FDA-zugelassene Additive verbessern die Inline-Laserbeschriftung von Kunststoffen

FDA-zugelassene Additive verbessern die Inline-Laserbeschriftung von Kunststoffen

Hohe Geschwindigkeit, überlegener Kontrast und Kosteneinsparungen gehören zu den wesentlichen Vorteilen, wenn neuartige FDA-zugelassene Additive in Polymere für die Laserbeschriftung eingearbeitet werden. Durchbrüche bei chemischen Additiven erzeugen tiefschwarzen und hellen Kontrast auf Spritzguss- und Extrusionsprodukten, sowohl „im laufenden Prozess“ als auch in nachgelagerten Arbeitsschritten. Ausgelegt für erschwingliche Faserlaser, ersetzt die tintenfreie Inline-Laserbeschriftung nun Tiefdruck (Rotationsgravur) und Tampondruck.

Produktanwendungen: Viele klare, teiltransparente und deckend eingefärbte Polymere, darunter Nylons, PET, Polycarbonate, Polyolefine, PVC, Styrol-Kunststoffe und TPU/TPE (für Wearables), werden einzigartig mit schwermetallfreien, von FDA und EFSA (Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit) zugelassenen Additiven formuliert, um eine kontrastreiche Beschriftungsqualität zu erzielen. Transparenz des Polymers, spektrale Transmission und grundlegende physikalische Eigenschaften bleiben unbeeinflusst. Die berührungslose, digitale Laserbeschriftung ersetzt teure Haftetiketten und Druckverfahren mit chemischen Tinten. Das Ergebnis ist eine kosteneffiziente, umweltfreundliche Anwendung mit überlegener Ästhetik.

Die Laserbeschriftung „im laufenden Prozess“ erfolgt auf Spritzguss- und Extrusionsprodukten wie Draht/Kabel, Schläuchen und Rohren.

Wichtigste Erkenntnisse

• Drei Oberflächenreaktionen erzeugen die Beschriftung – Karbonisierung (Verkohlung), Schäumung und Farbumschlag des Farbmittels.
• Die Einsatzkonzentration beträgt 0,01–4,0 % des Gewichts im Endbauteil und richtet sich nach Polymer, Substratfarbe, angestrebtem Kontrast und Zertifizierungsanforderungen.
• Additive sind 15 % oder mehr schneller als nicht optimierte Formulierungen und ersetzen Tiefdruck und Tampondruck vollständig.
• Dispergierprobleme, nicht Dosierfehler, sind die übliche Ursache für zu geringe Additivgehalte in Fertigteilen – Staudruck und Schneckendrehzahl erhöhen.
• Die Bedingungen A–H nach 21 CFR 178.3297 decken die FDA-Zulassung für den Lebensmittelkontakt ab; die Qualifizierung nach ISO 10993 erweitert dies auf die Biokompatibilität von Medizinprodukten.

Beschriftungsgeschwindigkeiten für synthetische Weinkorken aus Polyolefin und Gewinnspiel- bzw. Aktionsmotive unter dem Deckel von Getränkeverschlüssen ohne Dichtungseinlage erreichen 2.000 Stück pro Minute für alphanumerischen Text und Grafiken. Die Beschriftungsgeschwindigkeit hängt von vielen Variablen ab, darunter Polymertyp, Substratfarbe, Art und Einsatzkonzentration des Laseradditivs, Kabelgröße (Gewicht), Lasertyp und -leistung, Software, Anzahl der alphanumerischen Zeichen, Texthöhe, Länge der Textzeile, Zeichenabstand, Barcode/Data-Matrix-Code, Logos/Grafiken, Einstrich- oder gefüllte TrueType-Schriften, Füllrichtung sowie durchgehenden oder sich wiederholenden Text. Der Einsatz des richtig formulierten Additiv-Farbmittels stellt sicher, dass die „Leistungsdichte“ an der Beschriftungsfläche nicht der begrenzende Faktor ist. Vielmehr arbeiten dann die strahlgelenkten Galvanometer mit maximaler Geschwindigkeit.

Aufgrund der Komplexität der Faktoren, die die Fähigkeit zur Beschriftung „im laufenden Prozess“ in der Produktion beeinflussen, muss jede Anwendung genau untersucht werden. Es gibt nur wenige, wenn überhaupt, Regeln, die sich übertragen lassen. Als allgemeine Orientierung dient jedoch das folgende Beispiel mit Nylon: 50-Watt-Faserlaser, Planfeldlinse mit 254 mm, 100 alphanumerische Zeichen, 2 mm Höhe, eine sich wiederholende Textzeile mit einer Länge von 14,68 Zoll bei einer Beschriftungszeit von 0,232 Sekunden. Die berechnete Geschwindigkeit beträgt etwa 315 lineare Fuß pro Minute.

