Oberflächenvorbehandlung und individuelle Tinten für den Tintenstrahldruck auf Kunststoffen und Folien

Oberflächenvorbehandlung und individuelle Tinten für den Tintenstrahldruck auf Kunststoffen und Folien

Digitale Druck- und Beschriftungstechnologien wie Laserbeschriftung auf Kunststoffen und Tintenstrahldruck bieten Herstellern enorme Vorteile gegenüber traditionellen analogen Verfahren wie Tampondruck, Heißprägen oder Siebdruck. Der Digitaldruck ermöglicht vollständig individualisierte Produkte, eindeutige alphanumerische Bauteilkennzeichnung, Produktsicherheit, Serialisierung, Barcodes und 2D-Codes, Logos, Grafiken und vieles mehr. Diese Fähigkeiten sind für die heutige digitale, interaktive Welt unverzichtbar. Ein Nebeneffekt ist die Möglichkeit, montierte Produkte am Ende der Fertigung zu bedrucken, was Kosten spart und die Bestandssteuerung verbessert. Dieser Artikel untersucht zwei digitale Druck- bzw. Beschriftungsverfahren: den mehrfarbigen piezoelektrischen Drop-on-Demand-Tintenstrahldruck und die Faserlaserbeschriftung mit Strahlablenkung. Der piezoelektrische Drop-on-Demand-Tintenstrahldruck (DOD) und der Faserlaser sind moderne Technologien, die zahllose Vorteile für die Produktindividualisierung (und die kundenindividuelle Massenfertigung) bieten.

Piezoelektrischer DOD-Tintenstrahldruck und Faserlaserbeschriftung mit Strahlablenkung sind beides digitale, berührungslose Verfahren. Viele Hersteller haben bereits erkannt, wie wertvoll es ist, beide Technologien anzubieten, um individuelle Druckanforderungen auf unterschiedlichen polymeren Substraten zu erfüllen. Aufgrund der Vielfalt der Anwendungsanforderungen lässt sich keine der beiden Technologien pauschal als besser oder schlechter einstufen. Die Entscheidung, welches Verfahren (Tintenstrahl oder Laser) für eine bestimmte Anwendung vorzuziehen ist, mag zunächst einfach erscheinen. Werden beispielsweise eine oder mehrere (individuelle) Farben für den Druck auf weißem, glasfaserverstärktem Nylon benötigt, wählt man den Tintenstrahldruck. Wird dagegen ein dauerhafter, tiefschwarzer Kontrast auf weißem Nylon verlangt, wählt man die Laserbeschriftung. In der Praxis haften Tintenstrahltinten jedoch ohne spezielle Tinte und Vorbehandlung nur schlecht auf Nylon (und den meisten Polymeren mit niedriger Oberflächenenergie). Um auf weißem Nylon (und vielen anderen hellen Polymeren) schwarzen Kontrast zu erzielen, sind Laseradditive erforderlich.

Robuste Beschriftungs- und Drucklösungen erfordern eine präzise Abstimmung von Tinten- bzw. Laserchemie, Polymer-Oberflächenwissenschaft, Prozessdesign und Anlagentechnik. Zu oft entscheiden sich Unternehmen für generische „Standardanlagen“, die nicht die geforderten Ergebnisse liefern. Deshalb gewinnt der ganzheitliche Lösungsansatz („Total Solution“) bei Tintenstrahldruck und Laserbeschriftung als Leitfaden für Systembeschaffung und Prozessoptimierung große Bedeutung.

