Laserbeschriftung von Nylon (Polyamid) mit Faserlasern

Laserbeschriftung und Lasergravur von Nylon (Polyamid) mit Faserlasern

Kurzfassung

Anwender von Faserlasern haben Schwierigkeiten, Nylon zu beschriften oder zu gravieren. Entscheidend für einen hochwertigen Beschriftungskontrast ist es, laserverstärkende Additive bereits während der Formgebung in das Nylonmaterial einzubringen — sei es über Farbkonzentrat oder über vorcompoundierte Materialien. Die Vorteile der Laserbeschriftung von Nylon haben zahlreiche Branchen verändert, darunter die Waffenindustrie, weil sie eindeutige Bauteilkennzeichnung, Data-Matrix- und QR-Codes sowie Individualisierung ermöglichen.

Das Wichtigste in Kürze

• Unmodifiziertes Nylon lässt sich nur schlecht beschriften. Polyamid absorbiert bei 1060–1070 nm wenig Energie, der Kontrast hängt daher von Laseradditiven ab.
• Die besten Kontrastpaarungen sind deckendes Weiß auf Schwarz, Tiefschwarz auf Weiß und deckendes Weiß auf Mittelblau.
• MOPA-Ytterbium-Faserlaser sind das richtige Werkzeug; Pulsdauern unter etwa 90 ns eignen sich für Kunststoffe.
• Die Dosierung liegt bei 0,01–3,0 Gew.-%; erst eine gleichmäßige Dispersion im gesamten Bauteil macht den Kontrast reproduzierbar.
• Glasfasergefülltes Nylon ist noch anspruchsvoller — faserreiche Oberflächen lassen sich schlecht beschriften, harzreiche Oberflächen sind daher unerlässlich.

Nylon-Kunststoffe werden in einem breiten Anwendungsspektrum eingesetzt, unter anderem in der Waffenindustrie, der Automobilindustrie, der Elektrotechnik und Elektronik, im Industriebereich, bei Verbrauchsgütern sowie in der Öl- und Gasindustrie. Die unterschiedlichen physikalischen, chemischen und Oberflächeneigenschaften von Nylon (Polyamid) — insbesondere bei glasfasergefüllten Typen — machen Laserbeschriftung und Lasergravur jedoch anspruchsvoll. Die gängigsten Kontrastfarben sind deckendes Weiß auf Schwarz, Tiefschwarz auf Weiß und deckendes Weiß auf Mittelblau. In Kombination mit den passenden Pigmenten und Farbstoffen liefern Laseradditive eine hervorragende Beschriftungsqualität bei geringen Kosten. Laseradditive werden in einer Vielzahl von Kunststoffen eingesetzt, darunter ABS, Acetal (POM), PET, PVC, Polycarbonat, Polypropylen und Polyethylen.

Nylon-Polyamide

Polyamide, auch als Nylon bezeichnet, sind eine bedeutende Klasse von Thermoplasten für Hochleistungsanwendungen. Sie bestehen aus Amidbindungen, konkret –CO-NH–. Nylon wird durch Polykondensation synthetisiert, bei der ein Diamin mit einer Dicarbonsäure reagiert, oder durch ringöffnende Polymerisation von Lactamen mit sechs, elf oder zwölf Kohlenstoffatomen. Nylon-Monomere können aliphatisch, teilaromatisch oder aromatisch (Aramide) sein; ihre Struktur reicht von amorph bis teilkristallin mit höherer oder geringerer Kristallinität. Zwei bedeutende Polyamide sind Poly(hexamethylenadipamid) (Nylon 6,6) und Polycaprolactam (Nylon 6). Zu den aliphatischen Polyamiden zählen Nylon 12, 69, 6-10, 6-12, 46 und 1212. Der biobasierte technische Kunststoff Nylon 11 wird aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen, konkret aus der Rizinuspflanze.

Oberflächenmechanismen der Laserbeschriftung

Laserbeschriftbare Kunststoffe zeichnen sich dadurch aus, dass sie Laserlicht im nahen Infrarot (NIR) bei Wellenlängen zwischen 1060 nm und 1070 nm absorbieren und anschließend in Wärmeenergie umwandeln. Drei verbreitete Lasertypen sind Ytterbium-Faserlaser (MOPA und Fixed Pulse), Vanadat-Laser (Nd:YVO4) und Nd:YAG-Laser. Je nach Lasertyp und gewünschtem Beschriftungskontrast lassen sich unterschiedliche Chemien einsetzen, um Oberflächenreaktionen wie Karbonisierung (Verkohlung), chemisch bedingtes Aufschäumen und Farbumschlag zu erzeugen. Ein und derselbe Laser kann alle Oberflächenreaktionen ausführen, wenn die Einstellungen in der Beschriftungssoftware (Leistung, Pulsfolgefrequenz und Beschriftungsgeschwindigkeit) angepasst werden. Dauerstrich-CO₂-Laser (CW) arbeiten bei einer Wellenlänge von 10,6 Mikrometern (fernes Infrarot). CW-CO₂-Laser haben eine geringere Spitzenleistung und können auf Kunststoffen keine kontrastreichen Beschriftungen erzeugen.

Laseradditive

Da die meisten Polymere in diesem Wellenlängenbereich (NIR) nur begrenzt absorbieren und keinen erkennbaren Kontrast erzeugen, setzen Fachleute verschiedene Additive, Füllstoffe, Pigmente und Farbstoffe ein, um die Absorption zu erhöhen und eine hohe Kontrastqualität zu erreichen. Additive steigern den Farbkontrast (die Absorption des Laserlichts), der durch die optimale Laserauswahl und passende Beschriftungsparameter weiter verbessert wird. Entgegen einer verbreiteten Annahme gibt es kein einzelnes Universaladditiv.