Häufig gestellte Fragen

Welche Polymere lassen sich mit FDA-zugelassenen Laseradditiven beschriften?

Klare, teiltransparente und deckend eingefärbte Polymere, darunter Nylons, PET, Polycarbonate, Polyolefine, PVC, Styrol-Kunststoffe und TPU/TPE für Wearables. Transparenz des Polymers, spektrale Transmission und grundlegende physikalische Eigenschaften bleiben unbeeinflusst.

Meine Fertigteile enthalten weniger Additiv als berechnet. Warum?

Fast immer liegt eine ungleichmäßige Verteilung bei der Extrusion oder beim Spritzgießen vor, nicht ein Dosierfehler. Eine Erhöhung von Staudruck und Schneckendrehzahl löst die meisten Fälle. Vorcompoundiertes Material ist bei der Gleichmäßigkeit besser als Farbkonzentrat, und manuelles Mischen sollte ganz vermieden werden.

Welche drei Reaktionsmechanismen gibt es bei der Laserbeschriftung?

Karbonisierung bzw. Verkohlung, bei der absorbierte Energie das Polymer thermisch abbaut und dunkle Beschriftungen erzeugt. Schäumung, bei der ein Additiv beim Abbau Dampf freisetzt und dauerhafte helle Beschriftungen auf dunklen Substraten entstehen. Und Farbumschlag, bei dem Laserenergie ein Farbmittel in einer Mischung abbaut – zum Beispiel wird Ruß entfernt und ein stabiles anorganisches Farbmittel bleibt zurück.

Wie schnell kann die Inline-Beschriftung in der Praxis laufen?

Beschriftungsgeschwindigkeiten für synthetische Weinkorken aus Polyolefin und Gewinnspiel- bzw. Aktionsmotive unter dem Deckel von Getränkeverschlüssen ohne Dichtungseinlage erreichen 2.000 Stück pro Minute. Ein durchgerechnetes Nylon-Beispiel – 50-W-Faserlaser, Planfeldlinse mit 254 mm, 100 Zeichen bei 2 mm Höhe, sich wiederholende Zeile von 14,68 Zoll, Beschriftungszeit 0,232 s – ergibt etwa 315 lineare Fuß pro Minute.

Warum lassen sich helle, geschäumte Beschriftungen manchmal abkratzen?

Mangelhafte Lasersteuerung. Der Schäumungsmechanismus erfordert eine präzise Parametersteuerung, damit sich das Polymer bei einer höheren Temperatur zersetzt als das schäumende Additiv. Ohne sie ist die Beschriftung bröckelig oder kontrastarm und wenig dauerhaft.

Reaktionsmechanismen der Laserbeschriftung von Polymeren

Der Fortschritt bei der Formulierung von Laseradditiven für Nahinfrarot-Laser (Wellenlänge 1060–1080 nm) liegt in ihrer Kompatibilität mit Ytterbium-Faserlasern, Vanadat-Lasern und den früheren Nd:YAG-Lasern. Die meisten Polymere besitzen ohne chemische Additive keine Absorptionseigenschaften im Nahinfrarot. Polymere, die sich mit Lasern beschriften lassen, sind solche, die Laserlicht absorbieren und die Lichtenergie in Wärmeenergie umwandeln. Fachleute setzen Additive, Füllstoffe, Pigmente und Farbstoffe ein, um die Absorption der Laserenergie für lokale Farbveränderungen zu verstärken. Je nach gewünschtem Beschriftungskontrast und gewünschter Funktionalität kommen stark unterschiedliche Formulierungschemien und Laseroptiken bzw. Einstellparameter zum Einsatz.

Der häufigste Oberflächenreaktionsmechanismus wird als thermisch-chemische „Karbonisierung“ oder „Verkohlung“ bezeichnet: Die im Substrat absorbierte Energie erhöht die lokale Temperatur des Materials um die Absorptionsstelle so weit, dass das Polymer thermisch abgebaut wird. Die Dunkelheit bzw. Helligkeit der Beschriftung hängt von der absorbierten Energie sowie vom individuellen thermischen Abbauweg des Materials ab. Durch eine Optimierung der Lasereinstellung entstehen nur minimale Karbonisierungsrückstände auf der Oberfläche.

