Laserbeschriftung von PPS mit Faserlasern

Laserbeschriftung von PPS (Polyphenylensulfid) mit Faserlasern

Kurzfassung

Das Beschriften und Gravieren von PPS (Polyphenylensulfid) ist sehr schwierig, weil der Werkstoff hohen Temperaturen standhält, wenn er mit einem Laser erwärmt wird. Jüngste Fortschritte bei der Farbmitteltechnologie, bei laserspezifischen Rußen (Carbon Blacks) und bei Faserlasern ermöglichen kontrastreiche, hellfarbige und kratzfeste Beschriftungen auf schwarzem, glasgefülltem PPS – zertifiziert nach Yellow Card. Dieser bedeutende Fortschritt ermöglicht das Beschriften und Mikrobeschriften von Data-Matrix-Codes, Barcodes, QR-Codes und eindeutigen Bauteilkennzeichnungen in zahlreichen Branchen, darunter Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt/NASA-MIL-Elektronik, Pumpen und Ventile, Hausgeräte und weitere. Aufbau und Optik von Ytterbium-Faserlasern erfordern Präzision, um robuste, kratzfeste Beschriftungen zu erzielen.

Das Wichtigste in Kürze

• PPS widersteht der Beschriftung, weil es der Wärme widersteht. Die hohe Temperaturstabilität erschwert es, die Oberflächenreaktionen auszulösen, die den Kontrast erzeugen.
• MOPA-Ytterbium-Faserlaser sind die richtige Wahl – mit Pulsdauern von 20–40 ns und einer Pulsfrequenz über 100 kHz.
• Die Kontrolle der Oberflächentemperatur entscheidet über die Kratzfestigkeit. Stimmen Anstiegs- und Abfallzeiten nicht, lässt sich die Beschriftung abreiben.
• Harzreiche Oberflächen sind zwingend erforderlich. Glasaustritt an 30–40 % glasgefülltem PPS führt zu minderwertigen Beschriftungen.
• Bei 275–300 °F oder darüber spritzgießen, um vollständige Kristallinität zu erreichen – sonst verändert das Bauteil im Einsatz seine Maße.

Optimale Laserbeschriftung. Um kratzfeste, kontrastreiche und hellfarbige Beschriftungen auf schwarzem, glasgefülltem PPS zu erzeugen, sind MOPA-Ytterbium-Faserlaser die beste Wahl, da sich mit ihnen Pulsbreite und fokussierte Leistungsdichte präzise steuern lassen. Diese Präzision erlaubt eine bessere Kontrolle des chemischen Aufschäumprozesses an der Oberfläche bei einer Wellenlänge im nahen Infrarot von 1060–1070 nm. Die optimale Pulsdauer liegt zwischen 20 und 40 Nanosekunden bei einer Pulsfrequenz über 100 Kilohertz. Ein präziser Laseraufbau ist notwendig, um die Oberflächentemperatur (Anstiegs- und Abfallzeiten) zu kontrollieren; andernfalls lässt sich die Beschriftung leicht abkratzen.

Eine hochwertige Laserbeschriftung glasgefüllter Polymere, einschließlich PPS, erfordert ein robustes Spritzgießverfahren sowie eine gute Dispergierung und Verteilung laseroptimierter Farbmittel und vorcompoundierter Materialien. Der Zusatz von Glasfasern kann sich nachteilig auf den Spritzgießprozess auswirken, was wiederum die Qualität der Laserbeschriftung beeinträchtigt. Für eine robuste Beschriftung sind harzreiche Bauteiloberflächen erforderlich. Glasfaserreiche Oberflächen führen zu schlechteren Beschriftungsergebnissen.

Polyphenylensulfid (PPS)

Polyphenylensulfid (PPS) ist ein hochtemperaturbeständiger, teilkristalliner technischer Thermoplast. In der Branche gilt PPS als DER Kunststoff, der sich wie Metall verhält. Die Eigenschaften von PPS hängen – ähnlich wie bei anderen Hochtemperatur-Hochleistungskunststoffen wie PEEK und LCP – von seinem Kristallisationsverhalten ab. Es werden zwei unterschiedliche PPS-Typen angeboten: mit „verzweigter“ und mit „linearer“ Molekülstruktur. Zu den bekanntesten Marken zählen Celanese Fortron®, Solvay Ryton®, SABIC Supec, Toray Torelina und DIC PPS. Die verzweigte Variante ist tendenziell steifer. Die lineare bietet in der Regel bessere mechanische Eigenschaften und eine höhere Biegefestigkeit sowie eine höhere Schmelzestabilität. Lineares PPS enthält zudem weniger ionische Verunreinigungen. Glasfaserfüllungen (30 Prozent und 40 Prozent) sowie Glasfaser-Mineral-Mischungen im Standard-PPS ermöglichen spezialisierte und anspruchsvolle Anwendungen. Elektronikhersteller wählen für Isolations- und Steckverbinderprodukte üblicherweise 40 Prozent glasgefülltes PPS.

Um einen vollständig kristallinen Zustand zu erreichen, sind Werkzeugtemperaturen von mindestens 275 bis 300 Grad Fahrenheit erforderlich. Wird PPS unterhalb von 275 Grad Fahrenheit verarbeitet, sind die Formteile amorph oder teilkristallin und bleiben in diesem Zustand, bis sie höheren Einsatztemperaturen ausgesetzt werden. Übersteigt die Einsatztemperatur die Verarbeitungstemperatur, kristallisieren die Teile stärker aus, was zu Maß- und Eigenschaftsänderungen führt.

