Laserbeschriftung von glas- und mineralgefüllten Kunststoffen: Was sich mit Füllstoff ändert

Laserbeschriftung von glas- und mineralgefüllten Kunststoffen: Was sich mit Füllstoff ändert

Das Wichtigste in Kürze

• Füllstoff verbessert meist den Kontrast, weil er Energie absorbiert und streut, die das Basispolymer durchlassen würde.
• Hervortretende Fasern sind der charakteristische Fehler: Das Polymer verdampft bei einer Energie, bei der das Glas nicht verdampft.
• Die Standardkorrektur ist geringere Energie mit mehr Durchgängen, nicht mehr Leistung.
• Gefüllte und ungefüllte Sorten desselben Harzes benötigen getrennte Rezepturen und getrennte Qualifizierung.

Ein Großteil der Hinweise zur Laserbeschriftung ist verfasst, als wäre ein Polymer ein einheitlicher Werkstoff. In der Produktion ist es das selten. Die meisten technischen Thermoplaste, die eine Beschriftungszelle erreichen, enthalten 10–50 % Glasfasern, Glaskugeln, Talkum, Glimmer oder Wollastonit, und dieser Füllstoff verändert das Beschriftungsergebnis stärker als fast jede andere Rezepturvariable, oft zum Besseren, gelegentlich aber auch so, dass er einen sonst guten Prozess ruiniert.

Warum Füllstoff häufiger hilft als schadet

Die grundlegende Schwierigkeit bei der Beschriftung von Kunststoffen mit einem 1064-nm-Faserlaser besteht darin, dass die meisten Polymere bei dieser Wellenlänge kaum absorbieren. Der Strahl geht hindurch, statt Energie an der Oberfläche abzugeben. Alles in der Rezeptur, was absorbiert oder streut, arbeitet daher zugunsten der Beschriftung, und Füllstoff leistet beides.

Deshalb lassen sich gefüllte technische Harze so häufig direkt aus dem Werkzeug akzeptabel beschriften, während ihre naturfarbenen ungefüllten Pendants ein eincompoundiertes Laseradditiv benötigen. Bevor Sie für eine gefüllte Sorte ein Additiv spezifizieren, beschriften Sie sie, wie sie ist; die Kosten hat möglicherweise schon der Füllstoff getragen.

Hervortretende Fasern: der prägende Fehler

Glas und Polymer reagieren nicht bei derselben Energie auf einen Laser. Das Polymer erreicht seine Zersetzungstemperatur und verdampft, während das Glas mit seinem weit höheren Schmelzpunkt es nicht tut. Übrig bleibt eine Beschriftung, bei der Faserenden aus der umgebenden Oberfläche hervorstehen: optisch rau, fühlbar und bei Codeanwendungen ein Lesbarkeitsproblem, weil die erhabenen Fasern die Beleuchtung des Lesegeräts streuen.

Der Instinkt ist, die Leistung zu erhöhen, um es „sauber zu machen“. Das verschlimmert es, denn es trägt mehr Polymer ab und legt mehr Faser frei. Diese Korrekturen wirken:

• Energie pro Durchgang verringern und Durchgänge ergänzen. Mehrere leichte Durchgänge tragen Polymer allmählicher ab und hinterlassen weniger Relief als ein aggressiver Durchgang.
• Die Pulsbreite verkürzen, wo die Quelle es zulässt. Eine kurz eingestellte MOPA-Quelle verringert die thermische Tiefe und damit die um jede Faser abgetragene Polymermenge.
• Einen Farbumschlag-Mechanismus statt Abtrag anstreben. Wo die Karbonisierung ausreichenden Kontrast ohne Materialabtrag erzeugen kann, verschwinden hervortretende Fasern weitgehend.
• Die Beschriftungsposition bedenken. Die Faserorientierung folgt der Fließrichtung; eine Beschriftung dort, wo die Fasern parallel zur Oberfläche verlaufen, sieht besser aus als eine, bei der sie stirnseitig anstehen.
• Akzeptieren, wo es nur kosmetisch ist. Auf einer verdeckten Fläche mit Rückverfolgbarkeitscode ist eine leicht raue Beschriftung, die akzeptabel bewertet wird, kein Fehler.

Der Füllstoffgehalt ist im Bauteil nicht einheitlich

Der am häufigsten übersehene Faktor ist, dass ein Spritzteil mit „30 % Glas“ nicht überall 30 % Glas enthält. Das Spritzgießen erzeugt eine Haut-Kern-Struktur: eine harzreiche Haut, wo die Schmelze am Werkzeug erstarrt ist, und einen Kern, in dem sich die Fasern konzentrieren. Die Beschriftung trägt diese Haut ab oder verändert sie.

