama (náilon 6). Outras poliamidas alifáticas incluem os náilons 12, 69, 6-10, 6-12, 46 e 1212. O náilon 11 é um plástico de engenharia de base biológica, derivado de recursos renováveis (mamona).

As poliamidas semiaromáticas e semicristalinas, obtidas pela condensação de amidas alifáticas, incluem PA 6T e PA 6I. As poliamidas semiaromáticas costumam ser uma alternativa econômica às aramidas totalmente aromáticas, mais caras. As poliamidas aromáticas, chamadas aramidas, têm maior resistência, melhor resistência a solventes, chamas e calor e maior estabilidade dimensional que as amidas alifáticas. Uma amida aromática amplamente conhecida é o Kevlar, poli(p-fenileno tereftalamida).

As poliamidas, incluindo as poliftalamidas (PPA), estão entre os polímeros mais desafiadores para marcação a laser, devido à diversidade de propriedades dos materiais, das condições de moldagem e das configurações de laser.

A poliftalamida (PPA) é um subconjunto de resinas sintéticas termoplásticas da família das poliamidas (náilon), definida quando 55% ou mais dos mols da porção de ácido carboxílico da unidade repetitiva da cadeia polimérica são compostos por ácido aromático. A PPA é semiaromática e semicristalina. As PPAs preenchem a lacuna de desempenho entre os náilons alifáticos, como PA6,6 e PA6, e as poliaramidas, muito mais caras.

Aditivos “inteligentes”

Um parâmetro para descrever a qualidade da marcação é o contraste de cor entre a superfície marcada e o fundo. O contraste nem sempre é obtido pela mudança de cor em si, pois também pode resultar da difração variável da luz.

Igualmente importantes são a qualidade e/ou a fidelidade da marcação, ou seja, a resolução de linhas finas ou a nitidez. Muitos polímeros, incluindo os náilons, não absorvem luz laser por natureza, o que impede a mudança de cor. Os aditivos químicos para laser melhoram significativamente o contraste, a velocidade e a durabilidade da marcação (veja a Imagem 1). A cor do substrato é um fator, pois compostos como negro de fumo, TiO2 e retardantes de chama têm graus variados de absorção da luz laser.

Os aditivos para laser são fornecidos em granulado (pellets) e em pó. Os produtos granulados são misturados diretamente à resina polimérica, enquanto os pós são convertidos em masterbatch. A concentração de dosagem em peso (na peça final) normalmente fica entre 0,01 e 3,0%. A distribuição/dispersão homogênea dos aditivos para laser em cada peça é essencial para obter o contraste de cor ideal.

Os ajustes de cor são feitos com pigmentos e corantes para chegar ao aspecto final do colormatch. Aditivos específicos receberam aprovação da FDA para contato com alimentos e uso em embalagens de alimentos nas condições A-H da 21 CFR 178.3297 Colorants for Polymers 1.

Lasers de fibra de itérbio

Os lasers de fibra de itérbio NIR entraram no mercado de marcação industrial por volta de 2010, substituindo os lasers YAG tradicionais. Os lasers de fibra têm qualidade de feixe (M2) superior e alto brilho, e podem focalizar em um ponto muito pequeno (menos de 20 mícrons), o que resulta em alta densidade de energia. São extremamente versáteis, econômicos e plug-and-play, com manutenção praticamente nula.

Lasers de fibra de nanossegundos de pulso fixo (Q-switched) e de pulso variável (MOPA) são vendidos por várias empresas de laser, incluindo IPG Photonics e SPI Lasers. Os lasers de fibra Q-switched, normalmente com largura de pulso de 100 a 150 ns, são empregados em algumas aplicações de marcação de polímeros, mas sua taxa de repetição é limitada a cerca de 80 kHz pela restrição inerente à tecnologia Q-switching.

Os lasers de fibra MOPA de modulação direta (DM-MOPA) operam com taxas de repetição de até 500 kHz em larguras de pulso de nanossegundos. A largura de pulso [ns] é uma medida do tempo entre o início e o fim do pulso, normalmente com base na largura total à meia altura (FWHM) do formato do pulso.

Taxas de repetição altas geralmente resultam em maior velocidade de marcação (em conjunto com outros parâmetros do laser e da forma de onda). Há diferenças significativas nas formas de onda e no grau de carbonização da superfície3 (veja a Imagem 1).

O controle espacial e temporal localizado do aporte de calor do laser e de sua taxa permite o desempenho máximo. Em polímeros sensíveis à temperatura, os lasers de fibra de pulso curto variável (MOPA) são especialmente eficazes para obter alto contraste sem carbonização excessiva.

É possível marcar abaixo da superfície em plásticos transparentes para aplicações médicas. Em geral, os lasers MOPA geram larguras de pulso (duração do pulso) de 1 ns a 250 ns (e mais). A The Sabreen Group constatou que 20 ns a 50 ns é uma faixa ideal para o melhor contraste de cor em muitas aplicações com polímeros, incluindo náilons.

No contraste de marcação cosmética e funcional, os aditivos para laser fazem diferença decisiva quando são exigidos alta resolução, qualidade de borda de linha e pequenas células de dados para data matrix e código de barras na marcação direta de peças (DPM). Quanto mais longa a sequência de dados, mais condensadas ficam as células de dados.

A verificação Grade “A” costuma ser exigida em produtos militares, aeroespaciais, automotivos e farmacêuticos. A legibilidade de códigos de alto contraste traz benefícios adicionais: velocidades de marcação maiores e leitores portáteis de baixo custo, que podem ser usados em toda a fábrica.

Conclusão

Referências

• Sabreen, S. Fiber Lasers: Selection and Additives, Plastics Decorating, November 2017.
• Polyamide (PA) Nylon Complete Guide, SpecialChem 2019.
• Brodsky, M. Wave Forms: A New Laser Tool, Optics & Photonics, March 2012.

Scott R. Sabreen é fundador e presidente da The Sabreen Group, Inc., empresa de engenharia especializada em processos de transformação secundária de plásticos: marcação a laser, pré-tratamento de superfície, colagem, decoração e acabamento, e segurança de produtos. Sabreen desenvolve tecnologias pioneiras e resolve problemas de fabricação há mais de 30 anos. Ele pode ser contatado pelo telefone 972.820.6777 ou pelos sites www.sabreen.com e www.plasticslasermarking.com.

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