Laseradditive für Kunststoffe: Beschriften & Schweißen

Laseradditive für Kunststoffe zum Laserbeschriften und Laserschweißen: Wie neue Technologien die Messlatte höher legen

Die Laserbeschriftung hat sich zu einer Schlüsseltechnologie für das Kennzeichnen und Codieren von Kunststoffteilen in der Draht- und Kabelindustrie, der Verpackung, der Medizintechnik und der Automobilindustrie entwickelt. Fortschritte in der Additivchemie und bei der Laserhardware verschieben nun die Grenzen von Geschwindigkeit, Kontrast und regulatorischer Konformität – und erschließen damit ein noch breiteres Anwendungsspektrum.

Warum Hersteller auf die Laserbeschriftung setzen

Die Vorteile der Laserbeschriftung gegenüber dem herkömmlichen Tintendruck sind erheblich. Das Verfahren arbeitet berührungslos, ist digital gesteuert und erlaubt das einfache Aufbringen fortlaufender Kennzeichnungen wie Seriennummern und Barcodes. Entscheidend ist vor allem: Die erzeugten Markierungen sind permanent. Ein Laserstrahl aktiviert ein im Polymer selbst eingebettetes Additiv und erzeugt dadurch Beschriftungen, die über lange Lebensdauern hinweg abriebfest und beständig gegen Umwelteinflüsse bleiben.

Da die Rückverfolgbarkeit zu einer zentralen Anforderung wird – insbesondere mit dem Vormarsch der Industrie-4.0-Konzepte der „Smart Factory“ –, entwickelt sich die Laserbeschriftung von der Nischenoption zur Standardanforderung. Das Laserschweißen folgt einer ähnlichen Entwicklung: Es bietet Herstellern größere geometrische Freiheit und eine präzise Kontrolle der Schweißnaht, die herkömmliche Verfahren nicht erreichen.

Experteneinschätzung: Scott Sabreen zu den Treibern bei Additiven

Scott Sabreen ist President von The Sabreen Group, einer Ingenieurberatung mit Spezialisierung auf die sekundäre Kunststoffverarbeitung.

Der Vorteil des Ytterbium-Faserlasers

Eine bedeutende technologische Entwicklung ist der Einsatz von Ytterbium-Faserlasern – erhältlich in Varianten mit Nanosekunden-, Pikosekunden- und Femtosekundenpulsen. In Kombination mit verbesserten Laseradditiven liefern diese Laserquellen eine überlegene Strahlqualität sowie höheren Kontrast und feinere Details bei der Beschriftung von Kunststoffen. Laut Sabreen resultiert dieser Leistungsgewinn sowohl aus der verfügbaren Pulsdauer als auch aus den Eigenschaften der mittleren Leistung.

Wirtschaftlich betrachtet bieten Laseradditive einen klaren Kostenvorteil gegenüber tintenbasierten Druckverfahren. Ein vollständig optimiertes Additivsystem kann die Beschriftungsgeschwindigkeit zudem um rund 15 % gegenüber einer nicht optimierten Formulierung steigern – ein spürbarer Gewinn in der Großserienfertigung.

In der Praxis werden Laseradditive sowohl als Granulat als auch als Pulver geliefert und lassen sich in Polymeren in der Regel gut dispergieren. Die Dosierung ist gering und liegt je nach Kombination aus Additiv und Polymer typischerweise zwischen 0,01 und 4,0 Gew.-%. Beide Formen lassen sich in vorcompoundiertes Farbmaterial oder in Farbkonzentrate einmischen.

Anforderungen der Hochgeschwindigkeitsfertigung erfüllen

Gary Fielding, Global Marketing Director bei PolyOne Color & Additives, betont, dass Kunden durchgängig Laserbeschriftungssysteme fordern, die bei höchstmöglichen Liniengeschwindigkeiten klare, gut lesbare und dauerhafte Markierungen erzeugen. Die Laserbeschriftungs-Additivkonzentrate der Reihe OnCap von PolyOne wurden genau dafür entwickelt und ermöglichen die Hochgeschwindigkeitsbeschriftung von Draht- und Kabelprodukten ohne Einbußen bei der Lesbarkeit.

Am höchsten sind die Anforderungen dort, wo Vorschriften sie erzwingen. Die Draht- und Kabelindustrie verlangt, dass Produktkennzeichnungen auch nach einem Jahrzehnt oder länger im Erdreich noch lesbar sind. Die internationale Ausrichtung der Branche mit je nach Region unterschiedlichen Vorschriften für Kennzeichnung und Identifikation macht die Zuverlässigkeit von Additiven und Anlagen zwingend erforderlich.

