Faserlaser-Beschriftung von Nylon-(Polyamid-)Kunststoffen

Faserlaser-Beschriftung von Nylon-(Polyamid-)Kunststoffen

Die Nachfrage nach kontrastreicher Laserbeschriftung von Produkten aus Nylon (Polyamid) wächst wegen der breiten industriellen Einsatzmöglichkeiten rasant. Zu den funktionalen und dekorativen Beschriftungen zählen alphanumerische Kennzeichnung, Data-Matrix-/QR-Vision-Codes, Schaltbilder und Mikrostrukturen.

Polyamide, einschließlich Polyphthalamide (PPA), gehören wegen ihrer vielfältigen Materialeigenschaften, Verarbeitungsbedingungen und Laserkonfigurationen zu den am schwierigsten laserbeschriftbaren Polymeren. Smart-Additive für Nahinfrarot-Laser lösen Kontrastprobleme und erhöhen die Beschriftungsgeschwindigkeit (kürzere Zykluszeit), ohne die Materialeigenschaften zu beeinträchtigen.

Dieser Beitrag vermittelt ein Verständnis von Nylons, chemischen Additiven und Faserlasern, um kontrastreiche Farbbeschriftung und wirtschaftliche Laserbeschriftungsprozesse zu erreichen.

Wichtigste Erkenntnisse

• Polyamide einschließlich PPA gehören wegen ihrer vielfältigen Eigenschaften, Verarbeitungsbedingungen und Laserkonfigurationen zu den am schwierigsten beschriftbaren Polymeren.
• Kontrast ist nicht nur ein Farbumschlag – auch variable Lichtbeugung trägt dazu bei, neben Feinlinienauflösung und Schärfe.
• Die Substratfarbe ist selbst eine Variable, da Ruß, TiO2 und Flammschutzmittel Laserlicht unterschiedlich absorbieren.
• Faserlaser fokussieren auf unter 20 Mikrometer und liefern damit die hohe Energiedichte, die eine feine Nylonbeschriftung erfordert.
• MOPA mit 20–50 ns ist das wirksame Fenster für überlegenen Farbkontrast auf den meisten Polymeren.

Ein grundlegender Parameter zur Beschreibung der Beschriftungsqualität ist der Farbkontrast zwischen der beschrifteten Fläche und dem Substrat. Für den Farbumschlag mit NIR-Lasern, darunter Ytterbium-Faserlaser, Vanadat-Laser (Nd:YVO4) und Nd:YAG-Laser, gibt es drei Oberflächenmechanismen: 1) schwarze Beschriftung durch Karbonisierung, 2) weiße Beschriftung durch Schaumbildung und 3) Farbänderungen durch laserinduzierte thermisch-chemische Reaktionen pigmentierter Polymere¹. Zu den gefragtesten Kontrastfarben gehören deckendes Weiß auf Schwarz, tiefes Schwarz auf Weiß und deckendes Weiß auf mittlerem Blau. Diese Farbkombinationen erfordern häufig chemische Additive. Additive verbessern den Grad des Farbkontrasts (Absorption von Laserlicht), der durch optimale Laserauswahl und Beschriftungsparameter weiter verstärkt wird.

Häufig gestellte Fragen

Was macht Nylon schwer laserbeschriftbar?

Polyamide, einschließlich Polyphthalamide, haben vielfältige Materialeigenschaften, Verarbeitungsbedingungen und Laserkonfigurationen, und wie die meisten Polymere absorbieren sie Laserlicht von Natur aus nicht – was den Farbumschlag verhindert, der eine Beschriftung bildet. Laserverstärkende Additive lösen die Probleme bei Kontrast, Geschwindigkeit und Dauerhaftigkeit.

Wie wird die Beschriftungsqualität über den Kontrast hinaus beurteilt?

Anhand der Wiedergabetreue – Feinlinienauflösung und Schärfe. Der Kontrast selbst wird nicht immer allein durch Farbumschlag erzielt, da auch variable Lichtbeugung dazu beiträgt; daher müssen beide Aspekte gemeinsam bewertet werden.

Beeinflusst die Farbe des Nylons die Beschriftung?

Ja. Die Substratfarbe ist ein echter Faktor, denn Verbindungen wie Ruß, Titandioxid und Flammschutzmittel besitzen jeweils unterschiedliche Grade der Laserlichtabsorption, was das Verhalten des Materials verändert.

Warum haben Ytterbium-Faserlaser für diese Aufgabe den YAG-Laser abgelöst?

Sie kamen etwa 2010 in den industriellen Beschriftungsmarkt und bieten eine überlegene Strahlqualität und hohe Strahldichte, mit einer Fokussierung auf einen Spot von unter 20 Mikrometern für hohe Energiedichte. Zudem sind sie vielseitig, kosteneffizient und praktisch Plug-and-play mit nahezu null Wartung.