Das Wichtigste in Kürze

• Tintenstrahl und Laser ergänzen sich, sie konkurrieren nicht. Keines der beiden Verfahren ist grundsätzlich besser; die Anwendung entscheidet.
• Tintenhaftung ist ein Problem der Oberflächenenergie. Die Oberflächenenergie des Substrats sollte etwa 10 dyn/cm über der Oberflächenspannung der Tinte liegen.
• Die UV-LED-Härtung hat Quecksilberlampen verdrängt: sofortiges Ein- und Ausschalten, über 20.000 Stunden Lebensdauer, keine IR-Erwärmung und deutlich weniger Ozon.
• Die Laserbeschriftung benötigt Additive, da die meisten Polymere selbst keine Absorption im nahen Infrarot besitzen.
• Standardanlagen sind die häufigste Fehlerquelle. Insbesondere der Tintenstrahldruck erfordert die Integration von Druckkopf, Tinte, Härtung, Vorbehandlung und Handhabung.

Häufig gestellte Fragen

Sollte ich für Kunststoffteile den Tintenstrahldruck oder die Laserbeschriftung wählen?

Tintenstrahl, wenn Sie eine oder mehrere Farben benötigen; Laser, wenn Sie dauerhafte, kontrastreiche einfarbige Beschriftungen ohne Verbrauchsmaterialien wünschen. In der Praxis ist die Entscheidung selten so einfach: Tintenstrahltinten haften ohne spezielle Tinte und Vorbehandlung nicht auf Nylon und anderen Kunststoffen mit niedriger Oberflächenenergie, und die Laserbeschriftung benötigt Additive, um auf hellen Polymeren Kontrast zu erzielen.

Warum haftet UV-Tintenstrahltinte nicht auf meinen Kunststoffteilen?

Wegen der Oberflächenenergie. UV-Tinten haben eine niedrige Oberflächenspannung von rund 25 dyn/cm, und die meisten technischen Kunststoffe sind chemisch inert, nicht porös und weisen eine niedrige Oberflächenenergie auf. Eine akzeptable Haftung setzt in der Regel voraus, dass das Substrat etwa 10 dyn/cm über der Tinte liegt. Die Oberflächenvorbehandlung schließt diese Lücke.

Welche Vorteile hat die UV-LED-Härtung gegenüber Quecksilberlampen?

UV-LEDs emittieren in einem schmalen Band um 395 nm, sodass fast die gesamte Energie für die Photoinitiierung nutzbar ist. Sie schalten sofort ein und aus, halten mit über 20.000 Stunden etwa zehnmal länger als eine UV-Lampe, strahlen kein Infrarot ab, was für wärmeempfindliche Kunststoffe geeignet ist, und erzeugen deutlich weniger Ozon.

Was ist Graustufen-Tintenstrahldruck und warum ist er wichtig?

Der Standard-Tintenstrahldruck ist binär: Jeder Pixel erhält entweder einen Tropfen oder keinen. Graustufen-Druckköpfe stoßen mehrere kleine Tropfen so schnell aus, dass sie sich zu einem einzigen Punkt vereinen; fortschrittliche Köpfe bieten acht Stufen. Das Ergebnis ist eine spürbar höhere scheinbare Auflösung bei gleicher nativer Kopfauflösung.

Warum versagen Standard-Tintenstrahlsysteme auf Kunststoffen häufig?

Weil kein einzelner Hersteller alle Komponenten liefert. Ein funktionierendes System integriert Druckkopf, Ansteuerelektronik, Tinten, Teilehandhabung, Bewegungssteuerung, Härtungsstrahler und Dateiprotokoll-Software. Anders als beim Tampon- oder Siebdruck gibt es kein vollständiges Komplettpaket, sodass die Kompatibilität der Komponenten technisch abgestimmt werden muss.

Piezoelektrische „Drop-on-Demand“-UV-LED-Tintenstrahltechnologie

Der Tintenstrahldruck ist ein berührungsloses Computer-to-Print-Verfahren, bei dem Tintentröpfchen in einem regelmäßigen x-y-Pixelraster, das aus einer digitalen Datei abgeleitet wird, auf ein Substrat geschleudert werden. Die wichtigsten Systemkomponenten sind eine Druckkopfbaugruppe, Ansteuerelektronik für die Druckköpfe, UV-Tinten, ein Härtungsstrahler und eine bewegungsgesteuerte Teilehandhabung.

