Faserlaser: Auswahl und Additive

Faserlaser: Auswahl und Additive

Anmerkung der Redaktion: In diesem Technologiebeitrag behandelt Scott Sabreen zwei Themen rund um Faserlaser: die Auswahl des Faserlasertyps für die Beschriftung von Kunststoffen und die Verbesserung des Beschriftungskontrasts durch den Einsatz von Additiven.

Wichtigste Erkenntnisse

• Faserlaser unterscheiden sich grundlegend von anderen DPSS-Lasern – das aktive Medium ist im Glasfaserkabel selbst verteilt.
• Die All-Faser-Struktur erklärt ihre Zuverlässigkeit und Robustheit und damit ihr rasches Wachstum.
• Güteschalter-Laser (Q-Switch) sind bei einer Pulsbreite von 100–120 ns auf etwa 80 kHz begrenzt – eine technologiebedingte Einschränkung.
• DM-MOPA erreicht bei Nanosekunden-Pulsbreiten 500 kHz, was in der Regel schnellere Beschriftung bedeutet.
• Es gibt keine universelle Laserlösung. Die Anwendungsentwicklung ist stark materialspezifisch.

Häufig gestellte Fragen

Was unterscheidet einen Faserlaser von anderen Festkörperlasern?

Das aktive Medium, das den Strahl erzeugt, ist in einem speziellen Glasfaserkabel verteilt, und anders als bei fasergeführten Lasern verläuft der gesamte Strahlweg bis zur Strahlführungsoptik innerhalb dieses Kabels. Diese All-Faser-Struktur ist maßgeblich für ihre Zuverlässigkeit und Robustheit verantwortlich.

Festimpuls oder MOPA – was sollte ich wählen?

Das hängt vom Material ab. Festimpuls-Laser mit Güteschaltung (100 bis 120 ns) werden für einige Beschriftungsanwendungen genutzt, sind aber technologiebedingt auf eine Wiederholrate von etwa 80 kHz begrenzt. Direkt modulierte MOPA-Laser erreichen bei Nanosekunden-Pulsbreiten bis zu 500 kHz, was in der Regel schnellere Beschriftung bedeutet.

Bedeutet eine höhere Wiederholrate immer schnellere Beschriftung?

In der Regel ja, aber nur im Zusammenspiel mit den übrigen Laser- und Lichtleiterparametern. Die Wiederholrate allein bestimmt den Durchsatz nicht – Pulsenergie, Spitzenleistung, Strahlgeschwindigkeit und das Materialverhalten tragen alle dazu bei.

Gibt es einen einzigen besten Laser für Kunststoffe?

Nein. Die Anwendungsentwicklung ist stark spezifisch, und welcher Lasertyp integriert wird, richtet sich danach, wie die Ausgangseigenschaften des Lasers mit dem optimierten Polymerwerkstoff zusammenwirken. Material und Laser müssen gemeinsam ausgewählt werden.

Wie verändern Additive, was ein Faserlaser beschriften kann?

Sie verbessern den Kontrast, der sich dann über die Laser-Einstellparameter weiter verstärken lässt. Polymere neigen von Natur aus zu dunklem oder hellem Kontrast, und selbst Sorten derselben Familie liefern unterschiedliche Ergebnisse, weshalb das Additiv auf die jeweilige Sorte abgestimmt wird.

Auswahl eines Faserlasers zur Beschriftung von Kunststoffen – welcher Laser ist der beste?

Nanosekunden-Ytterbium-Faserlaser gehören zu den bedeutendsten Fortschritten beim Beschriften, Schweißen und Schneiden. Grundsätzlich unterscheiden sich Faserlaser von anderen diodengepumpten Festkörper-Beschriftungslasern (DPSS). 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. Diese All-Faser-Struktur ist maßgeblich für die Zuverlässigkeit und Robustheit dieser Laser verantwortlich, was ihr rasches Wachstum erklärt.

Welcher Faserlasertyp – Festimpuls oder MOPA – eignet sich am besten für die Beschriftung von Kunststoffen?

IPG Photonics, ein führender Entwickler und Hersteller von Hochleistungs-Faserlasern, bietet sowohl Festimpuls-Laser der YLP-Serie (mitunter als „Q-Switch“ bezeichnet) als auch Laser mit variabler Kurzpulsdauer YLPN (MOPA) an. Güteschalter-Faserlaser mit typischerweise 100 bis 120 ns Pulsbreite werden für einige Beschriftungsanwendungen eingesetzt, doch ihre Wiederholrate ist wegen der prinzipiellen Einschränkung der Güteschalttechnik auf etwa 80 kHz begrenzt. Direkt modulierte MOPA-Faserlaser (DM-MOPA) können bei Nanosekunden-Pulsbreiten mit Wiederholraten von bis zu 500 kHz arbeiten. Hohe Wiederholraten bedeuten in der Regel eine höhere Beschriftungsgeschwindigkeit (im Zusammenspiel mit anderen Laser-/Lichtleiterparametern).

Die Anwendungsentwicklung ist stark spezifisch, und es gibt keine universelle Laserlösung. MOPA-Laser mit kurzer Pulsdauer können die Leistungsfähigkeit empfindlicher chemischer Additive in Polymeren voll ausschöpfen. Die lokale räumliche und zeitliche Steuerung der Laserwärmeeinbringung und der Einbringungsrate ermöglicht maximale Leistung.

Welcher Lasertyp integriert wird, richtet sich nach den Ausgangseigenschaften des Lasers im Zusammenspiel mit dem optimierten Polymerwerkstoff. Abbildung 2 zeigt die zeitlichen Pulsformen von Ytterbium-Faserlasern mit fester und variabler (MOPA) Pulsdauer.

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

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

• Pulswiederholrate (oft als Pulsfrequenz bezeichnet) und
• 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) und
• Pumpleistung in Prozent, wie oben erläutert.

Laseradditive für die Kunststoffbeschriftung mit Faserlasern

Nahinfrarot-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 können gegenüber nicht optimierten Materialien 20 Prozent und höhere Beschriftungsgeschwindigkeiten zeigen. 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 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. 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. Eine homogene Verteilung bzw. Dispergierung der Laseradditive im gesamten Bauteil ist entscheidend für eine optimale Beschriftungsleistung.

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 – Colorants 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.

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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