Welcher Pulsbreitenbereich funktioniert am besten?

MOPA-Faserlaser mit variabler Kurzpulsdauer im Bereich von 20 bis 50 ns sind außerordentlich wirksam, um auf den meisten Polymeren, Nylons eingeschlossen, überlegenen Farbkontrast zu erzielen. Güteschalter-Faserlaser mit 100 bis 150 ns sind auf eine Wiederholrate von etwa 80 kHz begrenzt.

Was ist Nylon (Polyamid)?

Polyamide bzw. Nylon sind die große Klasse technischer und Hochleistungs-Thermoplaste mit wiederkehrenden Amidbindungen, d. h. –CO-NH–. Sie entstehen durch Kondensation gleicher Einheiten, Copolymere aus unterschiedlichen Einheiten. Nylon wird durch Polykondensation einer Disäure mit einem Diamin oder durch ringöffnende Polymerisation von Lactamen mit sechs, 11 oder 12 Kohlenstoffatomen hergestellt². Nylon-Monomere können aliphatisch, teilaromatisch oder aromatisch (Aramide) sein, und die Struktur kann von amorph über teilkristallin bis zu mehr oder weniger stark kristallin reichen.

Die aliphatischen Polyamide werden in deutlich größerem Maßstab hergestellt als die vollaromatischen Polyamide und gehören zu den wichtigsten Klassen technischer Thermoplaste. Beim Spritzgießen sind sie amorph oder nur mäßig kristallin – so etwa Nylon mit 20 % Glasfaseranteil und matter Oberflächenstruktur, bei dem sich der Farbkontrast der Laserbeschriftung zeigt –, der Kristallinitätsgrad kann jedoch erhöht werden.

Zwei wichtige Polyamide sind Poly(hexamethylenadipamid) (Nylon 6,6) und Polycaprolactam (Nylon 6). Weitere aliphatische Polyamide sind Nylon 12, 69, 6-10, 6-12, 46 und 1212. Nylon 11 ist ein biobasierter technischer Kunststoff, der aus nachwachsenden Rohstoffen (Rizinuspflanzen) gewonnen wird.

Zu den teilaromatischen, teilkristallinen Polyamiden, die durch Kondensation aliphatischer Amide entstehen, zählen PA 6T und PA 6I. Teilaromatische Polyamide sind häufig eine kosteneffiziente Alternative zu den teureren vollaromatischen Aramiden. Aromatische Polyamide, sogenannte Aramide, haben eine höhere Festigkeit, bessere Lösungsmittel-, Flammen- und Hitzebeständigkeit und eine größere Dimensionsstabilität als aliphatische Amide. Ein allgemein bekanntes aromatisches Amid ist Kevlar, Poly(p-phenylenterephthalamid).

Polyamide, einschließlich Polyphthalamide (PPA), gehören wegen ihrer vielfältigen Materialeigenschaften, Verarbeitungsbedingungen und Laserkonfigurationen zu den am schwierigsten laserbeschriftbaren Polymeren.

Polyphthalamid (PPA) ist eine Untergruppe thermoplastischer Kunstharze in der Familie der Polyamide (Nylon), definiert dadurch, dass 55 % oder mehr der Mole des Carbonsäureanteils der Wiederholeinheit in der Polymerkette aus aromatischen Säuren bestehen. PPA ist teilaromatisch und teilkristallin. PPAs schließen die Leistungslücke zwischen aliphatischen Nylons wie PA6,6 und PA6 und den sehr viel teureren Polyaramiden.

„Smart“-Additive

Ein Parameter zur Beschreibung der Beschriftungsqualität ist der Farbkontrast zwischen der beschrifteten Fläche und dem Hintergrund. Kontrast wird nicht immer allein durch den Farbumschlag erzielt, sondern kann auch durch variable Lichtbeugung entstehen.

Ebenso wichtig ist die Beschriftungsqualität bzw. Wiedergabetreue, d. h. Feinlinienauflösung oder Schärfe. Viele Polymere, darunter Nylons, absorbieren Laserlicht von Natur aus nicht, was den Farbumschlag verhindert. Laserverstärkende chemische Additive verbessern Beschriftungskontrast, -geschwindigkeit und -dauerhaftigkeit erheblich (siehe Bild 1). Die Substratfarbe ist ein Faktor, da Verbindungen wie Ruß, TiO2 und Flammschutzmittel Laserlicht in unterschiedlichem Maß absorbieren.

Laseradditive werden als Pellet-Granulat und in Pulverform geliefert. Granulate werden direkt mit dem Polymerharz gemischt, während Pulverformen zu Masterbatch verarbeitet werden. Die Einsatzkonzentration (Gewichtsanteil im Endbauteil) liegt typischerweise zwischen 0,01 und 3,0 %. Eine homogene Verteilung bzw. Dispergierung der Laseradditive im gesamten Bauteil ist entscheidend für einen optimalen Farbkontrast.