Die Grundkomponente ist der Druckkopf (Abbildung 2). Er verfügt über einen Tintenvorrat und eine Vielzahl kleinvolumiger Tintenkammern mit kreisrunden Düsen, aus denen die Tröpfchen ausgestoßen werden. Die Düsen sind linear und senkrecht zur Bewegungsrichtung angeordnet. Jeder Kopf kann eine bis fünf Düsenreihen mit jeweils 128, 256, 512 oder 768 Düsen besitzen. Jede Farbe hat ihren eigenen Tintenvorrat und ihre eigenen Druckköpfe. Im vorgesehenen Drucker fahren die Druckköpfe hin und her (x-Richtung), während die Teile bei jedem Durchgang schrittweise weitergeführt werden (y-Richtung). Schrittweite und Düsenabstand sind aufeinander abgestimmt (Abbildung 1). Bei häufigerem Ansteuern und kleineren Schritten kann der effektive Pixelabstand deutlich enger sein als der Düsenabstand. Ein Kopf mit 300 dpi kann beispielsweise mit 300×300, 300×600 und so weiter bis zu 2400×2400 Punkten pro Zoll drucken. Der normale Druck ist binär: An jeder Position gibt es entweder einen Tropfen oder keinen. Hochwertige Technologie bietet Graustufen, das heißt, das Tintenvolumen jedes Punktes kann gezielt variiert werden.

Aufbau des piezoelektrischen DOD-Druckkopfs

Beim piezoelektrischen Drop-on-Demand-Tintenstrahldruck verformt sich das Piezokeramikmaterial und verändert dadurch das Tintenvolumen in der Druckkammer, wodurch eine Druckwelle entsteht, die sich zur Düse hin ausbreitet. Diese akustische Druckwelle überwindet den viskosen Druckverlust in der kleinen Düse und die Oberflächenspannungskraft des Tintenmeniskus, sodass sich an der Düse ein Tintentropfen bilden kann. Ist der Tropfen gebildet, muss der Druck ausreichen, um ihn in Richtung des Aufzeichnungsmediums auszustoßen (Abbildung 2). Eine Viskosität zwischen 10 und 20 mPa·s sorgt dafür, dass sich das Fluid schnell bewegt. Im Allgemeinen liegt die Verformung eines Piezoantriebs im Submikrometerbereich. Damit das Tintenvolumen für die Tropfenbildung ausreichend verdrängt wird, ist der Piezoantrieb oft physisch deutlich größer als die Tintenöffnung. Jeder Pixel auf dem Substrat wird entweder mit Tinte bedeckt oder nicht – eine binäre Entscheidung. Der Graustufen-Tintenstrahldruck unterscheidet sich dadurch, dass der Druckkopf mehrere kleine Tropfen extrem schnell ausstoßen kann, so schnell, dass sie als ein einziger Punkt gedruckt werden. Fortschrittliche Druckköpfe haben acht Stufen – null bis sieben Tröpfchen. Das Ergebnis ist eine deutlich höhere scheinbare Auflösung bei gleicher nativer Auflösung wie im Binärbetrieb.

UV-härtende Tinten

UV-härtende Tinten und Beschichtungen werden für industrielle Anwendungen und den Außeneinsatz bevorzugt, weil sie im ausgehärteten Zustand zäh und langlebig sind. Sie bieten einen vollen Farbraum und liefern bei feiner Auflösung eine hervorragende Druckqualität. UV-härtende Formulierungen enthalten Photoinitiatoren, Monomere, Oligomere, Farbmittel und Additive. Monomere und Oligomere machen etwa 85 Prozent der Formulierung aus, Farbmittel können 10 Prozent betragen, Photoinitiatoren etwa fünf Prozent und Tenside sowie Stabilisatoren ein bis zwei Prozent.