Manche Additive enthalten Mischungen aus antimondotiertem Zinnoxid und Antimontrioxid, die das natürliche (ungefärbte) Substrat in seiner Opazität „gräulich“ erscheinen lassen können. Andere Additive können Aluminiumpartikel, Mischmetalloxide oder proprietäre Verbindungen enthalten. Farbliche Anpassungen erfolgen über Pigmente und Farbstoffe, um die gewünschte Farbabstimmung zu erzielen. Bestimmte Additive sind von der FDA für den Lebensmittelkontakt und für Lebensmittelverpackungen unter den Bedingungen A-H von 21 CFR 178.3297 „Colorants for Polymers“ zugelassen.

Laseradditiv-Compounds sind als Granulat und als Pulver erhältlich. Granulatprodukte werden direkt mit dem Polymerharz gemischt, Pulverformen werden zu Masterbatch verarbeitet. Die Dosierkonzentration bezogen auf das Gewicht (im Fertigteil) liegt üblicherweise zwischen 0,01 und 3,0 %. Für den besten Farbkontrast müssen Laseradditive gleichmäßig im gesamten Bauteil verteilt bzw. dispergiert sein.

Faserlaser

Ytterbium-Faserlaser im Nanosekundenbereich (MOPA und Fixed Pulse) eignen sich aufgrund ihrer hervorragenden Strahlqualität (M²) und hohen Strahldichte („Radianz“) ideal zum Beschriften, Gravieren und Ätzen von Kunststoffen. Sie lassen sich auf einen kleinen Fokusdurchmesser (unter 20 Mikrometer) fokussieren, woraus eine hohe Energiedichte resultiert. Ein wesentlicher Vorteil von MOPA-Lasern (Master Oscillator Power Amplifier) ist die Möglichkeit, die Pulsdauer fein einzustellen. Geringe Pulsdauern, typischerweise unter 90 Nanosekunden, sind ideal für die Beschriftung von Kunststoffen.

Bestrahlungsstärke (W/cm²) und Fluenz (J/cm²) sind wichtige Parameter bei der Kunststoffbeschriftung. Die Intensität wird von Pulsfrequenz, Laserleistung, Fokusdurchmesser und Pulsdauer beeinflusst. Die Fluenz hängt von Strahlintensität, Scangeschwindigkeit, Pulsüberlappung und Fokusdurchmesser ab. Pulsfolgefrequenz und Spitzenleistungsdichte sind entscheidend für die Ausbildung der Markierung sowie für optimalen Kontrast und optimale Geschwindigkeit. Eine hohe Spitzenleistung bei niedriger Frequenz erhöht die Oberflächentemperatur rasch und verdampft das Material, während nur minimal Wärme in das Substrat geleitet wird. Mit steigender Pulsfolgefrequenz erzeugt die dann geringere Spitzenleistung nur minimale Verdampfung, leitet aber mehr Wärme ein. Die arithmetischen Kurven von Leistung und Pulsfolgefrequenz verhalten sich umgekehrt proportional zueinander.

Häufig gestellte Fragen

Warum beschriftet mein Faserlaser Nylon nicht sauber?

Polyamid absorbiert im nahinfraroten Bereich, in dem Ytterbium-Faserlaser arbeiten, nur begrenzt. Der Großteil der Energie wird daher nicht in die thermische Reaktion umgesetzt, die die Markierung bildet. Abhilfe schafft ein laserverstärkendes Additiv, das in das Material eincompoundiert wird — nicht mehr Laserleistung.

Welche Additive werden für die Laserbeschriftung von Nylon eingesetzt?

Verbreitet sind Mischungen aus antimondotiertem Zinnoxid und Antimontrioxid, die ungefärbten Substraten allerdings einen gräulichen Farbstich geben können. Andere setzen Aluminiumpartikel, Mischmetalloxide oder proprietäre Verbindungen ein; Pigmente und Farbstoffe werden ergänzt, um die endgültige Farbabstimmung zu erreichen.

Darf laserbeschriftetes Nylon für Bauteile mit Lebensmittelkontakt verwendet werden?

Ja, mit dem richtigen Additiv. Bestimmte Additive sind von der FDA für den Lebensmittelkontakt und für Lebensmittelverpackungen unter den Bedingungen A–H von 21 CFR 178.3297 „Colorants for Polymers“ zugelassen. Prüfen Sie, ob die Zulassung Ihren Materialtyp und Ihre Dosierung abdeckt.

Welche Pulsdauer sollte ich bei Nylon verwenden?

Kurze Pulse. An einem MOPA-Laser eignen sich Pulsdauern unter etwa 90 Nanosekunden für Kunststoffe: Sie liefern eine hohe Spitzenleistung, die die Oberflächentemperatur schnell anhebt und dabei nur minimal Wärme in das Substrat einträgt.

Warum lässt sich glasfasergefülltes Nylon schwerer beschriften als ungefülltes?

Glasfasern absorbieren im nahen Infrarot nicht und streuen den Strahl; faserreiche Oberflächen lassen sich daher nur schwach und ungleichmäßig beschriften. Der Spritzgussprozess muss so eingestellt werden, dass harzreiche Oberflächen entstehen. Siehe Glasfaseraustritt und Laserbeschriftung.

Scott R. Sabreen ist Gründer und Präsident von The Sabreen Group, Inc., einem Ingenieurunternehmen, das auf sekundäre Kunststoffverarbeitung spezialisiert ist — Oberflächenvorbehandlung, Kleben, Dekoration und Veredelung, Laserbeschriftung und Produktsicherheit. Seit über 30 Jahren entwickelt er neue Technologien und löst Fertigungsprobleme. Sie erreichen Scott Sabreen unter 972.820.6777 oder über www.sabreen.com bzw. www.adhesionbonding.com.

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