Eine zweite Oberflächenreaktion ist die chemische Veränderung: Additive, die beim Abbau Dampf freisetzen, führen zum Aufschäumen des Polymers. Während des Schäumvorgangs wird die Laserenergie von einem Additiv absorbiert, das sich in unmittelbarer Nähe zum Schäumungsmittel befindet. Die Wärme des Absorbers bewirkt, dass sich das Schäumungsmittel zersetzt und Dampf freisetzt. Durch eine präzise Steuerung der Laserbetriebsparameter lassen sich auf dunklen Substraten hochwertige und dauerhafte helle Beschriftungen erzeugen. Eine mangelhafte Lasersteuerung kann eine bröckelige oder kontrastarme Beschriftung erzeugen, die sich leicht zerkratzen lässt (geringe Dauerhaftigkeit).

Drittens wird Laserenergie genutzt, um ein Farbmittel in einer Farbmittelmischung zu erhitzen bzw. abzubauen, was zu einem Farbumschlag führt. Ein Beispiel ist eine Mischung aus Ruß und einem stabilen anorganischen Farbmittel. Beim Erhitzen wird der Ruß entfernt, und das anorganische Farbmittel bleibt zurück. Solche gemischten Farbmittelsysteme hängen von der spezifischen Stabilität der Farbmittel ab, und nicht alle Farbwechsel sind möglich.

Laseradditive

Laseradditive verbessern den Kontrast, der sich durch Änderung der Laser-Einstellparameter weiter verstärken lässt. Polymere besitzen von Natur aus die Eigenschaft, einen „dunklen“ oder „hellen“ Beschriftungskontrast zu erzeugen. Manche Farbmittelverbindungen mit geringen Anteilen an Titandioxid (TiO2) und Ruß können ebenfalls Laserlicht absorbieren und in einigen Fällen den Beschriftungskontrast verbessern. Jede Polymersorte kann, auch innerhalb derselben Polymerfamilie, unterschiedliche Ergebnisse liefern. Additivformulierungen dürfen weder toxisch sein noch das Erscheinungsbild oder die physikalischen bzw. funktionalen Eigenschaften der Produkte beeinträchtigen.

Im Vergleich zu Druckverfahren mit Tinte (Tampon-/Siebdruck und Tintenstrahl) sind Laseradditive kostensparend und zeigen gegenüber nicht optimierten Materialformulierungen 15 Prozent (oder mehr) höhere Beschriftungsgeschwindigkeiten. Laseradditive werden als Pellet-Granulat und in Pulverform geliefert. Granulate können direkt mit dem Polymerharz gemischt werden, während Pulverformen zu Masterbatch verarbeitet werden. Die meisten lassen sich leicht in Polymeren dispergieren. Je nach Additiv und Polymer liegt die Einsatzkonzentration (Gewichtsanteil im Endbauteil) zwischen 0,01 Prozent und 4,0 Prozent.

Sowohl Granulat als auch Pulver können in vorcompoundiertes Farbmaterial oder Farbkonzentrat eingemischt werden. Welches Additiv eingesetzt wird, hängt von der Polymerzusammensetzung, der Substratfarbe, der gewünschten Kontrastfarbe der Beschriftung und den Zertifizierungsanforderungen für den Einsatzzweck ab. Manche Additive enthalten Mischungen aus antimondotiertem Zinnoxid und Antimontrioxid, die der Opazität des natürlichen (ungefärbten) Substrats einen „gräulichen“ Farbton verleihen können. Andere Additive können Aluminiumpartikel, Mischmetalloxide und proprietäre Verbindungen enthalten. Farbanpassungen erfolgen mit Pigmenten und Farbstoffen, um das endgültige Farbabstimmungsergebnis zu erreichen. Handelsübliche, spezifische Additive (die auch für das Laserschweißen verwendet werden) haben die FDA-Zulassung für den Lebensmittelkontakt und den Einsatz in Lebensmittelverpackungen unter den Bedingungen A–H von 21 CFR 178.3297 Colorant for Polymers erhalten. Für die Europäische Union gibt es vergleichbare Konformitätserklärungen. Die Zertifizierungsbedingungen sind spezifisch für Polymertyp, Einsatzkonzentrationsgrenze sowie direkten oder indirekten Kontakt. Eine weitere Qualifizierung von FDA-zugelassenen Additiven, die in ein „Endbauteil“ eingemischt werden, kann die Biokompatibilität von Medizinprodukten erreichen (siehe internationale Norm ISO 10993).