Die UV-Belichtung bewirkt, dass die Photoinitiator-Bindungen aufbrechen und zwei freie Radikale entstehen. Diese lösen eine Kettenreaktion durch die Monomere und Oligomere aus, die zu einer weitgehenden, aber nicht vollständigen Vernetzung (Härtung) der Harze führt. Die Reaktion ist exotherm, und UV-Quellen geben zusätzlich Wärme ab. Der Temperaturanstieg kann sowohl die Haftung als auch den Härtungsgrad fördern, der zur Abrieb-, Schleif- und Kratzfestigkeit der gehärteten Flüssigkeiten beiträgt1. Eine Herausforderung bei der Formulierung UV-härtender Tinten besteht darin, die Anforderung an eine sehr niedrige Viskosität zu erfüllen und zugleich brauchbare Polymere zu bilden. Wird die Tinte jedoch samt Druckköpfen und Tintenzufuhr auf etwa 50 °C erwärmt, erhält man für piezoelektrische Druckköpfe geeignete Viskositäten, wenn auch mit deutlich höheren Kosten als bei Systemen bei Raumtemperatur.

Kompatibilität von Tinte und Kunststoffsubstrat

Bei allen Tintendruckverfahren muss die flüssige Tintenchemie (UV, Feststoffe, thermisch usw.) mit dem Kunststoffsubstrat verträglich sein, um eine ordnungsgemäße Oberflächenbenetzung zu erreichen. UV-Tinten haben typischerweise eine niedrigere Viskosität bzw. Oberflächenspannung (etwa 25 dyn/cm) als Tinten für den Tampon- oder Siebdruck. Ein wesentlicher Faktor für die Verträglichkeit von Tinte und Substrat ist, dass viele Kunststoffe chemisch inerte, nicht poröse Oberflächen mit niedriger Oberflächenenergie besitzen. Oberflächenvorbehandlungen für heutige Hochleistungs-Konstruktionskunststoffe lösen die meisten Probleme der Tintenhaftung. Als Faustregel gilt: Eine akzeptable Tintenhaftung wird erreicht, wenn die Oberflächenenergie eines Substrats (gemessen in dyn/cm) etwa 10 dyn/cm über der Oberflächenspannung der Flüssigkeit liegt. In diesem Fall benetzt die Flüssigkeit die Oberfläche vollständig und haftet auf ihr.

Die Oberflächenspannung, ein Maß für die Oberflächenenergie, ist die Eigenschaft (aufgrund molekularer Kräfte), durch die alle Flüssigkeiten ihr Volumen durch Kontraktion der Oberfläche in eine Form mit möglichst kleiner Oberfläche bringen. Je höher die Oberflächenenergie des festen Substrats im Verhältnis zur Oberflächenspannung einer Flüssigkeit, desto besser ist daher seine Benetzbarkeit und desto kleiner der Kontaktwinkel. (Ausführliche Informationen zur Oberflächenvorbehandlung finden Sie in „Plasma Surface Pretreatment of Polymers for Improved Adhesion“, Seiten 44–51 der Ausgabe April/Mai 2018 von Plastics Decorating.)

Oberflächenvorbehandlungen dienen dazu, die Oberflächenenergie zu erhöhen und die Benetzungs- und Hafteigenschaften von Polymerwerkstoffen zu verbessern. In der Industrie kommen verschiedene Oberflächenoxidationsverfahren in der Gasphase zum Einsatz, darunter Niederdruck-Kaltgasplasma (Mikrowelle/HF), elektrische Entladung (Koronabehandlung), Flammenplasma sowie spannungsfreies Atmosphärendruckplasma bei niedriger Temperatur. Jedes Verfahren ist anwendungsspezifisch und hat eigene Vorteile und mögliche Einschränkungen. Allen gemeinsam ist die Fähigkeit, „Gasplasma“ zu erzeugen – ein extrem reaktives Gas aus freien Elektronen, positiven Ionen und weiteren chemischen Spezies. Physikalisch unterscheiden sich die Mechanismen, mit denen diese Plasmen erzeugt werden, doch ihre Wirkung auf die Benetzbarkeit der Oberfläche ist ähnlich. Chemische Haftvermittler (Primer) lassen sich mitunter anstelle von Gasplasmaverfahren einsetzen.