Zur Herstellung von Glasfasern werden Quarzsand (Siliciumdioxid), Kalkstein und Soda verwendet. Siliciumdioxid ist der Hauptbestandteil für die Glasbildung, während Soda und Kalkstein die Schmelztemperatur senken. „Glasaustritt“ (glass emergence) ist ein gravierender Oberflächenfehler, der häufig an glasfaserverstärkten Spritzgussteilen auftritt. Durch das Freiliegen der Glasfasern entsteht eine glasfaserreiche Oberfläche. Überschüssiges Glas sammelt sich während des Füllens der Kunststoffschmelze und des Formgebungsvorgangs an der Oberfläche. Nach dem Kondensieren und Formen zeigen sich weiße Flecken auf der Oberfläche. Die Oberflächen der Formteile müssen „harzreich“ sein, damit eine hochwertige Beschriftung entsteht, bei der die Energie des Lasers mit der Polymermatrix wechselwirkt. Umgekehrt lassen sich glasfaserreiche Oberflächen schlecht beschriften, und das Problem verschärft sich mit steigendem Fasergehalt. Glasfaser selbst absorbiert Laserlicht im nahen Infrarot (NIR) nur schlecht.

Industrielle Faserlaser

Ytterbium-Faserlaser im Nanosekundenbereich (MOPA und mit fester Pulsdauer) eignen sich aufgrund ihrer hervorragenden Strahlqualität (M²) und ihrer hohen Brillanz („Strahldichte“) 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 Pulsbreite fein einzustellen. Bestrahlungsstärke (W/cm2) und Fluenz (J/cm2) sind wichtige Parameter bei der Kunststoffbeschriftung. Die Bestrahlungsstärke ist im Wesentlichen die Intensität des Laserstrahls und damit eine Funktion des fokussierten Spotdurchmessers. Die Fluenz bestimmt die Energiemenge, die auf die Materialoberfläche übertragen wird. Ist die Fluenz zu niedrig, wird das Material unter Umständen gar nicht verändert. Ist sie zu hoch, kann das Material über den gewünschten Beschriftungseffekt hinaus übermäßig geschädigt werden.

Pulswiederholfrequenz und Spitzenleistungsdichte des Lasers sind entscheidend für die Ausbildung der Beschriftung sowie für optimalen Kontrast und optimale Geschwindigkeit. Die Kurven von Leistung und Pulswiederholfrequenz verhalten sich umgekehrt proportional zueinander. Eine hohe Spitzenleistung bei niedriger Frequenz erhöht die Oberflächentemperatur rasch und verdampft das Material, während nur wenig Wärme in das Substrat geleitet wird. Mit steigender Pulswiederholfrequenz erzeugt die geringere Spitzenleistung nur minimale Verdampfung, leitet aber mehr Wärme ein.

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Häufig gestellte Fragen

Warum lässt sich PPS so schwer mit dem Laser beschriften?

PPS ist ein hochtemperaturbeständiger, teilkristalliner Thermoplast, der der vom Laser eingebrachten Wärme standhält. Dadurch lassen sich die Karbonisierungs- und Aufschäumreaktionen, die bei gewöhnlichen Kunststoffen den Kontrast erzeugen, deutlich schwerer auslösen. Die bei PPS-Bauteilen übliche Glasfaserfüllung verschärft das Problem zusätzlich.

Welche Lasereinstellungen erzeugen kratzfeste Beschriftungen auf schwarzem, glasgefülltem PPS?

Ein MOPA-Ytterbium-Faserlaser mit einer Pulsdauer zwischen 20 und 40 Nanosekunden und einer Pulsfrequenz über 100 kHz. Der präzise Aufbau steuert die Anstiegs- und Abfallzeiten der Oberflächentemperatur; ohne diese Kontrolle lässt sich die Beschriftung leicht abkratzen.

Beeinflusst der Glasgehalt die Beschriftungsqualität von PPS?

Erheblich. Glasfaser absorbiert nahes Infrarot nicht, daher lassen sich glasreiche Oberflächen schlecht beschriften, und das Problem verstärkt sich mit steigendem Fasergehalt. Für Steckverbinder in der Elektronik wird üblicherweise 40 % glasgefülltes PPS eingesetzt, wodurch die Ausbildung einer harzreichen Oberfläche zu einer Priorität beim Spritzgießen wird.

Welche Werkzeugtemperatur erfordert PPS?

Mindestens 275 bis 300 °F, um einen vollständig kristallinen Zustand zu erreichen. Unterhalb dieser Temperatur verarbeitet, bleiben die Teile amorph oder teilkristallin und kristallisieren später aus, wenn die Einsatztemperatur die Verarbeitungstemperatur übersteigt – mit Maß- und Eigenschaftsänderungen als Folge.

Was ist der Unterschied zwischen linearem und verzweigtem PPS?

Verzweigtes PPS ist tendenziell steifer. Lineares PPS bietet in der Regel bessere mechanische Eigenschaften und eine höhere Biegefestigkeit, eine höhere Schmelzestabilität und weniger ionische Verunreinigungen.

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. https://sabreen.com/solutions/plastics-laser-marking/

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