Verarbeitungshinweise

Bei der Dosierung des Laseradditivs und der Farbabstimmungschemie kommt es nicht selten vor, dass ein Fertigprodukt weniger Laseradditiv enthält als rechnerisch vorgesehen. Dieses Problem hängt fast immer mit einer ungleichmäßigen Verteilung während der Extrusion oder des Spritzgießens zusammen. Einfache Anpassungen an der Spritzgießmaschine, etwa eine Erhöhung von Staudruck und Schneckendrehzahl, beheben die meisten Probleme. Eine homogene Verteilung bzw. Dispergierung der Laseradditive im gesamten Bauteil ist entscheidend für eine optimale Beschriftungsleistung. Bei Extrusion, Spritzguss und Thermoformen liefert vorcompoundiertes, vorgefärbtes Material im Vergleich zu Farbkonzentrat eine bessere Gleichmäßigkeit. Manuelles Mischen sollte vermieden werden. Fließverhalten in der Form sowie Anschnittart und -lage sind wichtige Faktoren.

Lasertechnologie

Die Fortschritte in der Lasertechnologie waren entscheidend für die rasche Entwicklung der neuesten Generation FDA-zugelassener Laseradditive. Das Aufkommen von Nanosekunden-Ytterbium-Faserlasern ist einer der bedeutendsten Fortschritte beim Beschriften, Schweißen und Schneiden. Grundsätzlich unterscheiden sich Faserlaser von anderen Festkörper-Beschriftungslasern. Bei Faserlasern ist das aktive Medium, das den Laserstrahl erzeugt, in einem speziellen Glasfaserkabel verteilt. Im Gegensatz zu fasergeführten Lasern verläuft der gesamte Strahlweg bis zur Strahlführungsoptik innerhalb eines Glasfaserkabels.

Faserlaser liefern im Vergleich zu Nd:YAG-Lasern eine überlegene Strahlqualität und Strahldichte. Ein Maß für die Strahlqualität ist M². Je kleiner der M²-Wert, desto besser die Strahlqualität; M² = 1 entspricht dem idealen Gauß-Strahl. Ein Laser mit überlegener Strahlqualität lässt sich auf einen kleinen Spotdurchmesser fokussieren, was zu einer hohen Energiedichte führt. Faserlaser mit fester und variabler Pulsdauer (MOPA), Pulsenergien von bis zu 1 mJ und hoher Leistungsdichte können viele historisch schwer beschriftbare Polymere markieren. Auch Vanadat-Laser besitzen einen kleinen M²-Wert bei kürzerer Pulsbreite als Faserlaser mit fester Pulsdauer und YAG-Laser. Die Pulsdauer beeinflusst das Maß an Wärme und Karbonisierung im Material. Eine (kürzere) Pulsbreite kann bei empfindlichen Polymeranwendungen von Vorteil sein.

IPG Photonics, ein führender Entwickler und Hersteller von Hochleistungs-Faserlasern, bietet sowohl Laser mit fester Pulsdauer (mitunter als „Q-Switch“ bezeichnet) als auch Laser mit variabler Kurzpulsdauer (MOPA) an. Die Anwendungsentwicklung ist stark spezifisch. Welcher Lasertyp integriert wird, richtet sich nach den Ausgangseigenschaften des Lasers im Zusammenspiel mit dem optimierten Polymerwerkstoff. Siehe die folgenden Diagramme mit den zeitlichen Pulsformen von Ytterbium-Faserlasern mit fester und variabler (MOPA) Pulslänge – IPG Photonics.

Bei der Einrichtung eines Faserlasers mit fester Pulslänge für die Beschriftung müssen zwei Eingangsgrößen eingestellt werden.

• Pulswiederholrate (oft als Pulsfrequenz bezeichnet)
• Pumpleistung in Prozent (100 Prozent entsprechen der maximal möglichen elektrischen Eingangsleistung der Pumpdioden)

Bei der Einrichtung eines MOPA-Faserlasers mit variabler Kurzpulsdauer für die Beschriftung werden drei Eingangsgrößen eingestellt.

• Pulsdauer (oft als Pulslänge bezeichnet)
• Pulswiederholrate (Pulsfrequenz)
• Pumpleistung in Prozent (100 Prozent entsprechen der maximal möglichen elektrischen Eingangsleistung der Pumpdioden)

Bei beiden Diagrammen auf der vorherigen Seite bestimmt die jeweilige Kombination der Eingangsparameter die Ausgangseigenschaften des Laserstrahls, nämlich die Pulsenergie, die Spitzenleistung (der höchste Augenblickswert der Pulsenergie, J/Pulsdauer) und die mittlere Leistung (mittlere Leistung in Watt = Pulsenergie in Joule × Pulswiederholrate in Hz).