UV-LED-Härtung

Bis vor Kurzem wurde jede Härtung mit Quecksilberdampf-Entladungslampen ausgelöst. Quecksilber hat ein sehr breites Emissionsspektrum, wobei mehr Energie als Wärme denn als UV abgegeben wird. Ein Nachteil ist der geringe Wirkungsgrad. Ein weiterer ist die Erwärmung von Tinte und Substrat, die den Einsatz der UV-Härtung in sehr vielen Anwendungen verhindert. (Quecksilberlampen erzeugen zudem Ozon in gesundheitsgefährdender Konzentration, was ein weiteres Problem darstellt.) UV-LED-Lampen (Abbildung 3) verdrängen die Quecksilberlampen inzwischen. Die UV-LED-Härtung nutzt Leuchtdioden, die ein schmales UV-Band mit einem Energiemaximum abstrahlen, typischerweise bei 400 nm, sodass der Großteil der Energie für die Photoinitiierung nutzbar ist. Ein geringer Anteil ist sichtbares Licht, aber nur sehr wenig ist Infrarot (IR).

Ein weiterer Vorteil ist, dass sie nahezu sofort ein- und ausschaltbar sind. Das verringert Stillstandzeiten sowie Energie- und Materialverschwendung, wie sie beim Hochfahren von Quecksilberlampen auf volle Leistung entstehen. Die UV-LED-Härtung hat gegenüber herkömmlichen Quecksilberdampflampen (Hg) weitere Vorteile. Die kompakten Halbleiterbauelemente sind für Betriebszeiten von über 20.000 Stunden ausgelegt, etwa zehnmal länger als UV-Lampen. Die Leistung bleibt über lange Zeit äußerst konstant. UV-LEDs emittieren reines UV ohne IR und sind damit prozessschonend für wärmeempfindliche Kunststoffsubstrate. Ohne das sehr kurzwellige Licht entsteht deutlich weniger Ozon.

Tintenstrahl-Anlagensysteme

Der Tintenstrahldruck weicht von herkömmlichen Tintendruckverfahren dadurch ab, dass für die schlüsselfertige Systemintegration Ingenieurwissen aus vielen unterschiedlichen Disziplinen erforderlich ist. Hersteller von Tampon- und Siebdruckanlagen können dagegen fast immer schlüsselfertige Systeme liefern, einschließlich Tinten, Druckverbrauchsmaterialien, Härtungsanlagen, Automatisierung und chemischer Reinigungsanlagen. Die Komponenten eines Tintenstrahlsystems umfassen Druckkopf, Ansteuerelektronik, Tinten, Hardware für Teilehandhabung und Bewegungssteuerung sowie den Härtungsstrahler. Außerdem müssen die digitalen Informationen über ein Hardware-/Software-Dateiprotokoll, einschließlich der Hauptsteuerungssoftware, an den Druckkopf übertragen werden. Kein einzelner Hersteller liefert alle genannten Komponenten für jede kundenspezifische Anwendung. Fundierte Ingenieurkenntnisse über alle Tintenstrahlkomponenten und die Kompatibilität der Einzelteile sind entscheidend für eine robuste Fertigung.

Ytterbium-Faserlaser-Beschriftungstechnologie

Laserbeschrifter mit Strahlablenkung nutzen Spiegel, die auf schnellen, computergesteuerten Galvanometern montiert sind, um den Laserstrahl über die zu beschriftende Oberfläche zu führen, ähnlich wie beim Schreiben mit Bleistift auf Papier. Je ein Galvanometer für die Y- und die X-Achse sorgt für die Strahlbewegung innerhalb des Beschriftungsfelds. Eine Planfeldlinse fokussiert das Laserlicht, um eine hohe Leistungsdichte auf der Substratoberfläche zu erreichen. Abbildung 4 zeigt ein optisches Strahlführungssystem mit computergesteuerten Galvanometern.

