Faserlaser

Faserlaser

Wichtigste Erkenntnisse

• Die optische Faser ist zugleich Verstärkungsmedium und Resonator und mit seltenen Erden wie Ytterbium, Erbium oder Thulium dotiert.
• Die nahezu beugungsbegrenzte Strahlqualität macht sie für Präzisionsarbeiten geeignet.
• Der Wirkungsgrad bei der Umwandlung elektrischer Leistung in Laserleistung liegt oft über 30 %.
• Die Einschränkung ist die Wellenlängenverträglichkeit – der Werkstoff muss die emittierte Wellenlänge absorbieren, oder es ist ein Additiv nötig.

Faserlaser

Ein Faserlaser ist ein Festkörperlaser, dessen Verstärkungsmedium eine mit einem Seltenerdelement dotierte optische Faser ist – für die industrielle Beschriftung fast immer Ytterbium – und der im nahen Infrarot bei etwa 1064 nm emittiert. Er ist die vorherrschende Laserquelle für die Beschriftung von Kunststoffen und für die meisten Polymeranwendungen der Standard-Ausgangspunkt, sofern nicht der Werkstoff oder die Beschriftungsspezifikation etwas anderes nahelegt.

Warum die Architektur entscheidend ist

Beim Faserlaser koppeln die Pumpdioden ihr Licht direkt in einen dotierten Faserkern ein, der meterlang, aber nur wenige Mikrometer dick ist. Diese Geometrie hat Folgen, die in der Produktion zählen:

• Hervorragende Strahlqualität. Der Faserkern wirkt als Wellenleiter, sodass die Ausgangsstrahlung nahezu einer idealen Gauß-Mode entspricht (M² typischerweise 1,1–1,5). Eine gute Strahlqualität lässt sich auf einen kleineren Spot fokussieren, was die Bestrahlungsstärke erhöht und bei feinen Codes schärfere Linienkanten liefert.
• Hoher elektrischer Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad von etwa 25–35 % (Steckdose zu Laserleistung) liegt um ein Mehrfaches über dem lampengepumpter Systeme, und Geräte in der Beschriftungsleistungsklasse sind meist luftgekühlt und benötigen keinen Kühler.
• Geschlossen und justagefrei. Es gibt keinen offenen Resonator, der sich dejustieren kann, keine Blitzlampen zum Austauschen und keine Optiken im Strahlengang, die gereinigt werden müssten. Typisch sind Lebensdauern der Pumpdioden in der Größenordnung von 100.000 Stunden.
• Kompakte Bauweise. Die Lieferfaser trennt die Laserquelle vom Beschriftungskopf, was die Integration in Spritzgusszellen und Montagelinien vereinfacht.

Verhalten auf Polymeren

Hier ist das Bild differenzierter, als es das Datenblatt vermuten lässt. Die meisten unpigmentierten Thermoplaste sind bei 1064 nm weitgehend transparent – das Polymergerüst absorbiert im nahen Infrarot schlicht nicht stark. Die Energie geht hindurch, statt an der Oberfläche eingebracht zu werden.

Genau deshalb gibt es Laseradditive und laserempfindliche Masterbatches. Ein in das Harz eincompoundierter Absorber nimmt die Energie bei 1064 nm auf und wandelt sie lokal in die Wärme um, die Karbonisierung, Schäumung oder einen Farbumschlag des Pigments antreibt. Naturfarbene, ungefüllte Polyolefine, die ohne Additiv mit einem reinen Faserlaser beschriftet werden, ergeben in der Regel eine schwache, uneinheitliche oder gar keine Beschriftung.

Werkstoffe, die ohne Modifikation gut ansprechen, enthalten in der Regel etwas, das absorbiert: Ruß, bestimmte Pigmente, Glasfasern oder eine von Natur aus absorbierende Chemie. ABS, Polycarbonat und viele gefüllte technische Kunststoffe lassen sich problemlos beschriften.

Faserlaser im Vergleich zu den Alternativen

Der vollständige Vergleich findet sich unter Faser-, UV- und CO2-Laser für die Kunststoffbeschriftung im Vergleich.