Nicht alle strahlgelenkten Faser-, Vanadat- und YAG-Laser sind gleich. Die Hardware- und Softwarekomponenten, die ein Laserhersteller in seine Systeme integriert, machen erhebliche Unterschiede bei Beschriftungskontrast, -qualität und -geschwindigkeit aus. Ein zentrales Merkmal ist die Leistungsdichte (Watt/cm²) an der Beschriftungsfläche (die sich von der reinen Ausgangsleistung des Lasers unterscheidet). Der Ausgangsmodus des Laserstrahls ist entscheidend für die Beschriftungsleistung. Diese Ausgangsmoden beeinflussen unter anderem die Strahldivergenz und die Leistungsverteilung über den Durchmesser des Laserstrahls.

Die Leistungsdichte hängt von der Größe des fokussierten Laserspots ab. Die Größe des fokussierten Laserspots ist bei gegebener Brennweite der Linse und gegebener Laserwellenlänge eine Funktion der Strahldivergenz, die durch die Laserkonfiguration, die Größe der modenselektierenden Blende und die Vergrößerung des Strahlaufweiters (Upcollimator) gesteuert wird.

Pulswiederholrate und Spitzenleistungsdichte sind entscheidende Parameter für die Ausbildung der Beschriftung sowie für optimalen Kontrast und optimale Geschwindigkeit. Die rechnerischen Kurven von Leistung über Pulswiederholrate verhalten sich umgekehrt proportional. Eine hohe Spitzenleistung bei niedriger Frequenz erhöht die Oberflächentemperatur schnell und verdampft das Material, während nur minimal Wärme in das Substrat geleitet wird. Mit steigender Pulswiederholrate erzeugt eine geringere Spitzenleistung nur minimale Verdampfung, leitet aber mehr Wärme ein. Weitere Faktoren, die Beschriftungskontrast und -qualität beeinflussen, sind selbstverständlich die Strahlgeschwindigkeit und der Abstand der Vektorlinien.

Fazit

Die neueste Generation FDA-zugelassener Laseradditive, die in Polymere eingearbeitet werden, liefert überlegenen Beschriftungskontrast, präzise Linienkanten und hohe Geschwindigkeit. Die Inline-Beschriftung „im laufenden Prozess“ ersetzt nun Tiefdruck (Rotationsgravur) und Tampondruck. Fortschritte bei erschwinglicher Faserlasertechnologie waren dabei entscheidend. Diese Vorteile gleichen die zusätzlichen Materialkosten für das Additiv schnell aus. Eine optimierte materialwissenschaftliche Chemie für die Laserbeschriftung von Kunststoffen erfordert Fachwissen über Polymere, Farbmittel, Pigmente und Farbstoffe hinsichtlich Löslichkeit, Partikelgrößen, Grenzkonzentrationen, Farbabstimmung und regulatorische Zulassungen (GRAS, FDA-Direkt-/Indirektkontakt mit Lebensmitteln). Nicht alle Laser sind gleich.

Danksagung

• Dr. Tony Hoult, IPG Photonics, „Laser Marking with Fiber Lasers“, Industrial Laser Solutions, September 2012.
• BASF Corporation Mark-it™ Laser Marking Pigment Technical Bulletin 2002, mit fachlichen Beiträgen von The Sabreen Group, Inc.
• Bruce Mulholland (Hoechst Technical Polymers) und Scott Sabreen (The Sabreen Group, Inc.), „Enlightened Laser Marking“, Lasers&Optronics, Juli 1997.
• Daniel S. Burgess, Scott R. Sabreen und Carl Baasel Lasertechnik GmbH, Feature Article, „Laser Marking: A Clean Economical Packaging Solution“, Photonics Spectra, November 2001.

Scott R. Sabreen ist Gründer und Präsident von The Sabreen Group, Inc., einem Ingenieurunternehmen, das auf sekundäre Kunststoffverarbeitung spezialisiert ist – Laserbeschriftung, Oberflächenvorbehandlung, Kleben, Dekoration und Veredelung sowie Produktsicherheit. Sabreen entwickelt seit über 30 Jahren wegweisende Technologien und löst Fertigungsprobleme. Sie erreichen ihn unter 972.820.6777 oder über www.sabreen.com bzw. www.plasticslasermarking.com.

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