Reaktionsmechanismen der Laserbeschriftung von Polymeren

Die meisten Polymere besitzen ohne chemische Additive keine Absorption im nahen Infrarot (NIR) und lassen sich daher nur schwer oder gar nicht laserbeschriften. Neuartige chemische Additive können tiefschwarzen, hellen und individuellen Farbkontrast erzeugen, sowohl im laufenden Prozess (on the fly) als auch in nachgelagerten Arbeitsschritten. Transparenz, spektrale Durchlässigkeit und grundlegende physikalische Eigenschaften des Polymers bleiben unbeeinflusst.

Polymere, die sich mit Lasern beschriften lassen, absorbieren Laserlicht und wandeln es von Lichtenergie in Wärmeenergie um. Fachleute setzen Additive, Füllstoffe, Pigmente und Farbstoffe ein, um die Absorption der Laserenergie für lokale Farbumschläge zu verstärken. Entgegen der landläufigen Meinung gibt es kein einzelnes Laseradditiv, das alle Beschriftungsprobleme löst. Je nach gewünschtem Beschriftungskontrast und gewünschter Funktionalität kommen völlig unterschiedliche Formulierungschemien, Lasertypen (Faser, YAG, Vanadat) sowie Laseroptik- und Einrichtungsparameter zum Einsatz.

Laseradditive für den nahen Infrarotbereich verbessern den Kontrast, der sich durch Änderung der Laser-Prozessparameter weiter verstärken lässt. Sowohl Granulat als auch Pulver können in vorcompoundiertes Farbmaterial oder Farbkonzentrat eingemischt werden. Die Wahl des Additivs hängt von der Polymerzusammensetzung, der Substratfarbe, der gewünschten Kontrastfarbe der Beschriftung und den Zertifizierungsanforderungen für den Endeinsatz ab.

Polymere besitzen inhärente Eigenschaften, die einen dunklen oder hellen Beschriftungskontrast ermöglichen. Einige Farbmittelverbindungen mit geringen Anteilen an Titandioxid (TiO2) und Ruß können ebenfalls Laserlicht absorbieren und in manchen Fällen den Beschriftungskontrast verbessern. Jede Polymertype, selbst innerhalb derselben Polymerfamilie, kann unterschiedliche Ergebnisse liefern. Additivformulierungen dürfen weder toxisch sein noch das Erscheinungsbild oder die physikalischen bzw. funktionalen Eigenschaften der Produkte beeinträchtigen.

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 es zum thermischen Abbau des Polymers kommt (Abbildung 5 [b]). Wie dunkel oder hell die Beschriftung wird, hängt von der absorbierten Energie sowie vom materialspezifischen thermischen Abbauweg ab. Durch Optimierung der Laser-Einrichtung bleiben nur minimale Karbonisierungsrückstände an der Oberfläche zurück.

Additive, die – in die Farbmittelmatrix des Harzes eingemischt – dunklen Beschriftungskontrast erzeugen, enthalten häufig Mischungen aus antimondotiertem Zinnoxid, Antimontrioxid oder Aluminiumpartikeln. Alle lassen sich leicht in Polymeren dispergieren. Typische Dosierungen liegen bei 0,01 bis 3,0 Gewichtsprozent. Viele der fertigen Formulierungen haben eine FDA-Zulassung für den Einsatz unter den Bedingungen A–H von 21 CFR 178.3297 (Colorants for Polymers).