Neue Anwendungsfelder

Dieselben Zuverlässigkeitserwartungen greifen inzwischen auf andere Branchen über. In der Automobilindustrie dürfte die beschleunigte Entwicklung elektrisch angetriebener Fahrzeuge die Nachfrage nach Hochtemperaturkabeln erhöhen, deren Laserbeschriftungen erheblicher Hitze standhalten müssen. Auch Hersteller aus der Luft- und Raumfahrt suchen nach Beschriftungslösungen, die die besonders strengen Beständigkeitsanforderungen ihrer Branche erfüllen.

Christoph Pezold von PolyOne weist darauf hin, dass die Verbreitung von Industrie 4.0 die Einführung von Laserbeschriftung und Laserschweißen weiter beschleunigen dürfte. Da Alltagsprodukte zunehmend codierte oder rückverfolgbare Bauteile erfordern, werden Lasertechnologien eine zentrale Rolle spielen: Sie ermöglichen die gesetzlich vorgeschriebene Kennzeichnung bei hoher Geschwindigkeit und sogar individualisierte Markierungen auf Abruf im Takt der Fertigungslinie.

Die wichtigsten Erkenntnisse

• Regulatorischer Wandel: Schwermetallfreie Additivchemie (antimonfrei) ist heute Industriestandard – getrieben von FDA-/EU-Konformität und unternehmenseigener Selbstverpflichtung.
• Kostensenkung: Abgelaufene Patente und neue Anbieter aus der Spezialchemie haben Laseradditive für die Beschriftung deutlich erschwinglicher gemacht.
• Fortschritte bei Faserlasern: Ytterbium-Faserlaser (Nano-, Piko-, Femtosekunde) liefern in Kombination mit besseren Additiven höheren Kontrast und feinere Details.
• Geschwindigkeit zählt: Optimierte Formulierungen beschriften mindestens 15 % schneller als nicht optimierte Systeme – entscheidend bei Liniengeschwindigkeiten über 2.000 ft/min.
• Industrie 4.0: Wachsende Anforderungen an die Rückverfolgbarkeit in der vernetzten Fertigung machen die Laserbeschriftung vom optionalen zum Standardverfahren.

Häufig gestellte Fragen

Was sind Laseradditive mit Doppelfunktion?

Einzeladditivsysteme, die im selben Compound sowohl die Laserbeschriftung als auch das Laserdurchstrahlschweißen ermöglichen. Mit einer einzigen Formulierung kann ein Spritzgießer ein Bauteil für die Rückverfolgbarkeit kennzeichnen und mit einem Gegenstück verschweißen, ohne zwei verschiedene Materialien spezifizieren zu müssen.

Welche Dosierungen erfordern Laseradditive?

Typischerweise zwischen rund 0,01 und 4,0 Gew.-% im fertigen Bauteil – abhängig vom Polymer, vom Farbziel und davon, ob das Compound der Beschriftung, dem Schweißen oder beidem dient. Niedrigere Dosierungen sind vorzuziehen, sofern sie die Anforderungen an Kontrast und Schweißnaht weiterhin erfüllen.

Warum werden schwermetallfreie Additive zur Anforderung?

Gesundheits- und Aufsichtsbehörden – und zunehmend auch große Industriekunden – beschränken Schwermetalle in Polymeren für Konsumgüter, Medizinprodukte und Anwendungen mit Lebensmittelkontakt. Neuere Additivchemien erreichen einen gleichwertigen Kontrast ohne diese Stoffe.

Wie schnell kann die Laserbeschriftung auf Extrusionslinien laufen?

Draht- und Kabelextrusionslinien mit mehr als 2.000 ft/min werden im laufenden Prozess beschriftet, und optimierte Additivformulierungen haben die erreichbare Beschriftungsgeschwindigkeit um mindestens 15 % verbessert. Der Durchsatz hängt vom Ansprechverhalten des Additivs, der Laserleistung und der Zeichenmenge ab.

Warum werden Ytterbium-Faserlaser für diese Anwendungen bevorzugt?

Sie verbinden eine ausgezeichnete Strahlqualität mit hoher Brillanz und lassen sich auf Fokusdurchmesser unter 20 Mikrometer bündeln, was hohe Energiedichten ergibt. MOPA-Ausführungen bieten zusätzlich eine einstellbare Pulsdauer – erst sie ermöglicht die feine Steuerung von Aufschäumung und Karbonisierung.

Dieser Artikel ist eine Bearbeitung von „Lasers Make Their Mark“ von Mark Holmes, ursprünglich erschienen in Compounding World, Februar 2017. Bildnachweis: PolyOne, The Sabreen Group.

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