Die praktischen Folgen sind es wert, bei der Konstruktion berücksichtigt zu werden:

• Die Beschriftungstiefe verändert, womit der Laser wechselwirkt. Eine sehr flache Beschriftung sieht überwiegend Harz; eine tiefere erreicht den faserreichen Kern und verhält sich anders.
• Der Kontrast variiert mit der Wanddicke, weil die Hautdicke variiert.
• Die Nähe zum Anguss zählt. Faserorientierung und -konzentration unterscheiden sich in Angussnähe, und dort platzierte Beschriftungen können anders erscheinen als dieselbe Beschriftung an anderer Stelle.
• Spritzgießbedingungen verschieben das Ergebnis. Massetemperatur und Einspritzgeschwindigkeit verändern die Hautdicke, sodass eine Beschriftungsrezeptur driften kann, weil der Spritzgießprozess gedriftet ist, ganz ohne Werkstoffänderung.

Eine gefüllte Sorte qualifizieren

• Den Serienwerkstoff beschriften, mit Serien-Füllstoffanteil, -Farbe und dem maximal zulässigen Mahlgutanteil. Mahlgut zählt bei gefüllten Harzen mehr, weil wiederholte Verarbeitung die Fasern verkürzt und sowohl Optik als auch Fließverhalten verändert.
• Eine Leistungs-Geschwindigkeits-Matrix an einer Spritzgussplatte fahren und L* in jeder Zelle messen, statt nach Augenmaß zu urteilen.
• Die Mitte des breitesten akzeptablen Bereichs wählen, nicht die Zelle mit dem höchsten Kontrast; gefüllte Sorten schwanken von Los zu Los, und das Plateau ist es, das dies übersteht.
• Die Oberfläche unter Vergrößerung untersuchen, nicht nur auf Kontrast. Hervortretende Fasern sind für das bloße Auge oft unsichtbar und für ein Codelesegerät offensichtlich.
• Jeden maschinenlesbaren Code nach ISO/IEC 15415 bewerten, statt ihn visuell zu prüfen.
• Gefüllte und ungefüllte Varianten getrennt qualifizieren. Für die Beschriftung sind es unterschiedliche Werkstoffe, wie immer das Datenblatt sie nennt.

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Häufig gestellte Fragen

Macht Glasfüllstoff Kunststoffe leichter oder schwerer laserbeschriftbar?

Leichter, was den Kontrast betrifft. Füllstoff absorbiert und streut Energie, die das Basispolymer durchlassen würde; deshalb lassen sich gefüllte technische Harze häufig ohne Laseradditiv gut beschriften, während ungefüllte Pendants eines brauchen. Die Kehrseite ist die Oberflächenqualität: Füllstoff bringt hervortretende Fasern und eine rauere Beschriftung mit sich, sodass sich die Schwierigkeit von der Erzeugung einer Beschriftung zur Erzeugung einer sauberen verlagert.

Wie verhindere ich, dass Glasfasern in der Beschriftung erscheinen?

Verringern Sie die Energie pro Durchgang und verwenden Sie mehr Durchgänge, statt die Leistung zu erhöhen. Fasern erscheinen, weil das Polymer bei einer Energie verdampft, bei der das Glas nicht verdampft; mehr Polymerabtrag legt daher mehr Faser frei. Eine kürzere Pulsbreite hilft, wo die Quelle es zulässt, und ein Farbumschlag-Mechanismus statt Materialabtrag vermeidet das Problem weitgehend, wo der Kontrast es erlaubt.

Warum schwankt die Beschriftungsqualität an einem gefüllten Spritzteil?

Weil der Füllstoffgehalt im Bauteil nicht einheitlich ist. Das Spritzgießen erzeugt eine harzreiche Haut über einem faserreichen Kern, und die Hautdicke variiert mit Wandquerschnitt, Angussnähe und Abkühlung. Die Beschriftung schneidet an unterschiedlichen Stellen unterschiedlich tief in diese Struktur; der Laser wechselwirkt daher je nach Lage der Beschriftung faktisch mit einer anderen Werkstoffzusammensetzung.

Kann ich dieselbe Rezeptur für gefüllte und ungefüllte Sorten eines Harzes verwenden?

Nein. Für die Beschriftung verhalten sie sich wie unterschiedliche Werkstoffe, gleichgültig wie das Datenblatt sie nennt, weil der Füllstoff Absorption, Wärmeleitfähigkeit und Oberflächenverhalten verändert. Qualifizieren Sie jede gesondert und behandeln Sie eine Änderung von Füllstoffanteil oder -art als Anlass zur Requalifizierung und nicht als geringfügige Substitution.

Beeinflusst Mahlgut die Beschriftung bei gefüllten Harzen?

Stärker als bei ungefüllten. Wiederholte Verarbeitung bricht die Fasern kürzer, was Fließverhalten, Oberflächenbild und die Verteilung des Füllstoffs in der Haut verändert. Prüfen Sie beim maximalen Mahlgutanteil, mit dem die Linie laufen darf, und behandeln Sie eine Erhöhung des zulässigen Anteils als Prozessänderung und nicht als Einkaufsentscheidung.

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