Eine zweite Oberflächenreaktion ist die chemische Veränderung durch Additive, die beim Abbau Dampf freisetzen und dadurch das Polymer aufschäumen (Abbildung 5 (c)). Beim Aufschäumen wird die Laserenergie von einem Additiv absorbiert, das sich in unmittelbarer Nähe des Treibmittels befindet. Die Wärme des Absorbers bewirkt den Abbau des Treibmittels, wobei Dampf frei wird. Beispiele für Treibmittel sind Aluminiumhydroxid oder verschiedene Carbonate. Um Verkohlung zu vermeiden, setzt der Mechanismus voraus, dass sich das Polymer erst bei einer höheren Temperatur zersetzt als das Treibadditiv. Durch präzise Kontrolle der Laserparameter lassen sich auf dunklen Substraten hochwertige, dauerhafte helle Beschriftungen erzeugen. Eine mangelhafte Laserkontrolle kann zu bröseligen oder kontrastarmen Beschriftungen führen, die sich leicht zerkratzen lassen (geringe Haltbarkeit). Abbildung 5(e), kürzlich entwickelt, zeigt sowohl tiefschwarzen als auch opak-weißen Kontrast in derselben Formulierung (FDA-zugelassen). Dieser Durchbruch ist ideal für transparente (amorphe) Polymere.

Drittens wird Laserenergie genutzt, um einen Farbstoff in einer Farbmittelmischung zu erhitzen bzw. abzubauen, was einen Farbumschlag bewirkt (Abbildung 5 [d]). Ein Beispiel ist eine Mischung aus Ruß und einem stabilen anorganischen Farbmittel. Beim Erhitzen wird der Ruß entfernt, und das anorganische Farbmittel bleibt zurück. Diese Mischfarbmittelsysteme hängen von der Stabilität der jeweiligen Farbmittel ab, und nicht alle Farbumschläge sind möglich.

Eine weitere spezielle Oberflächenreaktion, gezeigt in Abbildung 5 (a), integriert Laseradditive in einen mehrlagigen Schichtaufbau für einen Foto-Ausweis. Einzigartige hochauflösende Beschriftungsmerkmale, offen und verdeckt, sowie RFID bieten starken Fälschungsschutz.

Im Vergleich zu Tintendruckverfahren (Tampon-/Siebdruck und Tintenstrahl) sparen Laseradditive Kosten und können gegenüber nicht optimierten Materialien 20 Prozent und höhere Beschriftungsgeschwindigkeiten ermöglichen. Laseradditive werden als Granulat und als Pulver geliefert. Granulate lassen sich direkt mit dem Polymerharz mischen, Pulverformen werden zu Masterbatch verarbeitet. Die meisten lassen sich leicht in Polymeren dispergieren. Je nach Additiv und Polymer liegt die Dosierung (im Endteil) zwischen 0,01 und 4,0 Gewichtsprozent.

Nanosekunden-Ytterbium-Faserlasertechnologie

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 für Beschriften, Schweißen und Schneiden. Grundsätzlich unterscheiden sich Faserlaser von anderen diodengepumpten Festkörperlasern (DPSS) für die Beschriftung. Bei Faserlasern ist das aktive Medium, das den Laserstrahl erzeugt, in einem speziellen Lichtwellenleiterkabel verteilt. Im Gegensatz zu fasergeführten Lasern verläuft hier der gesamte Strahlweg bis zur Strahlführungsoptik innerhalb des Lichtwellenleiterkabels. Dieser Ganzfaser-Aufbau ist maßgeblich für die Zuverlässigkeit und Robustheit dieser Laser verantwortlich, was ihr rasantes Wachstum erklärt.