Einen Faserlaser für eine Kunststoffanwendung spezifizieren

• Pulssteuerung. Ein herkömmlicher gütegeschalteter Faserlaser hat eine im Wesentlichen feste Pulsbreite. Bei einem MOPA-Faserlaser lassen sich Pulsdauer und Wiederholrate unabhängig voneinander einstellen, was bei wärmeempfindlichen Polymeren oft den Unterschied zwischen einer sauberen und einer verbrannten Beschriftung ausmacht.
• Mittlere Leistung. 20–50 W decken den weitaus größten Teil der Kunststoffbeschriftung ab. Mehr Leistung ist selten die Lösung für eine schlechte Beschriftung; meist verschlimmert sie den thermischen Schaden.
• Zuerst den Werkstoff qualifizieren. Bestätigen Sie, dass sich das konkrete Harz, die Type und der Farbstoff beschriften lassen, bevor Sie sich auf Hardware festlegen. Zwei Typen des nominell gleichen Polymers können sich deutlich unterschiedlich verhalten.

Anforderungen an Integration und Installation

Faserlaser sind im Vergleich zu den Quellen, die sie ersetzt haben, kompakt und anspruchslos, doch eine Beschriftungszelle ist mehr als die Quelle. Diese Punkte werden bei der Angebotserstellung am häufigsten übersehen:

Häufige Irrtümer

• „Ein Faserlaser beschriftet jeden Werkstoff.“ Er beschriftet die meisten Metalle problemlos und die meisten unmodifizierten Polymere schlecht. Bei 1064 nm ist ein naturfarbener Thermoplast weitgehend transparent, sodass die Kunststoffbeschriftung in der Regel einen absorbierenden Bestandteil oder ein Laseradditiv erfordert.
• „Mehr Watt bedeuten eine bessere Beschriftung.“ Bei feinen Codes entscheiden Spotgröße und Strahlqualität über das Ergebnis, und überschüssige Leistung verschlechtert die Linienkanten. Leistung zählt beim Gravieren und bei großflächigen Füllungen, nicht für die Lesbarkeit.
• „Faserlaser sind wartungsfrei.“ Die Quelle ist es nahezu. Das Schutzfenster vor dem Scankopf ist es nicht, und fast jeder schleichende Leistungsverlust lässt sich darauf und auf die Absaugung zurückführen, die es sauber hält.
• „Die Beschriftung ist dauerhaft, also muss sie nicht qualifiziert werden.“ Dauerhaftigkeit ist eine Aussage über den Mechanismus, nicht über das konkrete Bauteil. Kontrast und Codequalität müssen weiterhin gegen die reale Einsatzbedingung verifiziert werden.
• „Ein Rezept lässt sich zwischen Maschinen gleicher Nennleistung übertragen.“ Die abgegebene Bestrahlungsstärke hängt von optischer Transmission und Spotgröße ab, die sich je nach Installation unterscheiden. Rezepte müssen neu ermittelt, nicht kopiert werden.
• „Eine Einhausung hebt die Sicherheitspflichten auf.“ Eine Einhausung der Klasse 1 beherrscht die Strahlgefährdung im Normalbetrieb. Integrität der Verriegelung, Zugang für Service, Schulung und die Gefährdung durch Rauch und Dämpfe bleiben bestehen – unter Aufsicht eines bestellten Laserschutzbeauftragten.

Den Business Case aufbauen

Der Vergleich, der eine Kaufentscheidung meist bestimmt, ist der mit dem bisherigen Beschriftungsverfahren und nicht der mit einem anderen Laser:

• Gegenüber Tintenstrahldruck und Tampondruck entfallen beim Laser Tinten, Lösemittel, Reinigung, Umrüstabfall und deren Entsorgung, und die Tintenhaftung verschwindet vollständig aus der Fehlerliste. Dem steht gegebenenfalls ein Additivkostenanteil im Harz gegenüber.
• Gegenüber Etiketten entfallen Etikettenmaterial, Applikatoren, Fehlapplikationen und die Möglichkeit, dass ein Etikett entfernt wird – weshalb Rückverfolgbarkeit und Fälschungsschutz stark dafür sprechen.
• Gegenüber Nd:YAG entfallen Lampen, Kühler und optische Justage, und der Energieverbrauch sinkt erheblich. Genau das hat Nd:YAG aus der Kunststoffbeschriftung verdrängt.
• Die laufenden Kosten, die ehrlich zu kalkulieren sind, sind das Laseradditiv, wo eines erforderlich ist, sowie Schutzfenster und Absaugfilter. Enthält die Type bereits Ruß, Glasfüllstoff oder ein absorbierendes Pigment, können die Additivkosten null betragen – das sollte geprüft werden, bevor man sie unterstellt.