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. Bestimmte Additive haben die FDA-Zulassung für den Lebensmittelkontakt und den Einsatz in Lebensmittelverpackungen unter den Bedingungen A–H von 21 CFR 178.3297 Colorants for Polymers erhalten¹.

Ytterbium-Faserlaser

NIR-Ytterbium-Faserlaser kamen etwa 2010 in den industriellen Beschriftungsmarkt und lösten die traditionellen YAG-Laser ab. Faserlaser besitzen eine überlegene Strahlqualität (M²) und hohe Strahldichte und lassen sich auf einen kleinen Spotdurchmesser (unter 20 Mikrometer) fokussieren, was zu einer hohen Energiedichte führt. Faserlaser sind äußerst vielseitig, kosteneffizient und Plug-and-play mit nahezu null Wartung.

Nanosekunden-Faserlaser mit fester Pulsdauer (Güteschaltung) und variabler Pulsdauer (MOPA) werden von mehreren Laserherstellern angeboten, darunter IPG Photonics und SPI Lasers. Güteschalter-Faserlaser mit typischerweise 100 bis 150 ns Pulsbreite werden für einige Polymerbeschriftungsanwendungen eingesetzt, doch ihre Wiederholrate ist wegen der prinzipiellen Einschränkung der Güteschalttechnik auf etwa 80 kHz begrenzt.

Direkt modulierte MOPA-Faserlaser (DM-MOPA) arbeiten bei Nanosekunden-Pulsbreiten mit Wiederholraten von bis zu 500 kHz. Die Pulsbreite [ns] ist ein Maß für die Zeit zwischen Beginn und Ende des Pulses, in der Regel bezogen auf die Halbwertsbreite (FWHM) der Pulsform.

Hohe Wiederholraten bedeuten in der Regel eine höhere Beschriftungsgeschwindigkeit (im Zusammenspiel mit anderen Laser-/Pulsformparametern). Es gibt erhebliche Unterschiede bei den Pulsformen und beim Grad der Oberflächenkarbonisierung³ (siehe Bild 1).

Die lokale räumliche und zeitliche Steuerung der Laserwärmeeinbringung und der Einbringungsrate ermöglicht maximale Leistung. Bei temperaturempfindlichen Polymeren sind MOPA-Faserlaser mit variabler Kurzpulsdauer besonders wirksam, um hohen Kontrast ohne übermäßige Karbonisierung zu erzielen.

Auf klaren Kunststoffen ist für medizinische Anwendungen eine Beschriftung unter der Oberfläche möglich. Im Allgemeinen erzeugen MOPA-Laser Pulsbreiten (Pulsdauern) von 1 ns bis 250 ns (und mehr). The Sabreen Group hat 20 ns bis 50 ns als idealen Bereich für optimalen Farbkontrast bei vielen Polymeranwendungen, darunter Nylons, festgestellt.

Bei kosmetischem und funktionalem Beschriftungskontrast machen Laseradditive einen entscheidenden Unterschied, wenn für Data-Matrix-Codes und Barcodes in der Direktbeschriftung von Bauteilen (DPM) hohe Auflösung, Linienkantenqualität und kleine Datenzellen erforderlich sind. Je länger die Datenfolge, desto dichter werden die Datenzellen gepackt.

Für Produkte aus Militär, Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie und Pharma wird häufig eine Verifizierung nach Grad „A“ verlangt. Die Lesbarkeit kontrastreicher Codes bietet weitere Vorteile – höhere Beschriftungsgeschwindigkeiten und kostengünstige Handlesegeräte, die in der gesamten Fabrik eingesetzt werden können.

Fazit

Polyamide gehören zu den am schwierigsten laserbeschriftbaren Polymeren. Smart-Laseradditive lösen Kontrastprobleme, erhöhen die Beschriftungsgeschwindigkeit und sparen Kosten. Für Data-Matrix-Codes und Barcodes in der Direktbeschriftung von Bauteilen (DPM) bringen Laseradditive entscheidende Verbesserungen. MOPA-Faserlaser mit variabler Kurzpulsdauer im Bereich von 20 ns bis 50 ns sind außerordentlich wirksam, um auf den meisten Polymeren überlegenen Farbkontrast zu erzielen.

Literatur

1. Sabreen, S. Fiber Lasers: Selection and Additives, Plastics Decorating, November 2017. 2. Polyamide (PA) Nylon Complete Guide, SpecialChem 2019. 3. Brodsky, M. Wave Forms: A New Laser Tool, Optics & Photonics, März 2012.

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

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