Faserlaser liefern im Vergleich zu Nd:YAG-Lasern eine überlegene Strahlqualität (M2) und Brillanz. Ein Laser mit überlegener Strahlqualität lässt sich auf einen kleinen Fokusdurchmesser bündeln, was zu einer hohen Energiedichte führt. Faserlaser mit fester und variabler Pulsdauer (MOPA, Master Oscillator Power Amplifier) mit Pulsenergien bis 1 mJ und hoher Leistungsdichte können viele historisch schwer beschriftbare Polymere markieren. Auch Vanadatlaser besitzen einen kleinen M2-Wert, mit kürzerer Pulsbreite als Faserlaser mit fester Pulsdauer und YAG-Laser. Die Pulsdauer beeinflusst das Maß an Wärme und Karbonisierung im Material. Kurze Pulse, typischerweise ‹40 ns, ermöglichen bei der Bearbeitung empfindlicher Polymerwerkstoffe einen kontrollierteren Energieeintrag. Diese Pulse haben weiterhin die Spitzenleistung, um Materialschwellen zu überwinden, aber eine geringere Pulsenergie, die lokale thermische Schäden reduziert.

Nicht alle Faserlaser mit Strahlablenkung sind gleich. Die Hard- und Softwarekomponenten, die ein Laserhersteller in seine Systeme einbaut, machen einen erheblichen Unterschied bei Beschriftungskontrast, -qualität und -geschwindigkeit. Ein zentrales Merkmal ist die Leistungsdichte (Watt/cm) auf der Beschriftungsfläche, die sich von der reinen Ausgangsleistung des Lasers unterscheidet. Der Ausgangsmodus des Laserstrahls ist für die Beschriftungsleistung entscheidend. Diese Ausgangsmodi hängen mit Faktoren wie der Strahldivergenz und der Leistungsverteilung über den Durchmesser des Laserstrahls zusammen.

Die Leistungsdichte ist eine Funktion des fokussierten Laserspotdurchmessers. Der fokussierte Spotdurchmesser hängt bei gegebener Brennweite der Linse und gegebener Laserwellenlänge von der Strahldivergenz ab, die durch die Laserkonfiguration, die Größe der modenselektierenden Blende und die Vergrößerung des Aufweiters (Strahlaufweitung) gesteuert wird. Pulsfrequenz und Spitzenleistungsdichte sind entscheidende Parameter für die Bildung der Beschriftung und das Erreichen von optimalem Kontrast und optimaler Geschwindigkeit. Eine 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.

Fazit

Digitale piezoelektrische DOD-Tintenstrahl- und Faserlasertechnologien bieten zahllose Vorteile für die Produktindividualisierung. Robuste Beschriftungs- und Drucklösungen erfordern eine präzise Abstimmung von Tinten- bzw. Laserchemie, Polymer-Oberflächenwissenschaft, Prozessdesign und Anlagentechnik. Unternehmen, die sich für günstige Standardanlagen entscheiden, scheitern häufig an der Integration robuster Systeme, weil das Prozessverständnis fehlt. Jedes Verfahren hat Vorteile und mögliche Einschränkungen. Viele Hersteller haben bereits den Wert erkannt, beide Technologien anzubieten. Ein Nebeneffekt ist die Möglichkeit, vollständig montierte Produkte am Ende der Fertigung zu bedrucken, was Kosten spart und die Bestandssteuerung verbessert.

The Sabreen Group bietet umfassende Schulungen und Trainings vor Ort zu Adhäsionsverbindungen, Plasma-Vorbehandlung und fortschrittlichen Fertigungstechniken an. Die Vorführung der Vorbehandlungsanlagen erfolgt im Haus mit realen Produktionsteilen und Echtzeit-Tests. Garantierte Ergebnisse.

Scott R. Sabreen ist Gründer und Präsident von The Sabreen Group, Inc., einem Ingenieurunternehmen, das auf sekundäre Kunststoffverarbeitung spezialisiert ist – Laserbeschriftung, Tintenstrahldruck, Oberflächenvorbehandlung, Kleben, 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 bzw. www.plasticslasermarking.com.

Literatur

• S. Sabreen, „Innovating inkjet technologies for plastics products“, Plastics Decorating magazine (Aug. 2013).
• M. Gailey, „Plastics additives allow inkless marking“, Photonics Spectra (Sept. 2013).
• S. Sabreen, „Fiber laser enables marking of advanced plastics“, Industrial Laser Solutions (Feb. 2013).

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