Weiterführende Begriffe und Lektüre

• Lösungen zur Laserbeschriftung von Kunststoffen
• Faserlaser: Auswahl und Additive
• Faserlaser ermöglicht die Beschriftung von Hochleistungskunststoffen
• Ytterbium-Faserlaser

Anwendung in der Produktion

The Sabreen Group bietet unabhängige Ingenieurunterstützung bei der Auswahl von Faserlasern, der Werkstoffqualifizierung und der Entwicklung von Beschriftungsprozessen. Ob Sie einen Prozess spezifizieren, einen Werkstoff qualifizieren oder ein Produktionsproblem beheben: Unser Team für Ingenieurdienstleistungen hilft Ihnen gern. Kontaktieren Sie uns, um Ihre Anwendung zu besprechen.

Häufig gestellte Fragen

Wie funktioniert ein Faserlaser?

Laserdioden pumpen Licht in eine mit seltenen Erden dotierte optische Faser und lösen dort stimulierte Emission aus. Die Wellenleitereigenschaften der Faser halten das Licht im Kern und ermöglichen eine effiziente Verstärkung über die Faserlänge. Die Faser selbst dient als Laserresonator.

Was sind die wichtigsten Vorteile von Faserlasern?

Hohe Strahlqualität mit einem nahezu beugungsbegrenzten Strahl für Präzisionsarbeiten, ein hoher Wirkungsgrad von oft über 30 % (elektrisch zu optisch) und eine kompakte, robuste Bauweise. Der durchgängige Faserstrahlweg beseitigt zudem die Justage- und Verschmutzungsprobleme der Freistrahloptik.

Welche Arten von Faserlasern gibt es?

Singlemode-Faserlaser bieten hervorragende Strahlqualität für hochpräzise Aufgaben. Multimode-Typen liefern höhere Leistung bei etwas geringerer Strahlqualität für schwere Einsätze. Ultrakurzpuls-Faserlaser eignen sich für Anwendungen, die einen minimalen thermischen Einfluss erfordern.

Sind Faserlaser teurer als Alternativen?

Die Anfangsinvestition kann höher sein als bei manchen anderen Lasertypen, wird aber oft durch niedrigere Betriebskosten ausgeglichen – bessere elektrische Effizienz, längere Lebensdauer und minimaler Wartungsaufwand über die Lebensdauer des Systems.

Benötigen Faserlaser eine Kühlung?

Trotz ihrer Effizienz erfordern Hochleistungssysteme ein wirksames Wärmemanagement. Beschriftungssysteme geringerer Leistung sind häufig luftgekühlt, während industrielle Anlagen höherer Leistung eine aktive Kühlung benötigen können.

Erzeugt ein Faserlaser höherer Leistung eine bessere Beschriftung?

Nicht bei feinen Beschriftungen. Spotgröße und Strahlqualität bestimmen die Lesbarkeit, und überschüssige Leistung verschlechtert die Linienkanten, statt den Kontrast zu verbessern. Leistung zählt beim tiefen Gravieren und bei großflächigen Füllungen. Für Codes und Data-Matrix-Symbole auf additivhaltigem Harz sind 20–30 W normalerweise völlig ausreichend.

Was wird bei der Spezifikation einer Faserlaser-Beschriftungszelle vergessen?

Meist Rauchabsaugung, Wiederholgenauigkeit der Vorrichtung und Wahl der Scanlinse. Die Absaugung schützt sowohl den Bediener als auch die letzte Optik und ist der größte Einflussfaktor für die langfristige Beschriftungskonstanz. Die Höhenkontrolle der Vorrichtung ist wichtig, weil die Fokuslage die Bestrahlungsstärke dominiert. Und die Brennweite legt Feldgröße und Spotdurchmesser gemeinsam fest, sodass eine Linse, die ein großes Nest abdecken soll, unbemerkt Auflösung bei kleinen Codes kostet.

Lässt sich ein Beschriftungsrezept zwischen zwei identischen Maschinen kopieren?

Nicht zuverlässig. Die abgegebene Bestrahlungsstärke hängt von der optischen Transmission und der tatsächlichen Spotgröße ab, die sich beide zwischen Installationen auch bei gleicher Nennleistung und nomineller Linsenspezifikation unterscheiden. Ermitteln Sie das Rezept an jeder Maschine neu und messen Sie die Leistung am Werkstück, statt dem Bedienfeld zu vertrauen.

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