Laserbeschriftung glasfaserverstärkter Polymere – die Bedeutung der Spritzgießprozesse

Laserbeschriftung glasfaserverstärkter Polymere – die Bedeutung der Spritzgießprozesse

Die Laserbeschriftung von Kunststoffen bietet zahlreiche Vorteile in einem breiten Spektrum industrieller Anwendungen. Dekorative und funktionale Beschriftungen, die mit dem Laser erzeugt werden, müssen vollständig lesbar sein, etwa Bauteilkennzeichnungen, Schaltpläne, Data-Matrix-Codes und Barcodes. Die Beschriftungsqualität hängt vom Polymer, von Additiven und Farbmitteln, von den Spritzgießprozessen und von der Laserquelle ab. Fehler auf der Oberfläche des gespritzten Polymers, die die Lesbarkeit beeinträchtigen, können Sicherheit, Leistung und Funktion des Produkts beeinflussen. Ein Beispiel sind zugesetzte Glasfasern. Der Zusatz von Glasfasern kann die Spritzgießprozesse nachteilig beeinflussen und damit die Qualität der Laserbeschriftung mindern. Für eine robuste Beschriftung sind harzreiche Bauteiloberflächen erforderlich. Glasfaserreiche Oberflächen liefern schlechtere Ergebnisse.

Das Wichtigste in Kürze

• Der Glasfaseranteil liegt bei ABS, Nylon, Acetal, Polycarbonat, LCP, PBT, PET, PPS, PEEK und PEI typischerweise bei 10–60 %.
• Glasfasern sind keine guten Absorber im nahen Infrarot, daher lassen sich glasreiche Oberflächen per Definition schlecht beschriften.
• Harzreiche Oberflächen sind Voraussetzung, da die Laserenergie mit der Polymermatrix wechselwirken muss.
• Glasaustritt zeigt sich nach Kondensation und Formgebung als weiße Stellen auf der Oberfläche.
• Das Spritzgießen entscheidet über die Beschriftbarkeit – der Fehler entsteht vor dem Laserprozess und muss deshalb dort behoben werden.

Häufig gestellte Fragen

Was ist Glasaustritt?

Ein gravierender Oberflächenfehler bei glasfaserverstärkten Spritzgussprodukten, bei dem sich beim Füllen der Schmelze und beim Formen überschüssiges Glas an der Oberfläche anreichert. Nach Kondensation und Formgebung erscheinen weiße Stellen auf der Oberfläche, und die freiliegenden Fasern erzeugen eine glasfaserreiche Oberfläche, die sich schlecht beschriften lässt.

Warum lassen sich glasreiche Oberflächen so schlecht beschriften?

Weil Glasfasern Laserlicht im nahen Infrarot nur schlecht absorbieren. Für die Beschriftung muss die Laserenergie mit der Polymermatrix wechselwirken, daher müssen die Oberflächen harzreich sein. Das Problem verschärft sich mit steigendem Fasergehalt.

Welche Polymere enthalten häufig Glasfasern?

ABS, Nylon, Acetal, Polycarbonat, Flüssigkristallpolymer, PBT, PET, PPS, PEEK und PEI. Die Füllgrade variieren, liegen aber typischerweise zwischen 10 und 60 %.

Woraus besteht Glasfaser eigentlich?

Aus Quarzsand (Siliciumdioxid), Kalkstein und Soda. Siliciumdioxid bildet das Glas selbst, während Soda und Kalkstein bei der Herstellung die Schmelztemperatur senken.

Welche Oberflächenmechanismen erzeugen eine Beschriftung?

Drei: Schwarzbeschriftung durch Karbonisierung, Weißbeschriftung durch Schaumbildung und Farbänderung durch laserinduzierte thermochemische Reaktionen in pigmentierten Polymeren. Welcher Mechanismus auftritt, hängt von der absorbierten Energie und dem materialspezifischen thermischen Abbauweg ab.

Glasfasern

Wenn ein Standardkunststoff für höhere strukturelle Leistungsfähigkeit ertüchtigt werden soll, werden Glasfasern zugesetzt. Die Festigkeitssteigerung beruht darauf, dass das schwächere Polymer die Lastspannungen auf die stärkeren Verstärkungsfasern überträgt. Zur Herstellung von Glasfasern dienen Quarzsand, Kalkstein und Soda. Quarzsand ist der Hauptrohstoff für das Glas, während Soda und Kalkstein die Schmelztemperatur senken.

Glasfasern werden häufig ABS, Nylon, Acetal, Polycarbonat, Flüssigkristallpolymer (LCP), PBT, PET, PPS, PEEK und PEI zugesetzt. Die Füllgrade variieren, liegen aber typischerweise zwischen 10 und 60 %. Es gibt zwei Arten von Glasverstärkung – Kurzfasern und Langfasern –, die jeweils Vor- und Nachteile haben.

Oberflächenfehler durch Glasaustritt

„Glasaustritt“ ist ein gravierender Oberflächenfehler, der glasfaserverstärkte Spritzgussprodukte häufig betrifft. Das Freilegen der Glasfasern führt zu einer glasfaserreichen Oberfläche. Überschüssiges Glas bildet sich beim Füllen der Kunststoffschmelze und beim Formen an der Oberfläche. Nach Kondensation und Formgebung erscheinen weiße Stellen auf der Oberfläche (siehe Foto 1).

Die Oberflächen der Formteile müssen „harzreich“ sein, um eine hochwertige Beschriftung zu erzielen, bei der die Laserenergie mit der Polymermatrix wechselwirkt. Umgekehrt lassen sich glasfaserreiche Oberflächen schlecht beschriften, und das Problem verschärft sich mit höherem Fasergehalt. Glasfaser selbst ist kein guter Absorber für Laserlicht im nahen Infrarot (NIR).

Die Bedeutung korrekter Spritzgießprozesse kann gar nicht hoch genug eingeschätzt werden. Tabelle 1 listet neben dem Glasaustritt weitere Oberflächenfehler auf, welche die Qualität von Laserbeschriftungen beeinträchtigen können.

Mechanismen der Laserbeschriftung von Polymeren

Bei NIR-Lasern mit Strahlablenkung und einer Wellenlänge von 1060–1070 nm besteht der Beschriftungsmechanismus darin, das Polymer mit einer lokalen hochenergetischen Strahlungsquelle (Laser) zu bestrahlen. Als Laserquellen dienen Ytterbium-Faserlaser, Vanadat- und YAG-Laser. Die Strahlungsenergie wird anschließend vom Material absorbiert und in thermische Energie umgewandelt, wodurch Reaktionen im Material ausgelöst werden. Oberflächenmechanismen für die Farbänderung sind: 1) Schwarzbeschriftung durch Karbonisierung, 2) Weißbeschriftung durch Schaumbildung und 3) Farbänderungen durch laserinduzierte thermochemische Reaktionen pigmentierter Polymere. Die Beschriftungsqualität hängt von der absorbierten Energie und dem materialspezifischen thermischen Abbauweg ab. Jede Polymertype, selbst innerhalb derselben Polymerfamilie, kann unterschiedliche Ergebnisse liefern.

Für eine hochwertige Beschriftung ist die homogene Verteilung/Dispergierung von Farbmitteln und Additiven ebenso entscheidend wie harzreiche Oberflächen. Um festzustellen, ob Verteilungs- oder Dispergierprobleme vorliegen, empfiehlt es sich, den Laser so einzustellen, dass er kontinuierlich über die gesamte Bauteiloberfläche beschriftet bzw. scannt. Siehe Foto 2.

Das Ergebnis zeigt (von links nach rechts) einen gespritzten Stift mit hervorragender Beschriftung in Gold auf Schwarz (links), zwei mittlere Bilder mit schlechter Farbverteilung und ganz rechts eine hervorragende, gleichmäßige Verteilung.

Da die meisten Polymere ohne chemische Additive keine NIR-Absorption besitzen, setzen Fachleute Additive, Füllstoffe, Pigmente und Farbstoffe ein, um die Absorption der Laserenergie zu verbessern. Je nach gewünschtem Beschriftungskontrast und gewünschter Funktionalität kommen sehr unterschiedliche Rezepturchemien und Laseroptik-/Einstellparameter zum Einsatz. Laseradditive optimieren den Kontrast und erhöhen die Beschriftungsgeschwindigkeit erheblich. Sowohl Granulat als auch Pulver lassen sich in vorcompoundiertes Farbmaterial oder Farbkonzentrat einmischen. Vorcompoundierte, eingefärbte Materialien liefern eine gleichmäßigere Beschriftung als Farbkonzentrat. Die Wahl des Additivs richtet sich nach der Polymerzusammensetzung, der Substratfarbe, der gewünschten Kontrastfarbe der Beschriftung und den Zertifizierungsanforderungen der Endanwendung.

Lasersysteme zur Beschriftung sind hochgenau und wiederholbar. Sobald der Prozess eingerichtet ist, bringt der Laser exakt dieselbe Ausgangsenergie präzise und wiederholt auf. Daher führen Oberflächenfehler zu Ungleichmäßigkeiten in der Beschriftung.

Eine anspruchsvolle Anwendung ist das Erzielen eines robusten Weißkontrasts auf blauem und schwarzem Polyamid (Nylon) mit 30 % Glasfaseranteil. Siehe Foto 3.

Pulsfrequenz und Spitzenleistungsdichte des Lasers sind entscheidende Parameter bei der Ausbildung der Beschriftung und für optimalen Kontrast und optimale Geschwindigkeit. Die arithmetischen Kurven von Leistung über Pulsfrequenz verlaufen umgekehrt proportional.

Hohe Spitzenleistung bei niedriger Frequenz erhöht die Oberflächentemperatur rasch und verdampft das Material, wobei nur minimal Wärme in das Substrat geleitet wird. Mit steigender Pulsfrequenz erzeugt eine geringere Spitzenleistung nur minimale Verdampfung, leitet aber mehr Wärme ein. Weitere Einflussfaktoren auf Beschriftungskontrast und -qualität sind Pulsbreite, Fokusabstand, Strahlgeschwindigkeit und der Abstand der Vektorlinien.

Fazit

Zusammenfassend ist die Laserbeschriftung von Kunststoffen ein hervorragendes Verfahren. Die Beschriftungsqualität hängt von der Polymermatrix, von Additiven und Farbmitteln, vom Spritzgießprozess und von der Laserquelle ab. Oberflächenfehler am gespritzten Polymer, die die Lesbarkeit beeinträchtigen, können Sicherheit, Leistung und Funktion des Produkts beeinflussen. Glasaustritt ist eine Art von Oberflächenfehlern beim Spritzgießen, die die Beschriftungsqualität nachteilig beeinflusst. Harzreiche Bauteiloberflächen und eine gleichmäßige Dispergierung/Verteilung sind entscheidend für eine robuste Laserbeschriftung.

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

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